4
Самая главная молекула
Потребающие вещи производят в биологически. Мне кажется, Джим Уотсон сделал открытие, сравнимое с тем, что сделал Резерфорд в 1911 году.
Макс Дельбрюк
(из письма Нильсу Бору от 14 апреля 1953 года)
Из всего, что нас окружает, наиболее необходимой кажется жизнь. Мы привыкли, что она всегда вокруг нас и в нас самих, и потеряли способность удивляться. Но почти в лес, взгляните на деревья, траву, цветы, на птиц и муравьев так, будто видите их впервые, и вас охватит чувство беспомощности перед лицом великой тайны жизни. Нужели во всем этом есть нечто общее, нечто такое, что объединяет все живые существа, будь то человек или невидимый глазом микроб? Чем преследуется преемственностью жизни, ее возрождание вновь и вновь из поколения в поколение? Эти вопросы стары как мир, но только нам, живущим во второй половине XX века, посчастливилось впервые узнать ответы.
Революционные преобразования, произведение в физике в первой трети нашего века, оказали глубокое влияние на другие области науки, в первую очередь — на химию и биология. Однако из главных всех на пути создания новой физики было открытие Резерфордом в 1911 году atomного ядра. Само существование atoms Резерфорда находится в во-пищеем противоречии с классической теории. Начался период создания новой физики, известной теперь под названием квантовой механики.
Эта новая теория, разработка которой была начата Планком, Эйштейном и Бором, нашла свою окончательную и замещенную ясную формулировку в знаменитом уравнения Шредингера. Это уравнение не только позволяет физикам решать все «головоломки», которые наполились в области atomных спектров, но, будучи дополнено принципиом Паули, поставило на прочный теоретический фундамент всего химию. Наконец-то стал понятен смысл atomного номера в таблице Менделеева, ясен истинный смысл валентности, выясена природа химического связи.
У физков появилось ощущение всемуогуществва. И их взоры образились к связи связывах — к самой жизни. Не помогет ли новая физика разгадать тайну жизни? Или, может быть, наоборот — удаться доказать, что жизнь противоречит квантовой механике, и тогда придется «изобретать» какие-то новые законы. Это было бы особенно интересно.
…В августа 1932 года в Копенгаге проходил Международный конгресс по светотерапии. На одном из заседанной выставил Нильс Бор. Его lekция называлась «Свет и жизнь». В ней Бор поделился своим мыслими о проблеме жизни в связи с последними достижениями квантовой механики. На lekции приступовал молодой немецкий физик-теоретик, стажер института Бора в Копенгаге Макс Дельбрюк. До сих пор онникогда не интересовался биологии. Он занимался квантовой химей, потом ядерной физикой, но не мог найти себе занятие по вкусу. Лекция Бора все определяла: Дельбрюк твордо решил, что отпыли он посвятит себя биологии.
Вернувшись в Берлин, Дельбрюк стал искать контактов с биологами. Ему повезло. В это время в Берлине работал известный генетик Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский.
Продолжавшиеся всего несколько лет друзья и сотрудничтое физика Дельбрюка и генетика Тимофеева-
5
Респовского явились тем началом, из которого двадцать лет спустя родилась разгадка тайны наследственности.
Дельбрюк стал собирать у себя дома друзей-физиков и приглашать Тимофеев-Респовского, который часами обучал их своей наук — генетике. Расссказывая, Тимофеев-Респовский бегал, по своему обикновению, из угла в угол, словно тигр в клетке. Он говорил о математических строгих законах Менделя, управляющих наследственностью. О генах и о заменательных работах Моргана, установившего закономерности расположения генов в хромосомах. О плодовой муше дрозфиле и о мутациях, которые можно взвать у нее рентгеновским излучением. Этим последним вопросом он как раз занимался вместе с физиком-экспериментатором Циммером.
Дельбрюка крайне заинтересовала их работа. Вообще в генетике было столько созвучного квантовой механике! Ведь квантовая механика принесла в физку дискретность, скачообразность. Она также заставила серьено относиться к случайности. И вот оказывается, что биологи тоже обнаружили дискретную недelimмую частицу наследственности — ген — которая может случайным образом переходить из одного состояния в другое (этот переход называют мутацией).
Что же такое ген? Как он устроен? Об этом часто спорили на вечерах у Дельбрюка. Тимофеев-Респовский говорил, что вообще-то этот вопрос мало интересует генетиков. Для них ген — то же, что для физков — электрон. Ген — элементарная часть наследственности.
— Что вы ответите, если я спрошу, из чего состоит электрон? — сказал однajды Тимофеев-Респовский. Все рассмеялись.
— Вот так же смешются генетики, когда их спрашивают, из чего состоит ген. Вопрос о том, что такое ген, выходит за рамки генетики, и его бессмысленно адресовать генетикам, — продолжал он. — Вы, физики, должны искать ответ на него.
— И все-tаки, — настанвал Дельбрюк, — неужели нет никаких гипо-tezз, пустычного умозрительных?
— Есть, — ответил Тимофеев-Респовский, немного подумав. — Мой учитель Николай Константинович Кольцов считает, что ген — это полимерная молекула, скорее всего — молекула белка.
— Ну и что это объясняет? — тощий, длинный Дельбрюк прямотаки кричал на широкоплечего, могучего Тимофеев-Респовского. — Оттого, что мы назовем ген белком, мы понем, как гены удаваются? Ведь главная-то загадка именно в этом! Не ты ли расссказывал нам, как характерная форма губы переходила из поколения в поколение в роду Габсбургов? Какой механизм обеспечивает стол точное копирование генов в течение веков? Разве химия дает нам такие примеры? Во всяком случае, я никогда ничего подобного не слышал. Нет, тут нужно совершенню тайтся загадка. Великая загадка. Возможно, новый закон приоды. Сейчас главный вопрос — как к этому продуктився экспериментально.
Великая тайна, скрывашаяся за коротким словом «ген», не давала покоя Дельбрюку. Как происходит удвоение, или редупляция, генов при делении клеток?
В особенно сильное возбуждение пришел Дельбрюк, когда узнал о существовании бактериофагов. Эти удивительные частицы, которые и живыми-то не назовешь, вне клетки ведут себя просто как большие молекулы — из них даже выращивают кристаллы. Но если такая частица попадает в клетку, то минут черезвадцать клеточная оболочка лопается, и из нее вываливается сотня точных копий исходной частицы. «Вот он — ключ к разгаде, — думал Дельбрюк. — Это очень простое явление, горячдо более простое, чем деление целой клетки. Здесь нетрудно будет разобраться. В самом деле, надо посмотреть, как внешние условия будут влиять на воспроизводство вирушных частиц. Над проведти эксперименты при разных температурах, в разных средах, с разныхми вирушками».
6
Так физик-теоретик превращался в биология-экпериментатора. Но мышлене — мышлене осталось чисто физическим. А главное — цель. Во всем мире не было другого человека, который занимался бы виртуами с единственной целью — узнать, как устроен ген.
… В 1937 году Дельбрюка приглашал работать в США, где он мог бы целиком посвятить себя проблеме редупликции бактериофагов. Он спешит воспользоваться этим предложением, так как жизнь в национской Германии становится невелиим.
В Америке Дельбрюк собрал вокруг себя горстку энтузинастов, заразившихся его идеей изучения природы наследственности на бактериофагах. Так возникла «фаговая группа».
Шли годы, иучатники фаговой группы все больше и больше узнали о том, как протекает фаговая инфекция, как процесс воспроизведения фагового потомства зависит от внешних условий и т. д. Было проведено много замечательных исследований, в особенности в области изучения мутации у бактерии и бактериофагов. Но все это, казалось, даже не приближало к решению основной проблемы.
Как часто бывают в науке, люди, объединенные для решения большей и важной задачи, постепенно занялись скрупулезным изучением частных вопросов, сделались мастерыми специалистами в своих конкретных областях, но перестали видеть перед собой исходные цели. Так путики видят издалека сяюше горные вершины, но затем, приближаясь к ним, попадают в лесные предгорья, откуда эти вершин не видно. Эти леса изобилиют грибами, ягодами… Если долго耕ить по предгорьям, то виденные издалека снежные вершины начинают казаться миражем. Можно быть, это были лишь облака, похожие на снежные горы? Но даже если это и в самом деле были горы, зачем туда спешить? Ведь здесь, в этих нежженных лесах, так хорошо. Чтобы люди вновь вспомнили о цели, нужен громкий голос лидера.
И такой голос произвел. Это был голос замечательного физиактеоретика, одного из создателей квантовой механики Эрвина Шредингара.
В 1944 году вышла в свет небольшая книга Шредингара под бросским заголовком «Что такое жизнь? С точки зрения физика». Тогда она не привлекла почти никакого внимания. Шла война, и большеинстров тех, кому была адресована книга, с головой ушли в научнотехнические проблемы, от решения которых во многом зависит исходы с физической Германии.
Но когда война кончалась, появилось много специализитов, особенно среди физков, которые надо было все начинать сначала, снова искать себе место в мирной науке — вот для них книжка Шредингара оказалась как нельзя кстати.
В своей книге (на русском языке она вышла впервые в 1947 году) Шредингер, прежде всего, дал оченьясное и скатое изложение основных генетики. Для физков это была уникальная возможность узнать, причем вlectedшем и, главное, доступном изложении их прославленного коллекги, в чем же состоит эту этой загадочного привлекательной науки. Но мало того. Шредингер изложил иlectraше развил идея Дельбрюка и Тимофеева-Ресовского о связи генетики и квантовой механики. Пока эти идеи вывгались неизвестными физкам лидыми, на них не обращали особого внимания. Но когда об этом заговорил сам Шредингер…
По признанию всех, кто в последующее годы штумовал проблему гена, именно книга Шредингара послужила для них главным толчком. Шредингер был тем, кто как бы крикнул: «Вот они, сяюше вершины, посмотрите, они совсем уже близко. Что же вы мешкаете?»
Из многих, откликнувшихся на признание Шредингара, двойм посчастливилосьервыми увидеть дали, открывшиеся с самого верха. Это были совсем еще юный воспитник фаговой группы Джим Уотсон и сотрудник прославленной Кавендишской лаборатории Фрэнсис Крик.
7
Не будем подробно прослеживать их путь к вершине — об этом рассказал сам Уотсон в своей книге «Двойная спираль». Давайте пробуем кратчайшим путем достичь этой вершины, одной из величайших, когда-либо покоренных человеком, и хотя чуть-чуть ощутим те чувства, которые испытыли первопроходцы и те, кто щел за ними следом.
Будучи одержим идеей узнать, как устроен ген, и считая, что фаговой группе эта задача не по плечу, Уотсон в 1951 году едет работать в Европу. Вскоре он «осел» в Кавендишской лаборатории, так как встретил там Крика, который был настроен так же по-боевому, как и он сам. Уотсон к тому времени уже был уверен, что ключ к разгадке тайны гена — в выясении структуры ДНК.
Дело в том, что в том же 1944 году, когда вышла книга Шредингера, в одном из медицинских журналов была опубликована статья трех американских бактериологов во главе с шестидесятейлным Эвери, которая в последовенные годы привлекла в гораддо большей степени винимание генетиков, химков и физков, чем медиков. В этой скрупулезно выполненной работе было абсолютино однозначно доказано, что когда из убитой бактерии неотorious генетические признаки передаются другой, живой бактерии (это явление было к тому времени уже давно известно и называлось трансформацией), то просходит передача только молекулезокрибонуклиновой кислоты (ДНК). Ни белки, ни какие-то другие составляющие убитой клетки в трансформации не участвуют. Собственно, эта работа Эвери теперь считается первым доказательством того, что гены представляют собой именно молекулу ДНК. Так что же, Эвери со своим двумя помошниками, а вовсе не Уотсон и Крик, впервые повышали на вершине?
Бесспорно, Эвери сделал очень важный шаг в нужном направлении, но до вершины он не добрался. Эйштейн как-то сказал изучительные по своей глубине слова: «Лишь теория решает, что мы уxitряем наслюдать». У Эвери не было в запасе ничего такого, что можно было бы назвать теорией, и он ограничился сухим изложением фактов. Это, однако, не делало проблему менее строй. Генетики оказались перед выбором — либо надо отказывать верить данным Эвери, либо признать, что веществом наследственности является ДНК, а не белок, как принято было считать. Не верить Эвери было трудно — в его работе просто не к чему было придаться. И все-tаки генетики ни за что не хотели отстоявшего представления о белковой природе гена. Опытам Эвери былоано следующее объяснение: ДНК, конечно, никаких генов не содержит и содержать не может, но она может вызывать генные мутации, то есть изменять гены, которые, как им и положено, состоит из белка. Такое объяснение спасало белковую теорию гена. Правда, действие ДНК оказалось весом необучным: вызываемые его мутации повторились от опыта к опыту. И это, конечно, не могло не заинтересовать генетков, уже давно искавших способы направленного изменения наследственности. И генетики, и все, кто занимался проблемой химической (или физической) природы наследственности, вынуждены были, наконец, принять, что на ДНК следует обратить серверное внимание.
Дело в том, что, хотя ДНК была открыта Мишером еще в 1869 году, она оставалась «падчерцей» даже у биохимиков, не говоря уже о генетиках или физках, занимающих биологический. Было общепризнано, что ДНК — это регулятор полимер, состоящий из строю повторяющихся четырехомерных звенев (аденинового, гуанинового, тиминового и цитозинового), и эта молекула, скорее всего, выполняет какую-то чисто структурную функцию в хромосомах, но ни в коем случае не связана с хранением и передачей генетической информации. Работа Эвери заставила усомнить в этих взглядах.
Той теорией, которая решила, что же на самом деле уxitрились наблюдать Эвери и его последовательности, была модель строения молекулы ДНК, придуманная Уотсоном и Криком в 1953 году.
8
Если отбросить детали, то суть модели Уотсона — Крика предельно проста. Молекula ДНК состоит из двух полимерных цепочек. Каждая из цепочек представляет собой некоторую последовательность из звеньев четырех сортов — А (адениновое), Г (гуаниновое), Т (тиминовое) и Ц (цитоzinиновое). Последовательность в одной из двух цепей может быть совершенно произвольна. Тогда последовательность в противоположной, или, как говоря, комплементной цепи однозначно задается с помощью следующого принципа комплементности (рис. 1):
против А должно быть Т
против T должно быть А
против Г должно быть Ц
против Ц должно быть Г
Прицип комплементности был выведен из известного к тому времени пространственного строения мономерных звеньев ДНК. В этом Уотсон и Крик следовали общему методу построения молекулярных моделей, разработанному Лайнусом Полингом.
Если внутри каждой из взаимно комплементных полимерных цепочек atoms скреплены очень мощными кovalentными связями, то между цепочками действуют сравнительно слабые связи, подобные тем, которые удерживают молекуры друг возле друга в кристалках.
Самой заменательной особенностью модели Уотсона — Крика было то, что она с необыкновенным изяществом решала главную проблу — проблу редупликции гена.
Ведь если мы разведем две нити, а потом на каждой нарастим, согласно принципу комплементности, по новой нити, то мы получим из одной молекулы ДНК две, причем об будут идентичные исходной (рис. 2).
Можно себе представить, в какое возбужждение пришел Дельбрюк, когда получил от Уотсона письмо, содержащое решение загадки удвоения гена. Он сразу и безоговорочно поверил в модель Уотсона — Крика. Под печатлением письма Уотсона он и написал те слова, которые мы привели в качестве эпиграфа. Конечно, он тогда испытывал особую благодарность Бору за то, что тот вдохновил его в свое время заняться биологическим. Нет, новых законов физики в биологии не обнаружили. Но центральную проблу, проблу физического строения гена, решить удалось.
Рис. 1.
Рис. 2.
Рис. 3.