ワトソンとクリックの提唱後、科学界ではDNA複製の様式を巡って3つの仮説が激しく対立していました。「半保存的複製説」、元の二重らせんはそのまま残り全く新しい二重らせんが作られる「保存的複製説」、そして元の鎖が細かく断片化されて新旧が入り混じる「分散的複製説」です。この論争に終止符を打ったのが、1958年にカリフォルニア工科大学のマシュー・メセルソンとフランクリン・スタールが発表した実験でした。
二人が着目したのは、DNAの構成要素である塩基に含まれる「窒素原子（N）」の重さの違いでした。放射性を持たない安定同位体である重い窒素窒素同位体15Nと、自然界に最も多く存在する軽い窒素（14N）を用意し、大腸菌を何世代にもわたって15Nのみを含む培地で培養しました。これにより、大腸菌のすべてのDNA鎖は重い15Nで標識された「重いDNA（15N-15N）」になります。この状態を世代0（第0世代）としました。
続いて、この大腸菌を通常の14N培地に移し、DNAが1回複製する時間（大腸菌では約20分）ごとに菌体を回収してDNAを抽出。塩化セシウム水溶液を用いた密度勾配遠心法にかけました。超遠心機で猛烈な重力加速度を加えると、塩化セシウム溶液内に自然な密度勾配が形成され、DNA分子はその分子量に応じた密度の位置に極めて細いバンド（帯）としてピタリと停止します。
遠心分離の結果は、科学者たちを息をのむほど明快なものでした。第1世代（1回複製後）のDNAを遠心分離すると、重いバンドでも軽いバンドでもなく、ちょうどその中間の位置に1本の中間バンド（15N-14N）だけが現れました。この単一の中間バンドが検出された瞬間、元の重いDNAがそのまま残るはずの「保存的複製説」は完全に消え去りました。もし保存的複製であれば、「重いバンド」と「軽いバンド」の2本が1対1で現れなければならないからです。
さらに大腸菌を14N培地で育て続け、第2世代（2回複製後）のDNAを解析すると、今度は「中間密度のバンド（15N-14N）」と「軽い密度のバンド（14N-14N）」がちょうど1対1の比率で分離して現れました。仮にDNAが細かく混ざり合う「分散的複製」であれば、第2世代ではすべての中間DNAが均等に薄まり、やや軽めの中間バンドが1本だけ現れるはずです。中間と軽いが別々のバンドとして共存したこの実験結果により、半保存的複製であることが数学的・物理的に反論の余地なく証明されたのです。
