100年以来——至少从拉马克那时开始——生命科学界就认识到生物会将性状传给后代。但这一过程是如何进行的还是未解之谜。亲代将某些物质遗传给了子代；但这种物质是什么？它是什么样子的？是如何作用的？它在哪里呢？“泛子”（pangene）这一信息单位，是如何让子代拥有了与亲代相似的眼睛颜色、身高和毛发呢？
1953年，美国年轻人詹姆斯·沃森与他在剑桥大学工作的英国同事弗朗西斯·克里克（Francis Crick）共同发现了这一系列问题的答案：DNA，即可以将亲代的性状复制给子代的双螺旋链状分子。克里克兴奋不已，他冲进了附近的酒吧，向大家宣布他刚刚发现了“生命的秘密”。大量的科学书籍都会告诉你，这个发现“改变了世界”，“是20世纪最重要的科学发现”，“现代生物学就此诞生”。15年后，这个转折点因詹姆斯·沃森的《双螺旋》（The Double Helix）一书而被世人永远铭记。《双螺旋》讲述了沃森的DNA研究经历，书一面世即获成功。
但是，一个多世纪以前，人们就知道了脱氧核糖核酸的存在。而它的双螺旋结构事实上在未来几年都不会真正引起人们的注意。“DNA的发现”源于17世纪的技术，在19到20世纪的几十年内发展起来，依靠众多科学家的努力工作，并最终被一位具有感召力的研究者写成了畅销书。但“发现DNA”实际上不过是化学、生物学乃至物理学这一系列发展中一个小进步罢了。
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自从罗伯特·胡克第一次通过他的显微镜观察一块软木塞，自然科学家就认识到生物是由彼此分离的小片断组成的，就像一个蜂巢被分成了许多细小的甜蜜的巢室一样。“软木塞中充满了空气，”胡克在《显微图谱》中写道，“并且……这些空气被密封在了小盒子或小隔室中，这些小隔室各不相同。”胡克观察了许多毫不相干的生物的细胞，比如石化的木头和蜘蛛细胞；其他的观察者也追随他的脚步，他们在各种蔬菜、胚胎和动物组织中发现了细胞。
细胞里面有什么？细胞为什么存在？（为什么不是简单的一团肉呢？）18世纪的科学尚无法解答这些问题。但是到了19世纪30年代后期，观察者们利用改进后的仪器来延伸自己的感官。两位观察者［法国生物学家菲力克斯·迪雅尔丹（Félix Dujardin）以及波西米亚的扬·浦肯野（Jan Purkinje）］得出结论，他们认为胡克的小盒子里充满了一种“黏的、半透明的物质”，很黏，不易研究，对生命至关重要，浦肯野将这种物质称为“原生质”。原生质是最基本的“生命物质”，这是一种重要的胶状物质，但是它的用途仍旧未知。
1847年，两位德国博物学家——植物学家马提亚·雅各布·施莱登（Matthias Jakob Schleiden）和动物学家西奥多·施旺（Theodor Schwann）——将胡克发现的细胞定义为最重要、最基本的生命单位。在每个新生生物中，细胞都在增大、完善，开始时只是小微粒，逐渐膨胀。“这是一条绝对定律，”施旺写道，“即每个细胞……一开始的形态是一些非常细小的囊泡，它的尺寸逐渐扩大直至长成完全成熟时的状态。”德国生物学家马克斯·舒尔茨（Max Schultz）在1861年的论文中证实，细胞是一个充满原生质的小球，其中还包括一个清晰的核心——细胞核（英文“nucleus”，原子，拉丁词中的“核心”）。
与此同时，化学——自17世纪，罗伯特·波义耳对其进行阐释后，化学领域就一直致力于金属、气体以及其他的无机物质的研究——也开始与生物学有所交叉。1828年，化学家弗里德里希·维勒（Friedrich Wöhler）偶然在实验室中合成了有机复合尿素；尿素是尿液的天然成分。（“我可以不借助肾脏就合成尿素了！”他在给一位同事的信中兴奋地写道。）尿素的意外合成意味着作用于无机物的基本化学法则也同样作用于有机物，即我们可以通过这些法则来理解有机物质。细胞会感受到刺激，产生反应，被催化、分裂，可以作为化学实验的对象，可以通过化学反应被人们理解：这就是生物化学的开始。
这一新生科学迅速发展起来。1833年，法国化学家安塞姆·帕扬（Anselme Payen）和让-弗朗斯瓦·佩索兹（Jean-François Persoz）在麦芽（他们称其为“淀粉酶”）中发现了一种物质，该物质可以将淀粉转化为糖。淀粉酶是最早为人所知的一种酶——酶是一种有机分子，通常是蛋白质；酶可引起某种化学反应，并可能引起生物的变化。四年后，瑞典化学家琼斯·贝采里乌斯（Jöns Berzelius）提出了“催化作用”这一名词，指的是一种过程“与我们此前所知的（那些）不同”，这一过程能够引起“机体内成分的重新排列，改变它们之间的联系”。催化作用的发现影响的不仅仅是试管（实验室试验）。贝采里乌斯写道：
当我们将催化作用应用于自然生物时，我们就会得到一个全新的认识。根据这一观点，我们可以假设在活着的植物和动物体内，在组织和流体之间正发生着数以千计的催化过程，并产生了许多不同的化合物；这些化合物都是由普通的原材料，即植物的汁液或动物的血液组成的；我们至今还不知道这一过程发生的原因，但在未来，我们也许会在有机组织的催化作用中找到答案。
对人类作为生物的存在以及其外形和形态的最终解释有赖于化学——有赖于对控制细胞产生和相互作用的反应的理解。
但细胞仍旧是一块无人涉足的领土，生物学家或化学家所能做的，顶多是对细胞的轮廓进行猜测而已。
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1865年，瑞士医学学生弗里德里希·米歇尔（Friedrich Miescher）从一次伤寒中康复，但留下了后遗症：他听力受损，一只耳朵完全失聪。
这使他无法照顾病患者。于是，米歇尔决定转而从事医学研究。他以一位叔叔为榜样。这位叔叔就是著名医师威廉·希思（Wilhelm His）。“我得出了结论，”他后来在个人情况中写道，“只有通过化学，才能找到生物组织生长问题的最终答案。”米歇尔对化学的兴趣所在就是细胞组成——尤其是神秘的细胞核；了解细胞核是件非常困难的事，其功能目前也无人知晓。他注意到淋巴（白细胞）细胞的细胞核明显要比其他细胞的细胞核大。于是，他决定收集废弃医疗绷带上的脓液，并将上面白细胞的细胞核分离出来（惯常的做法是利用多种溶剂进行分离），并分析它们的组成。
两年实验后，米歇尔于1871年公开了实验结果，结果揭示了一个出人意料的存在。通常认为，细胞核是由蛋白质组成的，蛋白质（一定程度上）是构建生命的基石。但是这些细胞核分裂成两部分——一部分是蛋白质，但另一部分是此前人们不知道的略呈酸性的物质，米歇尔将这种新发现的酸命名为：核素（nuclein）。
1929年，立陶宛生物化学家菲巴斯·利文（Phoebus Levene）被国内的反犹太主义势力驱逐到了美国，他在位于纽约的洛克菲勒研究所（Rockefeller Institute）工作。他鉴定出了米歇尔的细胞核中含量最多的元素是一种糖，被称为“脱氧核糖”。他将细胞核内这种特别的酸称为“脱氧核糖核酸”。
米歇尔发现了DNA，利文也为它命了名。但两人都不知道它到底是什么。
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生物化学家对生命化学组成的理解不断加深，而生物学家仍旧对孟德尔的基因感到困惑。
他们身边有纷繁复杂的信息，但无人能将彼此相关的片段摘取出来组成整体。19世纪80年代早期，沃尔特·弗莱明（Walther Flemming）在正在进行分裂的细胞中发现了一种细微的线状结构——染色体；1890年，生物学家赫尔曼·亨金（Hermann Henking）注意到，有一些染色体在细胞分裂时平均配对（在子细胞中均分），就像方块舞中面对面的舞者相对而行，还有一些染色体（明显可以看到）则全部进入一半子细胞中。他不知道为什么是这个样子的，但他为这个有时行动显得迟缓的染色体命名为“X染色体”，象征这是一个谜团。
1902年，德国生物学家特奥多尔·博韦里证实，染色体就是将孟德尔的“基因”从亲代传给子代的载体。随后，下一步就是要弄明白信息片段（基因）与两种不同的染色体之间的联系。三位美国生物学家分别做出了自己的观察。克拉伦斯·麦克伦（Clarence McClung）研究的是蚱蜢，他率先提出X染色体的存在与否也许决定了子代的性别；埃德蒙·比彻·威尔逊（Edmund Beecher Wilson）研究了半翅目昆虫（蚜虫、蝉、红薯瓢虫），并总结出在雌性后代体内一定存在X染色体；内蒂·斯蒂文斯（Neittie Stevens）研究了果蝇体内高质量的细胞，并通过观察证实了威尔逊的理论。
斯蒂文斯公开了她的果蝇研究结果后，动物学家托马斯·亨特·摩根（Thomas Hunt Morgan）在哥伦比亚大学负责进行了一个为期七年的研究项目，对四代果蝇的情况进行追踪。由于果蝇繁殖速度很快，所以七年实际上可以算得上是一个“深时”了；摩根和他的同事们记录了大量的信息并据此推断：决定眼睛颜色的基因信息是由X染色体携带的。
这是首次将某一特定的表现型（可见的特性，比如身高、体重、鼻子的形状、毛发颜色）与某一具体的基因型（染色体的排列方式）直接联系起来。科学家们几个世纪前就观察到有一些性状是不能直接从父本遗传给子本的，而摩根的发现为此提供了生物学方面的解释。
“一个家庭的所有成员可能会大量出血，而另一家庭的成员则可能几乎不怎么流血。”这句话出自约3世纪时巴比伦王国的典籍《塔木德》（Talmud）；《塔木德》是最早提到血友病——凝血功能障碍性疾病——的典籍之一。随后的几个世纪，医师都在设法治疗这一怪异的疾病。10世纪时，科尔多瓦外科医生阿尔布卡西斯（Albucasis）观察到，健康的母亲也会生出患有血友病的儿子；19世纪初期，费城医生约翰·奥托（John Otto）曾写道，似乎血友病只有男性会患上；德国、西班牙以及俄罗斯的王室都深受该疾病的折磨，因为说不定哪一代的王子就会患病，毫无规律可循。
查尔斯·达尔文将该疾病的遗传特征的模式绘制成图表，如下图所示：

通过摩根的果蝇实验，我们得以对这一奇怪的模式做出解释。如果只有X染色体携带着血友病的基因信息，那么，只有当所有复制出来的X染色体都被感染时，人才会患病。因为男孩只有一条X染色体，因此他们患病的概率就更大。（奥托医生被数据误导了；女性虽然很少患血友病，但这并不绝对。）

摩根的研究揭开了遗传信息传递的隐形路径：一个看似健康的女儿实际上是隐性的疾病携带者，她将疾病遗传给她的儿子的概率为50%。
但这一切似乎仍旧与遗传特征的机制没什么关系。染色体是如何携带遗传信息的？遗传信息又是如何影响受体的？（换句话说，基因型与表现型之间有何关系？）这两个问题仍旧是个谜团。研究染色体和基因的生物学家们仍旧停留在数据收集和处理阶段：观察哪条染色体到了哪里，或者结果可能是什么。
当化学、生物学与物理学三个领域有了一次短暂的交叉时，答案才开始出现。
1927年，摩根果蝇项目的合作者、生物学家赫尔曼·穆勒（Hermann Muller）宣布，用强烈的X射线连续照射果蝇会改变它们的遗传信息。被辐射了的果蝇所产生的后代有一套完全不同的表现型；穆勒记录了“带斑点的翅膀”、“白色的眼睛”、“小型的翅膀”、“叉状的刚毛”等等。伦琴、居里夫妇以及卢瑟福的研究已经表明，辐射会导致原子和分子的结构变化；穆勒的研究结果表明那神秘的基因实际上就是分子——分子结构极易受到X射线的影响。由于辐射每次都会造成不同的变化，因此，基因也往往是一系列不同的分子，而不是一堆彼此相似的粒子，“只是彼此的复制品”。
因此，基因就是分子，并由染色体携带着从亲代传给子代。这是第一个谜团的答案。但第二个谜团仍旧无解：一个分子是如何产生了某种特定形状的耳垂、一根较长的二趾或雀斑等表现型的？
科学家们在面包霉（bread mold）中找到了答案。
20世纪40年代，两位来自斯坦福大学的生物化学家：乔治·比德尔（George Beadle）和爱德华·塔特姆（Edward Tatum）做了一系列研究脉孢霉（Neurospora）的实验。脉孢霉是一种长在面包上的霉菌。［脉孢霉可以将大豆豆渣和椰浆制作成印度尼西亚一种名叫“昂卡姆”（oncom）的主食。］他们的研究表明，当基因发生改变时，某些酶就会停止分泌——导致有机体中的细胞无法进行特定化学反应。
而正是这些化学反应使该有机体不同于其他有机体。一个世纪之前，安塞姆·帕扬和让-弗朗斯瓦·佩索兹发现了第一种酶；琼斯·贝采里乌斯则发现了“催化反应”对生物的重要性。自那之后的几十年中，生物化学家在上述发现的基础上不断改进；因此，比德尔和塔特姆才能够对某种生物做出界定——其整体结构、新陈代谢、表现型，以及作用的方式和外在表现——生物就是它体内所有的化学反应。酶是这些化学反应的催化剂。基因的改变会导致酶的改变；酶的改变会导致表现型的改变；表现型的改变则会产生一种新的细胞，这种新细胞需要的营养物质与亲本不同，比如果蝇翅膀上的斑点、较长的第二趾和腭裂。凡是对酶动了手脚，有机体就会发生改变。
最后要弄清楚的是基因型与表现型之间的关系。随后几年，比德尔和塔特姆都在绘制图谱。从图谱中可以看出哪条染色体携带了什么酶，又会产生怎样的表现型。他们的研究被称为“一个基因一种酶”假说：基因（人类基因、细菌基因或其他基因）会影响酶的分泌，酶又会影响生物的性状。
但是基因本身仍旧是个谜团。科学家们所熟知的分子、有机物质或化合物都无法控制酶。
与此同时，生物学家奥斯瓦德·艾弗里（Oswald Avery，与利文一样，在纽约洛克菲勒研究所工作）正在研究肺炎球菌病毒。有一种肺炎球菌拥有独特的性质：该病毒细胞可在自身周围形成一层膜，这层膜是由一种复杂的分子“多聚糖”构成的。这层膜强化了病毒，增加了病毒的威力。
艾弗里意识到，如果从可以形成多聚糖膜的肺炎球菌中提取DNA（DNA就是利文发现的酸性物质，是米歇尔发现的“细胞核”的一部分）溶液，并将其注入其他的肺炎球菌中，受体球菌就会发生改变。原本不会形成多聚糖膜的肺炎球菌忽然间也可以形成多聚糖膜了。
这本可能是一个“尤里卡”（“我发现了！”）时刻。
然而，奥斯瓦德·艾弗里（一个非常谨慎、有责任心的人）在给他的兄弟的私人信件中提到，这份DNA溶液似乎引起了化学反应，这太出人意料了，就像“基因”会引起化学反应一样出人意料。他和他的同事非常怀疑他们得到的结果，因此并没有大肆宣扬自己的结论。他们将自己的研究结果发表在了读者甚少的《实验医学学报》（Journal of Experimental Medicine）上。对细胞及其性质的研究已经广泛延伸到了各个领域，并发展出了分支领域，以及众多小的发现；因此，几乎没有哪一位生物学家（或生物化学家）可以掌握所有相关发现的所有知识。
只有一小部分生物学家对第三种平行却独立的研究有所了解：生物学家麦克斯·德尔布吕克（Max Delbrück）和萨尔瓦多·爱德华·卢瑞亚（Salvador Edward Luria）以及细菌学家阿尔弗雷德·赫尔希（Alfred Hershey）三人在位于长岛（Long Island）的实验室中一同工作，他们试图分离可以侵染细菌的病毒的结构。这些病毒（“噬菌体”）侵入细菌细胞，在其中自我繁殖，然后毁灭宿主菌，释放自己。
非常明显，这些病毒能够自我复制。1947年，另一位生物化学家西摩·科恩（Seymour Cohen）注意到当某种噬菌体侵入细菌细胞时，被感染细胞中的DNA的合成会突然中止——几分钟之后又重新开始，但合成速度发生了变化。这是一个非常强烈的暗示：DNA也许与复制有关。
其他的研究者们则理论推定，也许DNA就是细胞进行自我复制的原动力。但通常认为，细胞核中的蛋白质更有可能承担该角色。但不论是哪种情况，科学家们都无法准确地解释亲本细胞是如何加密遗传信息的，子代细胞又是如何解码的。
1948年，年轻的詹姆斯·沃森正在攻读博士学位，但他仍旧不确定自己的研究方向。在这一年，他开始同长岛的噬菌体小组一起工作。起初，他对核酸研究几乎没有兴趣。在这个领域中“很难推翻什么观点”。“许多关于蛋白质三维结构和核酸的言论都是大话。”他后来说道。理论有一大把，但是没有一个能经得住考验。
1951年，在欧洲的一次博士后协会上，沃森听取了由英国物理学家、生物学家莫里斯·威尔金斯（Maurice Wilkins）做的报告。莫里斯·威尔金斯一直在伦敦国王学院进行DNA研究。威尔金斯借助DNA的X射线图片来阐释自己的报告，从图片上可以清楚地看到DNA的结构。沃森突然被这吸引住了。当然，如此清晰的结构也许是发现DNA“一般结构”的钥匙，或许这一结构还可以证明是DNA携带着那难以捉摸的遗传信息。
沃森无视自己的教职的相关规定，设法为自己在英国谋取了一个职位。他与生物物理学家弗朗西斯·克里克一同在剑桥大学的卡文迪什实验室中工作。克里克比沃森大12岁，多年前就开始对DNA感兴趣；但是，英国的社会习俗阻碍他做进一步研究，发现了这一点的沃森大吃一惊。“这个时候，”沃森在《双螺旋》中写道，“在英国，DNA分子研究工作实际上已经成为莫里斯·威尔金斯的私人财产了。”
如果此时弗朗西斯忽然跳出来，也开始研究莫里斯已经研究多年的问题，这将会非常尴尬……如果他们两个住在不同的国家就好办多了。英国的安逸——除了被婚姻纽带联系起来的情况，所有权威人士似乎都彼此认识——加上英国人的公平办事原则，阻止了弗朗西斯介入莫里斯的研究。在法国，完全不存在有道义的竞争这一说，这些问题就不会出现了。而且在美国也不会允许这种状况出现。如果伯克利的某人发现了一个非常重要的问题，他绝不会仅仅因为加州理工学院的某人已经开始研究该问题就放弃。
出生于芝加哥的沃森设法促使克里克入侵威尔金斯的领地，两人还一同计划要获得最新的高质量DNA-X射线图。这一张图是威尔金斯的助手罗莎琳德·富兰克林（Rosalind Franklin）的心血。凭她自身的实力，她是一位优秀的科学家；但是剑桥大学的男校友们常常对她不屑一顾，认为她不过是一个总惹麻烦的“卖弄学问的女子”。（“女权主义者最好的家，”沃森在自己不太风光的时候曾经说道，“就是其他人的实验室。”）
与此同时，神话一般的名人、美国生物化学家莱纳斯·鲍林（Linus Pauling）也开始关注DNA。克里克和沃森决定要占威尔金斯的上风，并且“用自己的强项打败（鲍林）”，二人于是专心开始DNA研究。沃森写道，这就是要弄明白“什么原子会并排排列”，然后建立假设，利用“一系列分子模型，它们看上去与学前儿童的玩具非常相似”。他们的目标是找到一种分子模型，这种模型既要与富兰克林的X射线图片相一致，又要符合已知的相关分子的化学性质。
1953年初，鲍林提出了一种可能的答案：DNA是一种“三链螺旋结构”，其内部是糖-磷酸“骨架”。沃森迅速意识到，这一模型是不可行的，磷酸分子会互相排斥。（或者，按他的话说：“莱纳斯的化学太荒诞了。”）但是，显然鲍林正在向正确的模型靠近。
沃森沉浸在新模型的设计中，他的劲头更足了。［“我正在（与他）争夺诺贝尔奖。”］沃森在一沓一沓的纸上涂画可能的结构，并用硬纸板制作模型，他最终确定了DNA的新结构：一个双螺旋结构，其“骨架”露在外面。他和克里克计算了这个模型的化学性质数据，并将已有的X射线数据与他们的模型可能产生的模式进行比对，最终认为这一假说是合理的。1953年4月，他们在《自然》杂志上发表了一篇短文，解释了该模型；短文最后的结尾只有简短的一句话（克里克写的），这句话的大意是，双螺旋结构使核酸之间可以形成氢键——这就意味着DNA是可以复制的。“我们注意到，”克里克写道，“我们所假设的配对指出了遗传物质可能的复制机制。”
复制机制中既包括双链结构的DNA，也包括单链的核糖核酸（RNA）；生物学家柯林·塔奇（Colin Tudge）解释道，克里克和沃森所构想的双链DNA包括
两条单链，随后它们各自进行复制……DNA单链一旦与其配对单链分离，要么开始合成自身的互补复本，即自我复制，要么开始形成RNA的互补单链，合成后的RNA单链离开细胞核进入细胞质，监督相关蛋白质的合成。
RNA充当了DNA与新合成的蛋白质之间的中介，但这一过程具体是如何进行的（后来的研究者们发现了三种不同功能的RNA）仍旧不清楚。
但是，即使只有一个大致的轮廓，这一模型还是非常具有说服力的：符合化学原理，也符合观察到的核酸的性质。全世界都在检验这个模型，很多生物化学界的专家都对其进行了详细的阐释，其中有弗雷德里克·桑格（Frederick Sanger）、乔治·盖莫夫（George Gamow）、马歇尔·尼伦伯格（Marshall Nirenberg）以及J.海因里希·马特伊（J.Heinrich Matthaei）。1968年，詹姆斯·沃森出版了《双螺旋——发现DNA结构的故事》（The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA）后，DNA的双螺旋结构及其在遗传物质复制中的作用就被当作了绝对真理。
弗朗西斯·克里克后来将遗传信息从DNA到DNA、从DNA到RNA再到蛋白质的流动称为现代生物学的“核心信条”，这一名称至今还为人广泛使用。尽管使用了“信条”一词，克里克知道该理论仍旧仅仅是一个推断。“一个重要的假设，”他写道，“不管它看上去有多么可信，仍旧没有直接的实验证据支持。”而事实上，这一理论的实验证据在随后的20年中仍旧没有找到。直到20世纪70年代后期，科学家们才拥有了专业的仪器，并描绘出了一幅真正翔实的DNA图谱；直到1984年，蛋白质- DNA的相互作用才被发现。虽然沃森书的标题生动有趣而且被广为接受，但他和克里克都没有真正地“发现”DNA。和哥白尼一样，他们只是构建了一条有说服力的理论，但是该理论可以非常完美地对几十年来观察到的各种现象做出解释。