Помоги проекту - поделись книгой:
Термоядерный синтез
В статье о возрасте Земли, написанной в 1893 году, за три года до открытия радиоактивности, американский геолог Кларенс Кинг писал: «Соответствие полученного возраста Земли и Солнца[166], несомненно, подкрепляет позицию физиков и вынуждает оправдываться тех, кто придерживается позиции неопределенно длительного времени, которая основана на седиментарной геологии». Точка зрения Кинга была вполне обоснованной. Если считать, что возраст Солнца составляет всего несколько десятков миллионов лет, любые оценки возраста на основании седиментации – осаждения пород – оказываются ограниченны, поскольку для седиментации необходимо, чтобы Землю подогревало Солнце.
Вспомним, что Кельвин вычислял возраст Солнца, полагаясь исключительно на высвобождение гравитационной энергии в виде тепла по мере сжатия Солнца. Мысль, что гравитационная энергия может быть источником солнечного света и тепла, впервые пришла в голову шотландскому физику Джону Джеймсу Уотерсону еще в 1845 году. Поначалу никто не обратил на нее внимания, однако в 1854 году к ней вернулся Гельмгольц, а затем ее подхватил и с энтузиазмом популяризировал и Кельвин. С открытием радиоактивности многие предположили, что подлинным источником энергии Солнца может оказаться радиоактивное высвобождение тепла. Однако выяснилось, что и это не совсем так. Даже при совершенно безумном предположении, что Солнце состоит в основном из урана и радиоактивных продуктов его распада, вырабатываемой при этом энергии не хватило бы, чтобы обеспечить наблюдаемую яркость Солнца, поскольку цепные реакции во времена Кельвина известны не были и не учитывались. Нет никаких сомнений, что оценка возраста Солнца, которую дал Кельвин, укрепила его нежелание[167] пересматривать свою оценку возраста Земли, поскольку, пока существовала проблема возраста Солнца, расхождение с геологическими расчетами не удалось бы урегулировать.
Ответ был дан лишь несколько десятков лет спустя. В августе 1920 года[168] астрофизик Артур Эддингтон предположил, что энергетическим источником Солнца служит
Несмотря на то что сегодня оценка возраста Земли по Кельвину в целом подпадает под понятие «ляпсус», тем не менее я считаю, что ляпсус этот совершенно блистательный. Кельвин произвел переворот в геохронологии, превратил расплывчатые спекуляции в настоящую науку, опирающуюся на законы физики. Его новаторские труды положили начало живому диалогу между геологами и физиками – взаимообмену, который продолжался до тех пор, пока все противоречия не удалось полностью уладить. При этом Кельвин параллельно занимался и возрастом Солнца – и из его работ очевидно следовало, что необходимо искать новые источники энергии.
Сам Чарльз Дарвин прекрасно понимал, что выкладки Кельвина препятствуют его теории и что это препятствие следует ликвидировать. Когда он в последний раз пересматривал «Происхождение видов», то писал:
К сожалению, Дарвин не дожил до того времени, когда Перри выдвинул свою гипотезу о конвекции в недрах Земли, до открытия радиоактивности и до понимания, что в ядрах звезд идут реакции термоядерного синтеза – то есть до того времени, когда временные ограничения, установленные Кельвином, рухнули под натиском научных открытий. Однако факт остается фактом: именно выкладки Кельвина привлекли внимание к этой проблеме и к тому, что ее надо решать.
Для нас, людей, одно из главных преимуществ того, что Земля уже так давно, целых 4,5 миллиарда лет, греется в лучах солнечной энергии, состоит в том, что на нашей планете возникла сложная жизнь. Однако кирпичики, из которых слагаются все живые организмы, – это клетки, и лишь к 1880 годам ученые, вооружившись мощной оптикой, сумели изучить внутреннюю структуру клеток и пустили в обращение термин «
Глава 6. Толкователь жизни
В сфере наблюдений случай благоволит лишь подготовленному уму.
В тот декабрьский день 1950 года в лекционном зале лаборатории имени Густава Кирхгофа[170] в Калифорнийском технологическом институте было людно как никогда. Распространились слухи, что знаменитый химик Лайнус Полинг собирается поведать что-то подлинно сенсационное, возможно, даже даст ответ на одну из величайших загадок жизни. Когда Полинг наконец появился, его ассистент внес что-то похожее на большую скульптуру, завернутую в ткань и обвязанную веревкой. Сама лекция в очередной раз показала, как блестяще Полинг знает свой предмет – химию – и какой он великолепный рассказчик. Некоторое время лектор держал своих слушателей в напряжении, а затем перочинным ножом разрезал веревку – и словно фокусник, извлекающий кролика из шляпы, явил публике модель, получившую название альфа-спирали: трехмерную модель базовой структуры множества белков, изготовленную из шариков и палочек.
В числе прочих, кто слушал этот доклад-фейерверк – правда, с расстояния в несколько тысяч миль, из Женевы, – был Джеймс Уотсон, которому всего через три года предстояло открыть структуру ДНК (совместно с Фрэнсисом Криком). Уотсон был в гостях[171] у швейцарского молекулярного биолога Жана Вайгле, который – так уж вышло – только что вернулся домой, проведя зиму в Калифорнийском технологическом институте. И хотя Вайгле не мог вполне оценить, насколько точна разноцветная деревянная модель Полинга, его рассказа о поразительной лекции хватило, чтобы Уотсон горячо заинтересовался этим предметом и вдохновился на дальнейшие исследования. К этой увлекательной истории мы еще вернемся.
К сентябрю 1951 года рассказы о научных достижениях Полинга добрались даже до страниц журнала «
Путь к модели альфа-спирали
О белках Полинг начал размышлять еще в тридцатые годы[173]. Первые его статьи на эту тему[174] были посвящены теории гемоглобина – железосодержащего белка в красных кровяных тельцах: предполагалось, что каждый из четырех атомов железа в этой молекуле образует химическую связь с молекулой кислорода. Работая над этой темой, Полинг предложил новую методику экспериментов. Ему пришла в голову мысль, что важные сведения о природе связей между атомами железа и окружающими их группами можно почерпнуть из измерения магнитных свойств некоторых белков. Оказалось, что это и в самом деле плодотворный инструмент в структурной химии. Например, Полинг весьма результативно применял исследования магнитных свойств для определения скорости нескольких химических реакций.
Примерно в это же время в Пасадену сотрудничать с группой Полинга приехал ведущий специалист по белкам Альфред Мирски[175]. Это случайное сотрудничество между двумя выдающимися учеными стало отправной точкой для научных изысканий, приведших к потрясающим открытиям. Сначала Мирски и Полинг[176] выдвинули предположение, что нативный белок – неизмененный белок в своем естественном состоянии внутри клетки – состоит из цепочек аминокислот[177], получивших название
К счастью, в начале тридцатых годов начали поступать первые данные экспериментов по дифракции рентгеновских лучей. Это оказался весьма информативный метод, а состоял он в том, что ученые направляли пучок рентгеновских лучей на кристалл, а затем по тому, как невидимые лучи отражались от образца, пытались реконструировать структуру этого кристалла – то есть вычислить расстояния между атомами и разобраться, как они ориентированы друг относительно друга. В распоряжении Полинга оказались изображения рентгеновской дифракции, полученные физиком Уильямом Астбери[178] при исследовании волос, шерсти, рога и ногтей (все они содержат так называемый альфа-кератин). Правда, рентгеновские снимки были довольно расплывчаты и не позволяли надежно определить структуру. Тем не менее на них было видно, что одинаковая структура повторяется вокруг оси волоса каждые 5,1 ангстрем (ангстрем – единица длины, равная одной стомиллионной сантиметра). Учитывая относительно низкое качество рентгеновских снимков, Полинг решил подойти к проблеме с другой стороны – опереться на структурную химию, то есть на ожидаемые силы взаимодействия между атомами, чтобы предсказать форму и параметры полипептидной цепи, а затем изучить различные возможные конфигурации, которые не противоречили бы экспериментальным изображениям на рентгеновских снимках.
На штурм загадки белковой структуры Полинг пошел в начале лета 1937 года, сбросив бремя преподавательских обязанностей[179]. На илл. 11 представлена схема общей структуры[180], над которой он работал. Тщательно изучив химическую связь между атомом углерода (на рисунке он обозначен буквой С) и соседним атомом азота (обозначен буквой N), Полинг пришел к выводу, что так называемые пептидные группы – углерод, кислород, азот и водород – должны лежать
Когда какая-нибудь многообещающая гипотеза себя не оправдывает, ученые частенько пытаются улучшить качество доступных экспериментальных данных, поскольку более точные сведения иногда позволяют выявить доселе скрытые подсказки. Именно поэтому Полинг уговорил химика Роберта Кори[181] принять участие в долгосрочном проекте, целью которого было определить структуру некоторых простых пептидов и аминокислот – кирпичиков, из которых сложены белки – при помощи рентгеновской кристаллографии. Кори предался этим исследованиям с большим энтузиазмом, и к 1948 году его группа в Калифорнийском технологическом институте смогла разобраться в точной архитектуре примерно дюжины подобных компонентов. Полинг увидел, что все данные о длине химических связей и об углах между разными частями молекул, а также о плоскостной конфигурации пептидной группы, которые получал Кори, в точности согласуются с его изысканиями в прошлом, и решил вернуться к задаче о структуре белка альфа-кератина. Свои воспоминания о тех временах Полинг в 1982 году записал на диктофон (это был диктофон сильно устаревшей к тому времени модели):
Очередную атаку на эту загадку Полинг начал с предположения, что все аминокислоты в альфа-кератине с точки зрения структуры должны находиться в одинаковом положении относительно полипептидной цепи. Еще лежа в постели, Полинг попросил свою жену Аву-Хелен принести карандаш, линейку и лист бумаги. Полинг следил, чтобы каждая пептидная группа не вылезала за пределы плоскости листа, при помощи жирных и тонких линий отмечал трехмерные связи и поворачивал пептидные группы вокруг двух одинарных связей между атомами углерода – и у него получилась спиральная модель[183] наподобие винтовой лестницы, где полипептидный хребет составлял центр спирали, а аминокислоты торчали наружу (илл. 12). Чтобы придать конструкции стабильность, Полинг добавил водородные связи между соседними витками спирали, параллельно ее оси (илл. 12; водородная связь – это химическая связь, при которой атом водорода из одной молекулы притягивается к атому другой молекулы). Полинг нашел даже два подходящих варианта структуры – один он назвал альфа-спиралью, а другой
То, что Полинг при помощи столь простых и относительно примитивных инструментов сумел найти решение этой задачи (на илл. 11 показана его попытка реконструировать тот самый чертеж 1948 года), лишь доказывает важность его более раннего открытия – когда он понял, что пептидная группа должна быть плоской. Без этого вариантов комбинаций было бы гораздо больше. Полинг разволновался и потребовал у жены логарифмическую линейку (сейчас уже мало кто помнит, что это такое, а в те времена это был очень распространенный инструмент для вычислений), чтобы рассчитать расстояние между витками вокруг оси волокна. Он обнаружил, что структура альфа-спирали повторяется через каждые 18 аминокислот на пять витков. То есть у альфа-спирали было 3,6 аминокислот на виток. Увы, к вящему огорчению Полинга, подсчет дал расстояние между витками в 5,4 ангстрем, а не в 5,1 ангстрем, на которые указывали данные дифракции рентгеновских лучей. У гамма-спирали вдоль оси шел туннель, такой тесный, что там не помещались другие молекулы, поэтому Полинг сосредоточился на альфа-спирали. Он ни на йоту не сомневался, что нашел верное решение, поэтому приложил все усилия, чтобы найти способ скорректировать углы или длины связей и добиться уменьшения расчетного расстояния с 5,4 до 5,1 ангстрем, однако ничего у него не получилось. Поэтому, хотя модель альфа-спирали очень ему нравилась, он решил воздержаться от ее обнародования, пока не разберется, в чем причина подобных расхождений.
Месяца через полтора Полинг посетил лабораторию Кавендиша в Кембридже и был глубоко потрясен увиденным: «Оборудование у них раз в пять лучше нашего, – писал он своему ассистенту Эдварду Хьюзу в Калифорнийском технологическом институте, – и есть установки, которые могут делать около 30 рентгеновских снимков одновременно»[184]. Полинг был очень обеспокоен тем, что в его модель вкралась ошибка, и при этом боялся, что ученые из лаборатории Кавендиша опередят его и первыми ее проанализируют, поэтому об альфа-спирали никому не рассказывал. Даже во время дискуссии со знаменитым химиком Максом Перуцем[185], когда тот показал Полингу потрясающие результаты своих исследований – он занимался структурой кристалла гемоглобина – Полинг предпочел держать свои соображения при себе.
Однако задача не давала ему покоя. Вернувшись в Пасадену, Полинг тут же попросил приглашенного профессора физики Германа Брэнсона тщательно проверить все эти вычисления. Особенно Полинга интересовало, не сможет ли Брэнсон[186] найти третью спиральную структуру, которая соответствовала бы условиям плоскостной структуры пептидной связи и имела бы максимально сильные водородные связи для устойчивости. Брэнсон и один из помощников Полинга Сидни Вейнбаум целый год просеивали вычисления Полинга сквозь частое сито и пришли к выводу, что структур, соответствующих всем этим условиям, и в самом деле только две: альфа-спираль и гамма-спираль. Кроме того, Брэнсон и Вейнбаум подтвердили, что у более тугой альфа-спирали расстояние между витками составляет 5,4 ангстрем.
Итак, перед Полингом встала дилемма: либо просто проигнорировать несоответствие данным рентгеновских снимков и опубликовать свою модель, либо подождать с публикацией, пока головоломка не будет окончательно решена. Принять решение ему помогла статья, которая была подана в печать в Англии 31 марта 1950 года.
Надо было разозлить вас раньше
Статья называлась «Конфигурации полипептидных цепей в кристаллических белках»[187], а написали ее три светила: Лоренс Брэгг, нобелевский лауреат по физике 1915 года, и два молекулярных биолога, которым еще предстояло получить Нобелевскую премию по химии в 1962 году – Джон Кендрю и Макс Перуц, все трое – из лаборатории Кавендиша в Кембридже. В то время эта знаменитая лаборатория была всемирным центром рентгеновской кристаллографии. В целом рентгеновская кристаллография была детищем Брэггов: Лоренс Брэгг и его отец сэр Генри Брэгг вместе трудились над математической моделью этого физического феномена и разработали экспериментальную методику.
Идея рентгеновской кристаллографии проста до гениальности[188]. Еще с начала XIX века физики понимали, что если направить видимый свет на решетку с равным расстоянием между прутьями, а позади решетки поставить экран, то свет, пройдя сквозь нее, формирует на экране дифракционный узор из темных и светлых пятен. Светлые пятна получались в тех местах, где световые волны из разных щелей в решетке усиливали друг друга, а темные – там, где различные волны подвергались деструктивной интерференции (там, где пик одной волны накладывался на минимум другой). Однако, кроме того, физики знали, что для формирования дифракционного узора расстояния между щелями должно быть того же порядка, что и длина волны светового излучения (расстояние между двумя соседними пиками волны). Хотя создать подобные решетки с тончайшими прорезями для видимого света было относительно легко, сделать их для рентгеновских лучей оказалось невозможно: типичная длина волны для рентгеновского излучения в тысячи раз короче длин волн видимой части спектра. Первым, кто понял, что решетками для установок, на которых проводятся эксперименты по дифракции рентгеновского излучения, могут послужить встречающиеся в природе периодические кристаллы, был немецкий физик Макс фон Лауэ. Лауэ обнаружил, что межатомные расстояния в кристаллах были в точности того же порядка, что и предполагаемые длины волн рентгеновского излучения. Лоренс Брэгг пошел по стопам Лауэ и сформулировал математический закон, который описывает дифракцию рентгеновских лучей на кристаллической структуре. Как ни поразительно, этот важнейший результат он получил еще на первом курсе магистратуры в Кембридже. Семейная команда, состоящая из Генри и Лоуренса Брэггов, построила затем рентгеновский спектрометр, который позволил им проанализировать структуру самых разных кристаллов. Кстати, Лоуренс Брэгг – самый молодой в истории нобелевский лауреат: когда он получил премию, ему было всего 25 лет!
Учитывая все эти регалии, можно представить себе, что когда Полинг увидел название статьи, которую написали Брэгг, Кендрю и Перуц, сердце у него екнуло. И из первых двух абзацев вполне можно было сделать вывод, что команда Брэгга обошла его у самого финиша: «Белки состоят из длинных цепочек аминокислотных остатков… В данной статье сделана попытка собрать как можно больше информации о природе цепочки по данным рентгеновских исследований кристаллических белков и изучить возможные типы цепочек, которые соответствуют имеющимся данным»[189]. Полинг быстро прочитал все 36 страниц статьи и с облегчением обнаружил, что хотя ученые из лаборатории Кэвендиша описали около 20 структур, альфа-спирали среди них не было. Более того, авторы статьи пришли к выводу, что ни одна из этих структур не подходит для альфа-кератина. Полинг с радостью согласился с этим выводом – в особенности потому, что считал, что Брэгг с коллегами не наложили на свои конфигурации самое важное ограничение, зато ввели условие, которое Полингу казалось совершенно ненужным. С одной стороны, ни в одной из моделей Брэгга не учитывалась плоскостная структура пептидной группы, а Полинг был полностью убежден, что его предположение верно. С другой – ученые из лаборатории Кавендиша, судя по всему, исходили из предположения, что на каждый полный виток их спиральных структур должно было приходиться
Полинг от природы был страстный спорщик и не терпел конкурентов. Хотя ему было приятно, что кембриджские коллеги упустили несколько важных соображений, появление статьи Брэгга побудило его к немедленным действиям – так он боялся, что его могут опередить. В октябре 1950 года они с Кори опубликовали в «Journal of the American Chemical Society» короткую заметку с описанием альфа-спирали и гамма-спирали[191]. Примерно в это же время другая британская исследовательская группа из исследовательской лаборатории компании «Куртлодз» тоже получила многообещающие результаты. Клемент Бэмфорд, Артур Эллиот и их коллеги сумели получить волокна из синтетических полипептидов. К огромной радости Полинга, рентгеновские снимки дифракции на этих волокнах ясно показали, что расстояние между витками по оси составляет не 5,1, а 5,4 ангстрем, что соответствовало результатам Полинга. Полинг заподозрил, что эта характеристика рентгеновских снимков волоса, вероятно, была всего лишь дефектом снимков, вызванным частичным наложением отраженных изображений, а вовсе не важной характеристикой структуры. Вскоре подозрение переросло в уверенность, и Полинг, Кори и Брэнсон опубликовали статью[192], где подробно описывали альфа– и гамма-спирали. По стечению обстоятельств эта важная статья была послана в журнал в точности в день пятидесятилетия Полинга.
Кстати, химик Джек Дуниц рассказывал мне забавный случай, связанный с самим словом «спираль» – «
Между тем, одним весенним субботним утром в том же году – дело было в Англии – Макс Перуц отправился в библиотеку и обнаружил там в свежем номере «
Еще немного поразмышляв над моделью Полинга, Перуц заметил, что альфа-спираль напоминает винтовую лестницу, ступеньками которой и служат аминокислотные остатки (на илл. 12 они отмечены буквой R). Высота каждой ступеньки составляет примерно 1,5 ангстрема. Таким образом, теория рентгеновской дифракции Брэгга предсказала существование до той поры не известных структур в отраженном спектре рентгеновского излучения, разделенных расстояниями в 1,5 ангстрема, от плоскостей, перпендикулярных оси волокна. Ни у одной модели из группы Брэгга подобной черты не было, так что это оказалось бесспорными «отпечатками пальцев» альфа-спирали Полинга.
Перуц уже был готов сделать вывод, что поскольку в данных Астбери подобных структур не было, этого достаточно, чтобы опровергнуть модель Полинга, но тут он вдруг вспомнил, что сама постановка эксперимента Астбери, при которой оси волокон были перпендикулярны пучку рентгеновского излучения, не позволила бы распознать «ступеньку» в полтора ангстрема. Расчеты показывали, что идеальные условия, при которых можно было бы наблюдать структуры в отраженном рентгеновском свете, получаются при наклоне волокон под углом около 31 градуса.
Перуцу не терпелось тут же проделать необходимую проверку. Он вскочил на велосипед, покатил обратно в лабораторию, схватил конский волос, который лежал у него в ящике стола, поместил его в рентгеновский аппарат под углом, который, по его вычислениям, лучше всего подходил для того, чтобы выявить неведомую структуру, обернул его пленкой со всех сторон (у Астбери была камера, которая делала снимки на пластине, поле зрения у нее было слишком узкое, и, таким образом, рассеяния на большие углы не могли быть детектированы) и пустил рентгеновский луч. Проявить снимок он смог лишь через несколько часов, которые стали для него настоящей пыткой, но в конце концов Перуц получил ответ. Предсказанные моделью альфа-спирали структуры, расположенные на расстоянии в полтора ангстрема, прямо-таки бросались в глаза!
Утром в понедельник Перуц первым делом показал рентгеновский снимок Брэггу. Брэгг поинтересовался, что заставило Перуца ни с того ни с сего провести эксперимент, который привел к таким знаменательным результатам. Перуц ответил, что страшно разозлился на самого себя за то, что упустил из виду модель альфа-спирали. На это Брэгг пробурчал – и эта фраза вошла в историю: «Надо было мне разозлить вас раньше!»
Чертежи самой Жизни
Не все, о чем писал Полинг в той прославленной серии статей, опубликованных в 1951 году, оказалось верным. Тщательный пересмотр всего корпуса его текстов за тот год позволяет выявить несколько слабых мест. В частности, впоследствии пришлось отказаться от модели гамма-спирали по энергетическим соображениям. Однако мелкие недочеты совершенно не умаляют грандиозности открытия Полинга – его альфа-спирали и ее основополагающей роли в структуре белков. Более того, вклад Полинга в наше понимание природы жизни этим отнюдь не ограничивается. Он оказался в числе первых ученых[195], которые заметили, что биология при всей ее сложности, в сущности, не более чем молекулярная химия, сопряженная с теорией эволюции. Еще в 1948 году Полинг прозорливо писал: «Чтобы понимать все великие биологические явления, нужно прежде всего разбираться в устройстве атомов и молекул, которые они формируют, создавая связи друг с другом; при этом нельзя довольствоваться пониманием устройства простых молекул… Нам следует также изучить структуру гигантских молекул в живых организмах»[196].
Влияние Полинга на теорию и методологию молекулярной биологии в целом поражает не меньше. Сначала в своей основополагающей монографии «
Во-вторых, Полинг стал первопроходцем в построении моделей – он превратил его в своего рода искусство предсказаний, основанное на строгих правилах структурной химии. Даже объемные красочные модели[198], построенные в Калифорнийском технологическом институте, произвели в области макромолекулярных исследований настоящий фурор. Эти модели, которые делали в мастерской Калифорнийского технологического института по заказу лаборатории, в 1956 году стоили 1220 долларов за набор, состоявший примерно из шестисот «атомов».
Оказалось, что и практика, к которой прибегнул Полинг – не начинать с изучения рентгеновской дифракции, а прибегать к рентгенографии лишь как к последнему доводу, позволяющему выбрать верную гипотезу из нескольких, очень хитроумных и тонко обоснованных, – необычайно эффективна: тот же подход вскоре применили и Уотсон и Крик при изучении структуры ДНК.
Полингу принадлежит и еще одно выдающееся замечание по поводу генетики, которое он сделал в 1948 году во время лекции. Правда, судя по всему, даже он в то время еще не понимал в полной мере, насколько масштабны выводы из него. В начале той лекции Полинг напомнил слушателям:
А затем, ближе к концу лекции, добавил:
Как мы вскоре убедимся, если бы Полинг четыре года спустя вспомнил собственное утверждение, когда пытался определить структуру ДНК, то, вероятно, избежал бы своего ужасного ляпсуса.
О ДНК Полинг задумался только летом 1951 года. До начала пятидесятых большинство биологов и биохимиков придерживались белковой парадигмы – представления о том, что закладывают основу жизни и играют важнейшую роль в размножении, росте и физиологической регуляции именно белки, а не нуклеиновые кислоты. Это предположение коренится в представлениях биолога Томаса Генри Гексли, того самого «бульдога Дарвина», который считал, что источник всех качеств живой материи – это протоплазма, живая часть клетки. Белки, состоящие из длинных цепочек аминокислот, составляют заметную долю структуры живой клетки, в то время как нуклеиновые кислоты, что явствует из их названия, были обнаружены в ядрах клеток –
Первые работы о структуре и составе нуклеиновых кислот, которыми занимался биохимик Фоэбус Левен (родившийся в России под именем Фишель Аронович Левин. –
Подобные взгляды были приняты на протяжении всех сороковых годов. К тому времени уже стало известно, что ДНК состоит из неразветвленной цепочки единиц, получивших название
Полинг был знаком с работой Эвери, однако даже он в более позднем интервью признался, что в то время не поверил, что ДНК имеет такое прямое отношение к наследственности: «Я знал о доводах в пользу того, что ДНК – это наследственный материал. Однако я с этой идеей не был согласен – понимаете, мне так нравились белки, что я считал, что наследственный материал – это именно они, а не нуклеиновые кислоты». Химик Питер Полинг, сын Лайнуса, также подтверждал, что точка зрения его отца была именно такова. В короткой статье, написанной в 1973 году, Питер писал: «Для моего отца нуклеиновые кислоты были просто интересными химическими соединениями, примерно как хлорид натрия [обычная поваренная соль]: оба эти вещества интересны, с обоими связаны интересные структурные задачи»[206].
Тем не менее к концу 1951 года появилась незаурядная статья биохимика Эдварда Ронвина[207], который тогда работал в Беркли, и Полинг так ею заинтересовался, что тут же приступил к решительным действиям. Статья Ронвина была озаглавлена «Остаток фосфорной кислоты в нуклеиновых кислотах» и вышла в ноябре 1951 года. В ней Ронвин предложил новый «дизайн» ДНК, при котором каждый атом фосфора связывается с пятью атомами кислорода, а Полинг – химик-структуралист до мозга костей – был полностью убежден, что он может быть связан только с четырьмя. Рассерженный Полинг (совместно с химиком Вернером Шомакером) мгновенно ответил краткой заметкой, адресованной редактору «
А тем временем в Англии
Три не связанные на первый взгляд события[211] [208], произошедшие в 1951 году, оказались судьбоносными: благодаря им и была открыта структура ДНК. Именно в тот год Фрэнсис Крик, которому исполнилось тридцать пять лет, работал в Кембридже над диссертацией по биологии, поскольку физика ему наскучила (впоследствии он говорил, что исследование вязкости воды было «самой занудной задачей на свете»). Однако без крепкой математической подготовки он не смог бы совершить своих выдающихся открытий. В том же году Джеймс Уотсон, двадцати трех лет, приехал в Кембридж изучать рентгеновскую дифракцию под руководством Макса Перуца. Уотсон защитил в Университете штата Индиана диссертацию о воздействии рентгеновских лучей на вирусы, получил степень доктора философии, а затем некоторое время изучал химию нуклеиновой кислоты в Копенгагенском университете. В том же 1951 году Розалинда Франклин, которой тогда было тридцать один, прибыла в Королевский колледж в Лондоне после трех лет исследовательской работы в Париже, где она стала специалистом по методам рентгеновской дифракции.
Розалинда Франклин родилась в семье образованных банкиров и получила степень доктора философии в Кембридже в 1945 году. Когда Розалинда прибыла в Королевский колледж, физик Морис Уилкинс рассчитывал, что благодаря ее глубоким познаниям в кристаллографии она поможет ему в исследованиях молекулярных структур. То, что Уилкинс рассчитывал на это, было ничуть не удивительно: по словам Уотсона, «исследования молекулы ДНК в Англии в то время были практически личной епархией Мориса Уилкинса»[212]. Однако сама Франклин совершенно не имела этого в виду, когда ехала в Королевский колледж, и у нее были на то веские причины. В письме с описанием должностных обязанностей, которое она получила от сэра Джона Рэндалла, руководителя отдела биофизических исследований Королевского колледжа, говорилось: «Это означает, что во всем, что касается экспериментов[213] с рентгеновскими снимками, на данный момент будете участвовать только вы с Гослингом [речь идет о Раймонде Гослинге, который в то время был студентом-старшекурсником], а также ваша временная помощница миссис Геллер, выпускница Сиракузского университета в штате Нью-Йорк». Из этого Франклин сделала логичный вывод, что в работе над структурой ДНК она будет сама себе хозяйкой, а это, очевидно, не совпадало с намерениями Уилкинса. Так что с первого же дня Франклин и Уилкинс были обречены на ссоры и раздоры, и так оно и случилось. В конечном итоге они работали порознь в стенах одной и той же лаборатории.
А вот Уотсон и Крик, у которых был общий кабинет в Кембридже, сразу же поладили. Уотсон считал, что Крик «несомненно, самый талантливый человек из всех, с кем мне доводилось работать, и я не видел никого, кто был бы так близок по уровню к Полингу»[214]. У этих ученых были разные, но взаимодополняющие способности, опыт и характеры. Как отмечал Крик в одном интервью: «Нам было очень выгодно, что раньше он [Уотсон] занимался бактериофагами, а я об этом только читал, а сам с этим не сталкивался, а я раньше работал в кристаллографии, о которой он только читал, а сам не сталкивался». Просто удивительно читать, как они отзывались друг о друге. Уотсон писал, что Крик был самоуверен, задирист, остер на язык и имел привычку говорить правду в глаза: «В жизни не видел Фрэнсиса Крика в мирном настроении»[215]. И добавлял, что Крик «говорил быстрее и громче всех на свете». Между тем Крик писал об Уотсоне: «Джим был гораздо откровеннее меня»[216]. Несмотря на разное образование, между ними сразу пробежала какая-то искра. Крик подозревал, что дело было в «юношеской дерзости, безжалостности и нетерпимости к неряшливым умозаключениям». Мыслили они очень похоже. По словам Крика: «Он был первым среди моих знакомых, чьи представления о биологии были такими же, как и у меня… Я решил, что главное – это генетика, весь вопрос в том, что такое гены и что они делают. А еще Уотсон был первым среди моих знакомых, у кого возникали в точности такие же идеи, как и у меня».
Научный тандем Уотсона и Крика оказался столь плодотворным и еще по одной причине. В смысле профессиональных регалий они были ровней друг другу и поэтому могли честно до жестокости критиковать идеи друг друга. В отношениях, отягощенных требованиями официальной вежливости, такая интеллектуальная честность подчас невозможна, что вредит делу: приходится подчиняться либо научному авторитету, либо громкой должности. Вот как сам Крик писал об общении с Уотсоном: «Если кто-то из нас предлагал какую-то новую идею, второй относился к ней серьезно, но всеми силами старался опровергнуть ее – откровенно, однако без враждебности». Согласно Крику, Уотсон был «полон решимости выяснить, что такое гены, и надеялся, что открытие структуры ДНК этому поспособствует»[217]. Так и оказалось.
Остается только гадать, что же убедило Уотсона и Крика, что ДНК – не аморфная масса, а в принципе обладает структурой, которую можно выявить. Скорее всего, это был доклад Мориса Уилкинса, с которым тот выступил весной 1951 года на конференции в Неаполе, где присутствовал и Уотсон. Уилкинс сумел вытянуть необычайно тонкие волокна из натриевой соли ДНК (дезоксирибонуклеата натрия) и сделать рентгеновские снимки, качество которых было значительно выше, чем у старых снимков Эстбери и Белл. На снимках была видна кристаллическая форма ДНК, что убедило Уотсона, что ее структура правильна и регулярна. Это были те самые снимки, копии которых Полинг попросил у Уилкинса.
Получив письмо Полинга, Уилкинс, который прекрасно понимал, что в области исследования молекулярных структур Полинг – настоящий талант, не знал, как поступить. В конце концов он вежливо ответил, что не готов делиться снимками, пока у него не будет возможности проделать некоторых дополнительных изысканий. Полинг не сдался и решил попытать счастья и обратиться к руководителю лаборатории Джону Рэндаллу, но и тут его ждал отказ на том основании, что «передать эти снимки Вам было бы непорядочно по отношению к ним [Уилкинсу и его коллегам] и к трудам нашей лаборатории в целом»[218]. Так что к концу 1951 года Полингу так и не удалось увидеть рентгеновские снимки приемлемого качества.
Между тем Уотсона и Крика все сильнее обуревало желание опередить Полинга и первыми расшифровать структуру ДНК. Эдвин Чаргафф, американский биохимик родом из Австро-Венгрии, который познакомился с Уотсоном и Криком в мае 1952 года, оставил юмористическое описание этого супер-дуэта: «Одному тридцать пять, и он вылитый стареющий завсегдатай скачек – словно персонаж полотен Хогарта… другой выглядит куда моложе своих двадцати трех, с улыбкой скорее лукавой, чем застенчивой, говорит мало – и при этом не сообщает ничего интересного»[219]. Еще ехиднее Чаргафф описывал неуемное честолюбие молодых ученых: «Насколько я сумел разобраться, они, не будучи обременены никакими познаниями о химической стороне процесса, пытались втиснуть ДНК в спираль. В основном, похоже, по той простой причине, что Полинг построил спиральную модель альфа-кератина»[220]. И в самом деле, хотя Полинг об этом не знал, Уотсон (в особенности) и Крик (в определенной степени) считали, что у них с Полингом соревнование.
Спиральные модели предлагали и до Полинга, однако именно он, несомненно, сыграл главную роль в том, чтобы доказать, что именно от этих моделей нужно отталкиваться при изучении молекул, имеющих биологическое значение. Кроме того, Полинг в своей альфа-спирали допустил, чтобы число аминокислот на виток было не целым, и это еще сильнее расширило мировоззрение кристаллографов-структуралистов традиционного направления. В результате начался настоящий бум исследований в области интерпретации рентгеновской дифракции спиральных структур – а это обеспечило необходимый научный инструментарий для последующей расшифровки ДНК. Вот как описал умонастроения тогдашних ученых сам Крик: «В те времена всякого, кто не соглашался, что ДНК имеет форму спирали, считали слегка сумасшедшим»[221].
К концу 1951 года события начали стремительно развиваться. Двадцать первого ноября 1951 года Уотсон специально съездил в Лондон, чтобы послушать доклад Розалинды Франклин. Ничего особенно нового он из этой лекции не узнал, однако прошла всего неделя, и они с Криком предложили первую модель структуры ДНК. Эта модель состояла из трех спиральных нитей, обвивавшихся вокруг сахаро-фосфатного стержня внутри, а основания были направлены наружу. Такое строение Уотсон и Крик выбрали в основном по одной простой причине: поскольку основания были разных форм и размеров (два моноциклических и два бициклических, см. илл. 13), Уотсон и Крик считали, что относительно правильная структура у кристаллической ДНК может быть только в том случае, если основания не играют особой роли в архитектуре ее центра.
По совету Джона Кендрю неугомонный дуэт показал свою модель сотрудникам Королевского колледжа, хотя Крик впоследствии признался, что ему было неловко рассылать подобное приглашение так скоро. Вызов был принят незамедлительно: уже назавтра в Кембридж прибыла группа ученых, состоявшая из Мориса Уилкинса, Розалинды Франклин, Раймонда Гослинга и Уильяма Сидса.
Демонстрация первой модели[222] Уотсона и Крика увенчалась полным провалом. Розалинда Франклин не просто подвергла сомнению все предпосылки, на которые они опирались, от спиральной структуры до сил, которые, как предполагалось, связывают ядро и не дают ему распасться: она еще и указала на то, что ученые грубо ошиблись в расчетах содержания воды[223] (ДНК – молекула, которая постоянно «хочет пить»), а это дискредитировало все расчеты плотности, которые проделал Уотсон. Очевидно, Уотсон ошибся отчасти из-за того, что неверно понял один кристаллографический термин, который упоминала Франклин за неделю до этого на своем семинаре. Это досадное недоразумение натолкнуло Крика на мысль, что количество возможных конфигураций довольно-таки ограниченно.
Последствия этого фиаско были весьма значительны: Уотсона и Крика, по сути дела, отстранили от дальнейшей работы над ДНК, а все исследования ДНК оказались ограничены пределами Королевского колледжа в Лондоне. Раньше считалось, что два руководителя лаборатории, Рэндалл и Брэгг, объявили мораторий на дальнейшую работу Уотсона и Крика над ДНК. Однако в 2010 году Александер Ганн и Ян Витковски из лаборатории в Колд-Спринг-Харбор в штате Нью-Йорк обнаружили несколько писем из переписки Фрэнсиса Крика[224], которые до этого считались утраченными. Оказалось, что пропавшие письма затерялись среди бумаг биолога Сидни Бреннера, с которым у Крика в 1956–1977 годах был общий кабинет. Обнаруженные документы позволяют по-новому взглянуть на обстоятельства, при которых были приостановлены исследования ДНК. Официальное письмо Мориса Уилкинса Крику, датированное 11 декабря 1951 года, гласит:
Продолжая исполнять роль посредника между Королевским колледжем и лабораторией Кавендиша, Уилкинс добавил: «Полагаю, главное – чтобы было достигнуто понимание, что все сотрудники нашей лаборатории и в будущем, как и в прошлом, должны быть вольны обсуждать свою работу и обмениваться идеями с вами и вашей лабораторией. Мы – два подразделения Совета по медицинским исследованиям и два физических факультета, тесно связанные друг с другом». Затем Уилкинс предложил Крику показать письмо Максу Перуцу и сообщил, что посылает копию Рэндаллу. В тот же день Уилкинс прислал Крику письмо более личного содержания, написанное от руки, где признался, что с трудом отговорил Рэндалла от того, чтобы тот «написал Брэггу жалобу на ваше поведение». В черновике ответа, который Уотсон и Крик составили несколькими днями позже, говорится, что «мы все согласны, что нужно найти какой-то компромисс»[226]. Стоит ли говорить, что подобного рода административные решения были бессильны запретить Уотсону хотя бы размышлять о ДНК.
Между тем Розалинда Франклин, со своей стороны, получала все более и более обнадеживающие результаты. Сначала она обнаружила, что ДНК бывает двух различных конфигураций[227]. Одна форма, которую Франклин назвала А, была кристаллической. Другая, В, оказалась больше по размеру и содержала больше воды. Следствием существования двух конформаций стало, в частности, то, что снимки рентгеновской дифракции образцов ДНК получались неразборчивыми, если делались не с одной чистой разновидности. Первые пять месяцев 1952 года Франклин провела за получением чистых образцов форм А и В, после чего ей удалось вытянуть по одному волокну каждой формы, а также за тем, чтобы придумать особую конфигурацию рентгеновского аппарата, с помощью которого можно было бы получить снимки высокого разрешения. Одному из ее снимков более «влажной» В-ДНК, так называемому снимку № 51 (илл. 14), вскоре предстояло стать ключом к разгадке структуры ДНК. К сожалению, Франклин решила ограничиться одним определенным методом анализа, и они с Гослингом сначала сосредоточились на более детальных снимках А-ДНК, оставив без внимания более простые, зато крайне познавательные рентгеновские узоры на снимке № 51 – и вернулись к ним лишь через девять месяцев!
По всем научным начинаниям Розалинды Франклин очень заметно, что ее образ мыслей разительно отличался от образа мыслей Полинга. Франклин терпеть не могла «обоснованных догадок» и эвристических методов. Она твердо решила, что выведет верный ответ на основании рентгеновских данных. Поэтому она, например, не возражала в принципе против спиральных структур, однако категорически отказывалась опираться на
Как ни странно, ни Уотсон и Крик, ни Полинг в то время не знали, что еще в 1951 году Элвин Бейтон из лаборатории Астбери в Лидсе получил отличные рентгеновские снимки В-ДНК[230], вытянув и увлажнив волокна ДНК. Однако, поскольку Астбери и Бейтон, очевидно, считали, что это были снимки не чистой конфигурации, а ее смеси (поскольку структура на снимке была проще, чем на снимках Астбери и Белл), они не стали широко рекламировать свои снимки. Астбери и Бейтон, к несчастью для них, не очень хорошо знали, как получается спиральная структура на рентгеновских снимках. Так и получилось, что лаборатория в Лидсе упустила шанс сыграть важнейшую роль в истории исследований ДНК.
Между тем, Полинг в США пытался в очередной раз проделать свой фокус с белками, но на сей раз уже с ДНК. На имеющихся в его распоряжении рентгеновских снимках виден четкий период в 3,4 ангстрема, но больше почти ничего не различить. Для начала Полинг еще раз внимательно изучил статью Ронвина. Хотя он был убежден, что гипотеза о структуре ДНК, которую предлагает Ронвин – в которой атом фосфора соединен с пятью атомами кислорода – была полностью ошибочна, кое-что в ней привлекло его внимание. По Ронвину, четыре основания находились вне структуры, а фосфаты – по центральной оси. Полингу показалось, что в этом есть смысл – по той же самой причине, по которой Уотсон и Крик в своей первой модели вывели основания в наружную сторону (об этой крайне неудачной модели Полинг ничего не знал). Поломав голову, пусть и недолго, Полинг снова решил прибегнуть к своему прославленному «стохастическому методу». Основная мысль заключалась в том, чтобы, опираясь на химические принципы, сократить перечень возможных структур до самых вероятных, а затем построить их трехмерные модели, чтобы исключить слишком плотные и слишком свободные конфигурации. А затем можно будет сравнить оставшуюся структуру-«фаворита» с экспериментальными рентгеновскими данными.
Раньше этот метод приводил к грандиозным успехам, и Полинг решил, что точно знает, какому плану следовать. Во-первых, он почти не сомневался, что молекула имеет спиральную структуру, и снимки Астбери и Белл, похоже, в целом подтверждали это предположение. Во-вторых, два основания были с одинарным кольцом, а два – с двойным. Разница в конструкции и объеме, по крайней мере на первый взгляд, не позволяла предположить, что ось спирали, по всей видимости, обладающая правильной структурой, состоит из оснований. Следующим шагом было выяснить, из скольких нитей состоит спираль. Полинг решил подойти к этой задаче с неожиданной стороны – вычислить плотность структуры. Однако не успел он даже приступить к делу, как ему помешали непредвиденные обстоятельства.
Жизнь в эпоху маккартизма
В атмосфере холодной войны, которая наступила после Второй мировой, а особенно – после принятия Закона о внутренней безопасности 1950 года, служба виз и регистраций при Госдепартаменте США получила практически неограниченное право отказывать в выдаче заграничного паспорта любому, у кого, на ее вкус, будут слишком левые взгляды. В январе 1952 года Полинг подал документы на новый заграничный паспорт, поскольку в мае того же года собирался участвовать в собрании Королевского общества в Лондоне. И Полинга, и Кори пригласили туда рассказать о своих исследованиях белков и об альфа-спирали, а Полинг собирался воспользоваться случаем, раз уж он окажется в Европе, и посетить несколько университетов в Испании и Франции. Поэтому дальнейшие события были для него как гром среди ясного неба. Четырнадцатого февраля 1952 года глава службы виз и регистраций Рут Б. Шипли отправила Полингу письмо[231], которое никак нельзя было считать валентинкой. Она сообщила, что в выдаче паспорта ему отказано, поскольку у Госдепартамента сложилось впечатление, что его поездка «не послужит на благо интересам Соединенных Штатов».
Конечно, если учесть тогдашнюю обстановку, а также то, что Полинг постоянно выступал с пацифистскими речами, активно протестовал против ядерного оружия и заявлял, что «мир стоит на распутье, которое ведет либо к счастливому будущему всего человечества, либо к полной гибели цивилизации», пожалуй, не стоит удивляться, что Шипли решила, будто «есть все основания полагать, что доктор Полинг – коммунист».
Поначалу Полинг решил, что отказ – это просто досадная неурядица, и был убежден, что этот вопрос удастся легко уладить. Чтобы ускорить события, он тут же отправил письмо президенту США[232], приложив копию удостоверения к медали «За заслуги», полученной в 1948 году. Удостоверение было подписано президентом Гарри Трумэном. Полинг с досадой писал: «Я уверен, что моя предполагаемая поездка не причинит нашему народу ни малейшего вреда». Секретарь президента учтиво ответил, что они обратились в паспортную службу с просьбой пересмотреть решение. Однако решение осталось прежним. В апреле Полинг понял, что время уходит, и предпринял решительные действия. Во-первых, он обратился к юристу. Во-вторых, он направил в службу виз и регистраций всевозможные клятвы в верности государству и нотариально заверенные заявления, что он вовсе не коммунист. Наконец, он записался на прием лично к Рут Шипли. Все это ни к чему не привело. Двадцать восьмого апреля Полинг получил окончательный отказ, а на следующий день уведомил оргкомитет Королевского общества, что на конференцию приехать не сможет.
Нетрудно догадаться, что все эти коллизии с отказом в получении паспорта взбесили мировую научную общественность[233]. Англичанин сэр Роберт Робинсон, лауреат Нобелевской премии, написал в лондонскую «
В конце концов международное давление оказало нужное воздействие. Когда в июне Полинг снова подал документы на получение паспорта, Госдепартамент отменил решение Шипли, и 14 июля (в День взятия Бастилии, кстати!) Полинг отправился во Францию и Англию.
Помимо политического резонанса, у истории с паспортом были и чисто научные последствия. Кори, который попал на конференцию Королевского общества, воспользовался случаем и посетил лабораторию Розалинды Франклин. Там ему показали отменные рентгеновские снимки, которые получила Франклин. Однако Кори, судя по всему, не понял с первого взгляда всего их значения, поскольку Полингу он ничего важного не сообщил. О том, что было бы, если бы Полинг смог поехать на конференцию и сам увидел эти снимки, написаны целые тома. На самом деле все эти тома не имеют к делу никакого отношения. Полинг имел прекрасную возможность посетить Королевский колледж всего через два с половиной месяца после конференции, поскольку летом 1952 года провел в Англии целый месяц, однако он решил этого не делать. По одной простой причине: главным для Полинга по-прежнему было убедить всех в том, что его модель альфа-спирали для белковых молекул верна, а о ДНК он особенно не задумывался. Как обнаружилось впоследствии, знающий человек увидел бы на снимках Розалинды Франклин, в особенности на снимке № 51, который ждала заслуженная слава, все признаки двойной спирали.
Был и еще один важный факт, касающийся ДНК, о котором Полингу сообщали, однако он то ли забыл о нем, то ли не усвоил его. Эти сведения относились к основаниям в нуклеотидах. Об этом стоит рассказать подробнее – и этот курьезный случай ясно показывает, как излишняя эмоциональность мешает подчас даже тем процессам, которые должны подчиняться чисто научному обоснованию.
В 1947 году, на следующий день после Рождества, Полинг с семьей направлялся в Европу, где ему предстояло полгода провести в Оксфорде. Они путешествовали на борту знаменитого корабля «
После поездки в Англию и Францию летом 1952 года Полинг вернулся в Калифорнийский технологический институт; это было в сентябре. Однако и тогда он еще не был готов полностью погрузиться в изучение ДНК. В Англии он побеседовал с Криком, и у него появилась идея, как найти ответ на загадку периода в 5,1 ангстрем на снимках белковых молекул. Как часто случается в мире науки, Полинг и Крик решили эту задачу независимо – и оба показали, что сама альфа-спираль может формировать скрученные, будто канат, структуры. Казалось, забрезжил свет в конце тоннеля, но даже Полинг в то время еще не предвидел, что гонка за ДНК вышла на финишную прямую.
Тройная спираль
Поездка во Францию подарила Полингу еще одну подсказку, что, вероятно, главный генетический материал – это ДНК. Американский микробиолог Альфред Херши в своем докладе на международной конференции по бактериофагам в Ройомоне под Парижем. Херши и его сотрудница Марта Чейз[236] пометили ДНК и белок бактериофага Т 2 (вируса) радиоактивными фосфором и серой соответственно. Затем они заразили бактерии этим бактериофагом и смогли показать, что генетический материал, заразивший бактерии, был, скорее всего, ДНК, а не белком. Белковая оболочка вируса оставалась вне клетки бактерии и не играла в заражении никакой роли. Это убедило не всех. Да и сам Херши осторожно оговаривался, что еще неясно, имеют ли его результаты какое-либо фундаментальное значение. А вот Джеймс Уотсон, с другой стороны, тоже побывал в Ройомоне – и, уже давно будучи специалистом по ДНК, вполне поверил в эти результаты.
Полинг вернулся к работе над ДНК лишь в конце ноября 1952 года. Подтолкнул его к этому интереснейший семинар, который провел в Калифорнийском технологическом институте биолог Робли Уильямс. Уильямс показал изумительно четкие изображения соли нуклеиновой кислоты – химической родственницы ДНК, – полученные при помощи электронного микроскопа[237]. Для Полинга изображения длинных цилиндрических нитей в сочетании с рентгеновскими снимками Астбери, судя по всему, стали решающим доводом в пользу спиральной модели молекулы – если ему еще требовались решающие доводы. Кроме того, из трудов Александера Тодда, специалиста по органической химии, Полингу было известно, что «каркас» молекулы ДНК состоит из перемежающихся фосфатных и сахарных фрагментов.
Вооружившись снимками Астбери, где был отчетливо виден период примерно в 3,4 ангстрема, Полинг 26 ноября занялся наконец грязной работой: стал подсчитывать параметры структуры ДНК. На основе измерений плотности, проделанных Астбери и Белл[238], и расчетов диаметра нити, которые проделал Уильямс, Полинг приблизительно оценил, что длина одного остатка по оси волокна составляет 1,12 ангстрем, то есть практически точно треть периода на рентгеновском снимке (3,4 ангстрема). Это и подтолкнуло его к неожиданному выводу: «Цилиндрическая молекула состоит из
Следующей задачей, с которой предстояло разобраться, была природа собственно «каркаса» конструкции из трех спиральных цепочек. Вопрос состоял в том, какой из трех известных компонентов нуклеотидов (основания, сахара или фосфатные группы) формирует этот «каркас». Полинг и Кори решили прибегнуть к методу исключения.
Теперь общая картина выглядела примерно следующим образом: фосфатные группы были расставлены по оси спирали, их окружали сахара, а основания радиально торчали наружу. Тройная спираль молекулы держалась на водородных связях между фосфатными группами разных цепочек.
Выглядело это многообещающе, однако Полинг заметил и недочеты. Трем цепочкам фосфатов в центре молекулы было так тесно, что это было похоже на соревнование, сколько человек удастся втиснуть в телефонную будку. Полинг знал, что фосфатный ион имеет форму тетраэдра: в центре – атом фосфора, а его окружают четыре атома кислорода, расположенные на вершинах пирамиды. Весь декабрь Полинг, Кори и химик Вернер Шомакер пытались так и сяк сплющить, скрутить и смять эти тетраэдры, чтобы они лучше помещались в структуру молекулы. В процессе Полинг руководствовался той же интуицией, которая недавно обеспечила ему триумфальный успех с альфа-спиралью. Он был убежден, что если ему удастся найти структурно-химическое решение, в целом соответствующее рентгеновским данным, все остальные проблемы решатся сами собой, дайте только срок. Например, оставался вопрос, как такая модель допускает существование натриевой соли ДНК, поскольку места для ионов натрия в центре точно не оставалось. Ответа на этот вопрос Полинг не знал, но предполагал, что ответ придет, как только прояснится общая архитектура. Трудился он не покладая рук, день и ночь. В Рождество он даже собрал коллег в своей лаборатории на неофициальную презентацию модели[241]. К концу месяца он решил, что в целом уловил суть. В последний день 1952 года Полинг и Кори направили в печать статью «Предполагаемая структура нуклеиновых кислот». Начиналась эта статья со слов «Нуклеиновые кислоты как составляющие живых организмов по важности сравнимы с белками». Далее следовало несколько более осторожных фраз.
Иначе говоря, некоторые углы еще предстояло загладить, но Полинг хотел установить свое первенство и застолбить участок.
Несмотря на довольно-таки робкую интонацию этой научной статьи, в личном общении Полинг держался гораздо самоувереннее. В письме шотландскому биохимику (впоследствии нобелевскому лауреату) Александеру Тодду, датированном 19 декабря 1952 года, Полинг писал: «Мы считаем, что открыли структуру нуклеиновых кислот. Думаю, что рукопись с описанием этой структуры мы опубликуем примерно через месяц, но я практически уверен, что структура, которую мы открыли, верна… Эта структура очень красива»[242]. В тот же день он написал Генри Аллену Моу[243], президенту фонда Гугенхейма, и повторил эту же фразу: «Я считаю, что открыл структуру нуклеиновых кислот как таковых».
Другой постоянный корреспондент Полинга, его сын Питер, по счастливой случайности, всего за несколько месяцев до этого приехал в Кембридж, чтобы работать под началом Джона Кендрю. У Питера был стол в кабинете, который он делил еще с четырьмя сотрудниками. Вот что он пишет: «Слева, у окна, сидит болтун по имени Фрэнсис Крик. Справа – стол, который иногда занимает Джим Уотсон. Еще в кабинете временно работает Джерри Донохью, которого я хорошо знаю, потому что он давно сотрудничает с Калифорнийским технологическим институтом, и, наконец, Майкл Блюм, младший сотрудник Джона Кендрю»[244]. В ту эпоху, до всякой электронной почты, Питер благодаря постоянной переписке с отцом стал основным каналом связи между Калифорнийским технологическим институтом и Кембриджем. Поэтому, как только Лайнус сообщил Питеру, что написал статью о структуре ДНК, тот попросил экземпляр. Это было 13 января 1953 года. В своем письме с просьбой Питер сделал приписку, которая очень красноречиво говорит, под каким давлением работали тогда английские ученые: «Сегодня мне рассказали одну историю. Знаешь, как пугают детей: “Веди себя хорошо, а то придет страшный великан и заберет тебя”. Так вот, уже больше года Фрэнсис [Крик] и все прочие то и дело приговаривают сотрудникам Королевского колледжа, которые занимаются нуклеиновыми кислотами: “Надо постараться как следует, а то нуклеиновыми кислотами, чего доброго, займется Полинг!”»[245]
Неудивительно, что когда Питер рассказал Уотсону и Крику, что Полинг открыл структуру ДНК, у них земля ушла из-под ног. У всех сотрудников Кембриджа еще свежа была память о его триумфе с альфа-спиралью, поэтому молодые люди сразу испугались, не станет ли это катастрофическим дежавю. Двадцать третьего января Питер снова написал Лайнусу, на сей раз с жалобой: «Грустно, что здесь нет Джима Уотсона [Уотсон ненадолго уехал в Милан]. Без него скучно. Нечем заняться. Да и интересных девушек тут нет, только восторженные дурочки, которых интересует исключительно секс, причем так, вообще»[246].
Две недели, которые прошли между тем, как Питер попросил у отца копию статьи, и прибытием рукописи, стали для Уотсона и Крика вечностью. Когда Питер наконец принес статью, Уотсон подскочил к нему, выдернул ее у него из кармана пальто и жадно пробежал краткое содержание и введение. Потом он несколько минут изучал иллюстрации – и глазам своим не верил. Структура, которую предлагал Полинг, с фосфатами в центре и основаниями снаружи, оказалась поразительно похожа на его с Криком нежизнеспособную модель. Модель Полинга была полнейшей нелепицей!
Глава 7. Чья же это ДНК?
Бедствия бывают двух видов: наши собственные несчастья и удачи ближних.
Вывод, что модель ДНК Полинга неверна, Уотсон сделал не только потому, что она состояла из трех цепочек. Просто молекула нуклеиновой кислоты, которая получилась у Полинга, вообще не была кислотой. То есть при растворении в воде она не могла выделять ионы водорода. Атомы водорода в ней были прочно связаны с фосфатными группами, отчего те становились электрически нейтральными, в то время как в любом учебнике по элементарной химии – в том числе и в книге самого Полинга! – говорится, что фосфаты должны быть заряжены отрицательно (водный раствор кислоты сильно ионизирован). И вообще извлечь эти атомы водорода было невозможно, поскольку именно они служили своего рода замками, скрепляющими три цепочки при помощи водородных связей.
Поделиться книгой: