20世紀生物學的最大發現是DNA雙螺旋結構。DNA是英語deoxyribonucleic acid的縮寫，意譯去氧核糖核酸。它攜帶所有細胞生物體的遺傳信息。1953年，英國科學家克裡克（1916-2004）和美國科學家沃森（1928-2025）在劍橋卡文迪什實驗室共同發現了DNA雙螺旋結構，這標誌著分子生物學的誕生。該發現揭示了遺傳信息是如何被存儲以及如何從一代傳給下一代的。由於這一重大發現，他們榮獲1962年度諾貝爾生理學醫學獎。 
優勢互補，黃金搭檔
法蘭西斯·克裡克（Francis Crick）1916年6月8日出生於英格蘭的北安普頓東郊的韋斯頓法維爾（Weston Favell）。他從小就有旺盛的求知欲，思維敏銳，對眼前的世界充滿了好奇。為了他的求知欲，母親給他買來亞瑟·米（Arthur Mee，1875-1943）主編的10卷一套《兒童百科全書》。書中內容包括藝術、科學、歷史、神話、文學等各個領域，然而最能夠引起他興趣的是科學領域。他的家庭條件不錯，父親開鞋廠，屬於中產階級，因此童年時代克裡克接受了良好的教育，先後在北安普頓和倫敦讀完了中學。中學畢業後，他進入倫敦大學學習物理學，但由於二戰爆發使他被迫中斷了博士學位的攻讀，來到英國海軍部研製磁性水雷。
二戰結束時，克裡克已到了而立之年。這時候，他對“生物與非生物的區別”產生了濃厚的興趣，但那時他在生物學、有機化學以及晶體學方面都沒有什麼基礎，因此他花了兩年時間認真自學了這方面的知識，完成了從物理學家到生物學家的轉變。
1947年，克裡克進入劍橋大學斯特蘭奇韋斯實驗室，研究生物學和細胞的物理特性。兩年後又加入該校卡文迪什實驗室，他要在這裡完成自己的博士論文課題——多肽和蛋白質：X射線衍射。在這裡，他遇到了年輕的沃森。在沃森的邀請下，兩人開始合作，拉開了頗具傳奇色彩的DNA分子結構的研究。
再介紹一下沃森，即詹姆斯·沃森（James Watson，又譯華生），1928年4月6日出生於美國芝加哥。因資賦優異而提早在15歲就進入芝加哥大學，1947年獲得動物學學士學位。期間，他接觸到理論物理學家薛定諤探討生物學的名著《生命是什麼？-活細胞的物理面貌》（What is Life?）；又受遺傳學家繆勒（Hermann J. Muller, 1890-1967，1946年諾貝爾生理醫學獎得主）的影響，決定從事遺傳學的研究。他進入了盧裡亞（Salvador Luria, 1912-1991，1969年諾貝爾生理醫學獎得主）的噬菌體研究實驗室，對基因如何複製產生興趣。並于1950年獲得印第安那大學遺傳學博士學位，時年22歲。 
畢業後，沃森到丹麥接受生物化學博士後訓練，期間，在一個學術會議中，他從倫敦國王學院的威爾金斯（Maurice Wilkins，1916-2004）演講中得知DNA具有規則的分子結構，他看到所展示DNA結構的X光衍射圖像，雖然不甚清晰，但引起他很大的興趣。他認為DNA的結構是生物學最根本的問題，並意識到“解開DNA結構”的關鍵技術就是晶體衍射（Crystal Diffraction，又譯晶體繞射）技術。於是他設法轉到英國劍橋大學卡文迪許實驗室。沃森在那裡遇見了物理學家克裡克，並說服後者一起參與DNA分子模型的研究。
克裡克與沃森的兩人組合，堪稱黃金搭檔。沃森是學生物的，曾經專門研究過噬菌體和遺傳學，擅長生物學思維推演；而克裡克是學物理出身的，則對X射線晶體衍射進行過深入的研究，擅長空間建模。這使得兩人能夠取長補短、優勢互補，彌補了他們資金不足、實驗設備落後的劣勢。 
發現DNA雙螺旋結構，意義重大
1952年1月，沃森看到了威爾金斯帶來同事女科學家羅莎琳德·佛蘭克林（Rosalind Franklin，1920-1958）拍下的DNA的晶體結構X射線衍射照片（51號照片），發現DNA的內部是一種螺旋形結構。當時其他研究者認為DNA應該是一種三鏈螺旋結構，而沃森則敏銳地發現DNA應該是一種雙鏈螺旋結構。沃森將自己的想法告訴了克裡克，克裡克經過認真分析後完全贊同他的想法，於是兩人在理論上形成了高度的一致：DNA是一種雙鏈螺旋結構。1953年2月28日，興奮的克裡克沖進劍橋鷹酒吧（The Eagle Pub），向眾人宣佈他和沃森“發現了生命的秘密”。如今酒吧內掛有紀念牌匾，是科學愛好者的必去聖地。
隨後，兩人立即行動起來，在實驗室裡聯手開始用金屬棒和紙板搭建DNA雙螺旋模型，終於在1953年3月7日，將他們心中的DNA分子模型搭建成功了。
1953年4月25日，兩人在《自然》雜誌上發表了名為《核酸的分子結構——DNA的結構》的論文。這篇不足千字的論文，開頭一句寫道：“我們希望提出一種 DNA 的結構，這種結構可以解釋遺傳物質的複製機制。”他們的論文引起了轟動，解決了遺傳學研究中的許多關鍵性問題，被譽為是“生物學的一個標誌，開創了新的時代”。
DNA雙螺旋結構模型雖然解釋了遺傳學的許多關鍵問題，但是遺傳信息怎樣得到表達以控制細胞活動，對於這個問題雙螺旋模型還無法給予解釋。為此，克裡克又進行了進一步的研究，並相繼提出了兩個學說，很好地回答了這些問題，奠定了分子遺傳學的理論基礎。
克裡克提出兩個學說，分別是 “序列假說”和“中心法則”。 第一個學說是“序列假說”（Sequence Hypothesis），認為一段核酸的特殊性完全由它的堿基序列所決定，堿基序列編碼一個特定蛋白質的氨基酸序列，而蛋白質的氨基酸序列決定了蛋白質的三維結構。第二個學說是“中心法則”（central dogma），認為遺傳信息只能從核酸傳遞給核酸，或核酸傳遞給蛋白質，而不能從蛋白質傳遞給蛋白質，或從蛋白質傳回核酸。後來他把中心法則更為明確地表示為遺傳信息只能從DNA傳到RNA（核酸分DNA和RNA兩種，RNA是核糖核酸，為生物大分子，主要負責傳遞遺傳信息並協助合成蛋白質），再由RNA傳到蛋白質。
DNA雙螺旋模型的確定和克裡克的兩個學說，是20世紀最為重大的科學發現之一，也是生物學歷史上惟一可以與達爾文進化論相媲美的重大發現。它統一了生物學的大概念，標誌著分子生物學的誕生。使物理學和生物學相結合，形成分子生物學的最顯著的特點之一。此後，遺傳學的歷史和生物學的歷史都從細胞階段進入了分子階段。達爾文的進化論終於有了分子層面的解釋，現代生物學大廈的地基打好了。有學者稱克裡克是“20世紀的達爾文”，說：“20世紀有兩大象徵符號，一是原子彈的蘑菇雲，另一個是DNA雙螺旋。”
DNA雙螺旋學說不但闡明了DNA的基本結構，並且為一個DNA分子如何複製成兩個結構相同的DNA分子以及DNA怎樣傳遞生物體的遺傳信息提供了合理的說明。DNA複製是半保留的，意思是DNA雙螺旋在細胞分裂過程中分開，每個單螺旋充當範本，就像翻砂工用的模子。根據堿基配對的原則，可以澆注出（合成）它們缺少的另外一股單螺旋，一新一舊兩股單螺旋形成和原來DNA分子一模一樣的新DNA分子。這個過程將一個起始分子分成兩個“女兒”分子，實現了DNA分子的複製。說明一下，DNA雙螺旋的兩股單螺旋（兩條鏈）不一樣，它們是互補且反向平行的關係，可以互相推導出來。
DNA雙螺旋結構不但可以說明複製機理，而且可以說明怎樣帶有大量的遺傳基因。我們常說的基因（gene），就與DNA有密切關係。DNA是一種長鏈生物大分子，像一條包含所有遺傳密碼的長鏈。基因是DNA分子上具有遺傳效應的特定片段，兩者的關係類似於整本書與其中有意義的字句。基因作為攜帶遺傳信息、能夠指導蛋白質或RNA合成的基本功能單位，本質上就是DNA分子上的一段特定核苷酸序列。而A、T、C、G四種堿基是四種核苷酸的重要組成部分。由於DNA分子量非常巨大，它的雙螺旋長度可以是直徑的幾萬倍，因此能含有大量的遺傳基因。就像拍電報的電碼，雖然只有“·”和“-”兩種符號，但按不同順序排列起來，就可以表達千變萬化的不同內容了。
遺傳密碼（genetic code）也與DNA和基因有密切關係。基因是內容：是一段具體的DNA序列，裡面寫了具體的生物資訊。而遺傳密碼是規則：是解讀所有基因內容時所共用的翻譯對照標準。DNA雙螺旋結構的發現是遺傳密碼破譯的起點和物理基礎。如果沒有弄清DNA的結構，科學家就無法理解遺傳信息是如何存儲和表達的。
在發現DNA雙螺旋結構之前，人們雖然知道DNA與遺傳有關，但不知道它是如何記錄資訊的。雙螺旋結構展示了一系列堿基對（堿基對是互相配對的一對堿基，如A 與 T 配對，G 與 C 配對）組成的“階梯”，這讓科學家們恍然大悟：堿基的排列順序就是遺傳信息的編碼（即遺傳密碼）。例如 ATCGGA……就是基因的語言，它決定了生物體會合成什麼樣的蛋白質，進而決定了生物的性狀。
DNA雙螺旋結構還能解釋遺傳的變異。如果在複製過程中出一點意外（如受環境影響），就會造成變異或突變。
我們可以把 DNA雙螺旋結構 比作人類第一次發現了“生命天書”的物理材質和排版格式，而遺傳密碼的破譯則是真正讀懂了這本天書中字裡行間的具體含義。
由於在DNA分子研究方面的卓越貢獻，克裡克、沃森和威爾金斯三人分享了1962年的諾貝爾生理學或醫學獎。
補充一下威爾金斯的功績，他出生于紐西蘭，曾在劍橋卡文迪什實驗室工作。後到倫敦國王學院從事研究。在沃森和克裡克提出雙螺旋結構模型後，威爾金斯及其團隊利用高精度的X射線衍射技術，對該模型進行了精確的數學和物理實驗驗證，證明了該結構在技術和科學上的正確性。作為幕後支持者，他被稱作“發現雙螺旋結構的第三個人”。而提供關鍵照片的羅莎琳德·佛蘭克林，因英年早逝，可惜無緣諾獎。
克裡克等人揭開DNA的結構鏈，找到瞭解讀遺傳密碼的鑰匙。遺傳密碼特指密碼子（3個連續的核苷酸，又稱聯體密碼）與蛋白質中氨基酸之間的對應規則。恩格斯有句名言：“生命是蛋白質的存在形式”。蛋白質的主要功能是進行新陳代謝以及作為細胞的重要組成部分，其種類成千上萬，而組成它們的卻只有20種不同的氨基酸。20世紀60年代，美國遺傳學家尼倫伯格（Marshall Nirenberg，1927-2010）等科學家發現了所有20種氨基酸和它們相對應的核苷酸的排列方式，成功破譯了生物體的遺傳密碼表，1968年獲得諾獎。
我們知道，細胞核是細胞的司令部，都含有一種叫染色體的東西，染色體就是由DNA和蛋白質以及少量的 RNA一起構成的。以精子和卵子為例，它們是人體的生殖細胞，都攜帶著父母的遺傳物質，其中精子攜帶父親的一半核DNA（23條染色體），卵子攜帶母親的一半核DNA（23條染色體），當精子和卵子結合成受精卵時，兩者的核遺傳物質組合在同一個細胞核中（核DNA各占一半），恢復為23對（46條）染色體，其中包含大約2萬個蛋白質編碼基因。這些基因與來自母親的線粒體基因共同作用，決定了新生命的遺傳特徵。
隨著科學家破譯了遺傳密碼，人們對遺傳機制有了更深刻的認識。現在，人們已經開始向控制遺傳機制、防治遺傳疾病、合成生命（如合成酵母）等更大的造福人類的工作方向前進。這就是前沿高科技之一的遺傳工程（也稱基因工程）。中國科學家在2018年成功人工合成了“單染色體真核酵母”，實現了合成生物學領域的重大突破。這是一項世界首創的傑出基礎科學突破。