罗莎琳德·富兰克林

引言

罗莎琳德·埃尔西·富兰克林是二十世纪最具天赋、最一丝不苟的科学家之一。这位英国化学家兼X射线晶体学家以其精益求精的实验工作,为现代若干具有决定性意义的科学发现作出了直接而根本的贡献。她于1920年出生在伦敦一个显赫的犹太家庭,该家族在公共事务与知识生活中有着深厚渊源。富兰克林自幼便展现出非凡才能,并在女性的职业机会因习俗、制度偏见与社会期待而受到严重限制的年代投身科学事业。她克服这些障碍,靠的不是妥协,而是其工作本身卓越的品质——从煤与碳的物理化学,到病毒的分子构造乃至生命本身的遗传物质,她在诸多领域都做出了精确而深刻的研究。

今天,富兰克林最为人所知的是她在发现DNA双螺旋结构中所起的作用,而DNA这一分子编码了地球上几乎所有生物体的遗传信息。她拍摄的DNA X射线衍射照片,尤其是著名的51号照片,提供了该分子呈螺旋构型的关键证据,并给出了精确的测量数据,使詹姆斯·沃森与弗朗西斯·克里克得以在1953年构建出他们著名的模型。这一发现在《自然》杂志上以一组论文的形式公布,并于1962年获诺贝尔生理学或医学奖的肯定,它改变了生物学、医学以及人类对遗传的理解。然而,诺贝尔奖的表彰名单中却没有富兰克林的名字。她已于四年前,即1958年,因卵巢癌去世,年仅三十七岁,而诺贝尔奖不追授给已故者。沃森与克里克在她不知情且未得到恰当致谢的情况下获取其数据的方式,在数十年间一直是深重争议的根源。

罗莎琳德·富兰克林一生的完整故事,远比DNA这一段插曲所能涵盖的更为丰富,也更具影响。在英国煤炭利用研究协会,以及后来在巴黎的国家化学服务中央实验室,她在碳与石墨的微观结构方面做出了开创性工作,具有持久的工业与科学价值。在离开国王学院后,她在伦敦伯贝克学院领导一个研究小组,为理解烟草花叶病毒及其他植物病毒作出了根本性贡献,这项工作在她生前便为她赢得国际声誉,而她的一些同事甚至认为其重要性超过她的DNA研究。贯穿这一切的,是她罕见地兼具精湛的技术造诣、严谨的理智与审美上的精确,这使她拍摄的X射线照片跻身有史以来最清晰、信息量最丰富之列。

富兰克林的故事也成为后世审视二十世纪中叶科学界系统性不公的一面透镜,尤其是那些试图以专业研究者为业的女性所面临的重重阻碍。她所处的环境常常把女性视为边缘人物,国王学院不允许她进入公共休息室,最终还在未经她同意的情况下将她最重要的未发表成果展示给竞争对手。她身后数十年间由学者与科学家发起的名誉重建,使她成为科学史以及学术与职业生活中性别平等这一更广泛运动中的标志性人物。她的面容出现在邮票上,她的名字被用于建筑物、研究基金和航天器。学校里研究她,戏剧和电影中颂扬她,曾经轻视她贡献的机构如今向她致敬。

本文梳理罗莎琳德·富兰克林一生与工作的完整轨迹:从她在诺丁山的早年时光,到她在剑桥的求学,到她在巴黎和伦敦的研究,到她的疾病与早逝,再到她身后认可被剥夺又最终恢复的复杂历程。本文力求将她置于其时代的科学与社会脉络之中,同时对那些构成其永恒遗产的非凡智识成就给予应有的评价。

早年生活与教育

罗莎琳德·埃尔西·富兰克林于1920年7月25日出生在伦敦诺丁山的彭布里奇花园,是埃利斯·阿瑟·富兰克林与缪丽尔·弗朗西丝·韦利五个孩子中的第二个。她的家族属于一个声望卓著的英国犹太社群,世代出过银行家、学者、慈善家和社群领袖。她的舅公是赫伯特·塞缪尔,第一代塞缪尔子爵,也是第一位在英国内阁任职的恪守教规的犹太人。她的父亲埃利斯是A. Keyser公司商业银行的合伙人,并在伦敦的工人学院担任导师,体现了这个家族跨越阶级界限、参与社会事务并致力于教育的传统。她的母亲缪丽尔是一位才干出众的女性,她抚养五个孩子,同时积极投身慈善与社会事业。罗莎琳德所出生的这个家庭充满智识活力,具有政治意识,并深刻意识到自己对更广大社群负有责任。

从最早的年岁起,罗莎琳德·富兰克林就以思维的清晰与精确而与众不同。家人形容她是一个无法容忍含糊或不精确的孩子,她提出尖锐的问题并要求审慎的回答,对待一切任务都有一种近乎完美主义的彻底。她在体能上也勇于冒险、独立自主,这些特点同样贯穿了她成年后的个性。她喜爱徒步,尤其是在山间;她在童年时期便培养出一种专注的激烈与自立精神,这在二十世纪中叶英国科学界那种高度社交化、政治上又错综复杂的环境中,既常常对她有益,有时也令她处境尴尬。

富兰克林在苏塞克斯的林多尔斯学校开始正规教育,后来就读于北伦敦学院学校,这是英格兰顶尖的女子学术学校之一。该校有着为年轻女性进入大学学习与专业生活作准备的深厚传统,并在数学与自然科学方面保持高标准。富兰克林在这样的环境中如鱼得水。她的学业成绩始终名列前茅,很早就在化学、物理和数学上显露出特殊的天赋。她的父亲虽为她的才能感到骄傲,起初却对她从事科学事业有所保留,部分是因为他认为女性应当把精力投向社会服务,部分是因为他怀疑女科学家能获得多少职业机会。这些保留意见在家庭内部造成了一些紧张,但罗莎琳德从十几岁起对科学的投入就已坚定不移。

1938年,十八岁的富兰克林获得奖学金进入剑桥大学纽纳姆学院,这是剑桥大学两所女子学院之一。这份奖学金是一项重大成就,既体现了她的学业卓越,也反映出战前英国大学录取的激烈竞争。1938年秋,她来到剑桥攻读自然科学,这一课程体系将引导她在本科阶段学习化学、物理和数学,之后才在荣誉学位阶段进行专业化。

二十世纪三十年代末的剑桥是一所智识活力非凡却也深植社会保守主义的学府。自十九世纪起,女性便获准进入纽纳姆与格顿这两所女子学院,她们可以听课、参加考试,但直到1948年才获得剑桥大学的正式成员资格或有权领取剑桥学位。她们处于一种反常的位置:做着与男学生相同的功课,参加相同的考试,许多情况下取得更优异的成绩,却在形式上从属于一个并不完全承认其学术地位的体制。富兰克林以其一贯的直率与沉着来应对这种环境。她不是那种会把大量精力花在哀叹自己无法立即改变的不公之上的人,她宁愿集中精力,在既有的种种限制之内把工作做到最好。

在纽纳姆学院,富兰克林攻读自然科学,专攻化学、物理和数学。她被证明是一名出色的学生,结下了持久的友谊,并培养出日后成为其科学声誉基石的实验室技能。她尤其被化学中涉及物理与结构的方面所吸引,也就是原子和分子的排列方式如何决定材料的性质。这一兴趣自始至终指引着她的研究生涯。

富兰克林于1941年春在剑桥参加了毕业考试,当时正值第二次世界大战初期,男学生与教职员工应征入伍、普遍的战时动荡扰乱了大学的生活。她在自然科学荣誉学位考试第二部分获得二等荣誉学位,一些同时代人认为这一结果低于她的能力所应得。由于女性当时还不是大学的正式成员,她此时并未获得正式的剑桥学位,不过这一成绩使她有资格继续深造。她后来在1947年剑桥终于修改规则时正式被授予学位。

剑桥大学与化学

罗莎琳德·富兰克林在本科考试之后留在剑桥开始研究生研究。她最初得到纽纳姆学院研究奖学金的资助,并在物理化学家罗纳德·诺里什的实验室开始工作;诺里什后来于1967年获得诺贝尔化学奖。富兰克林与诺里什之间的关系并不融洽。诺里什性格难以相处,以专横的态度和动辄轻视初级研究人员想法的倾向而闻名,富兰克林觉得他的指导毫无帮助,有时甚至不屑一顾。她不是一个容易接受智识上居高临下态度的人,两人之间的摩擦是真实存在的,不过这并未使她偏离自己的科学目标。

富兰克林在诺里什实验室的时间很短。大约一年后,她离开了剑桥的研究生研究,这一决定部分是出于对导师的不满,部分是因为她觉得战时的当下工作既有现实的紧迫性,也有科学上的机遇。1942年,她加入了英国煤炭利用研究协会(简称BCURA),这是一个致力于煤与碳材料科学研究、以支持英国战争努力和英国工业长期需求的机构。这一决定在科学上具有塑造性。它使她接触到含碳材料细致的物理化学,并促使她形成严苛的实验习惯与精密的分析方法,这些特点贯穿了她此后全部的研究。

在BCURA,富兰克林研究煤的物理化学,考察各类煤的分子结构与其物理化学性质之间的关系。在二十世纪中叶的英国,煤是极其重要的工业原料,既是燃料,也是化工原料的来源,因此理解其微观结构具有重大的实际意义。富兰克林为这项工作带来了严谨的实验方法和精确测量的天赋。她通过测定各种气体被煤样吸收的情况,发展出表征不同煤种孔隙度的方法,这项工作需要对实验条件的细致关注和一丝不苟的记录。她的研究表明,按煤阶(即地质转化程度)分类的不同煤种具有系统性不同的孔隙结构,而这些结构差异决定了诸如各种煤作为燃料的有效程度或转化为焦炭的能力等重要性质。

富兰克林在BCURA所做的工作构成了她在剑桥的博士论文基础。尽管她已离开剑桥前往BCURA,她仍保持与该校的隶属关系,并于1945年提交研究成果申请哲学博士学位。她的论文题为《固体有机胶体的物理化学,特别涉及煤及相关材料》,获得通过,剑桥大学授予她博士学位。这篇论文堪称实验精确性与审慎推理的典范。它在她职业生涯之初便确立了她作为一位严谨细致的物理化学家的声誉,其所依据的工作是在战时艰难条件下,凭着真正的投入与创造力完成的。

煤的研究还具有富兰克林本人所认识到的更广泛的智识意义。煤及相关碳材料在化学中占据一个有趣的位置,因为它们是无定形或结晶性差的固体,其结构无法轻易用常规晶体学方法确定。研究这些材料使富兰克林直接体验到研究无序或部分有序体系的挑战,而这些挑战在她后来的DNA研究中再次出现。这也使她敏锐地认识到衍射技术的局限与可能性,这种批判性的视角将影响她在国王学院从事X射线晶体学的方式。

巴黎的煤炭研究

1947年,完成博士工作之后,罗莎琳德·富兰克林获得巴黎国家化学服务中央实验室的研究助理职位,该机构缩写为LCSCS,有时也简称为巴黎实验室。她在那里度过了极其富有成果的三年,从1947年到1950年,熟识她的人都认为巴黎时期是她一生中最快乐、最充实的时期之一。实验室由雅克·梅林主持,他是一位颇负盛名的晶体学家,专攻黏土矿物与层状硅酸盐的X射线衍射研究。梅林立刻认识到富兰克林的才能,成为她最重要的科学导师,把界定她此后职业生涯的X射线晶体学技术与理论框架引介给她。

巴黎实验室的环境充满同事情谊,智识上富有启发,并且不存在富兰克林在英国所经历的许多社会约束。她的法国同事把她当作完全平等的科学家对待,根据工作本身的价值来评价她,并认真地、毫无屈尊之意地回应她的想法。她很快在专业与社交两方面都能流利使用法语,并与若干法国科学家及非科学界人士建立了亲密友谊。她深爱巴黎,觉得这座城市的文化生活、咖啡馆、画廊,以及周边可供徒步的群山,都与她的性情极为契合。她在晚年常说,巴黎的岁月是她成年生活中个人最感满足的时光之一。

在科学上,富兰克林在巴黎的煤与碳研究取得了重大进展。她在BCURA博士工作的基础上,运用X射线衍射技术研究各种碳材料的结构,包括石墨以及介于无定形煤与完美结晶石墨之间的各种部分有序碳的形态。在梅林的指导下,她掌握了来自层状与部分有序材料的衍射图样的数学分析,发展出从比良好结晶化合物所产生的图样复杂得多、弥散得多的图样中提取结构信息的方法。

她在这一时期最重要的贡献,是发现碳可以根据其在高温加热时的行为分为两个基本类别。某些碳在经受约三千摄氏度的石墨化温度时,会重排其原子结构形成有序良好的石墨。另一些碳尽管经过相同的热处理,却无法石墨化,而保持一种乱层的、即部分无序的结构。富兰克林指出,可石墨化碳与不可石墨化碳之间的这一区别,取决于原始碳前驱体材料的分子结构。可石墨化碳来源于这样一类前驱体:其中的大芳香烃分子能够彼此相对移动并自行排列对齐;而不可石墨化碳则形成刚性的交联网络,阻止了这种重排。这一发现发表于《晶体学报》及其他科学期刊上的一系列论文中,对碳科学界具有根本重要性,七十多年来一直是该领域的奠基性贡献。

富兰克林对石墨本身的理解也作出了重要贡献。她用X射线衍射研究石墨的层间距与有序度,并说明不同加工条件如何影响这些结构参数。她成为世界上碳结构方面的顶尖专家之一,而这一声誉完全建立在她实验工作的品质和她从复杂衍射图样中提取精确定量信息的能力之上。她为分析无序体系衍射数据而发展的技术确有创新性,并为该领域其他研究者所采用。

在巴黎的岁月也深刻影响了她的个性与科学风格。巴黎实验室那种协作而在智识上开放的氛围,坚定了她的一个信念:科学最好是在相互尊重和真诚交流思想的环境中进行的。1950年她回到英国时,已经体验过这样的环境可以是什么样子,并对自己希望作为科学家被如何对待有着明确的期望。事实证明,这些期望在伦敦国王学院难以实现。

X射线晶体学技术

要理解罗莎琳德·富兰克林对DNA研究的贡献,必须了解X射线晶体学这一技术以及她在其中所达到的特殊造诣。X射线晶体学是一种通过分析X射线束被晶体或半晶体材料中的原子衍射所产生的图样,来测定分子三维结构的方法。当X射线穿过晶体时,它们被每个原子周围的电子以特征性的图样散射,这些图样反映了原子在空间中的排列。通过将这些衍射图样记录在照相胶片上,或在现代实践中记录在电子探测器上,并运用源自波干涉物理学的框架进行数学分析,晶体学家可以从图样反推出分子中原子的位置。

这项技术由威廉·亨利·布拉格及其子威廉·劳伦斯·布拉格在二十世纪初发展而成,两人因其开创性工作共同获得1915年诺贝尔物理学奖。到了二十世纪四五十年代,它已成为测定复杂生物分子(包括蛋白质和核酸)结构的首选方法。生物大分子的结构分析远比简单无机晶体的分析更具挑战性,因为这些分子体积大且复杂,其晶体往往不完美,或需要精确的水合条件才能维持其生物学结构,而它们产生的衍射图样也相应复杂。成功不仅需要理论知识与计算能力,还需要极高程度的实验细致。

富兰克林是一位技术能力卓绝的X射线晶体学家。她拍摄高质量X射线衍射照片的能力得到同时代人的广泛承认,即使是并不欣赏她的人,也认可她拍摄的DNA纤维图像清晰度非凡。这种优异并非仅仅源于天赋,而是来自多年对技术、对样品精确制备、对仪器精准校准,以及对包括湿度在内的实验条件的严格控制的细心关注——湿度在DNA研究中至关重要,因为该分子的结构会随其吸水量而改变。

在国王学院,富兰克林使用实验室现有的设备,但她对其作了系统性改进,并发展出自己的样品制备方法,使她能够拍摄出此前从未达到过的DNA图像质量。她在控制DNA纤维周围的湿度环境方面一丝不苟,很早就认识到DNA在不同湿度水平下会呈现不同的结构形态。她识别并细致表征了DNA的两种不同形态,她称之为A型和B型。A型在低湿度条件下产生,给出复杂的衍射图样,从中可以相当精确地提取结构参数。B型在较高湿度下产生,给出更简单、更引人注目的图样,这是螺旋结构的特征。富兰克林极为细心地拍摄了这两种形态,并从A型数据中提取出一组关于晶胞尺寸及其他结构参数的精确测量值,这些对于推断分子构造至关重要。

被称为51号照片的那张照片,由富兰克林和她的研究生雷蒙德·戈斯林于1952年5月拍摄,是DNA B型的图像。它以前所未有的清晰度展示了螺旋分子特有的X形衍射图样。该图样不仅包含关于分子螺旋性质的信息,还包含关于螺旋精确几何构型的信息,包括螺距、分子直径以及相继重复单元之间的间距。富兰克林认识到这张图像的意义,并正在将其与她更为详尽的A型数据结合使用,朝着完整测定DNA结构的方向推进。

富兰克林所做的X射线晶体学工作并不仅仅是拍摄照片。分析来自DNA这类纤维状生物分子的衍射数据,涉及复杂的数学处理、细致的误差分析,以及对观测图样与预测图样的系统比较。富兰克林一如其本性,有条不紊、严谨地完成所有这些工作,而不是像沃森和克里克在剑桥那样急于搭建模型。方法上的这一差异将带来决定性的后果。

伦敦国王学院与DNA研究

1951年1月,罗莎琳德·富兰克林就任伦敦国王学院特纳–纽沃尔研究员,进入由约翰·兰德尔主持的医学研究理事会生物物理研究组。她的职位由医学研究理事会资助,指定的课题是将X射线衍射技术应用于生物大分子,特别是核酸的研究。这是一项享有声望的任命,使她置身英国生物物理研究的领先中心之一,并使她能够获得追索一个重要而及时的科学问题所需的X射线设备和生物材料。

然而,从一开始,富兰克林在国王学院的处境就因为对她的角色及其与研究组副主任莫里斯·威尔金斯的关系的严重误解而变得复杂。在富兰克林到来之前,威尔金斯已从事DNA的X射线衍射研究一段时间,并自视为国王学院实验室中DNA课题的主要研究者。他似乎把富兰克林的任命理解为一名技术助手,其工作是支持他的研究计划。相反,兰德尔告诉富兰克林的是,她被任命来领导自己独立的DNA研究项目,而威尔金斯将从事一个涉及蛋白质的不同课题。这一误解的确切性质及其责任归属一直为历史学家所争论,但其后果是真实而持久的。自第一次接触起,威尔金斯与富兰克林各自都认为自己对国王学院实验室DNA研究的方向拥有正当的主导权,而双方都不愿向对方让出优先地位。

威尔金斯与富兰克林之间的人格不合使本已困难的局面雪上加霜。他们