当年是如何根据衍射图谱认识DNA结构的

X射线衍射技术研究DNA结构的方法介绍

波可以绕开障碍物继续传播，这种现象叫作波的衍射(diffraction )。光是一种电磁波，一定波长的光通过某种光栅也可以发生衍射现象。反过来，根据某个衍射图像也可以确定相应光栅的结构。在晶体中，原子的排列是有规则的，它们可以充当天然的衍射光栅。然而，原子之间的间隙大概为10^-10m，远小于可见光的波长，因此不能用可见光的衍射来研究分子的结构。波长为0.01-10 nm的X射线却非常适合。

X射线的波长介于紫外线和γ射线之间，是由德国物理学家伦琴(Wilhelm Rontgen, 1845—1923 )于1895年发现的，因此又称伦琴射线。物理学家布拉格父子(W. H. Bragg, 1862—1942 ； W. L. Bragg, 1890—1971 )首先研究了晶体对X射线的衍射。衍射图谱中斑点的强度和位置包含有关晶体的大量信息。后来，英国生物物理学家威尔金斯(M. Wilkins, 1916—2004)和富兰克林(R. E. Franklin, 1920—1958 )研究了DNA对X射线的衍射，获得了一系列DNA的X射线衍射图谱，其中，对沃森和克里克搭建岀DNA双螺旋结构模型起关键作用的，是 一幅由富兰克林拍摄的照片(图3-5 )。图中的这些斑点是X射线穿过DNA分子时发生的偏转。那么，从这幅图片怎样推测DNA的结构呢？

X射线衍射的原理是当波通过一个周期性阵列时，如果波长与该阵列的重复单位近似的话, 波之间会发生干涉(interference )。如果波的振动一致，波之间会相互加强(结构性干涉)，如果一系列波的波谷与另一系列波的波峰相遇，波之间则相互抵消(破坏性干涉)。因此，一束束通过含有水平线的阵列的波会产生一行垂直于该水平线的斑点。如果水平线倾斜，会产生一行倾斜的斑点（该斑点仍然垂直于倾斜的线）。对于如图所示的两套以“Z”字形连接的倾斜线来说, 如果波通过它们，则会产生由两条倾斜的斑点组成的十字形（图3-6）。

就DNA来说,假设DNA是一条单链螺旋,这条单链螺旋投影在一个平面上,就相当于图3-6所示的“Z”字形（更准确地说，是正弦曲线的形状）。当X射线通过时，就会留下十字形的斑点,因此，根据图3-5中的十字形斑点，可以判断DNA是螺旋形的。

在图3-5中，从上往下数，上下各有5条沿水平“层次”（layer）线（见数字标注）被均匀隔开，但一边只有4个斑点，缺少了到第4层线上的斑点。研究表明,这是因为另一条螺旋的干扰, 科学家由此推测DNA呈双螺旋。另外，基于X射线的波长（0.15 nm ）,同时测量层次线间隔开的距离,进一步掲示岀螺旋的周期为3.4 nm。10条层次线，说明螺旋的周期（3.4 nm ）为原子周期的10倍，对应于以0.34 nm为间隔的10个重复单元，因此判断富兰克林研究的DNA（后来确定为B型DNA ）的每一个螺旋周期由10个碱基对组成。

摘自：人教版新教材必修2教师用书

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