Помоги проекту - поделись книгой:
«Микрография» захватила воображение многих людей. Помимо пятидесяти семи превосходных гравюр по детальным иллюстрациям автора, а также подробного описания своего микроскопа, Гук предлагал вниманию читателей строение организма блохи (очевидно, в Англии их водилось не меньше, нежели в Италии), семени тимьяна, глаза муравья, внутреннее устройство губок, микроскопические грибы и мельчайшие «кирпичики», из которых состоят растения. Последние он смог наблюдать, отрезав тонкую пластинку пробки перочинным ножом, «заточенным до остроты лезвия бритвы». В этих тонких пробковых пластинках он нашел миниатюрные структуры, показавшиеся ему похожими на кельи, в которых жили монахи, ввиду чего Гук назвал эти микроскопические структуры «клетками»[1].
Исследуя другие растения, он обнаружил, что эти «клетки» распространены повсеместно – Гук описал их у нескольких других видов растений, включая фенхель, морковь, лопух и т. д. В конечном счете «Микрография» оказалась первым научным бестселлером. Сэмюель Пипс, купивший экземпляр книги вскоре после ее выхода в свет, записал в своем дневнике: «Перед сном я просидел до двух часов ночи в своей комнате, читая “Микроскопические наблюдения” мистера Гука – самую оригинальную книгу, какую мне только доводилось держать в руках». Второе издание «Микрографии» было отпечатано Королевским обществом через два года после того, как было распродано первое. С тех пор книга множество раз переиздавалась; она пользуется спросом и по сей день.
Наблюдения проводились Гуком при помощи относительно простого оптического микроскопа с двумя линзами. В то время мастера, изготавливающие инструменты, имели дело с телескопами и поэтому конструировали микроскопы с двумя линзами, весьма похожие на инструмент Галилея, поскольку определение траектории луча ясно показывало, что такие инструменты должны работать. Однако при этом возникала существенная непредвиденная проблема, которой не было в случае телескопов: в таких простых оптических микроскопах первая линза создавала многоцветное гало, которое затем увеличивалось второй линзой. В результате чем больше было увеличение, тем больше было искажение изображения объекта.
Микроскоп, которым пользовался Гук, был изготовлен Кристофером Коком, весьма искусным лондонским мастером. Это было любовно выполненное, затейливо украшенное изделие, стоившее небольшое состояние, однако оптика в нем оставляла желать лучшего. Такой микроскоп давал сильную оптическую аберрацию, которой тогдашние изготовители линз не могли избежать. Самый лучший инструмент, как бы любовно ни украшал его изготовитель, мог увеличить объект не более чем двадцатикратно; далее он становился почти бесполезен. И даже при столь небольшом увеличении изображение выходило нечетким, так что порой требовалась толика воображения, чтобы восстановить структуру наблюдаемого объекта. Тем не менее мастерские иллюстрации Гука имели в то время ошеломляющий эффект, и выход в свет «Микрографии» возбудил интерес к конструированию более совершенных линз.
В 1671 году, спустя целую жизнь после открытий Галилея и через тридцать шесть лет после его смерти, Антон ван Левенгук, голландский торговец тканями из Дельфта, сконструировал новый телескоп с гораздо более скромной отделкой, оптика которого была проще и, как ни странно, лучше – она допускала гораздо большее увеличение без искажений, характерных для более изощренных и дорогостоящих инструментов. Вместо двух линз Левенгук брал раскаленные стеклянные стержни, вытягивал их в нити и затем, вновь нагревая эти нити, формировал из них маленькие стеклянные сферы диаметром примерно от полутора до трех миллиметров. При изготовлении таких линз приходилось идти на компромисс: чем меньше линза, тем большее увеличение она может дать, однако вместе с тем меньше оказывается и поле наблюдения. Левенгук брал лучшее венецианское стекло и, очевидно, должен был каким-то образом полировать свои линзы – детали технологического процесса оставались секретом, который он так и не раскрыл.
Рис. 4. Изображение микроскопа, которым пользовался Роберт Гук, выполненное самим Гуком и опубликованное в «Микрографии». Этот микроскоп, состоявший из двух линз, удерживаемых в нужном положении затейливо украшенной трубкой, давал приблизительно двадцатикратное увеличение. Свет солнца или масляной лампы мог быть сфокусирован на образце при помощи сферической емкости с водой (© Королевское научное общество)
Левенгук за свою жизнь сконструировал около пятисот микроскопов, так что у него в любой момент имелось под рукой некоторое их количество, чтобы производить необходимые наблюдения. Сами инструменты были относительно просты.
Рис. 5. Изображение микроскопа, изобретенного и применявшегося Антоном ван Левенгуком. Одиночная сферическая линза располагалась в небольшом углублении между двумя пластинами. Образец закреплялся перед линзой при помощи небольшого винта, и наблюдатель, приблизив глаз к линзе, должен был держать микроскоп против света. Несмотря на свою простоту, микроскопы такого типа позволяли получить увеличение вплоть до четырехсоткратного в зависимости от качества и размера линзы
Одиночная сферическая линза помещалась в углублении между парой серебряных пластин. Образец закреплялся позади пластин, и его положение корректировалось винтовым механизмом. Наблюдатель приближал инструмент к своему глазу, держа его так, чтобы свет солнца или свечи освещал объект. Лучшие из таких инструментов позволяли получить приблизительно трехсоткратное увеличение, что почти соответствует мощности того микроскопа, который купил мне отец, когда мне было девять лет. С помощью таких инструментов можно наблюдать клетки крови и спермы животных, а также одноклеточные организмы, включая «анималькули»[2], наблюдавшиеся Левенгуком. Собственно, последние и были теми организмами, которые впоследствии станут называться микробами.
В октябре 1674 года Левенгук заболел и записал в своем дневнике (по-голландски): «Прошлой зимой, когда я чувствовал себя очень плохо и почти лишился вкуса, я рассмотрел внешний вид своего языка, весьма обложенного, в зеркале и рассудил, что потеря вкуса вызвана толстым слоем налета на моем языке». Затем он исследовал при помощи своего микроскопа бычий язык и обнаружил на нем «весьма тонкие остроконечные выросты», содержащие «очень маленькие шарики», – так он описал вкусовые сосочки. После этого он заинтересовался тем, как мы ощущаем вкус, и принялся исследовать водяные настои различных специй, включая черный перец.
В 1676 году Левенгук увидел, что перечная вода в бутыли, стоявшей на полке в его лаборатории на протяжении трех недель, помутнела. Рассматривая мутный осадок в один из своих микроскопов, он с удивлением обнаружил плавающие в воде мельчайшие организмы диаметром всего лишь от одного до двух микрон, что составляет приблизительно одну сотую диаметра человеческого волоса! Левенгук зарисовал эти клетки и записал:
«Я увидел огромное множество живых существ в одной капле воды, количеством не менее восьми или десяти тысяч, и в микроскопе они предстали перед моим взором столь же обыденными, каким песок выглядит для невооруженного глаза».
Рис. 6. Изображение анималькулей, то есть микробов, открытых Антоном ван Левенгуком. В XVII и XVIII веках считалось, что микробы являются микроскопическими животными, у которых имеются головы и желудки, а их потомство возникает в результате сексуального контакта между самцами и самками одного вида
Открытие анималькулей само по себе было непредвиденным. Это было все равно что наблюдать спутники Юпитера, но в отсутствие планеты, вокруг которой они вращаются. Оно указывало на неисчислимое множество невидимых организмов, присутствующих прямо здесь, на Земле. Левенгук не имел ни малейшего представления о том, что эти организмы представляют собой в действительности. Он считал их в буквальном смысле необычайно маленькими животными, у которых есть внутренние органы, такие как желудок и сердце, в точности как у больших животных, которых мы видим невооруженным глазом.
Поистине замечательно, что инструменты с одной линзой, сконструированные Левенгуком, позволяли ему увидеть организмы столь маленького размера, однако даже при помощи самых лучших линз того времени он не смог бы различить их внутреннее строение. Тем не менее Левенгук совершил нечто еще более кардинальное: вслед за открытием организмов в перечной воде он исследовал соскобы с собственной ротовой полости. Каково же было его изумление, когда он впервые обнаружил присутствие анималькулей на своих зубах и деснах! В этом Левенгук поистине опередил других естествоиспытателей – он первым открыл, что мы не единственные, кто обитает в наших телах. Мы являемся носителями анималькулей. И в самом деле, как будет показано позднее, мы и другие подобные нам животные даем прибежище огромным количествам простейших организмов и помогаем им распространяться по поверхности планеты посредством наших экскрементов и выделений. Левенгук заметил также, что, после того как он попил утром горячего кофе, анималькули в его ротовой полости погибли – это было первое наблюдение того факта, что при высокой температуре микробы погибают. Впоследствии Левенгук занялся описанием различных форм и относительных размеров микробов, обнаруженных им в собственной слюне и других водных средах. Его простая зарисовка позднее станет основой для систематизации микроорганизмов.
Когда Левенгук прислал для публикации в «Философских трудах», новом – и первом – научном журнале Королевского общества, свое письмо на семнадцати с половиной страницах, где описывал открытие анималькулей, оно было встречено с огромным скептицизмом. Даже Гук посчитал, что это какая-то ошибка; он послал в Дельфт английского викария и нескольких других достойных доверия наблюдателей, уполномоченных Королевским обществом, чтобы подтвердить отчеты Левенгука. Наблюдатели были поражены не менее, чем сам Гук и его лондонские коллеги. В 1677 году результаты наблюдений Левенгука, теперь удостоверенные комиссией, были опубликованы Королевским обществом (на английском языке – они были переведены с голландского при содействии Гука, выучившего этот язык специально для того, чтобы прочесть записи Левенгука). В 1780 году Левенгука избрали «иностранным членом» Королевского общества, однако он так и не побывал в Лондоне.
Левенгук обладал настоящим творческим даром. Он не имел формального высшего образования и не обучался ни в одном из университетов. Ему не были знакомы ни латынь, ни греческий – два языка, обязательные для всех образованных людей того времени; он писал исключительно по-голландски. Свои микроскопы Левенгук конструировал в качестве развлечения и многие из них раздал знакомым, но никогда не продавал. Двадцать шесть своих инструментов он завещал Королевскому обществу; все они впоследствии оказались «позаимствованы» членами этой достойной коллегии ученых, и с тех пор оригиналов больше не видели. Остальная часть его коллекции была распродана на вес серебра или других металлов, составлявших основу инструментов. За свои девяносто лет жизни Левенгук стал отцом пятерых детей, но лишь одна девочка, Мария, дожила до зрелого возраста, так что его научное наследие почти полностью погибло после его собственной смерти в 1723 году.
Хотя Левенгука часто называют отцом микробиологии, у него был соратник и посредник, приведший его к славе, – Гук. Подобно связи, возникшей на полтора столетия позднее между Лайелем и Дарвином, Гука и Левенгука объединял своего рода симбиоз. Два этих выдающихся человека сыграли решающую роль катализатора в неминуемом открытии невидимого мира. Что касается личных отношений, оба были чрезвычайно великодушны друг к другу вплоть до конца жизни.
Описание и перепись микробов, по всей видимости, поддерживали представление о спонтанном зарождении жизни (в перечном настое, ни больше ни меньше!) – якобы организмы могут возникать из неживых или неорганических источников без очевидной линии наследственности. Так, например, было общепринятым мнение о том, что черви могут зарождаться в мертвом мясе, а осы возникать из закопанных лосиных рогов. В спонтанное зарождение жизни верило большинство людей того времени. Левенгук отрицал это представление, но не мог доказать, что оно неверно. Роль микроорганизмов в биологическом функционировании живых существ практически игнорировалась, и прошло более 200 лет, прежде чем эти организмы вновь удостоились серьезного внимания. Как ни странно, но в то время как фундаментальные научные открытия XVII века – гравитация, световые волны, обращение планет вокруг звезд, а также невероятные вершины научной абстракции, достигнутые в математике, – порождали мощные волны дальнейших открытий в физике и химии, не менее фундаментальные открытия в биологии в целом тащились позади и признавались значительными лишь в связи с проблемами человеческого здоровья.
Ни у Гука, ни у Левенгука не было учеников, и, хотя «Микрография» с успехом распродавалась в 1665 году и еще несколько лет после этого, Левенгук своей книги так и не написал, а его заметки не вызвали особого интереса у читателей. Ни Левенгук, ни Гук не оставили биологических наследников, и в отличие от Галилея ни у одного из них не было и непосредственных наследников интеллектуальных. Интерес к перечной воде постепенно угасал. В XVIII столетии мир микробов снова стал невидимым миром, в то время как естествоиспытатели-натурфилософы обратились к вопросам эволюции растений и животных и последовательностей геологических структур, содержащих органические останки. Стоило ли покупать дорогостоящий и хрупкий микроскоп для того, чтобы стать ученым-любителем, когда для этого требовался лишь молоток, которым можно было отбивать образцы горных пород.
Возрождение в изучении микроорганизмов началось лишь в середине XIX века. Его поборником стал ныне почти позабытый герой – Фердинанд Юлиус Кон. Кон, еврейский мальчик-вундеркинд, родился в прусском городе Бреслау (ныне Вроцлав, Польша) в 1828 году. Рассказывают, что он выучился читать, когда ему еще не минуло двух лет, пошел в среднюю школу в семь и поступил в университет Бреслау в четырнадцать. Несмотря на то что он выполнил все требования для получения степени, университет Бреслау отказался признавать его выпускником из-за повсеместно распространенного в тогдашней Пруссии антисемитизма. Кон завершил свое обучение в Берлинском университете, получив докторскую степень по ботанике в возрасте девятнадцати лет, и в 1849 году вернулся в университет Бреслау. В том же году отец купил ему самый дорогой и лучший из доступных в то время инструментов – микроскоп работы Симона Плёссля. Такой микроскоп наверняка вызвал бы у меня чувство зависти. Плёссль был австрийским инструментальным мастером, который нашел способ скорректировать большинство оптических аберраций, присущих микроскопам и телескопам с несколькими линзами. Изобретенная им конструкция объектива используется и по сей день.
Интерес Кона к микробам еще больше возрос благодаря его собственным наблюдениям, сделанным с помощью отцовского подарка. В Берлинском университете его побуждали к изучению одноклеточных водорослей двое выдающихся профессоров: Иоганн Мюллер и Христиан Эренберг. Последний был одним из известнейших немецких ученых того времени. Именно он определил диатомовые водоросли – один из типов одноклеточных водорослей – в частицах пыли, собранных Дарвином на Азорских островах во время путешествия на «Бигле»; таким образом, впервые было обнаружено, что микроорганизмы могут переноситься в атмосфере на далекие расстояния при помощи ветра. Также именно Эренберг показал, что мел состоит из останков микроскопических организмов, и это наблюдение впоследствии подтолкнуло ученых к поискам ископаемых микроорганизмов в горных породах.
По мере того как энтузиазм Кона возрастал, а оптика в микроскопах совершенствовалась, его все больше начинали интересовать одноклеточные водоросли и бактерии – или, во всяком случае, то, что он считал бактериями. Получив традиционное биологическое образование того времени, он принялся за классификацию бактерий в их связи с другими организмами. Классификация организмов по отношению к прочим организмам – безопасный и самоочевидный путь для биолога, и он остается таковым по сей день. Кон ничего не писал о происхождении жизни или эволюции микроорганизмов, но именно он дал определение бактериям как одноклеточным организмам, лишенным хлорофилла – зеленого пигмента, характерного для одноклеточных водорослей и высших растений. Хотя Кон прекрасно знал, что большинство бактерий не принимают участия в процессе фотосинтеза, он отнес их к одноклеточным водорослям, то есть к растениям. В традициях того времени Кон попытался разделить микроорганизмы на типы, основываясь в первую очередь на их форме, – простая система, изобретенная Левенгуком более столетия тому назад, которая и до сих пор бывает иногда полезна в качестве общего руководства (впрочем, в двадцатом столетии ее роль заняла технология секвенирования молекул).
Вероятно, наиболее важным вкладом Кона было то, что он вновь открыл микробиологию как науку. Как в свое время Левенгук, он показал, что микробы окружают нас повсюду: они находятся в воде, почве и воздухе, в нашей ротовой полости и кишечнике, на наших руках, одежде и в пище. Однако в отличие от большинства своих современников Кон не ограничивался рассмотрением микробов как возбудителей человеческих заболеваний. Действительно, он работал над бактериальными заболеваниями растений и животных и, хотя пользовался гораздо меньшей популярностью, чем Пастер, обладал гораздо большей широтой взглядов. Он увидел в бактериях организмы, способствовавшие формированию химического круговорота Земли – планетарного метаболизма. На ранних этапах моего научного пути Кон служил для меня источником вдохновения. Это был удивительный человек, первопроходец в области микробиологии окружающей среды.
Рис. 7. Изображение различных форм микроорганизмов, описанных Фердинандом Коном в его трактате
Одним из нововведений, внесенных Коном в микробиологию, был способ изоляции отдельных штаммов, то есть генетически однородных вариаций видов микроорганизмов. Он разработал методику выращивания бактерий в жидкой среде с добавлением определенного питательного вещества, побуждавшего тот или иной штамм к быстрому росту. В 1876 году, два столетия спустя после того, как Левенгук описал открытые им микроорганизмы, Кона посетил немецкий сельский врач Роберт Кох, чтобы спросить совета по поводу своей работы с сибирской язвой. Кох выделил в почвенной вытяжке потенциальную бактерию сибирской язвы в стадии покоя и разработал новую методику для ее выращивания. Его подход отличался простотой, остроумием и уникальностью. В основе лежала изоляция микроорганизмов на поверхности геля, где могли развиваться колонии, выращенные из одной клетки. Основной принцип привел Коха к методике, заключавшейся в том, что питательные вещества растворялись в геле, полученном из морских водорослей (агар) в качестве среды для выращивания колоний. Эта смесь еще в виде разогретой жидкости распределялась по поверхности маленького плоского стеклянного блюдца с такой же крышкой – это приспособление изобрел ассистент Коха Юлиус Петри. Когда среда вместе с питательными веществами достигала комнатной температуры, она образовывала гель, по поверхности которого микроорганизмы распределялись при помощи зубочистки. Затем микроорганизмы образовывали колонии, после чего их можно было отбирать с поверхности геля и выращивать заново. Этот процесс повторялся до тех пор, пока не удавалось изолировать лишь один штамм бактерии. Использование агара и специальных чашек для выращивания бактерий сделало возможным выделение чистого штамма сибирской язвы. Поразительно, что Кох сам не заразился собственными культурами. Сегодня мы пришли бы в ужас, если бы какой-нибудь ученый-любитель принялся выращивать штаммы сибирской язвы в лаборатории у себя дома или в гараже.
Опираясь на методику очищения культур, разработанную им совместно с Петри, Кох выработал ряд постулатов, до нынешнего дня остающихся основой для идентификации инфекционных заболеваний. Они состоят в следующем: 1) микроорганизм должен всегда находиться в больных организмах и отсутствовать во всех здоровых; 2) микроорганизм должен быть выделен и выращен в чистой культуре; 3) очищенный микроорганизм должен быть способен при контакте инфицировать здоровый организм; 4) микроорганизм должен быть идентифицирован и выделен в контактировавшем организме. Применяя эти четыре условия, Кох экспериментально доказал, что бактерия сибирской язвы ответственна за соответствующее заболевание у коров. Это был первый случай, когда без тени сомнения было доказано, что заболевание вызывается микроорганизмами.
На Кона произвели чрезвычайное впечатление логика и скрупулезные методы Коха. Он опубликовал его статью в ботаническом журнале за 1886 год, и Кох, воодушевляемый Коном, принялся за дальнейшие исследования холеры и туберкулеза с целью показать, что они также являются бактериальными заболеваниями. В 1905 году Кох получил Нобелевскую премию, а его постулаты на десятилетие стали основополагающими догмами. Представление Коха о том, что микроорганизмы могут выделяться и выращиваться в виде культур, преобладало в микробиологическом сообществе вплоть до семидесятых годов XX столетия. Это была логичная идея, оказавшая большое влияние на идентификацию микроорганизмов в случаях заболеваний, однако упомянутые выше догматические постулаты совершенно непредумышленно оказали некоторое негативное влияние на исследования в области экологии и эволюции микроорганизмов.
На протяжении десятилетий микробиологи терпеливо выделяли виды микроорганизмов. Без сомнения, изучение индивидуальных организмов в изоляции помогло нам понять основные характеристики того, как тот или иной вид обеспечивает себе жизнь. Но такой подход также привел к предвзятости нашего понимания функционирования микробиотических сообществ. Это все равно что экстраполировать поведение африканских цихлид в моем аквариуме на их поведение в озерах, в их естественной среде обитания. Аквариум не является для них естественной средой. То же можно сказать и о чашке Петри или лабораторной пробирке с жидкой средой, где содержатся питательные вещества в концентрации, в тысячу раз превышающей ту, что существует в океане или озере. Тот факт, что ученые на самом деле не знали, как следует выращивать микроорганизмы, стал очевидным лишь во второй половине XX века, когда стало ясно, что микробы – социальные организмы, живущие в сложных сообществах. Социальную организацию микроорганизмов мы рассмотрим немного позже.
В 1977 году, через триста лет после того, как Левенгук сообщил о самом существовании микроорганизмов, Карл Вёзе и его коллега Джордж Фокс – оба биохимики и генетики из Иллинойского университета – сообщили о том, что все живые организмы могут быть разделены на три основные категории в зависимости от вида их внутриклеточных структур, называемых рибосомами. К тому моменту было широко известно, что рибосомы существуют у всех микроорганизмов, однако некоторые организмы не содержат внутри своих клеток структуры, покрытые оболочкой, в то время как у других такие структуры есть. Реферат статьи этих ученых, опубликованный в журнале «Труды Национальной академии наук США», состоял из одного предложения: «Филогенетический анализ, основанный на характеристиках последовательностей рибосомных РНК, показал, что все живые системы могут быть отнесены к одной из трех аборигенных линий происхождения: 1) эубактерии, включающие в себя все типичные бактерии; 2) архебактерии, к которым относятся метанообразующие бактерии; 3) уркариоты, не представленные в цитоплазменном компоненте эукариотических клеток».
Еще более важной оказалась очевидная взаимосвязь организмов друг с другом. Мало того что животные и растения представляют собой лишь маленькие отростки на древе жизни – как выяснилось, животные весьма тесно связаны с грибами. На первый взгляд не кажется очевидным, что какой-нибудь шампиньон приходится более близким родственником комару, слону или нам самим, нежели высшим растениям, однако это так и есть. В частности, Вёзе и его коллеги показали, что все живые организмы могут быть размещены на древе жизни в зависимости от истории формирования их механизма синтезирования белков.
Нам всем известны некоторые из белков – это вещество яичного белка, из них состоит наша кожа, наши волосы, наши ногти, волокна наших мышц. Они же являются ферментами – молекулами, превращающими то, что мы едим, в энергию и материал для наших тел. Без белков клетки не смогли бы выполнять никакую работу. А если клетка не может работать, она не может и воспроизводиться.
Ключевым компонентом в формировании белков являются
Поскольку рибосомы имеются у всех организмов, Вёзе и его коллеги приняли как аксиому мнение о том, что все организмы на Земле являются потомками одного, ныне вымершего общего предка. В противном случае пришлось бы выдвинуть абсурднейшее и самое невероятное предположение, а именно, что рибосомы развились у миллионов видов независимо, создав весь спектр жизненных форм, которые мы наблюдаем сейчас. В сущности, Вёзе подтвердил идею Дарвина о том, что вся жизнь на Земле восходит к одному древнему прародителю. Информация, сохранившаяся в существующих ныне рибосомах, потенциально позволяет нам воссоздать взаимосвязи между всеми организмами. Изначальная эволюция наномеханизма, ставшего впоследствии рибосомой, пока остается неясной. Однако у бактерий и у нас мог быть лишь один общий предок, и этот предок не мог быть ничем иным, как микроорганизмом. Дарвин, Гук и Левенгук были бы, наверное, поражены до глубины души, узнав, что между всеми живыми существами может быть выстроена взаимосвязь на основе строения их внутреннего механизма, ответственного за выработку белков.
Рис. 8. Древо жизни по Карлу Вёзе и Джорджу Фоксу, где живые организмы соотносятся друг с другом на основании последовательностей рибосомальных РНК. Вёзе и Фокс открыли, что бактерии в действительности составляют два надсемейства ощутимо различающихся между собой организмов – бактерий и архей. Более того, животные и растения являются подгруппами в пределах более крупного семейства эукариотов. Подавляющее большинство организмов, составляющих это древо жизни, являются микроорганизмами В 1990 году, основываясь на последовательностях нуклеиновых кислот в рибосомах, над которыми он и его коллеги работали несколько лет, Карл Вёзе нарисовал универсальное филогенетическое древо жизни. Это древо имело фундаментальные отличия от того, каким оно представлялось Дарвину. Как выяснилось, жизнь на Земле сводится далеко не только к растениям и животным – она представляет собой нечто гораздо, гораздо большее, чем могли себе вообразить Левенгук, Гук или даже Дарвин. Подавляющее большинство живых существ на Земле – это микроорганизмы! И видов микроорганизмов существует гораздо больше, нежели видов всех растений и животных вместе взятых. Мы пока еще не знаем точного числа этих видов, но оно составляет несколько миллионов как минимум. Что мы можем сказать точно, так это то, что базовая структура древа жизни помогла нам понять, что вся ныне существующая на Земле жизнь произошла от одного вымершего микроорганизма.
Однако если у всех живых существ имелся общий микроскопический предок, то когда этот предок мог появиться на Земле?
Глава 3. Мир до начала времен
Через год после окончания докторантуры в Университете Британской Колумбии я поступил на работу в недавно образованный Отдел океанографических исследований при Брукхэвенской национальной лаборатории на Лонг-Айленде. Основными направлениями Брукхэвенской лаборатории являются физика и до некоторой степени химия. Несмотря на то что я не относился ни к физическому, ни к химическому отделу, на протяжении последующих двадцати трех лет я многому научился у моих коллег – физиков и химиков.
Физики ценят простоту. Они стремятся обнажить естественные феномены, раскрывая самое существенное. Одной из точек пересечения физики и химии является ядерная физика, оказавшаяся чрезвычайно полезной для понимания геологических процессов. Проведенные в начале XX столетия фундаментальные исследования в этой области, а в особенности открытие изотопов, сделанное физическим химиком Гарольдом Юри, способствовали проникновению в мир, существовавший до начала времен.
Химический элемент определяется числом положительно заряженных частиц –
Эти два природных изотопа урана образовались внутри очень горячей, очень недолго просуществовавшей и затем взорвавшейся звезды – так называемой
Изучение изотопов урана получило значительную поддержку со стороны национальных лабораторий Соединенных Штатов во время Второй мировой войны по очевидной причине: один из изотопов мог оказаться пригодным для создания атомной бомбы. Однако, как выяснилось, есть множество вариантов практического применения открытых изотопов урана и помимо производства оружия. Именно природная радиоактивность некоторых элементов, содержащихся в горных породах, позволяет нам датировать события ранней истории Земли, включая самые первые свидетельства микроорганической жизни.
В 1953 году тридцатиоднолетний химик Калифорнийского технологического института Клэр Паттерсон исследовал изотопы свинца в метеорите, найденном в каньоне Диабло – кратере в северной части Аризоны, образовавшемся около 50 тысяч лет тому назад в результате столкновения Земли с крупным метеоритом. Поскольку метеориты образовались на протяжении раннего периода формирования нашей Солнечной системы, возраст метеорита должен был приблизительно соответствовать времени возникновения на поверхности Земли застывшей коры.
Паттерсон послал образцы метеоритного вещества в Аргонскую национальную лабораторию для анализа на изотопы свинца, которые, как он знал, должны были образоваться после распада двух описанных изотопов урана. Основываясь на чрезвычайно тщательном анализе, он определил возраст Земли, который составил 4,55 млрд лет – датировка, прошедшая проверку дальнейшими научными исследованиями. Цифра в триста миллионов лет, выдвинутая Дарвином почти за столетие до того, как Паттерсон взялся исследовать изотопы свинца, оказалась заниженной более чем в десять раз!
Что же означает эта датировка, полученная на основе исследования изотопов свинца? Она свидетельствует о том, что более 4,55 млрд лет тому назад на нашей планете образовалась твердая кора. Однако если Земля настолько старше всего того, что когда-либо представлял себе Дарвин, то когда могла появиться на этой планете первая жизнь? Радиоактивный распад урана в метеоритах, подобных тому, который изучал Паттерсон, не чувствителен к изменению температуры, то есть метеорит мог подвергаться значительным нагреванию и охлаждению, а вычисленный возраст оставался бы при этом неизменным. Однако в отличие от метеоритов большинство горных пород на Земле перенесли один или несколько эпизодов изменений, поскольку земные недра раскалены. Этот жар образуется в результате радиоактивного распада урана и двух других элементов тория и калия. Высокая температура в недрах планеты, в свою очередь, является причиной вулканических извержений и землетрясений на ее поверхности. Этот процесс выносит на поверхность Земли новые материалы, одновременно погружая осадочные толщи на дне океанов в глубины планеты, где они вновь расплавляются. Чем дальше мы продвигаемся назад во времени, тем меньше можно найти сохранившихся с тех пор горных пород, поскольку большая часть древнейших пород превратилась в результате эрозии в осадочные толщи, погрузилась в недра Земли, была там расплавлена и преобразована в новейшие формации. Хотя этот процесс занимает сотни миллионов лет, лишь очень немногим породам удалось его избежать; но даже если некоторым это удалось и они не превратились полностью в осадочные породы, зачастую воздействие изменений температуры и давления, которым они подвергались, было достаточно велико, чтобы уничтожить следы любых имевшихся в них органических соединений. Есть некая ирония в том, что те самые элементы, которые позволяют нам реконструировать возраст Земли, уничтожают свидетельства жизни в древнейших горных породах, сохранившихся на поверхности планеты.
На Земле существует совсем немного мест, где можно найти очень старые породы, не подвергавшиеся воздействию экстремальных изменений температуры или других условий, сказавшемуся на их дальнейшем формировании. Древнейшие из таких пород найдены на юго-западе Гренландии, в формации Исуа – одном из интереснейших уголков Земли. Все породы здесь имеют возраст около 3,8 млрд лет, и их очень легко рассмотреть, поскольку они почти не скрыты растительностью. Несколько лет назад я провел там месяц в компании моего друга и коллеги Миника Розинга, изучавшего породы этой формации на протяжении десятилетий. В них трудно увидеть убедительные свидетельства древней жизни: здесь нет следов органических останков как таковых. Тем не менее в формации Исуа существует небольшая прожилка графита. Графит – это одна из твердых форм углерода. В XVI веке этот минерал высоко ценился, поскольку его использовали для изготовления литейных форм – например, для отливки пушечных ядер. И хотя мы можем не иметь представления о том, как делались пушечные ядра, мы все знаем, как выглядит графит: порошок этого минерала в смеси с глиной на протяжении двух прошедших столетий использовался для изготовления карандашных стержней. Графитовые прожилки формации Исуа образовались миллиарды лет тому назад в результате нагрева осадочных пород – пород, отложившихся на дне древнего океана.
Графит в формации Исуа имеет высокое содержание одного из двух стабильных углеродных изотопов – углерода-12. Такое обогащение углеродом-12 кажется любопытным, поскольку главной его причиной в органическом веществе являются процессы фотосинтеза. Все фотосинтезирующие организмы, такие как те бактерии, которых я изучал в Черном море, предпочитают использовать более легкий, стабильный изотоп углерода для строительства своих клеток. Не может ли высокое содержание углерода-12 в графите Исуа означать, что 3,8 млрд лет тому назад в океанах существовали фотосинтезирующие микроорганизмы? Не знаю, сумеем ли мы когда-либо выяснить это наверняка, поскольку горные породы этой области были слишком сильно изменены под воздействием высокой температуры и давления, чтобы по ним можно было заключить что-либо еще; однако существуют и другие, хотя и более молодые породы в других местах, не подвергшиеся столь значительным изменениям за прошедшие времена.
Две другие важные области, где находятся древние породы, расположены в Южной Африке и Западной Австралии. Возраст древнейших пород из этих двух регионов составляет вплоть до 3,6 млрд лет, и в некоторых из них имеются более отчетливые следы жизни в виде органических останков и измененного изотопного состава углерода. Одной из областей, где найдены органические останки, является формация Стрелли-Пул в Западной Австралии, содержащая свидетельства существования микроорганизмов в породах возрастом около 3,4 млрд лет. Хотя обнаружить останки микроорганизмов и удостовериться в их подлинности очень сложно, при гибели любого организма существует бесконечно малая вероятность того, что он оставит биохимический след в осадочной толще. В случае микроорганизмов лучше всего сохраняются следы липидов – жиров, из которых слагаются оболочки их клеток. Эти молекулярные ископаемые были найдены в породах, сформировавшихся за первые 2,7 млрд лет существования Земли. Очень трудно найти более древние породы, которые не были бы переплавлены или изменены и смогли бы благодаря этому сохранить хотя бы какие-то сложные органические соединения. К несчастью, ни рибосомы, ни какие-либо другие нуклеиновые кислоты, ни белки не сохранились в горных породах за прошедшие миллиарды лет – в противном случае наши представления об истории возникновения жизни на Земле были бы гораздо более полными. В более молодых образованиях существуют убедительные свидетельства микроорганической жизни. Уже в породах возрастом приблизительно 2,6 млрд лет имеются ясные, четкие органические останки микроорганизмов и вариации в составе изотопов углерода, азота и серы, являющиеся бесспорным свидетельством наличия в океанах того времени богатой микроорганической жизни.
Основываясь как на молекулярных (главным образом это молекулы – производные липидов), так и на органических останках, можно интерпретировать каменную летопись таким образом, что на протяжении первых 3,5 млрд лет земной истории – а это приблизительно 85 % всего времени, прошедшего с формирования планеты до настоящего момента, – вся жизнь была исключительно микроорганической и почти целиком ограничивалась океанами. Не было ни животных, ни наземных растений, ни настоящих почв, и в течение очень, очень долгого времени практически не было кислорода.
Однако можем ли мы что-либо сказать о том, как, собственно, эти древние микроорганизмы в то время функционировали? И дает ли нам это какие-либо сведения о появлении растений и животных спустя три миллиарда лет?
Аналогом древней микроорганической летописи является Черное море. Действительно, во многих отношениях глубоководные области современного Черного моря, по-видимому, дают прибежище многим типам организмов, сходным с теми, которые могли существовать в океанах около трех миллиардов лет тому назад.
Почему мы считаем, что Черное море является современным аналогом вымершего микроорганического мира?
В 1997 году Билл Райан и Уолтер Питман из Колумбийского университета предположили, что около 7500 лет тому назад, когда растаяли ледниковые щиты в Северном полушарии, воды Средиземного моря прорвались через пролив Босфор и затопили Черное море. Согласно гипотезе ученых, это произошло стремительно и, возможно, послужило истинным источником легенды о Ноевом ковчеге. В любом случае, было ли затопление Черного моря внезапным или более постепенным, как утверждают другие источники, в результате его теплые, очень соленые воды вторглись в бассейн через узкий мелководный пролив, разделяющий европейскую и азиатскую части современной Турции. Плотность этих соленых вод была больше плотности пресной воды, поступающей в бассейн из Дона, Днепра, Дуная и других рек, текущих с севера. Более плотная соленая вода опустилась в придонные области, в то время как относительно легкая пресная осталась наверху. Разница в плотности водных масс сделала практически невозможным выход придонных вод на поверхность, где они могли бы насытиться атмосферным кислородом. Вследствие этого органические соединения, производимые фотосинтезирующими организмами на поверхности, погружаясь в глубины, оказываются поглощены и респирированы микроорганизмами, истощившими весь запас кислорода в глубоководных слоях Черного моря. Фактически глубинные воды Черного моря лишены кислорода уже несколько тысяч лет; это единственный бассейн полузамкнутого типа, остающийся бескислородным так долго. Откуда мы это знаем?
В результате испытаний ядерного оружия в 1950-х и 1960-х годах образовалось большое количество углерода-14, который распространился во всей атмосфере. Некоторая часть этого углерода вошла в контакт с поверхностью океанических вод, и, поскольку водные массы с поверхности перемещались в глубины океанов и морей, можно было с большой точностью измерить и проследить радиоактивный распад изотопа, получив своего рода хронометр. Произведя обратные вычисления, чтобы вернуться к изначальному содержанию углерода-14 в атмосфере, океанографы смогли определить, насколько давно воды того или иного океанического бассейна вступали в контакт с атмосферой. На основании подобного анализа можно утверждать, что глубинные массы вод современного Черного моря в последний раз соприкасались с атмосферой около 1500 лет тому назад, и, хотя по геологическим меркам это не столь уж долгое время, его было достаточно, чтобы весь кислород, продуцированный ниже верхнего стометрового слоя, оказался очень быстро поглощен после того, как эти водные массы вновь погрузились в глубину. Водные массы глубинных слоев современного Черного моря оставались без кислорода на протяжении самое меньшее 8000 лет.
Хоть мы и не можем сказать, что микроорганизмы глубин Черного моря в буквальном смысле существуют миллиарды лет, они являются живыми ископаемыми в том смысле, что у них сохранились метаболические процессы – или, попросту говоря, внутренние механизмы, возникшие на самой заре земной истории. По существу, они донесли до наших дней метаболизм организмов, населявших Мировой океан миллиарды лет тому назад. Попытавшись разобраться в их метаболизме, мы можем получить представление о том, как происходили жизненные процессы в мире, исчезнувшем давно и навсегда. Однако это позволяет не только понять жизненные процессы, происходившие миллиарды лет тому назад, – мы можем и нечто большее: посредством изучения этих древних микроорганических механизмов мы также получаем возможность понять связи между микроорганизмами и всеми существующими растениями и животными, включая нас самих.
Давайте же заглянем «под капот», чтобы увидеть, как работают некоторые из механизмов, дающих жизнь этим невидимым созданиям. Попробуем исследовать, как микроорганизмам удалось создать в своих клетках эти механизмы, ставшие впоследствии двигателями жизни на Земле и ключом к обитаемости нашей планеты.
Глава 4. Маленькие двигатели жизни
Едва ли Роберт Гук мог предвидеть значимость сделанного им описания микроскопических клеток в тонком куске пробки, который он отрезал перочинным ножом. На протяжении более чем трех столетий, минувших с того времени, когда Гук впервые изобразил очертания структур клеток, ученые потратили много времени и усилий, чтобы понять, как же эти клетки – мельчайшая форма жизни, способная к самовоспроизведению, – функционируют. Эти усилия были направлены прежде всего на то, чтобы понять скрытые внутри клетки механизмы, позволяющие ей получать энергию, расти и размножаться. И хотя мы не знаем всех ответов, нам уже известно, что, как в кукле-матрешке, внутри отдельных контейнеров самих клеток имеются контейнеры меньшего размера, выполняющие каждый свою специфическую функцию. За неимением более простого термина я называю эти заключенные в клетках меньшие контейнеры наномеханизмами жизни. Это агрегаты, составленные главным образом из белков и нуклеиновых кислот и выполняющие необходимые функции во всех живых клетках. Я потратил немалую часть своей научной жизни, пытаясь понять, как они работают.
Понимание того, как работают эти наномеханизмы, имеет значение, поскольку их внутренняя работа позволяет нам увидеть, как основные процессы копируются и преобразуются в различных формах. Это аналогично тому, как если бы мы, взяв детали из магазина радиотоваров, собирали усилители, радиоприемники, телевизоры и любые другие устройства, какие можно придумать. В природе встречаются наномеханизмы самых разных типов. Как я уже говорил, одни из древнейших – рибосомы – возникли у предков современных микроорганизмов миллиарды лет тому назад. В пятой главе мы еще вернемся к этому первобытному миру древних микроорганизмов, но сначала давайте рассмотрим другие наномеханизмы и поймем, как они функционируют внутри клеток.
Попытка понять действие механизмов внутри живой клетки до какой-то степени аналогична попытке разобраться, как работает автомобиль, не имея представления о том, что находится под капотом. Мимо нас по улице проезжают машины, и мы понимаем, что внутри них имеются какие-то механизмы, позволяющие им двигаться. Мы можем остановить машину и вынуть ключ из зажигания – тогда машина больше не заведется. Если мы сумеем открыть капот, то, возможно, сможем разобрать находящийся там механизм и рассмотреть все его части – до последнего винтика, последней шайбы и прокладки. И если мы посмотрим еще внимательнее, то увидим, что все части собраны в исключительно точной последовательности; однако у нас нет никакой инструкции касательно того, как их собирать. Если мы не поймем, для чего какая часть предназначена, то никогда не сможем сообразить, как все эти приспособления позволяют машине ехать по дороге. Однако, рассматривая по отдельности поршень или аккумулятор, не говоря уже о компьютере, мы, вероятно, сможем получить какое-то представление о том, какую роль эта конкретная часть выполняет и каковы ее функции в общем механизме.
Параллель между попыткой понять принцип действия автомобиля и исследованием функционирования клетки, разумеется, весьма приблизительна. Клетки устроены гораздо сложнее, нежели автомобили. Автомобили не могут собирать сами себя, не воспроизводятся самостоятельно и, как ни жаль, не умеют сами себя чинить. Поэтому, наверное, не следует чересчур удивляться тому, что, хотя биологи и смогли разобрать клетку на части, чтобы посмотреть, как работают отдельные компоненты, им до сих пор так и не удалось заново собрать эти части с нуля и получить полностью работоспособный, самовоспроизводящийся организм. Нам предстоит еще долгий путь к пониманию того, что находится «под капотом» у клеток. Тем не менее на протяжении трехсот лет, прошедших с тех пор, как Гук описал базовую структуру клеток, мы далеко продвинулись вперед в распознавании многих ключевых элементов и уже начинаем догадываться, как работают эти внутриклеточные наномеханизмы. Это знание позволило нам увидеть закономерности в организации клеток на генеалогическом древе жизни. Собственно, оно дало нам возможность понять, что это вообще такое «жизнь». Однако перед тем как мы начнем детально разбирать «колесики и винтики», давайте вкратце рассмотрим, как эти элементы были обнаружены.
Идентификация отдельных элементов клетки началась в XIX веке благодаря усовершенствованию микроскопов, а также пытливому и терпеливому характеру биологов – как правило, достаточно зажиточных мужчин. В 1831 году шотландский ботаник Роберт Броун при внимательном исследовании под микроскопом выделил темное пятно в центре клетки орхидеи, а впоследствии и в пыльце. В статье, представленной им Линнеевскому обществу в Лондоне, ученый назвал эту структуру
В последней четверти XIX и начале XX века изготовители инструментов принялись разрабатывать все более совершенные объективы и другие компоненты оптических микроскопов, позволившие ученым в буквальном смысле заглянуть внутрь крупных клеток. Еще большей наглядности удалось добиться при помощи разнообразных красителей и пигментов, избирательно окрашивавших те или иные компоненты клетки. Благодаря подобным усовершенствованиям ученые смогли прийти к довольно глубокому пониманию положения некоторых компонентов в эукариотических клетках, то есть клетках, содержащих ядро. Растения и животные по существу представляют собой организованные скопления эукариотических клеток.
Благодаря более совершенным объективам, красителям и микроскопам с еще большим увеличением в течение относительно короткого отрезка времени было сделано несколько открытий. В 1883 году еще один ботаник, немец Андреас Шимпер, обнаружил, что крахмал, окрашивающийся в присутствии йода в темно-бурый цвет, производится в растениях микроскопическими зелеными тельцами, которые он назвал
Структуры, размеры которых составляют меньше тысячной доли миллиметра (иначе говоря, микрометра), попросту очень трудно разглядеть в деталях при помощи видимого света. Диаметр человеческого волоса составляет около 100 микрометров, диаметр же большинства бактерий и других микроорганизмов – около 1–2 микрометров, а порой даже меньше. Чтобы разглядеть их невооруженным глазом, нужно выстроить в ряд около 100 таких клеток, и тогда их длина будет равна диаметру человеческого волоса. И поскольку эти микроорганизмы так малы, для нас практически невозможно различить находящиеся внутри них структуры. Есть ли там миниатюрные ядра? Митохондрии? Хлоропласты? Эта попытка визуализации внутриклеточных структур может напомнить выдвинутую ранее Левенгуком концепцию анималькулей, которых он представлял как микроскопических животных. На протяжении нескольких десятилетий научный прогресс в области изучения очень маленьких клеток или маленьких частей внутри крупных клеток оказался застопорен из-за ограничений в разрешении и увеличительной способности оптических микроскопов.
Прорыв в этом направлении произошел в 1930-х годах, когда два немецких физика, Макс Кнолль и его студент Эрнст Руска, разработали микроскоп нового типа, в котором использовались высокоэнергичные электроны – они ускорялись в вакууме и как лучи проецировались на образец, который либо поглощал их, либо пропускал, либо рассеивал. Получившееся изображение могло передавать структуры с разрешением в десятые доли микрометра, то есть с более чем в сто раз большим увеличением, чем то, какое было достижимо в оптических микроскопах. Открылся целый новый мир – мир, в котором мы впервые действительно получили возможность заглянуть клеткам «под капот».
Изучение клеток под электронным микроскопом тотчас же подтвердило существование ядер, аппаратов Гольджи, митохондрий и хлоропластов у эукариотических клеток. Однако, к удивлению ученых, оно также раскрыло, что у многих микроорганизмов эти структуры отсутствуют. Судя по всему, число матрешек среди микробов было ограничено. Организмы, внутри которых не были найдены такие автономные, заключенные в мембраны структуры, были объединены учеными в группу, получившую название
Одними из таких универсальных элементов оказались рибосомы. Впервые они были обнаружены в 1955 году румынским биологом Джорджем Паладе, который работал в Рокфеллеровском институте (теперь университете) в Нью-Йорке. При помощи лучших из доступных в то время электронных микроскопов Паладе описал эти структуры в образцах клеток млекопитающих и птиц (и те и другие являются эукариотами). Рибосомы были похожи на очень маленькие ворсистые шарики, которые либо свободно плавали во внутриклеточной жидкости, либо группировались вдоль определенных внутренних мембран. Паладе обнаружил, что эти маленькие шарики содержат как белки, так и нуклеиновые кислоты, но роль этих крошечных компонентов клетки оставалась невыясненной еще более десяти лет. Было очевидно, однако, что та нуклеиновая кислота, которая находится в ядре, представляет собой ДНК, в то время как в рибосомах содержится рибонуклеиновая кислота – другой тип нуклеиновой кислоты с другим сахаром, рибозой, имеющей на один атом кислорода больше, чем дезоксирибоза, найденная в ДНК. Впоследствии эти маленькие шарики стали называть
Рис. 9. Электронная микрофотография тонкого среза клетки зеленой водоросли. Этот организм является эукариотом (см. рис. 8) и, подобно всем эукариотам, содержит несколько внутриклеточных органоидов, ограниченных мембранами. В данной клетке такими органоидами являются хлоропласт (C), митохондрии (M), ядро (N) и аппарат Гольджи (G). (Оригинальная микрофотография, сделанная Майроном Ледбеттером и Полом Фальковски.)
Рис. 10. Схема строения рибозы и дезоксирибозы. Первая содержится в рибонуклеиновой кислоте (РНК), вторая – в дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК)
Рибосомы – это микроскопические механизмы, которые забирают информацию у последовательности ДНК посредством молекулы-посредника. Такая молекула является зеркальной, или комплементарной, к гену, который представляет собой матрицу белковой последовательности. Комплементарная цепочка РНК называется
Поскольку все основные составляющие клеток либо являются белками, либо зависят от белков в своем формировании, можно сказать, что рибосомы – абсолютно необходимые компоненты в каждой клетке. Однако это чрезвычайно сложные механизмы. Их диаметр составляет всего лишь около 20–25 нанометров (
Биохимики специализируются на описании отдельных компонентов клеток. Их основная методика заключается в том, чтобы вытащить из клетки те или иные части и посмотреть, как они работают. Начинают биохимики обычно с того, что разрушают клетки и разделяют получившийся материал на различные компоненты. Основным инструментом для такого разделения служит центрифуга, которая раскручивает материал на высокой скорости, так что его составляющие разделяются на фракции в соответствии со своей массой: чем тяжелее частица, тем дальше в центрифужной пробирке она окажется. При помощи такой высокоскоростной центрифуги Паладе сумел отделить те самые структуры, похожие на ворсистые шарики, которые он увидел в электронный микроскоп.
Рис. 11. Схема, иллюстрирующая функционирование рибосомы. Этот наномеханизм образует белки при помощи информационной матрицы, изначально закодированной в ДНК и перенесенной при помощи молекулы информационной РНК (иРНК). Молекула иРНК обеспечивает информацию о последовательности аминокислот, необходимой для образования конкретного белка; для каждого белка в клетке имеется собственная иРНК. Рибосома, также содержащая РНК, но образующая более крупную структуру из многих белков, «считывает» информацию с молекулы иРНК и при помощи третьей молекулы РНК с прикрепленной к ней определенной аминокислотой (транспортной РНК, тРНК) выстраивает белки, наращивая их по одной аминокислоте за раз. Белок появляется из рибосомы, чтобы занять надлежащее место внутри клетки
Однако вопрос оставался открытым: как, собственно, функционируют рибосомы? Сумев изолировать рибосомы, Паладе и его коллеги определили, что эти структуры состоят из белков и еще одного типа молекул РНК, отличного от информационной РНК. Вскоре было доказано, что эти крошечные шарики могут образовывать белки прямо в пробирке, если предоставить им необходимые компоненты. Однако даже самые лучшие электронные микроскопы не могли показать, что находится внутри изолированных Паладе рибосом. Для решения этой проблемы требовалось еще более мощное орудие распознавания.
В начале XX столетия, вскоре после открытия радиоактивности, физики обнаружили, что рентгеновские лучи, представляющие собой чрезвычайно высокоэнергетические частицы света, рассеиваются кристаллами строго определенным образом. Рентгеновское излучение гораздо более высокоэнергетичное, нежели электроны, и может отображать совсем крошечные структуры – вплоть до уровня отдельных атомов. Физики и химики сделали множество рентгеновских изображений кристаллов, слегка меняя их ориентацию, благодаря чему смогли определить расположение отдельных атомов внутри кристаллической решетки. Такой же подход впоследствии был применен для описания структуры сепарированных компонентов клетки, и вскоре после Второй мировой войны стало возможным определение расположения атомов в кристаллической решетке белков. Это была чрезвычайно скрупулезная работа: необходимо было получить и наложить друг на друга сотни рентгеновских изображений – все это в отсутствие компьютеров. При помощи обратного вычисления угла рассеяния рентгеновских лучей, прошедших через структуру, физики и химики могли судить о строении молекулы, даже если ее и нельзя было увидеть непосредственно с помощью микроскопа. Постепенно становились доступны компьютеры и рентгеновские источники повышенной мощности – такие, как синхротронные источники излучения, один из которых располагался через улицу напротив моего здания в Брукхэвенской национальной лаборатории, – и ученые описывали структуры все новых и новых белков. Эти описания содержатся в архиве химического факультета моего университета; любой человек, имеющий компьютер, может найти их в Сети.
Поделиться книгой: