在20世纪之前，在所有生命体中，一种复杂分子所起的重要作用是自然界最隐蔽的秘密之一。谁能想到一种被称为脱氧核糖核酸（DNA）的分子竟是生命的伟大建筑师？或者核糖核酸可以行使信使功能？通向发现之路是曲折而艰险的。首先，这些作用的发现要求三个独立领域的进步：细胞学（通过显微镜对细胞进行研究）、遗传学和化学。
和物理科学里的粒子物理学家一样，生命科学家也带着探索这一领域最小、最基本的单元这一问题而进入20世纪后半叶，在这个情况下，生物体的基本要素就是，蛋白质、DNA和RNA。一个新的领域就在这一探索过程中诞生，这个新的领域就是生物化学和物理学的结合：分子生物学。这是在分子水平上对生命过程的考察，一百年前甚至没有人能够想象得到，那时孟德尔的工作刚被重新发现，生物学家开始考察染色体在遗传中的作用。
米歇尔（Friedrich Miescher，1844—1895）1869年曾经在细胞核中观察到核酸的存在。19世纪80年代弗莱明发现了染色体（在细胞分裂时看到的细长结构），然而最初没有一个人认识到它与遗传有任何联系。直到1907年摩尔根开始用果蝇做实验（起初持怀疑态度），才有了对遗传及其机制的研究。到了1911年，他在哥伦比亚大学的实验室成功地证明染色体携带了遗传信息。
与此同时，在化学中，列文（Phoebus Aaron Theodor Levene，1869—1940）1909年首先发现核酸含有糖，这就是核糖。20年后，他又发现其他核酸中含有另一类型的糖，脱氧核糖，从而确定有两种类型的核酸，核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA），由此开始探索这些物质的化学特性。
然而，没有人猜想到DNA会与遗传有联系。因为染色体既含有DNA，还含有蛋白质，而蛋白质显得更为复杂。因此，蛋白质似乎应该是携带遗传物质的最佳候选对象——也就是说，直到1944年，艾弗里（Oswald Avery，1877—1955）和其他一些研究者才发现，是DNA，而不是蛋白质，含有生命的遗传物质。
但是，到了1946年，事情已经明朗。所有的生命形式都要用到两种不同类型的化合物：一种储存信息，另一种根据这些信息复制有机体。后来还搞清楚了，是酶执行指令，而DNA保存蓝图，这一蓝图几乎被原封不动地复制以传给下一代。人们不知道的是，DNA靠什么样的结构，使它有可能来完成这一功能。
双螺旋
鲍林沃森是一位瘦高个年轻人，从孩提时代起就聪明伶俐、富有雄心。实际上他在12岁时就经常出现在名叫“神童”的广播节目中。15岁时沃森高中毕业，4年内在芝加哥大学取得了两个学士学位（哲学和科学）。从少年时代起，他就立志要做出一番事业使自己“在科学上出名”，幸运的是，他得以进入印第安纳大学研究生院，跟随著名遗传学家缪勒学习，并且和卢里亚（Salvador Edward Luria，1912—1991）及德尔布卢克（Max Delbruck，1906—1981）一起工作，他们两位后来都成了研究噬菌体（感染细菌的病毒）的专家。沃森在离开印第安纳后，来到哥本哈根做博士后研究。在这里，他非常偶然地遇见了威尔金斯（Maurice Wilkins，1916—2004），当时后者正在伦敦的国王学院对DNA进行X射线结晶学分析的工作。DNA是一种有机物，对它进行X射线结晶学分析（一种化学和物理分析方法）是一种令人耳目一新的做法，于是吸引了沃森的注意。正好几天之后，有消息说，当时被认为是化学界之王的鲍林（Linus Pauling，1901—1994）在加州理工学院提出了蛋白质结构的三维模型：一条螺旋。螺旋的基本形状很像弹簧或者螺旋式笔记本（尽管鲍林的模型并不太像那些东西）。
沃森遂决定去伦敦进一步学习有关DNA的知识。他设法在剑桥大学的卡文迪什实验室找到了一个位置，正是在那里遇见了物理学家克里克。克里克比沃森大12岁，正在为佩鲁茨（MaxPerutz，1914—2002）用X射线结晶法测定血红蛋白的结构，他的物理学背景为这一领域带来了新的视角。
沃森立即对克里克想到的方法发生了兴趣，两人似乎有惊人的默契。当他们交谈时，互相顺着对方的思路说下去，他们还找到了同样的爱好。通过略施小计（沃森的奖学金本来该用于在哥本哈根学习），沃森在1951年来到卡文迪什实验室和克里克一起工作。但是，他们不能公然研究DNA的结构。那被看成是威尔金斯的领地，卡文迪什实验室不想得罪威尔金斯。因此，他们利用业余时间做这些工作。
关于DNA已有少量信息被获知。从威尔金斯的同事罗莎琳德·富兰克林（RosalindFranklin，1920—1958）已经获得的X射线晶体分析照片来看，DNA仿佛也形成了和蛋白质一样的螺旋。还有，已知DNA是由核苷酸长链组成，链条交替含有糖和磷酸基。碱基沿着糖依次排列。威尔金斯的工作还证明（令人惊奇）整个分子在长度上是稳定的。
克里克和沃森一开始想要搞清楚的是，为什么组成分子的原子竟会排列成如此规则的结构，使得分子在化学上稳定，而且允许它能够精确地自我复制。也就是说，这一切何以能够装配得如此之精巧？有几条螺旋？究竟碱基是怎样排列的？螺旋是否靠向外突出的碱基来支撑？
沃森参加了富兰克林的报告会，在报告中富兰克林讨论了她获得的主要数据。富兰克林曾经在巴黎学习过X射线衍射技术，工作相当仔细和精确，在不同程度的湿度情况下比较结果。她发现她的照片总是显示分子具有螺旋形式，但是她希望在得出螺旋结论之前，对各种条件下的情况进行更全面的测试。再有，即使富兰克林得到了更清晰的衍射照片，但复杂结构的细节仍然很难探测。不过她还是尽可能详细地描述了她所见的一切，并且相信：糖和磷酸基——螺旋的骨架处于外侧，而碱基则位于内部。她说，所有这一切都纯属猜测。沃森听得很认真，但没有做笔记，只靠他非凡的记忆力来记忆数据。
沃森带着头脑里记住的富兰克林演讲中的数据回到剑桥，他和克里克都很乐观，认为他们离建立模型已经不远了。他们开始着手工作，但是沃森一下子想不起富兰克林的准确数据。首先，他记不得富兰克林所给出的DNA的含水量，根据富兰克林的估计，DNA中每个核苷酸周围大约是8个水分子。沃森想到的却是，她说的是DNA分子的每一段有8个水分子——含水量大大减少了。甚至，他记不得富兰克林说过的碱基的位置。他和克里克提出了一个由3个多核苷酸链组成的模型，其中糖-磷酸键位于内侧，而碱基位于外侧。这一排列方式与沃森从伦敦带回的数据相吻合，他们确信自己已经解决了问题，就在开始工作后的24小时。
第二天，他们邀请威尔金斯和富兰克林以及其他几位同事，对他们的模型发表意见。富兰克林的发言使他们大为泄气。富兰克林立即看出错误是由于引用了不正确的数据，当即指出了这一点。按他们的思路构造的分子不能拥有它实际上的含水量。
沃森和克里克彻底失去了信心，沮丧万分。
但是他们无法放弃DNA。不久叉听到来自鲍林的消息。他们得知鲍林也许正在从事同样的课题，但是他们也听说鲍林正沿着错误的方向工作。
有几个主要的问题仍未解决：在一个分子里有几条螺旋缠绕在一起？碱基是在内部还是在外侧？富兰克林认为是在内部，如果是这样，它们又是怎样排列的呢？今天的研究者可以把某些方程式输入计算机，得到某些能够成立的模型。20世纪50年代可没有这么容易。于是克里克请来一位朋友，数学家格里菲斯（John Griffith），研究四种碱基相互吸引究竟有多少种方式。格里菲斯发现，在既定的受力之下只有两种组合：腺嘌呤与胸腺嘧啶，胞嘧啶与鸟嘌呤。
碱基对之谜的第二条线索源于克里克与沃森和生物化学家查伽夫（Erwin Chargaff，1905—2002）的一次偶然午餐谈话。查伽夫来自哥伦比亚大学，他提及三年前他曾经发表过“1：1定律”，对于任何想要探究DNA结构的人来说，这也许是一个值得关注的现象。不幸的却是，沃森和克里克对此却一无所知，他们窘迫万分，只好承认无知。查伽夫说他的发现是通过测试多种不同的机体组织后才得到，亦即胞嘧啶与鸟嘌呤总是等量（按1：1的比例）出现，而腺嘌呤与胸腺嘧啶也是等量出现。也就是说，不管是什么物种——不管DNA采自鱼类，还是哺乳动物或爬行动物——这一比例都是一样的。
克里克很快就认识到，查伽夫的1：1定律和格里菲斯的数学计算都是指路标。DNA里的碱基一定是以特殊的方式互相配对：腺嘌呤配胸腺嘧啶，胞嘧啶配鸟嘌呤。
但是克里克和沃森仍然无法做出真正的进展。他们没有和该领域所得到的前沿数据保持联系——因为富兰克林和威尔金斯，这两位关键研究者，和他们没有通信联系。（事实上，威尔金斯和富兰克林相互间在工作上也缺乏联系，也很少谈话，虽然人们以为他们是在一起工作的）当然，克里克和沃森并不是正式在DNA领域里工作，他们解决问题的方法——构筑模型，然后试着把模型与数据匹配——这种做法对于富兰克林以及其他许多人来说，似乎是本末倒置。
随后传来爆炸性新闻。鲍林提出了一种DNA结构。他的儿子彼得当时正在剑桥做研究工作，与美国同事沃森甚为友好。因此，当他收到父亲1953年1月关于DNA结构的论文复本时，他转给了他的朋友。克里克和沃森紧张地翻阅论文——难道鲍林已经抢先获得了成功？
情况恰恰不是这样。鲍林假设的是三链螺旋模型，碱基处于外侧而不是内部。克里克和沃森确信，这样的排列是不正确的。这篇论文还有其他一些错误，两个年轻的科学家对此大为诧异。
他们仍然有机会。沃森决定走动一趟，利用伦敦的研究作为借口，和威尔金斯会面。这一决定——有点像是不那么体面得到的意外好运——给这两位求胜心切的年轻科学家提供了关键线索。情况恰好是，当沃森抵达国王学院时，威尔金斯正在忙碌，于是沃森转而先拜访了富兰克林。他拿出鲍林的论文给富兰克林看，富兰克林看后甚为恼怒，尽管不知理由何在。沃森猜测那是因为她并不认为DNA分子会以螺旋形式存在。但这也许不成为理由，因为富兰克林已经知道，至少有一种DNA是有螺旋结构的，这一点很快就水落石出。沃森试图证明鲍林的模型与他们两人最初那失败的模型是相似的。这可能激怒了她，似乎像是在证明她曾经出过错。她生气，也许因为这个被认为不是从事DNA工作的沃森，竟有一份鲍林的论文，而加州的同行却没有送一份给她——一位DNA研究者。
无论如何，按照沃森的说法，威尔金斯正好在这个时候进入房间，沃森声称他担心（相当可笑的担心）富兰克林会随时对他大打出手——在他们离开富兰克林的办公室后，这个6英尺高的小伙子对威尔金斯这样说，自从富兰克林来到国王学院之后，威尔金斯就和富兰克林相处得不好，他似乎以为沃森和他自己一样也面临着富兰克林的愤怒，他已经不止一次遭遇到这种情况了。
这一事例令人遗憾地表明，科学发现，和其他人类活动一样，可以因为人类的忌妒之心或误解而不时节外生枝或从中受益。现在，在发现做出后的几个月，威尔金斯终于告诉沃森，说富兰克林最有用的突破之一是她发现了DNA有两种类型，她称之为A型和B型。她从来没有想到从A型照片可以得到螺旋结论，而新的B型则不同，明显地呈现了螺旋形式。
沃森非常激动。他能够看到一张B型照片就好了，他需要知道。后来的事情表明，威尔金斯已经秘密复制了富兰克林的全部照片，因为生怕她在几个月后会另谋他职，也许会带走她在国王学院做的全部工作资料，什么也不给他留下。无疑，由于他们之间已相处得如此糟糕，他没有勇气要求复制。不过，他还是偶然得到了富兰克林的一张复印照片，这就是现在著名的第51号照片，这张照片清楚地显示了B型结构。
“我一看照片，立刻目瞪口呆，心跳开始加快。”沃森后来在他描述这一时期的自传《双螺旋》（TheDouble Helix）中写道：“无疑，这张图片比以前得到的（‘A型’）要简单得多。而且，只有螺旋结构才会呈现出照片上那种醒目的交叉形黑色反射条纹。”
克里克和沃森终于得到了他们所需的关键材料。根据富兰克林的第51号照片，他们决定重新考虑双螺旋结构，在经过长达5个星期的反复试验之后，他们得到了新的模型。
他们提出的DNA分子由两条互相缠绕的螺旋组成，很像一条螺旋式楼梯，各个阶梯由配对的原子键组成。碱基相互配对，位于两条平行螺旋的内侧。然后在复制时，DNA螺旋的两条链在染色体分裂前断开，使碱基可以自由地再次配对。双螺旋的每一单链都是新生链的模型或者模板。在细胞分裂时，每条DNA双螺旋都会分成两股单链，每股单链都会合成另一条互补单链。通过碱基的不断配对（只有同一种方式），DNA得以精确地复制自身。
沃森一克里克的DNA模型是如此之漂亮，以致几乎立刻被人们接受。他们成功了！新的DNA模型使人们能够直观看到，它是如何指导其他分子的建造的。一个物种之所以能够不断生殖，其基本原理终于被发现了。这个时刻是1953年的4月。
沃森、克里克和威尔金斯在1962年荣获诺贝尔生理学或医学奖。（富兰克林在颁奖之前的1958年死于癌症，由于诺贝尔奖从不给逝者颁奖，她失去了分享荣誉的机会。）鲍林在1954年由于化学键的工作获得诺贝尔奖，又在1962年由于反对大气核武器试验而获得诺贝尔和平奖（这使他成为继玛丽·居里之后，历史上第二位获得两个诺贝尔奖的人）。
科学上的发现很少有像克里克和沃森发现DNA结构那样，既有直接效应，又有深远影响。他们的双螺旋模型不仅提供了DNA的结构，而且还预言了一种机制（利用双链的分离），使遗传信息得以可靠地复制。1958年加州理工学院的梅塞尔松（M。Messelson）和斯塔尔（F。Stahl）做了一个实验，证明DNA确实是通过分解成两股单链，把其中的每一单链当做模板复制出另一条互补单链。再有，沃森和克里克的模型，为DNA这样的化学分子如何保存遗传信息，提供了关键性的知识。
RNA的故事
但是克里克和沃森的螺旋并不是故事的终结。在知道DNA的结构之后，一个新的问题就出现了：DNA是怎样把它的指示传达给细胞中的蛋白质的？蛋白质是怎样合成的？其中又有什么样的机制？
20世纪50年代，帕拉德（George Emil Palade，1912—）运用电子显微镜引发了对微粒体的研究，微粒体是细胞质中的小物体。1956年他证明，它们在RNA中含量丰富，并且确认了其中的一类，后来取名为核糖体。很快就弄清楚了，核糖体是信息传递机制中的关键部分。
1956年贺兰德（Mahlon Bush Hoagland，1921—）在细胞质里发现相对小的RNA分子。似乎有各种不同的RNA。贺兰德证明，每种类型的RNA都可以和一种特殊的氨基酸结合在一起。RNA分子可以与核糖体上的一个特殊位点结合。氨基酸排列在另一侧，结果RNA分子把两者配在一起，把信息从核糖体传送给了蛋白质（氨基酸）。贺兰德把这一小型核糖核酸称为转运RNA。
但是RNA是怎么做到这一点的呢？转运RNA位于核外的细胞质，而DNA则在细胞核的内部深处。其实仔细观察就会发现，在核内也有RNA。两位法国的研究者，巴黎巴斯德研究所的莫诺（Jacques-Lucien Monod，1910—1976）和雅各布（Francois Jacob，1920—）提出，DNA分子把它掌握的信息转移给核内的RNA分子，这个分子正是运用一股DNA单链作为模板来组建的。这些RNA分子把信息带到细胞质中，因此被称为信使RNA。
每个转运RNA分子都在一头有三核苷酸组合，它正好与信使RNA的交换中心相匹配。而信使RNA可以固定在核糖体表面，转运RNA分子则排列成行，它的三核苷酸组合与信使RNA相匹配，另一头则与相应的氨基酸相匹配。
于是，信息就从染色体中的DNA转移到了信使RNA，然后，信使RNA又从核内转移到细胞质的核糖体，把信息交给转运RNA分子。最后信息传送给氨基酸，合成蛋白质。沿着DNA分子的三个相邻核苷酸（一个三联体），加上信使RNA分子，再加上转运RNA分子，就合成了一个特定的氨基酸。问题是：氨基酸如何被决定？
遗传密码
于是，在20世纪60年代初，分子生物学的一个突出问题就是遗传密码。研究者如何才能预言是哪一个三联体对应于某个特定氨基酸呢？如果不了解这一过程，我们就难以理解信息是怎样从DNA转移到蛋白质上的。
遗传密码的探寻开始于1955年，这时有一位西班牙裔的美国生物化学家奥乔亚（SeveroOchoa，1905—1993）离析出了一种酶，它可以使细菌中的DNA增殖。他发现，这种酶可以催化单个核苷酸形成类RNA物质。[美国生物化学家科恩伯格（Arthur Kornberg，1918—2007）随后也对DNA作出了同样的工作，1959年奥乔亚和科恩伯格荣获诺贝尔生理学或医学奖。]
就是在这种情况下，美国生物化学家尼伦伯格（Warren Nirenberg，1927—）开始着手工作。他利用合成的RNA当做信使RNA，开始寻求答案。1961年，尼伦伯格终于有了突破。他根据奥乔亚的方法得到一段合成RNA，这种RNA只含一种类型的核苷酸——尿甙酸，因此它的结构是“……UUUUUU……”，其唯一可能的三联体该是“UUU”。于是，当它形成一种仅含有苯丙氨酸的蛋白质时，他知道在他的“辞典”里，他已经列出了第一个条目，由尿甙酸组成的苯丙氨酸。
与此同时，印度裔美籍化学家科拉纳（Har Gobind Khorana，1922—）也在沿着类似的路线工作。他引入了新的技术，可以对已知结构的DNA与由此产生的RNA进行比较，并且证明每个三联体密码的“字母”决不会重叠。他独立研究，破译了几乎全部遗传密码。他和尼伦伯格分享了1968年诺贝尔生理学或医学奖，同时得奖的还有同在此领域工作的霍利（Robert William Holley，1922—1993）。
科拉纳后来主持一个研究小组，1970年偶然地成功合成了一种类似基因的分子。也就是说，他不是用已经存在的基因作为模板，而是从核苷酸开始，按正确的次序使它们排列在一起，这一技术最终使得研究者能够创造“设计者”基因。总之，第二次世界大战之后的几十年里，我们对遗传基础的认识向前跨越了一大步。DNA和RNA成了家喻户晓的词语，生命要义的知识似乎就在眼前。