1953年，詹姆斯·沃森和弗朗西斯·克里克提出DNA双螺旋结构。这段历史里有一张著名的X射线照片，由英国科学家罗莎琳德·富兰克林在伦敦国王学院拍摄，后来被称为“51号照片”。一个流传甚广的说法是，富兰克林拍下了这张照片，却没有意识到它显示DNA是螺旋形的，后来沃森看了一眼就认了出来。2026年10月5日，来自美国费城科学史研究所和伦敦国王学院的两位学者在Journal of the History of Biology发表论文，Science杂志同日作了独家报道。两位学者重新梳理富兰克林的实验笔记和相机，发现她拍这张照片之前，已经从另一张照片上测出了DNA螺旋的尺寸。她当时究竟知道多少？最先提出双螺旋的为什么不是她？那个流传已久的说法，又是怎么来的？1953年初的一天，詹姆斯·沃森（James Watson）在伦敦国王学院看到了一张DNA的X射线照片。15年后，他在回忆录《双螺旋》里写道：“看到照片的那一刻，我张大了嘴，脉搏开始加速。”照片上的斑点交叉成一个X形，沃森说，这样的图案“只可能来自螺旋结构”，“仅凭目测”就能得出几个关键的螺旋参数。在看到照片的数周之后，他和弗朗西斯·克里克（Francis Crick）提出了DNA双螺旋模型。沃森看到的这张照片，是罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin）和她的研究生雷蒙德·戈斯林（Raymond Gosling）拍的。在一个流传甚广的版本里，富兰克林拍下了它，却没有意识到它揭示了DNA的螺旋结构，还把它搁在一边好几个月，转头去研究别的问题，直到沃森看到照片，图像蕴含的重大意义才得以被发掘。1979年，一本影响很大的分子生物学史写道，“图案在大喊‘螺旋’”，意思是照片上的螺旋特征再明显不过，富兰克林却对此视而不见。1955年，富兰克林在显微镜前工作。｜图源：MRC分子生物学实验室、Jenifer Glynn藏 / Wikimedia这个说法之所以能够流传，富兰克林自己的笔记也“帮了忙”。她做实验向来记录详细，每拍一张照片都会进行编号，写下样品、湿度和曝光时间，等照片冲洗出来，再在条目下面补充几行，记录拍摄效果。在她1952年的笔记里，前后条目都写得满满当当，唯独这张照片的条目下面空着，没有留下任何记录。有人据此推测，她只关心DNA的另一种形态；有人说，这张照片是碰巧拍到的；也有人说，她本来就不相信DNA是螺旋结构。几十年来说法各异，背后的判断却一样，都认为她没有意识到这张照片的重大意义。2026年10月5日，美国费城科学史研究所的科学史家阿利斯泰尔·斯庞塞尔（Alistair Sponsel）和伦敦国王学院的生物物理学荣休教授、晶体学家布赖恩·萨顿（Brian Sutton），在《生物学史杂志》（Journal of the History of Biology）发表论文，对这几行空白给出了另一种解释。论文的题目是《49号照片是理解富兰克林DNA“51号照片”历史的关键》。2025年，费城科学史研究所入藏了一套分子生物学史藏品，其中有富兰克林自己保存的一张51号照片。斯庞塞尔由此重新研究富兰克林的DNA工作，一路查到伦敦国王学院的档案馆，档案员建议他去找萨顿。萨顿多年来一直关注前辈们在国王学院做的DNA晶体学研究，常陪访客参观档案馆。他说，大家最想看的总是51号照片的原始玻璃底片。一位科学史家，一位晶体学家，两人发现彼此看这张照片的角度不同，便一起查阅了散在费城、剑桥和伦敦多地的实验笔记与手稿，还检查了富兰克林当年用过的那台X射线相机。论文发表当天，Science新闻编辑蒂姆·阿彭策勒（Tim Appenzeller）以独家报道介绍了这项研究，标题是《富兰克林怎么会错过她那张标志性DNA照片里的螺旋？她没有错过》，并采访了几位研究DNA科学史的学者。斯庞塞尔对Science说，他们想解释的，是富兰克林当时拍下这张照片、随后又似乎不理会它的真实动机，“我们想从她的视角去理解这些事”。1951年，富兰克林从巴黎来到伦敦国王学院。在巴黎，她用X射线研究煤的结构；到了这里，她的研究对象换成了DNA。那时人们已经知道，DNA是由糖和磷酸交替相连构成的骨架，以及A、T、C、G四种碱基组成。1944年，美国微生物学家奥斯瓦尔德·艾弗里（Oswald Avery）等人还发现，DNA能把无害的肺炎链球菌变成致病菌株，提示它可能携带遗传信息。可DNA是不是所有生物的遗传物质，还远没有定论，而这些结构单元如何组装在一起，DNA分子又如何实现自我复制，更没有人知道。富兰克林和戈斯林用一台小型X射线相机给DNA拍照，每完成一次拍摄便按序编号。到1952年，这套记录一共编到了78号。这台相机是个比拳头大一点的黄铜装置。实验时，研究人员从浓稠的DNA溶液里拉出一根细丝，用胶将其固定在相机前端的小孔上，再用细细的X射线束对着它一照就是几个小时甚至几天。X射线穿过细丝，被分子内部规则排列的原子散射，散射开的射线相互叠加，在后面的胶片上留下一组斑点。斑点的位置和间距，对应着分子内部重复结构的尺寸。在这类纤维照片上，螺旋形的分子会留下X形的交叉图案。富兰克林和戈斯林使用的相机，拆开后可见中间带圆孔的片夹；旁边的胶片与衬纸来自威尔金斯1953年的相关实验。｜图源：Alistair Sponsel / 伦敦国王学院藏在富兰克林之前，英国物理学家威廉·阿斯特伯里（William Astbury）与合作者弗洛伦丝·贝尔（Florence Bell）在20世纪30年代末就拍过DNA的X射线照片，他们认为DNA里的碱基一层层叠着，每层相隔3.4埃（1埃是0.1纳米）。但那时的样品里混着两种形态的DNA，照片模糊，谁也解不出完整的分子结构。富兰克林设计了一套方法：让通进相机的氢气先穿过配好的盐溶液，借此调节DNA细丝周围的水汽。通过改变湿度，就能让DNA在两种构象之间进行转换。湿度较低时，分子排列规整，照片上斑点密密麻麻，这一构象后来被称为A型；湿度升高后，图案则会简单得多，被称为B型构象。前人照片里混在一起的两种形态，就这样被她清楚地区分开来。1952年2月初拍下的第42张，是他们最好的一张A型照片。但B型却不好拍，要得到B型，通常需要把湿度调高，可细丝吸饱了水，容易松弛弯曲，拍出的图案也跟着变差。到了三四月间，有几份样品放在75%的湿度下长时间曝光，按照预期，样品应该保持A型，实际却变成了B型，而且此后再也没有转变回去。富兰克林把这一现象记在了笔记里。这样的样品不必再泡在高湿度环境里，DNA细丝能绷得笔直，拍出的B型图案格外清晰。第49号照片用的就是这样一份样品。拍摄工作自1952年4月29日开始，5月2日上午完成冲洗，得到了他们见过的最清晰的B型图案。可惜相机里压住胶片的金属片夹歪了，使图案偏到一边，上方的一道衍射弧几乎完全被挡在外面，所幸下方与它对称的那一道还在。49号照片的玻璃负片，右上角标有“49B”，上方3.4埃的衍射弧几乎被片夹遮去。｜图源：伦敦国王学院档案馆当天，富兰克林和戈斯林就把底片投影到一张白卡纸上放大，一组组量出斑点之间的距离。她在实验笔记里另起几页记录，标题是“投影粗测”，日期正是5月2日。如果把DNA想象成一座螺旋楼梯，楼梯每转一圈，会升高一段固定的高度，每一级台阶也有固定的高度。照片上，斑点沿着细丝方向一层层排成横线，根据横线的间距，便能算出这座“楼梯”转一圈有多高；而照片上的那道弧，则对应每一级“台阶”的高度，也就是碱基一层层叠起来的间距。富兰克林测量结果显示：螺旋每圈高度约34埃，每级台阶高度为3.4埃，前者正好是后者的十倍。而那道3.4埃的弧，也恰好落在第十层横线的位置上。如果DNA是螺旋结构，那么它每转一圈，就有十层碱基。后来沃森和克里克的双螺旋模型，用的正是每圈34埃、每圈十层这两个关键参数。斯庞塞尔和萨顿指出，这两个参数最早出自富兰克林对第49号照片的分析，只是很少有人知道。在探讨每圈有几层碱基时，富兰克林在笔记里写的是“每圈螺旋（如果存在螺旋）”。也就是说，螺旋已经是她分析图案的前提。而且这几页分析，比她为此前任何一张DNA照片写下的都长。第49号的数据已经够用，但由于其中一道弧线被遮挡，让它算不上一张完整的照片。当天晚上，富兰克林在笔记里写下了第51号照片的拍摄安排（中间的第50号，是当日白天给一份新样品拍的短时测试）。样品还是那一份，装置和75%的相对湿度也都不变，唯一的改动是把片夹对准中心，“以便把两道3.4埃的弧都拍进来”。照片还没拍，但计划拍到什么已经写进了笔记，这在她的DNA笔记里还是第一次。当晚19点30分，曝光开始。5月6日下午，曝光结束，前后累计62个小时。冲洗出来的第51号照片，图案端端正正，上下两道弧都在。富兰克林留存的51号照片，上下两道弧都进入了画面；此处为照片印本，与前面49号负片的黑白相反。｜图源：富兰克林、戈斯林 / 科学史研究所藏在斯庞塞尔和萨顿看来，第51号照片冲出来的成像效果和预想的一样，所以她没有必要再写一遍，对应条目下面那几行也就空着了。他们认为，第49号是一次实验，而第51号算不上独立的一次新实验，它是把已经得到的结果，重新拍成一张适合发表的照片。富兰克林肯为它安排一场前后跨越4天的拍摄，本身就说明她看重这张图案。牛津大学的晶体学家埃尔斯佩思·加曼（Elspeth Garman）对Science说，富兰克林是“实验上的完美主义者”，“如果我取得了一个重大结果，我也会这么做。”斯庞塞尔和萨顿在论文开头回应说，螺旋的特征之所以在第51号照片上显得这样清楚，正是因为富兰克林有意要拍出这样一张照片。斯庞塞尔说，常有人问他们：“她为什么不在拍下51号的那一刻就放下一切，把它发表出来？”既然富兰克林1952年5月就测出了螺旋的尺寸，那最先提出双螺旋的，为什么是沃森和克里克？富兰克林所在的伦敦国王学院生物物理研究组，由约翰·兰德尔（John Randall）领导，副手是莫里斯·威尔金斯（Maurice Wilkins）。众所周知，她和威尔金斯性格不合，研究思路也不同，为此兰德尔只好把DNA的工作分开，富兰克林主攻A型，威尔金斯主攻B型。A型照片斑点多、数据多，可以用一种叫帕特森函数的数学方法，从斑点的位置和强度直接推算分子里原子之间的距离，不必先去猜结构；而B型照片的斑点太少，难以用同样的方法做细致的定量计算。对物理化学家富兰克林来说，先攻A型顺理成章。1952年2月，她在一份年度报告中明确了研究规划，即先弄清A、B两型之间怎样相互转换，再从A型入手做定量计算。第49号和第51号照片正是第一阶段工作的成果，手里有了两种形态最好的照片，她便按计划转向了A型。七十多年后，晶体学家萨顿对Science说：“我是晶体学家，我想要数据丰富的照片。一张只有六个斑点的照片，我做不了多少事。”可A型的数据实在太复杂，1952年年中，富兰克林一度认为A型不是螺旋，还和戈斯林一同写了一则玩笑式讣告，宣布“晶体DNA螺旋”的死亡。沃森后来在书里把她对A型的怀疑，渲染成了“反螺旋”的立场。但她怀疑的其实只是A型，斯庞塞尔和萨顿指出，从拍下第49号照片那天起，她便始终按螺旋的视角来解读B型图案的。就在富兰克林埋头计算A型的时候，剑桥大学卡文迪什实验室的沃森和克里克走着另一条路。在这项研究里，他们不做X射线实验，而是根据零散的线索搭分子模型，不对就拆了重来。1953年初，卡文迪什实验室收到美国著名化学家莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）的一份稿件，鲍林宣称已经解出了DNA的结构，可文稿中却存在基本的错误。卡文迪什实验室主任劳伦斯·布拉格（Lawrence Bragg）与鲍林较劲已久，借此鼓励沃森和克里克重启模型搭建工作。沃森带着鲍林这份存在错误的文稿去了一趟国王学院，也正是这一次，威尔金斯向他出示了第51号照片。这张照片之所以会在威尔金斯手里，是因为富兰克林这时即将调往伦敦的伯贝克学院，按要求需要把DNA相关研究留在国王学院。戈斯林留下来，改由威尔金斯指导。据斯庞塞尔和萨顿对史料的梳理，是富兰克林让戈斯林把照片交给威尔金斯的。不过，科学史家马修·科布（Matthew Cobb）和纳撒尼尔·康福特（Nathaniel Comfort）曾于2023年在Nature上撰文指出，单凭一张照片推不出精确的结构，这张照片对沃森与克里克后续的研究进展作用不大，对他们帮助更大的是此后不久读到的一份国王学院内部报告。报告里有富兰克林的测量数据，还写到A型晶体的一种对称性，克里克恰好对此十分熟悉，由此推断出DNA里应有偶数条方向相反的链。富兰克林虽然测出了这种对称性特征，却并未领会其背后的含义。据她后来在伯贝克学院的同事亚伦·克卢格（Aaron Klug）回忆，富兰克林曾坦言，自己“真想踢自己一脚”。在前后大约六周的时间里，沃森和克里克一边做化学计算，一边摆弄纸板做的模型，反复试错。科布和康福特的结论是，两人靠自己的反复尝试得出了DNA结构，再借助国王学院的数据加以验证，只是用这些数据之前，他们并没有征得对方的同意。也是在1953年2月，富兰克林重新将目光投向 B 型 DNA。她在笔记里讨论B型是否是两条链的螺旋，并又重新测算了第51号照片。这时她已经接受A型很可能也是双链螺旋，并且意识到碱基在链上的排布方式不会改变分子整体构架，因而碱基序列可以千变万化。她在笔记里写道，“可能存在无穷多种核苷酸序列，来解释DNA的生物学特异性”。但她还没有找到碱基互补配对的规则，也就是A只和T配、C只和G配，也没有意识到两条链方向相反。科布和康福特指出，她当时用的碱基化学结构本身就不对，而沃森和克里克直到研究的最后阶段也是如此；她身边也缺少一位能平等交换想法的同行，难以像沃森和克里克那样，通过与其他研究者的日常讨论和资料往来，获得新的研究思路和尚未发表的研究结果。用他们的话说，“她没来得及迈出最后几步，因为沃森和克里克先得出了答案。”1953年4月25日，Nature在同一期发表三篇关于DNA结构的论文。打头的是沃森和克里克的短文，提出DNA由两条方向相反的链缠绕而成，链内侧的碱基两两配对，只要知道一条链的碱基顺序，就能推出另一条链的序列。文末有一句话后来常被引用：“我们并非没有注意到，我们所假定的这种特定配对，立刻提示了遗传物质一种可能的复制机制。”该模型给出的每圈高度34埃、包含十层的参数，和富兰克林从第49号照片上测出的一样，只是每一层成了来自两条链的一对碱基。沃森和克里克DNA模型的1977年重建件，包含部分1953年使用的金属片。｜图源：The Board of Trustees of the Science Museum紧接着刊出的，是威尔金斯等人的论文，以及富兰克林与戈斯林的论文。富兰克林和戈斯林在文中写道，B型的图案具有螺旋结构的特征，该结构很可能由两条共轴的链组成，同时提示，单凭X射线证据还不能直接证明它是螺旋结构。这篇论文的插图，就是第51号照片，这也是这张照片的首次公开发表。交稿之前，富兰克林安排把底片复制到一块玻璃片上，玻璃上又贴了遮光胶带，围出一个更小的圆形边框，让图案正好落在正中。按斯庞塞尔和萨顿的解释，近一年前那次的重拍，追求的正是这样一张能拿出来发表的照片。加州大学洛杉矶分校的科学史家索拉娅·德沙达雷维安（Soraya de Chadarevian）说：“它是螺旋这件事，你知道，并不是这个结构最激动人心的地方。”Science的报道也写明，新研究无意挑战沃森和克里克的成就。值得注意的是，沃森和克里克当年在论文里写道，他们受到了国王学院“未发表的实验结果和想法”的启发；1954年，他们在一篇完整描述DNA结构的论文里加了一条脚注，说明论文中关于X射线实验结果的相关信息，是威尔金斯和富兰克林在发表之前告诉他们的，他们为此极大地受惠于国王学院研究组，“没有这些数据，构建出我们的结构即便不是不可能，也是几乎不可能的”。同一条脚注也写明，他们并不知道国王学院X射线照片的细节，该结构主要是靠大量模型搭建工作推导出来的。1953年5月，《时代》周刊的一位伦敦记者写了一篇稿子，将这项发现描述成“两个团队”的合作，富兰克林和威尔金斯开展X射线实验，沃森和克里克负责理论研究，双方成果彼此印证，也时常为同一个问题角力，不过这篇稿子最终没有发表。一个月后，在英国皇家学会的年度展示会上，最早公开展示双螺旋的展品之中，有一件是由三篇论文的作者共同署名的。令人惋惜的是，富兰克林于1958年因卵巢癌去世，年仅37岁。四年后，沃森、克里克和威尔金斯共同获得了诺贝尔生理学或医学奖。1968年，沃森的回忆录《双螺旋》出版，很快成了畅销书。书中，他把看到照片的那一刻写成一次一眼洞悉真相的顿悟，而书里的富兰克林，要么像一台只会测量的机器，要么被刻画成情绪失控、容不得别人帮她解读数据的形象。Science的报道评价，这本书给了沃森“按自己的方式讲述这个故事”的机会。同样在1968年，富兰克林的朋友克卢格找到了她1951年和1952年的实验笔记，想弄清她当年究竟知道些什么。有了这些笔记，所有照片的日期都能排出来。人们这才知道，那张著名的照片在她的笔记里编号51，拍于1952年5月，比沃森看到它的时间早了大约九个月。1952年5月2日分析49号照片的笔记：左页记有33至34埃等计算，右页写着“每圈螺旋（如果存在螺旋）”。｜图源：Rosalind Franklin / Churchill Archives Centre、Wellcome Collection威尔金斯得知后，称这是“真正的悲剧”。在他看来，正是富兰克林这一年都把照片留在自己手里，才让沃森和克里克跑在了国王学院前面。1970年，他接受传记作者采访时说：“我看着那张B型照片，它就在那儿，从照片上就能看见螺旋，可她断然拒绝看见它。”1979年，记者出身的科学史作家霍勒斯·贾德森（Horace Judson）在《创世第八天》里写下了“图案在大喊‘螺旋’”。贾德森虽然读到过第49号照片的相关记录，也注意到拍摄第51号时片夹经过校准、对位更加精准，但他的结论却是，富兰克林对第49号只是“简短而试探性地想了想”，而后“就停在了那里”。在斯庞塞尔和萨顿看来，这个说法能流传半个多世纪，和人们怎样看待照片有关。所谓图案在“大喊螺旋”，就好像照片的信息是自动呈现在富兰克林眼前的，拍摄者本人的思考与付出被淡化。与富兰克林同时代的晶体学家贝尔纳（J. D. Bernal）在悼文里写道，她拍摄的照片跻身“有史以来所有物质最美的X射线照片之列”，也称赞她“看似毫不费力的技巧”。贝尔纳同样肯定了她分析复杂结构的成就，但两位学者提醒，后来人们称赞富兰克林，常常只停在“技术精湛”这一层，这延续了女性科研工作者的贡献常被看作例行劳动的旧传统。在他们看来，拍出一张有科学价值的照片，首先要知道该拍哪一份样品、为什么拍，这本身就需要深厚的专业知识积累和科学判断力。2023年，科布和康福特在Nature上撰文，认为富兰克林是破解DNA结构的四位核心研究者中地位平等的一员。。但在一些细节上，他们和斯庞塞尔、萨顿的看法并不一样。科布和康福特认为，富兰克林当时把B型看作湿度过高造成的干扰；而斯庞塞尔和萨顿则认为，她专门重拍第51号照片，恰恰说明她看重B型。康福特读过这项新研究后对Science说，它有力地反驳了那些暗示“富兰克林不知道自己手里有什么”，或者“沃森看到了她和戈斯林没看到的信息”的说法。在讲述里，一项重大发现常常被压缩成某个天才面对一张照片的瞬间灵感。但档案里留下的，却是一份变成B型后再没变回去的样品，一个歪了的片夹，几页从投影上量出来的数字，一张专门重拍的照片，还有剑桥实验室那几个星期的纸板模型和反复试错。双螺旋结构的发现，也正是由这些测量、计算、猜想和纠错一点点拼凑而成的。斯庞塞尔和萨顿在论文最后写道，富兰克林拍下第51号照片，是要让它成为DNA螺旋结构的证据，成为她实验技术的证据，也成为她本人科学判断力的证据。[1] Sponsel, A., & Sutton, B. (2026). Photograph 49 is the Key to Understanding the History of Rosalind Franklin’s DNA Photograph 51. Journal of the History of Biology. https://link.springer.com/article/10.1007/s10739-026-09866-7[2] Franklin, R. (1951–1953). Research on DNA. Papers of Rosalind Franklin, FRKN 1/1, Churchill Archives Centre. Wellcome Collection. https://wellcomecollection.org/works/uus54sbp[3] Science History Institute (2026). New Research Challenges Misconceptions about Rosalind Franklin’s Famed ‘Photo 51’ and the Discovery of DNA’s Double Helix. Science History Institute. https://www.sciencehistory.org/about/news/new-research-challenges-misconceptions-about-photo-51/[4] Appenzeller, T. (2026). Exclusive: How did Rosalind Franklin miss the helix in her iconic DNA image? She didn’t. Science. https://www.science.org/content/article/how-did-rosalind-franklin-miss-helix-her-iconic-dna-image-she-didn-t[5] Cobb, M., & Comfort, N. (2023). What Rosalind Franklin truly contributed to the discovery of DNA’s structure. Nature, 616, 657–660. https://www.nature.com/articles/d41586-023-01313-5[6] Watson, J. D., & Crick, F. H. C. (1953). Molecular Structure of Nucleic Acids: A Structure for Deoxyribose Nucleic Acid. Nature, 171, 737–738. https://www.nature.com/articles/171737a0[7] Franklin, R. E., & Gosling, R. G. (1953). Molecular Configuration in Sodium Thymonucleate. Nature, 171, 740–741. https://www.nature.com/articles/171740a0[8] Crick, F. H. C., & Watson, J. D. (1954). The complementary structure of deoxyribonucleic acid. Proceedings of the Royal Society of London. Series A. Mathematical and Physical Sciences, 223, 80–96. https://doi.org/10.1098/rspa.1954.0101[9] Bernal, J. D. (1958). Dr. Rosalind E. Franklin. Nature, 182, 154. https://doi.org/10.1038/182154a0特 别 提 示
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木木约 18 分钟