格里菲斯发育评估（含溶洞岩石地基稳定性分析）

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• 含溶洞岩石地基稳定性分析
• 大便中能检测出该人DNA吗

含溶洞岩石地基稳定性分析

对含溶洞岩石地基的失稳评价，可认为是溶洞上部的岩土体整体往下塌陷，即为整体破坏形式。通过溶洞发育规律及溶洞塌陷体的形状分析还发现，其破坏机制除整体破坏形式以外还有溶洞洞壁内部破坏的形式。

2.2.1 含溶洞岩石地基整体破坏形式的稳定性分析

假定溶洞岩石地基呈整体下塌失稳，稳定性评价计算，可按下面方法综合进行。

2.2.1.1 根据溶洞顶板坍塌自行填塞洞体所需厚度进行计算

洞体顶板被裂隙切割呈块状、碎块状，顶板塌落后体积松胀，当塌落向上发展到一定高度，洞体可被松胀物自行堵塞。在没有地下水搬运的情况下，可以认为洞体空间已被支撑而不再向上扩展了。设洞体空间体积为V₀，塌落体体积V，此时塌落高度H可由下式确定。

V·m=V₀+V

即：

V₀=V(m-1)

式中：m 为顶板岩石的松胀系数，对岩石取 1.1～1.3，视坍落后块度定；对土取1.05～1.1。

设洞体顶板为中厚层灰岩，洞体截面积为 S，洞高 H₀，假定塌落前后洞体均为圆柱形。

则：

V₀=S·H₀V=S·H

那么，自行堵塞洞体所需的溶洞顶板安全厚度为：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

如高度H以上还有外荷载，则还应加以荷载所需的厚度，才是洞体顶板的安全厚度。

2.2.1.2 根据顶板裂隙分布情况，分别对其进行抗弯、抗剪验算

(1)当顶板跨中有裂缝，顶板两端支座处岩石坚固完整时，按悬臂梁计算：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

(2)若裂隙位于支座处，而顶板较完整时，按简支梁计算：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

(3)若支座和顶板岩层均较完整时，按两端固定梁计算：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

抗弯验算：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

抗剪验算：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

以上各式中：M为弯距(kN·m)；p为顶板所受总荷重p=p₁+p₂+p₃；p₁为顶板厚为H的岩体自重(kN/m)；p₂为顶板上覆土层重量(kN/m)；p₃为顶板上附加荷载(kN/m)；l为溶洞跨度(m)；σ为岩体的计算抗弯强度(石灰岩一般为允许抗压强的1/8)(kPa)；f_s为支座处的剪力(kN)；S为岩体的计算抗剪强度(石灰岩一般为允许抗压强度的1/12)(kPa)；b为梁板的宽度(m)；H为顶板岩层厚度(m)。

适用范围：顶板岩层比较完整，强度较高，层理厚，而且已知顶板厚度和裂隙切割情况。

2.2.1.3 根据极限平衡条件，按顶板能抵抗受荷载剪切的厚度计算

F+G=UHS

式中：F为上部荷载传至顶板的竖向力(kN)；G为顶板岩土自重(kN)；U为洞体平面的周长(m)；S为顶板岩体的抗剪强度，对灰岩一般取抗压强度的1/12。

2.2.1.4 成拱分析法

当顶板岩体被密集裂隙切割呈块状或碎块状时，可认为顶板将成拱状塌落，而其上荷载及岩体则由拱自身承担，如图2-1。

图2-1 成拱分析法示意图

A—天然拱；B—压力拱；C—破裂拱

Fig.2-1 Diagram for analysis method of formation arch

A—natural arch；B—pressure arch；C—break arch

此时破裂拱高h为：

h=B/f

B=b+h₀tg(90°-φ)

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

式中：h为破裂拱高(安全临界高度，m)；h₀为洞隙高度(m)；b 为洞隙宽度之半(m)；c为黏聚力(kPa)；φ为内摩擦角(°)；f为坚固系数(普氏系数)；σ_n为岩体剪切面上的正压力。

破裂拱高加上部荷载作用所需的岩体厚度才是洞顶板的安全厚度。若洞的顶板呈拱形，拱角以下岩体完整稳定且无横向扩展的可能。也可近似地用石砌拱圈厚度加足够安全储备类比确定拱顶的安全厚度。

2.2.1.5 递线交会法

在剖面上从基础边缘按30°～ 45°扩散角向下作应力传递线，当洞体位于该线所确定的应力扩散范围之外时，可认为洞体不会危及基础的稳定。由定性评价中的洞体顶板厚跨比(H/L)可知，当集中荷载作用于洞体中轴线，H/L为0.5时，应力扩散线为顶板与洞壁交点的连线，它与水平面夹角相当于混凝土的应力扩散角45°；当H/L为0.87时，相当于松散介质的应力扩散角30°。

2.2.2 含溶洞岩石地基局部破坏形式稳定性分析

本书2.2.1所述岩溶地基的稳定性评价计算方法，都是假定含溶洞地基产生整体破坏为前提，且它们没有考虑溶洞断面形态、地下水等的影响。在工程实践中发现，许多含溶洞地基的破坏往往是由局部破坏进而发展到整体破坏，由溶洞内部破坏再发展到外部塌陷失稳。从弹塑性理论出发，分析含溶洞地基的应力状态，对其进行稳定性判别，能够克服以上不足。

2.2.2.1 含溶洞岩石地基弹性理论应力分析

2.2.2.1.1 圆形溶洞中产生的次生应力

设距基岩面以下有一半径为a的圆形溶洞。设基岩岩石是均质的，各向同性的弹性体，为此，可把在地基中的溶洞围岩应力分布问题视作一个双向受压无限板孔的应力分布问题(图2-2)，采用极坐标求解围岩应力。此问题在弹性理论中已有现成的平面问题的齐尔西解，其求解应力的公式为：

图2-2 圆形溶洞围岩上的应力

Fig.2-2 Stress distribution on round cave

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

式中：σ_r、σ_θ、σ_rθ分别为围岩中的径向应力、切向应力、剪切应力；p、q分别为作用在岩体上的垂直应力、水平应力；θ为与水平轴的夹角。

圆形断面溶洞周边(r=a)处的应力，根据(2-1)式，可得：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

2.2.2.1.2 椭圆形溶洞断面所产生的次生应力

若溶洞为椭圆形断面，其水平轴为a，竖直轴为b，作用在溶洞围岩上的垂直应力为p，水平应力为q。巷道周边上任一点的切向应力σ_θ、径向应力σ_r和剪应力τ_rθ值的大小，可根据弹性理论，按椭圆孔复变函数解得。

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

式中：m为椭圆轴比， ；θ为溶洞周边计算点的偏心角。

从判断溶洞围岩稳定性的观点出发，只要找到溶洞周边极值点处的应力大小，看其是否超过岩体的强度，即可判断其稳定程度。从研究圆形断面溶洞周边应力得知，椭圆形溶洞周边应力的两个应力极值仍然在水平轴(θ=0、π)和垂直轴(θ=π/2、3π/2)上。

2.2.2.1.3 齐尔西解答在含溶洞岩石地基中的运用

齐尔西解答是弹性力学中关于“圆孔孔边应力集中”的经典解，它设有一矩形薄板，在离开边界较远处有半径为a的小圆孔，在四边受均布拉力，集度为p，如图2-3，通过弹性力学分析，原来的问题变换为一个新问题：内半径为a，而外半径为b的圆环或圆筒，在外边界上受均布拉力p，并得到薄板的应力为：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

图2-3 矩形薄板受力分析

Fig.2-3 Analysis of stress in rectangle thin board

由(2-4)式可看出，薄板内径向应力σ_r和切向应力σ_θ都随径向距离r及薄板尺寸参数b而变化，其变化结果及趋势见表2-1。

表2-1 不同边界条件下矩形薄板的应力分布　Table2-1 Stress distribution of rectangle thin board in different boundary condtion

由表2-1可看出：r越大，σ_r、σ_θ越趋向于作用在岩石上的原岩应力p，当b=5a及r=5a时，σ_r=1p，σ_θ=1.08p，与原始应力误差仅为8%；而当b≫a，r=5a 时，σ_r=0.96p，σ_θ=1.04p，与原始应力误差仅为4%，从工程角度上来说，可满足要求，故可认为其影响半径为R=5a，即在弹性体中，对存在一孔洞，圆孔周边产生应力集中的区域为5a半径范围，其余范围可不考虑其影响，仍可按弹性体考虑其应力状态。因此，只要基础底面至溶洞中心的距离h大于5a(a为溶洞半径)，就可以用齐尔西解答来解决溶洞围岩中的应力分布问题。

由于基础底面尺寸并不是无限大，即基底压力作用的范围有限，此时可以这样处理：在溶洞中心5a以外范围，仍采用弹性力学中关于弹性半空间的理论解答，即常规的地基中附加应力计算方法，分别计算出距溶洞中心距离5a处A点附加应力α_Ap₀、B点的附加应力α_Bp₀(图2-4)，用基础对A、B点处所产生的附加应力α_Ap₀、α_Bp₀，分别作为A 点的水平面和B点的竖直面处的附加应力(也可分别取A点水平面上若干个点的附加应力平均值及B点竖直面上若干个点的附加应力平均值，但这样相对复杂)。

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

式中：α_A、α_B为基底至A、B点处的附加应力系数；p₀为基底附加应力；σ_CA、σ_CA为A、B点处岩土体自重应力；λ为岩体侧压力系数。

图2-4 溶洞地基应力计算示意图

Fig.2-4 Stress calculation draw for cave foundation

当基础底面压力为大面积荷载作用时，α_A≈1，α_B≈1；则：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

2.2.2.2 溶洞稳定性分析评价

2.2.2.2.1 格里菲斯准则判别

由前述分析，可以得到地基中溶洞周边所产生的次生应力，并且可知洞体周边所产生的次生应力将随洞体形状不同而出现较大差异，在不同的部位，次生应力也不同，甚至可以产生数倍于基底压力p的次生应力，对地基的稳定性将产生不利的影响。此时，可应用格里菲斯破裂准则对岩石地基进行判别。

格里菲斯破坏准则表达为：

岩溶区溶洞及土洞对建筑地基的影响

式中：σ₁、σ₃为最大、最小主应力，以压应力为正号；R_t为岩石单轴抗拉强度，本身带负号。

对于求得的溶洞周边次生应力，切向应力σ_θ最大，径向应力σ_r=0，剪应力τ_rθ=0，所以σ_θ为主应力，即σ₁=σ_θ，σ₃=σ_r=0；并代入(2-7)式进行判别。

2.2.2.2.2 应用举例

某框架结构大楼，拟采用φ1500mm钻孔灌注桩基础，以基岩作为桩端持力层，基岩为泥盆系上统融县组微风化石灰岩，隐晶质块状结构。其中的一钻孔桩基地层为：石灰岩面埋深11m，基岩面以上为可塑、软塑粘土，其重度γ=19kN/m3，灰岩重度γ=25kN/m3。石灰岩桩端承载力标准值q_pk=4000kPa，设计桩底压力为3930kPa，钻孔桩嵌入微风化完整灰岩0.5m，桩底以下1.95m 处有一洞高 0.60m 的空溶洞(图2-5)。石灰岩单轴饱和抗压强度f_r=30MPa，单轴抗拉强度R_t=1900kPa。

图2-5 基桩下溶洞地基应力计算图

Fig.2-5 Stress calculation for cave foundation under the pile

为求得距溶洞中心5a处的垂直及水平应力p、q，经计算得到式(2-5)所需的计算参数：

α_A=0.646，α_B=0.066；

p₀=3930-(11×19+0.5×25)=3709(kPa)；

σ_CA=11×19+1.25×25=240(kPa)；

σ_CB=11×19+2.75×25=278(kPa)；

λ=0.25(石灰岩μ取0.2)；

由(2-5)式计算得到：

p=2637(kPa)、q=131(kPa)，并将其代入(2-2)式，得到溶洞周边的应力σ_θ(其中σ_r=0，τ_rθ=0)，见表2-2。

表2-2 圆形溶洞周边应力σ_θ值　Table2-2 The values of σ_θ in round cave periphery

现用格里菲斯准则对溶洞周边应力进行稳定性判别：

(1)在洞体两帮(θ=0、180°)：σ₁=σ_θ=7780kPa，σ₃=σ_r=0；并 代入(2-7)式得：

(安全)]]

《![CDATA[(2)而对洞体顶底板(θ=90°、270°)：σ《sub》3=σ_θ=-2244kPa，σ₁=σ_r=0，因为σ₁+3σ₃＜0时，所以用(2-7)式判别：

｜ σ_r｜=2244kPa＞ ｜ R_t｜=1900kPa(产生拉裂破坏)

因此，须变更原基桩设计方案，才能保证建筑物安全。

2.2.2.3 溶洞稳定性影响因数分析

2.2.2.3.1 基础底面尺寸对溶洞稳定性的影响

为研究基础尺寸对溶洞稳定性的影响，现假设桩径由1.5m 变为1.0m，其余条件(包括基底压力p等)均不变，经计算得到：α_A=0.424，α_B=0.030；

而p₀、σ_CA、λ、σ_CB不变

由式(2-5)计算得：p=1813kPa、q=97kPa，并将其代入(2-2)式得：

溶洞两帮(θ=0°、180°)，σ_θ=5342kPa；

溶洞顶底板(θ=90°、270°)，σ_θ=-1522kPa；

即洞体两帮的 σ_θ由原来的 7780kPa 减为 5342kPa，溶洞顶底板的拉力 σ_θ也由-2244kPa减为-1522kPa。(负号表示拉力)，用式(2-7)进行判别：

溶洞顶底板：｜σ_θ｜=1522kPa＜ ｜ R_t｜=1900kPa(安全)

因此，桩径由1.5m变为1.0m，其余条件不变，溶洞顶底板由原来的拉裂破坏变为安全，说明基础底面的尺寸对溶洞稳定性影响较大。基础底面尺寸越小，越有利于地基的稳定。

2.2.2.3.2 基础底面到溶洞顶板的距离对溶洞稳定性的影响

为研究基础底面到溶洞顶板的距离这一影响因数，现仅假设桩底到溶洞顶板的距离增加0.25m，其余条件均不变，经计算得到：

α_Α=0.488；α_B=0.056；代入式(2-5)得到：

p=2063kPa、q=124kPa，并将其代入(2-2)式得：

溶洞两帮(θ=0°、180°)，σ_θ=6065kPa；

溶洞顶底板(θ=90°、270°)，σ_θ=-1691kPa；

即洞体两帮的 σ_θ由原来的 7780kPa 减为 6065kPa，溶洞顶底板的拉力 σ_θ也由-2244kPa减为-1691kPa。(负号表示拉力)，用式(2-7)判别得：

溶洞顶底板：｜ σ_θ｜=1691kPa＜ ｜ R_t｜=1900kPa(安全)

仅将桩底到溶洞顶板的距离增加0.25m，其余条件不变，溶洞顶底板即由原来的拉裂破坏变为安全，说明基础底面到溶洞顶板的距离对溶洞稳定性的影响很大。

2.2.2.3.3 溶洞洞体形状对溶洞稳定性的影响

为研究洞体形状对溶洞稳定性的影响，在此工程中，其他条件均不变，将圆形溶洞变成水平向椭圆形溶洞(水平轴为a，竖直轴为b)，而溶洞高仍为0.60m。

则由式(2-3)计算的溶洞周边应力σ_θ(其中σ_r=0，τ_rθ=0)，见表2-3。

表2-3 椭圆形溶洞周边应力σ_θ值(kPa)　Table2-3 The values of σ_θ in elliptic cave periphery(kPa)

用格里菲斯准则判别可知：当m=1/3时，溶洞不仅顶底板出现拉裂破坏，而且在两帮也由于出现了高达18328kPa的次生应力，也将出现破坏。并且椭圆的竖直轴b与水平轴a之比越小，溶洞越不稳定。

2.2.2.3.4 地下水对溶洞稳定性的影响

若其余条件不变，洞内有地下水，当地下水位大幅度下降至溶洞底面以下时，设洞体周围土体密闭，溶洞内形成相对真空，即产生所谓的岩溶“真空吸蚀作用”。此时，由于洞内真空的影响，将会改变溶洞周围的应力状态，溶洞内的真空作用，相当于在地基表面施加1个大气压的附加应力(近似100kPa)，即施加近似100kPa的大面积附加荷载，溶洞周围的应力计算如下：

由(2-6)式计算得到：p=2737kPa、q=156kPa；并将其代入(2-2)式得：

溶洞两帮(θ=0°、180°)，σ_θ=8055kPa

溶洞顶底部(θ=90°、270°)，σ_θ=-2269kPa

由此可见，由于“真空吸蚀作用”，溶洞两帮的σ_θ由原来的7780kPa变为8055kPa，变化率3.5%；溶洞顶底板σ_θ由-2244kPa变为-2269kPa，变化率仅1.1%，应力变化较小。因此，岩溶“真空吸蚀作用”并不是引起含溶洞岩石地基破坏的主要因素。对于地下水的作用，其本身对溶洞周围的应力改变不大，其对溶洞稳定性的影响主要是对岩石裂隙结构面强度的降低，岩石的软化等。

2.2.2.3.5 洞内充填物对溶洞稳定性的影响

现假设洞内充填有粘土(粘土承载力设计值为300kPa)，其余条件不变，此时，可近似地认为粘土最大能够向洞壁提供300kPa的径向应力(实际应更小)，则由于洞内粘土的存在，溶洞周边的应力状态由表2-2变为如表2-4：

表2-4 洞内有充填物时溶洞周边应力分布　Table2-4 The stress distribution on cave periphery when cave is filled with materials

由表2-4可知：改变后溶洞的应力状态趋向有利于洞体的稳定，但总体说来，关键点处(θ=0°、90°)应力状态变化不大，用(2-7)式进行稳定性判别，溶洞稳定性的性质也未发生变化。由此可见，洞内有充填物(粘土)，对溶洞地基的稳定性有一定的作用，但作用并不显著。

从以上分析可以看出，岩溶区含溶洞岩石地基的稳定性，除与基础底面的压力有关外，还与基础尺寸，基础底面至溶洞顶板的距离，溶洞的断面尺寸形状等密切相关。有些工程即使符合《岩土工程勘察规范》GB50021—2001的第5.1.10条第二款或《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002的第6.5.4条的有关规定，但地基也未必是稳定，如前述举例分析，即符合上述规范规定可不考虑岩溶稳定性的不利影响，但通过计算发现，溶洞周边将产生较高的次生应力，仍将导致溶洞周边破坏失稳。此外，有些工程一律地按当地经验要求溶洞顶板的最小厚度，有时造成较大浪费。

2.2.2.4 结论

在岩溶区，当利用含溶洞岩石地基作为建(构)筑物持力层时，其稳定性评价宜采用工程地质定性分析与理论计算相结合的方法：

(1)工程地质定性分析宜重点分析含溶洞地基的地质构造、结构面、岩层、洞体形态、地下水等因素。

(2)稳定性理论计算可利用本文推导的有关公式进行分析评价。减小基础底面尺寸、增大基底至溶洞顶板的距离，可增加地基的稳定性；洞体直径(跨度)及洞体形状对地基稳定性影响很大，溶洞直径(跨度)越小，对稳定性越有利；椭圆形溶洞的竖直轴与水平轴之比越小，溶洞越不稳定。

(3)地下水产生的“真空吸蚀作用”对溶洞地基稳定性影响很小；洞内有充填物时，有利于溶洞的稳定，但作用不是很显著。

(4)有些工程即使符合《岩土工程勘察规范》GB50021—2001第5.1.10条第二款或《建筑地基基础设计规范》GB50007—2002的第6.5.4条的有关规定，认为可不考虑溶洞不利影响的地基，也还应该定量计算判别溶洞地基的稳定性。并建议对规范中该部分内容进一步研究并进行修订。此外，有些工程一律按当地经验来要求溶洞顶板的最小厚度进行基础设计，有时造成较大浪费。

大便中能检测出该人DNA吗

DNA中文称“脱氧核糖核酸”,英语全文：Deoxyribonucleic acid，又称去氧核糖核酸，是一种分子，可组成遗传指令，以引导生物发育与生命机能运作。主要功能是长期性的资讯储存，可比喻为“蓝图”或“食谱”。其中包含的指令，是建构细胞内其他的化合物，如蛋白质与RNA所需。带有遗传讯息的DNA片段称为基因，其他的DNA序列，有些直接以自身构造发挥作用，有些则参与调控遗传讯息的表现。

正常情况下大便是不存在这些分子的，如果大便含有脱落的黏膜细胞、黏液、血丝等物体就会有DNA分子，就能检出该人的DNA。

扩展资料

脱氧核糖核酸

同义词 dna（脱氧核糖核酸）一般指脱氧核糖核酸

脱氧核糖核酸是分子结构复杂的有机化合物。作为染色体的一个成分而存在于细胞核内。功能为储藏遗传信息。DNA 分子巨大，由核苷酸组成。核苷酸的含氮碱基为腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶及胸腺嘧啶；戊糖为脱氧核糖。

1953 年美国的沃森(James Dewey Watson)、英国的克里克与威尔金斯描述了 DNA 的结构：由一对多核苷酸链围绕一个共同的中心轴盘绕构成。糖 -磷酸链在螺旋形结构的外面，碱基朝向里面。两条多核苷酸链通过碱基间的氢键相连，形成相当稳定的组合。

分子编码中使用的遗传物质指令所有已知生物的发展和运作。

历史沿革

早期发现

最早分离出DNA的弗雷德里希·米歇尔是一名瑞士医生，他在1869年从废弃绷带里所残留的脓液中，发现一些只有显微镜可观察的物质。由于这些物质位于细胞核中，因此米歇尔称之为“核素”（nuclein）。

到了1919年，菲巴斯·利文进一步辨识出组成DNA的碱基、糖类以及磷酸核苷酸单元，他认为DNA可能是许多核苷酸经由磷酸基团的联结，而串联在一起。不过他所提出概念中，DNA长链较短，且其中的碱基是以固定顺序重复排列。1937年，威廉·阿斯特伯里完成了第一张X光绕射图，阐明了DNA结构的规律性。

1928年，弗雷德里克·格里菲斯从格里菲斯实验中发现，平滑型的肺炎球菌，能转变成为粗糙型的同种细菌，方法是将已死的平滑型与粗糙型活体混合在一起。这种现象称为“转型”。但造成此现象的因子，也就是DNA，是直到1943年，才由奥斯瓦尔德·埃弗里等人所辨识出来。1953年，阿弗雷德·赫希与玛莎·蔡斯确认了DNA的遗传功能，他们在赫希-蔡斯实验中发现，DNA是T2噬菌体的遗传物质。

组成与功能

进入20世纪时，组成蛋白质的20种氨基酸中已有12种被发现，到1940年则全部被发现。

20世纪初，德国科赛尔（1853-1927）和他的两个学生琼斯（1865-1935）和列文（1869-1940）的研究，弄清了核酸的基本化学结构，认为它是由许多核苷酸组成的大分子。核苷酸是由碱基、核糖和磷酸构成的。其中碱基有4种（腺嘌呤（A）、鸟嘌呤（G）、胸腺嘧啶（T）和胞嘧啶（C）），核糖有两种（核糖、脱氧核糖），因此把核酸分为核糖核酸（RNA）和脱氧核糖核酸（DNA）。

列文急于发表他的研究成果，错误地认为4种碱基在核酸中的量是相等的，从而推导出核酸的基本结构是由4个含不同碱基的核苷酸连接成的四核苷酸，以此为基础聚合成核酸，提出了“四核苷酸假说”。这个错误的假说，对认识复杂的核酸结构起了相当大的阻碍作用，也在一定程度上影响了人们对核酸功能的认识。

1902年，德国化学家费歇尔提出氨基酸之间以肽链相连接而形成蛋白质的理论，1917年他合成了由15个甘氨酸和3个亮氨酸组成的18个肽的长链。于是，有的科学家设想，很可能是蛋白质在遗传中起主要作用。如果核酸参与遗传作用，也必然是与蛋白质连在一起的核蛋白在起作用。因此，那时生物界普遍倾向于认为蛋白质是遗传信息的载体。

到了1919年，菲巴斯·利文进一步辨识出组成DNA的碱基、糖类以及磷酸核苷酸单元，他认为DNA可能是许多核苷酸经由磷酸基团的联结，而串联在一起。不过他所提出概念中，DNA长链较短，且其中的碱基是以固定顺序重复排列。1937年，威廉·阿斯特伯里完成了第一张X光绕射图，阐明了DNA结构的规律性。

1928年，美国科学家弗雷德里克·格里菲斯（1877-1941）在实验中发现，平滑型的肺炎球菌，能转变成为粗糙型的同种细菌，方法是将已死的平滑型与粗糙型活体混合在一起。

格里菲斯用一种有荚膜、毒性强的和一种无荚膜、毒性弱的肺炎双球菌对老鼠做实验。他把有荚病菌用高温杀死后与无荚的活病菌一起注入老鼠体内，结果他发现老鼠很快发病死亡，同时他从老鼠的血液中分离出了活的有荚病菌。这说明无荚菌竟从死的有荚菌中获得了什么物质，使无荚菌转化为有荚菌。这种假设是否正确呢？

格里菲斯又在试管中做实验，发现把死了的有荚菌与活的无荚菌同时放在试管中培养，无荚菌全部变成了有荚菌，并发现使无荚菌长出蛋白质荚的就是已死的有荚菌壳中遗留的核酸（因为在加热中，荚中的核酸并没有被破坏）。格里菲斯称该核酸为"转化因子"。这种现象称为“转化”。

但这个发现没有得到广泛的承认，人们怀疑当时的技术不能除净蛋白质，残留的蛋白质起到转化的作用。造成此现象的因子，也就是DNA，是直到1943年，才由奥斯瓦尔德·埃弗里(O，Avery)等人所辨识出来。1953年，阿弗雷德·赫希与玛莎·蔡斯确认了DNA的遗传功能，他们在赫希-蔡斯实验中发现，DNA是T2噬菌体的遗传物质。

1952年，噬菌体小组主要成员赫尔希（1908一）和他的学生蔡斯用先进的同位素标记技术，做噬菌体侵染大肠杆菌的实验。他把大肠杆菌T2噬菌体的核酸标记上32P，蛋白质外壳标记上35S。

先用标记了的T2噬菌体感染大肠杆菌，然后加以分离，结果噬菌体将带35S标记的空壳留在大肠杆菌外面，只有噬菌体内部带有32P标记的核酸全部注入大肠杆菌，并在大肠杆菌内成功地进行噬菌体的繁殖。这个实验证明DNA有传递遗传信息的功能，而蛋白质则是由 DNA的指令合成的。这一结果立即为学术界所接受。

美籍德国科学家德尔布吕克（1906--1981）的噬菌体小组对艾弗里的发现坚信不移。因为他们在电子显微镜下观察到了噬菌体的形态和进入大肠杆菌的生长过程。噬菌体是以细菌细胞为寄主的一种病毒，个体微小，只有用电子显微镜才能看到它。

它像一个小蝌蚪，外部是由蛋白质组成的头膜和尾鞘，头的内部含有DNA，尾鞘上有尾丝、基片和小钩。当噬菌体侵染大肠杆菌时，先把尾部末端扎在细菌的细胞膜上，然后将它体内的DNA全部注入到细菌细胞中去，蛋白质空壳仍留在细菌细胞外面，再没有起什么作用了。

进入细菌细胞后的噬菌体DNA，就利用细菌内的物质迅速合成噬菌体的DNA和蛋白质，从而复制出许多与原噬菌体大小形状一模一样的新噬菌体，直到细菌被彻底解体，这些噬菌体才离开死了的细菌，再去侵染其他的细菌。

几乎与此同时，奥地利生物化学家查伽夫对核酸中的4种碱基的含量的重新测定取得了成果。在艾弗里工作的影响下，他认为如果不同的生物种是由于DNA的不同，则DNA的结构必定十分复杂，否则难以适应生物界的多样性。

因此，他对列文的"四核苷酸假说"产生了怀疑。在1948－ 1952年4年时间内，他利用了比列文时代更精确的纸层析法分离4种碱基，用紫外线吸收光谱做定量分析，经过多次反复实验，终于得出了不同于列文的结果。

实验结果表明，在DNA大分子中嘌呤和嘧啶的总分子数量相等，其中腺嘌呤A与胸腺嘧啶T数量相等，鸟嘌呤G与胞嘧啶C数量相等。说明DNA分子中的碱基A 与T、G与C是配对存在的，从而否定了“四核苷酸假说”，并为探索DNA分子结构提供了重要的线索和依据。

克里克在1957年的一场演说中，提出了分子生物学的中心法则，预测了DNA、RNA以及蛋白质之间的关系，并阐述了“转接子假说”（即后来的tRNA）。1958年，马修·梅瑟生与富兰克林·史达在梅瑟生-史达实验中，确认了DNA的复制机制。后来克里克团队的研究显示，遗传密码是由三个碱基以不重复的方式所组成，称为密码子。这些密码子所构成的遗传密码，最后是由哈尔·葛宾·科拉纳、罗伯特·W·霍利以及马歇尔·沃伦·尼伦伯格解出。

双螺旋的发现

20世纪30年代后期，瑞典的科学家们就证明DNA是不对称的。第二次世界大战后，用电子显微镜测定出DNA分子的直径约为2nm。DNA双螺旋结构被发现后，极大地震动了学术界，启发了人们的思想。从此，人们立即以遗传学为中心开展了大量的分子生物学的研究。首先是围绕着4 种碱基怎样排列组合进行编码才能表达出20种氨基酸为中心开展实验研究。

20世纪50年代，DNA双螺旋结构被阐明，揭开了生命科学的新篇章，开创了科学技术的新时代。随后，遗传的分子机理――DNA复制、遗传密码、遗传信息传递的中心法则、作为遗传的基本单位和细胞工程蓝图的基因以及基因表达的调控相继被认识。至此，人们已完全认识到掌握所有生物命运的东西就是DNA和它所包含的基因，生物的进化过程和生命过程的不同，就是因为DNA和基因运作轨迹不同所致。

1953年4月25日，英国的《自然》杂志刊登了美国的沃森和英国的克里克在英国剑桥大学合作的研究成果：DNA双螺旋结构的分子模型，这一成果后来被誉为20世纪以来生物学方面最伟大的发现，标志着分子生物学的诞生。

沃森（1928一）在中学时代是一个极其聪明的孩子，15岁时便进入芝加哥大学学习。当时，由于一个允许较早人学的实验性教育计划，使沃森有机会从各个方面完整地攻读生物科学课程。

在大学期间，沃森在遗传学方面虽然很少有正规的训练，但自从阅读了薛定谔的《生命是什么？--活细胞的物理面貌》这本进化论的理论基础书籍，促使他去“发现基因的秘密”。他善于集思广益，博取众长，善于用他人的思想来充实自己。只要有便利的条件，不必强迫自己学习整个新领域，也能得到所需要的知识。

沃森22岁取得博士学位，然后被送往欧洲攻读博士后研究员。为了完全搞清楚一个病毒基因的化学结构，他到丹麦哥本哈根实验室学习化学。有一次他与导师一起到意大利那不勒斯参加一次生物大分子会议，有机会听英国物理生物学家莫里斯·威尔金斯（1916--2004）的演讲，看到了威尔金斯的DNAX射线衍射照片。从此，寻找解开DNA结构的钥匙的念头在沃森的头脑中索回。什么地方可以学习分析X射线衍射图呢？于是他又到英国剑桥大学卡文迪什实验室学习，在此期间沃森认识了克里克。

克里克（1916-2004）上中学时对科学充满热情，1937年毕业于伦敦大学。1946年，他阅读了埃尔温·薛定谔《生命是什么？－活细胞的物理面貌》一书，决心把物理学知识用于生物学的研究，从此对生物学产生了兴趣。1947年他重新开始了研究生的学习，1949年他同佩鲁兹一起使用X射线技术研究蛋白质分子结构，于是在此与沃森相遇了。

当时克里克比沃森大12岁，还没有取得博士学位。但他们谈得很投机，沃森感到在这里居然能找到一位懂得DNA比蛋白质更重要的人，真是三生有幸。同时沃森感到在他所接触的人当中，克里克是最聪明的一个。他们每天交谈至少几个小时，讨论学术问题。两个人互相补充，互相批评以及相互激发出对方的灵感。

他们认为解决DNA分子结构是打开遗传之谜的关键。只有借助于精确的X射线衍射资料，才能更快地弄清DNA的结构。为了搞到DNAX射线衍射资料，克里克请威尔金斯到剑桥来度周末。在交谈中威尔金斯接受了DNA结构是螺旋型的观点，还谈到他的合作者富兰克林（1920--1958，女）以及实验室的科学家们，也在苦苦思索着DNA结构模型的问题。从1951年11月至1953年4月的18个月中，沃森、克里克同威尔金斯、富兰克林之间有过几次重要的学术交往。

1951年11月，沃森听了富兰克林关于DNA结构的较详细的报告后，深受启发，具有一定晶体结构分析知识的沃森和克里克认识到，要想很快建立 DNA结构模型，只能利用别人的分析数据。他们很快就提出了一个三股螺旋的DNA结构的设想。1951年底，他们请威尔金斯和富兰克林来讨论这个模型时，富兰克林指出他们把DNA的含水量少算了一半，于是第一次设立的模型宣告失败。

有一天，沃森又到国王学院威尔金斯实验室，立刻兴奋起来、心跳也加快了，因为这种图像比以前得到的“A型”简单得多，只要稍稍看一下“B型”的X射线衍射照片，再经简单计算，就能确定DNA分子内多核苷酸链的数目了。

克里克请数学家帮助计算，结果表明嘌呤有吸引嘧啶的趋势。他们根据这一结果和从查伽夫处得到的核酸的两个嘌呤和两个嘧啶两两相等的结果，形成了碱基配对的概念。

他们苦苦地思索4种碱基的排列顺序，一次又一次地在纸上画碱基结构式，摆弄模型，一次次地提出假设，又一次次地推翻自己的假设。

有一次，沃森又在按着自己的设想摆弄模型，他把碱基移来移去寻找各种配对的可能性。突然，他发现由两个氢键连接的腺嘌呤一胸腺嘧啶对竟然和由3个氢键连接的鸟嘌呤一胞嘧啶对有着相同的形状，于是精神为之大振。

因为嘌呤的数目为什么和嘧啶数目完全相同这个谜就要被解开了。查伽夫规律也就一下子成了 DNA双螺旋结构的必然结果。因此，一条链如何作为模板合成另一条互补碱基顺序的链也就不难想象了。那么，两条链的骨架一定是方向相反的。

经过沃森和克里克紧张连续的工作，很快就完成了DNA金属模型的组装。从这模型中看到，DNA由两条核苷酸链组成，它们沿着中心轴以相反方向相互缠绕在一起，很像一座螺旋形的楼梯，两侧扶手是两条多核苷酸链的糖一磷基因交替结合的骨架，而踏板就是碱基对。由于缺乏准确的X射线资料，他们还不敢断定模型是完全正确的。

下一步的科学方法就是把根据这个模型预测出的衍射图与X射线的实验数据作一番认真的比较。他们又一次打电话请来了威尔金斯。不到两天工夫，威尔金斯和富兰克林就用X射线数据分析证实了双螺旋结构模型是正确的，并写了两篇实验报告同时发表在英国《自然》杂志上。1962年，沃森、克里克和威尔金斯获得了诺贝尔医学和生理学奖，而富兰克林因患癌症于1958年病逝而未被授予该奖。

基因工程

1967年，遗传密码全部被破解，基因从而在DNA分子水平上得到新的概念。它表明：基因实际上就是DNA大分子中的一个片段，是控制生物性状的遗传物质的功能单位和结构单位。在这个单位片段上的许多核苷酸不是任意排列的，而是以有含意的密码顺序排列的。一定结构的DNA，可以控制合成相应结构的蛋白质。

蛋白质是组成生物体的重要成分，生物体的性状主要是通过蛋白质来体现的。因此，基因对性状的控制是通过DNA控制蛋白质的合成来实现的。在此基础上相继产生了基因工程、酶工程、发酵工程、蛋白质工程等技术。

1972年，美国科学家保罗.伯格首次成功地重组了世界上第一批DNA分子，标志着DNA重组技术――基因工程作为现代生物工程的基础，成为现代生物技术和生命科学的基础与核心。

到了20世纪70年代中后期，由于出现了工程菌以及实现DNA重组和后处理都有工程化的性质，基因工程或遗传工程作为DNA重组技术的代名词被广泛使用。

到20世纪末，DNA重组技术最大的应用领域在医药方面，包括活性多肽、蛋白质和疫苗的生产，疾病发生机理、诊断和治疗，新基因的分离以及环境监测与净化。

参考资料来源：百度百科-脱氧核糖核酸