В известной русской сказке смерть Кощея была запрятана в яйце, яйцо — в утке, утка — в зайце… Примерно так же хитро и дальновидно «захоронена» генетическая информация, определяющая развитие любого организма.

Гены — таинственные частички материи, вещество, заставляющее всякое творение природы быть похожим на своих родичей и в то же время быть глубоко индивидуальным, не похожим ни на какое иное живущее создание.

Где они расположены? Как устроены? Как им удается отдавать приказы на особом биохимическом языке?

В головокружительные, темные, бездонные глубины живой клетки пришлось погрузиться ученым, чтобы докопаться, разыскать наконец то место, где зашифрована программа жизни слона или бактерии, человека или лягушки, яблони или микроскопической водоросли хлореллы, живших когда-то на Земле мамонтов или динозавров.

Хранилище, вместилище генов? Их потаенный склад? Теперь его адрес установлен. И то, что потребовало усилий стольких поколений исследователей разных стран, то, что являлось предметом жарких споров, ученейших препирательств и распрей, что поначалу казалось подозрительным, наивным, незрелым, требовало проверки, строжайших доказательств — теперь все это стало азбучными истинами, далекой историей науки, буднично и просто составляет пару страничек школьного учебника биологии.

Застенчивый швейцарец

Да и сто лет спустя, в 1969 году, почти в наше с вами, читатель, время, никто особо не праздновал дату важного открытия — момента обнаружения молекул наследственности. И сегодня разыскать материалы для биографии Фридриха Иоганна Мишера все еще совсем непросто.

Мишер (1844–1895) — швейцарский биохимик, сын врача, прожил, по нынешним меркам, недолгую жизнь. Был чем-то вроде аспиранта в университете южногерманского города Тюбингена, на кафедре Гоппе-Зейлера (1825–1895), одного из основоположников современной биохимии, наставника многих известных ученых (в том числе и русских: Сеченова, Захарьина, Боткина, Дьяконова, Манасеина и других).

Лаборатория Эрнста Феликса Иммануила Гоппе-Зейлера была тогда Меккой приверженцев физиологической химии, здесь-то 25-летний Мишер и совершил свое выдающееся открытие. Впрочем, необходимо отметить, что строго-то говоря, не Мишер поднял, возвеличил, прославил имя ДНК, а сама эта замечательная молекула, задним числом, всем своим авторитетом в науке увековечила имя Мишера!

Обстоятельства открытия были таковы: исследователь обрабатывал элементы крови — лейкоциты ферментом желудочного сока пепсином, разрушающим белки. Клетки разваливались, что можно было наблюдать в микроскоп, но их ядра оставались невредимыми. Мишер выделил содержащееся в ядрах неизвестное вещество небелковой природы с необычайно большим содержанием в нем фосфора и азота и, не мудрствуя лукаво, назвал его нуклеином, то есть ядерным (от латинского «nucleus» — «ядро»).

Детальному изучению нуклеиновых кислот Мишер посвятил, покинув лабораторию учителя и вернувшись в родной Базель, оставшуюся часть жизни. Он скупо сообщал о результатах своего труда, и лишь после смерти Мишера его друзья и близкие, разобравшись в кипах лабораторных тетрадей, черновиков, записей, сделанных в спешке, в перерывах между опытами и лекциями, которые он читал в Базельском университете, выпустили в 1897 году в свет книгу, озаглавленную «Работы Ф. Мишера по гистохимии и физиологии». На первой странице сборника был помещен портрет автора: хорошее, слегка смущенное (или печальное?) лицо одного из тех людей, которые, кажется, с рождения не снимали со своей головы шапку-невидимку.

Видимо, так и не удастся установить, сознавал ли застенчивый швейцарец всю значимость своего открытия. Или же его тщательнейший научный розыск — просто следствие прилежания и педантичности. Несомненно только то, что предчувствия важности содеянного, интуиция разведчика новых земель тревожили его. В одном из многих писем к своему родственнику профессору Вильгельму Гису Мишер высказывал предположение, что ключ к решению проблемы передачи наследственных свойств будет найден стереохимиками.

Вот его подлинные слова о стереозомерах: «…с их помощью мы можем выразить все бесконечное многообразие наследственных признаков, подобно тому как при помощи двадцати четырех или тридцати букв алфавита мы можем составлять слова и выражать мысли на любом языке…» (выделено мною. — Ю. Ч.).

Удачный выбор

В начале XX века открытие Мишера было прочно забыто. В те времена у всех биологов на устах вертелось совсем другое имя — Грегор Мендель.

Мендель (1822–1884), сын бедного силезского крестьянина, вынужден был поступить послушником в августинский монастырь святого Фомы города Брюнна, ныне Брно, в Чехословакии. Был посвящен в священники, мирское имя Иоганн он поменял на церковное Грегор, но никаких церковных обязанностей не исполнял, а занимался преподаванием. Был в разное время учителем математики и греческого языка, позже физики и естественной истории, ставил опыты по скрещиванию растений. (В прошлом веке в школах и гимназиях Австро-Венгрии часто можно было видеть монахов, они преподавали не только слово божие, но и светские науки — химию, ботанику, зоологию. Мендель вначале учился в Ольмюцком философическом институте, а в 1851 году администрация монастыря посылает его в Венский университет для изучения естественных наук.)

Менделя интересовали две далекие друг от друга дисциплины — математика и ботаника. Ему нравилось возиться с растениями в монастырском саду — крохотном, 7 на 35 метров, под окнами своей кельи, ибо с детства приобрел практические навыки в садоводстве. Восемь лет неторопливо и тщательно этот странный монах проводил загадочные опыты — скрещивал различные сорта гороха и терпеливо фиксировал результаты, подвергая их математической обработке. В 1865 году итоги работы были доложены в Брюннском обществе естествоиспытателей и в 1866-м опубликованы (труд назывался «Опыты над растительными гибридами») в «Записках» того же общества.

Злые языки утверждают, что издатели поместили работу Менделя в сборник только потому, что более интересных материалов тогда не нашлось, но не будь этой публикации, Мендель не стал бы всемирно известным исследователем, отцом учения о наследственности. Однако тогда печатное детище Менделя не вызвало никакого отклика в научном мире. Известно, что труды общества естествоиспытателей в Брно со статьей Менделя были разосланы в 120 научных библиотек мира, сам Мендель дополнительно распространил 40 оттисков. Не было ни дискуссий, ни просто вопросов к творцу новой науки.

Чувствуя всю шаткость своего положения никому не известного любителя, Мендель решил обратиться к светилам тогдашней ботаники. Его выбор пал на Карла Вильгельма Негели (1817–1891), ибо Негели был одним из первых, кто пытался применять математические методы в ботанике. Но ответ Негели на послание Менделя был кратким и сухим.

При жизни Менделя его выдающиеся, теперь классические, исследования не были по достоинству оценены, хотя не только Негели, но и другие крупные биологи знали о них. Ученый скончался, не подозревая о произведенном им революционном перевороте в научных взглядах. Лишь в 1900 году непонятная и забытая работа Менделя привлекла вдруг всеобщее внимание. Сразу несколько исследователей — Хуго Де Фриз в Голландии, Карл Корренс в Германии и Эрик Чермак в Австрии — на собственных опытах убедились в справедливости выводов Менделя.

Своими научными успехами Мендель обязан также и необычайно удачному выбору объекта исследований. Всего в четырех поколениях гороха он обследовал 20 тысяч потомков. А представьте себе, что Мендель ставил бы эксперименты не на горохе, а на… слонах! Или каких-то других крупных сельскохозяйственных животных — до гороха Мендель возился, безуспешно, с мышами — тут бы ни средств, ни времени, ни терпения ему бы не хватило.

Горох был удобен еще и по иным соображениям. Потомство этого растения обладает рядом четко различимых признаков: зеленый или желтый цвет семядолей, гладкие или, напротив, морщинистые семена, вздутые или четкообразно перетянутые бобы, длинная или же короткая стеблевая ось соцветия и так далее. Переходных, половинчатых, смазанных признаков не было. Всякий раз можно было уверенно говорить да или нет, или — или, иметь дело с альтернативой. А потому и оспаривать выводы Менделя, сомневаться в них не приходилось. И все положения теории Менделя уже никем не были опровергнуты и по заслугам стали частью золотого фонда науки.

«Просто короткое и удобное слово»

Считается, что только тот владеет основами генетики, для кого один из выводов Менделя — 3 : 1 — ясен, как простая гамма. Расщепление признаков во втором поколении гибридов — три к одному. Скажем, при скрещивании сильного желтозерного гороха с зеленозерным первое поколение гибридов будет обязательно иметь желтые горошины. Однако в следующем поколении появляются и слабые зеленые горошины, причем в строгом численном соотношении — 1 : 3: в среднем один зеленозерный на три желтозерных ростка. Зеленый цвет может дать только одно сочетание зеленый + зеленый, все остальные три комбинации: зеленый + желтый, желтый + зеленый и желтый + желтый — ведут к желтой окраске. Отсюда и возникают цифры 1 и 3.

На этот счет у студентов-генетиков Ленинградского университета есть даже особая песенка. Начало у нее:

Гармония чисел, согласие явлений природы, стройность и порядок, проглядывающие сквозь путаницу и кавардак явлений. Многие историки науки полагают, что Мендель будто бы знал, что ищет. Что-де он сначала интуитивно проник в душу природных событий, а уже затем так спланировал свои опыты, чтобы озарившая мозг идея выявилась наилучшим образом и в кратчайшие сроки. Потому-то он останавливается на больше всего пригодном для опытов виде растения-самоопылителя — горохе. Оттого два года отбирает наиболее пригодные признаки. И затем проводит эксперименты на таком количестве растений, сколько нужно, чтобы установить численные отношения для генетических законов.

Все это и породило красоту и стройность найденных Менделем пропорций. Так, к примеру, при свободном комбинировании двух пар признаков: окраски (желтые, сильные или, как говорят ученые, доминантные семена и семена зеленые, слабые, или рецессивные) и формы семян (гладкая — доминантная и морщинистая — рецессивная форма) растения в первом поколении дают желтые и гладкие горошины. Но затем происходит расщепление признаков в строгой пропорции: 9 : 3 : 3 : 1. В среднем из 16 растений 9 желтых и гладких гибридов, 3 желтых и морщинистых, 3 зеленых и гладких и только 1 зеленый и морщинистый.

О, тут нет никаких сомнений, именно гармония, словно свет, озарила первые шаги зарождающейся науки. Мендель руководствовался принципом красоты.

После работ Менделя и его переоткрывателей трудно было сомневаться в том, что передачу наследственных признаков осуществляют какие-то имеющиеся в клетках частицы. Именно Мендель фактически ввел в науку понятие «гены», хотя называл их иначе — факторами.

Коротенькое, но емкое слово «ген» (от греческого «genos» — «род, происхождение», отсюда пошли и родственные слова «генезис», «генофонд», «геном», «генетика» и им подобные) предложил в 1909 году в книге «Elemente die exakten Erblichkeitslehre» — «Элементы точного учения об изменчивости и наследственности» датский биолог Вильгельм Иогансен (1857–1927).

Следует отметить, что Иогансен, как и Мендель, не был ученым-профессионалом, свою научную карьеру начинал учеником аптекаря, склонялся к пониманию гена как чистой абстракции, только как подходящего термина для истолкования явлений наследственности. «Ген — это просто короткое и удобное слово, которое легко сочетается с другими…» — писал он. До конца жизни этот ученый не принимал попыток материального воплощения предложенного им понятия. «Слово „ген“, — настаивал он, — свободно от всякой гипотезы; но выражает лишь тот твердо установленный факт, что многие особенности организма обусловлены… „состояниями“, „основами“, „зачатками“ — короче, тем, что мы именно будем называть генами».

Помогли трудности

А увидеть гены, превратить это поначалу полумифическое, зыбкое, ускользающее понятие в реальность, в нечто материально видимое и различимое удалось американцу Томасу Ханту Моргану.

Морган (1866–1945) — биолог, как и Мендель, один из основоположников генетики. Коллеги из Колумбийского университета в 1908 году были удивлены, когда он, профессор экспериментальной зоологии, получивший уже широкую известность как эмбриолог (эмбриология — наука о зародышах человека, животных, растений), решил заняться модной, но неустоявшейся наукой — генетикой. Но Морган стоял на своем, он хотел проверить, действительно ли, как утверждал Мендель, в клетках существуют гены?

Морган обладал редким уменьем собирать вокруг себя талантливую молодежь. Один из его будущих ближайших сотрудников Кальвин Бриджес (1889–1938) зашел к Моргану, чтобы узнать, нельзя ли немного подработать, и получил задание мыть пробирки. Через неделю ему полюбился не только шеф, но и наука генетика. Девятнадцатилетний студент-второкурсник Алфред Стёртевант (1891–1970) был страстным лошадником, рылся в книгах, пытаясь установить, как наследуется масть. Отчаявшись, он пошел за разъяснениями к Моргану — и остался в его лаборатории. Через год Стёртевант сделал большое открытие — обнаружил явление сцепления генов. Позже он был удостоен многих званий, в частности, стал членом Национальной академии наук США.

Еще пример. Будущий классик генетики Герман Мёллер (1890–1967) жил и учился в другом городе. Ему было всего 17, он только что поступил на первый курс, но уже регулярно отправлял Моргану толстенные письма, где излагал… теоретические наметки экспериментов, которые должны были пролить свет на проблему наследственности… В 1946 году Мёллер стал нобелевским лауреатом.

Любопытно, что в 1933–1937 годах он работал в Москве в Институте генетики АН СССР, куда его пригласил академик Вавилов. Вернувшись в Америку, Мёллер долго не мог найти подходящей работы, его считали коммунистом! Обозленный, он, ненавидящий антисемитизм, немец по национальности, чтобы подразнить власти, стал выдавать себя… за еврея.

Морган делал ставку на молодых и не ошибся: в его лаборатории родилось множество замечательных открытий.

Президент Национальной академии наук США с 1921 по 1931 год, почетный член АН СССР, 1931 год, что, однако, не помешало в послевоенные годы Лысенко и его приспешникам объявить Моргана метафизиком и идеалистом, был в 1933 году удостоен Нобелевской премии.

А еще Моргану помогли трудности. Ученый обычно работал с кроликами, мышами и крысами, но в то время бюджет университетской лаборатории был весьма скромен, денег на сооружение большого вивария ему не дали. Пришлось искать новый экспериментальный объект, и Морган выбрал крошечную плодовую мушку дрозофилу. Редкий случай, когда скупость снабженцев оказала науке неоценимую услугу!

Дрозофила, Drosophila melanogaster, что означает «любительница росы с черным брюшком», все мы не раз видели эту мушку, вьющуюся вокруг перезрелых фруктов, стала для Моргана величайшей удачей. И сегодня число исследователей, занимающихся во всем мире этой мухой, насчитывает не одну тысячу. Почему? Что сделало мушку такой популярной? Об этом стоит поговорить особо.

Как бусины на нитке

Стеллажи, стеллажи… От пола до потолка. В неярком свете люминесцентных ламп (шестнадцать часов — день, с 12 до 8 утра — ночь) поблескивают на стеллажах тысячи пробирок-стаканчиков. В них ползают, вьются, копошатся крохотные существа с прозрачно-серыми крылышками…

Дрозофила, это маленькое, длиной около 3,5 миллиметра, со вздутым телом и обычно красными глазками насекомое легко разводить в пробирках на засеянных дрожжевыми клетками растертых бананах или просто манной каше с изюмом.

Главное достоинство дрозофилы — ее плодовитость. При температуре 25 градусов по Цельсию новое поколение мух появляется на свет через 10–12 дней. Одна самка может дать более тысячи потомков. Потому только за год удается получить 30–35 поколений и изучить сотни тысяч особей. Богатейшие возможности для тех, кто прослеживает длинные наследственные линии!

А еще дрозофила привлекательна вот чем. Наследственные проявления у нее бесчисленны и вместе с тем просты и легко различимы. Как окраска, форма семян и другие признаки у выбранного когда-то Г. Менделем гороха!

Мушки различаются укороченными крыльями (они могут быть и совсем маленькими, и загнутыми кверху и т. д.), цветом глаз (белые вместо нормальных — красных) и различными иными особенностями.

Исследуя под микроскопом ядра клеток дрозофилы, Морган и его ученики установили фундаментальные факты. Особые ядерные тельца — хромосомы (от греческого «chroma» — «краска» и «soma» — «тело», названы так вследствие способности хромосом сильно окрашиваться определенными красками, они делают хромосомы хорошо видимыми, что облегчает их изучение) меняли свою структуру, форму вместе с изменениями облика самой дрозофилы. Значит? Следовательно, сделал Морган вывод, гены должны локализоваться именно в хромосомах.

Не сразу, не вдруг пришел Морган к такому заключению. Хромосомная теория наследственности стала результатом огромной серии (благо плодовитость дрозофилы позволяла!) экспериментов.

Понятно, поначалу моргановские представления многим казались невероятными. Николай Иванович Вавилов, в 1921 году побывавший в США у Моргана, вспоминал позднее: «В этой лаборатории скептики выслушивались с особым вниманием. Исходя из сложности явлений наследственности и развития, мы полагали в то время, что строгое расположение генов в хромосомах в виде бус в линейном порядке мало вероятно. Такое представление казалось нам механистическим. Подобно другим, мы высказали наши сомнения Моргану. Он ответил нам, что он сам, как эмбриолог, вначале был большим скептиком, но колоссальное количество фактов наиболее просто объяснялось и объясняется линейным расположением генов. Он предложил нам посвятить несколько дней конкретному просмотру опытных материалов, на которых построена линейная гипотеза, добавив при этом, что охотно согласится с любой другой гипотезой, удовлетворительно объясняющей все наблюдаемые факты».

Опыты Эвери

Состав хромосом, их строение необычайно сложны. Это смесь многих компонентов. Тут и открытые Мишером нуклеиновые кислоты. Их названия ДНК и РНК, это сокращения, которые, должно быть, из-за позднее осознанного почтения принято писать с большой буквы; полное же и труднопроизносимое их название — дезоксирибонуклеиновая и рибонуклеиновая кислоты. И различные белковой природы ферменты (а белки с давних пор считаются основным элементом жизни; здесь можно сослаться хотя бы на известную цитату из «Анти-Дюринга»: «Жизнь есть способ существования белковых тел»), и многие другие вещества. Так что же из них ведает наследственностью? Определяет ее? Служит ее материальным носителем?

Ответы на все эти вопросы, казалось бы, дали опыты Освальда Теодора Эвери (1877–1955), человека, как и Мишер, большой скромности и сдержанности. Ему было немало — 67 лет, когда он, сотрудник Рокфеллеровского института в Нью-Йорке, сделал важный вклад в учение о генах.

В 1944 году в статье Эвери и его сотрудников была раскрыта химическая природа вещества, ответственного за наследственные изменения.

Эвери экспериментировал с пневмококками, микронных размеров бактериями, вызывающими у людей воспаление легких. И показал, что наследственные черты могут передаваться от одной бактерии к другой через посредство очищенного препарата молекул ДНК.

Исследователи, вводя в культуру пневмококков ДНК, выделенные из микробов того же вида, но другой расы, вызвали у пневмококков появление нового признака, которым они прежде не обладали, но который наблюдался у бывших владельцев ДНК.

Чтобы еще больше уверить себя и мир в своей научной правоте, экспериментаторы провели и контрольный опыт: перед тем как вводить, разрушили ДНК. На этот раз эффект передачи нового признака не отмечался.

Важные наблюдения. До этого считалось общепринятым, что гены — это особый тип белковых молекул, но нуклеиновые кислоты вовсе не были белками!

Если учесть еще и тот факт, что присутствие ДНК было обнаружено в хромосомах всех клеток, опыты Эвери заставляли предположить, что все гены состоят не из белка, а из ДНК. А если это так, то в раскрытии секрета жизни вовсе не белки станут Розеттским камнем. (Эта базальтовая плита с идентичными надписями на древнеегипетском и древнегреческом языках помогла в 1822 году Жан Франсуа Шампольону начать расшифровку египетской иероглифической письменности.) Именно ДНК, казалось бы, должна дать ключ, который позволит узнать, каким образом гены определяют, в числе прочего, цвет наших волос и глаз, вероятно, и наш ум, а может быть, и нашу способность нравиться другим.

Тут историки науки вынуждены были вспомнить событие 75-летней давности — обнаружение Мишером нуклеиновых кислот. Осознать значимость этого открытия, воздать должное этому скромному подвижнику науки.

Впрочем, в 40-х годах мнение о связи генов с ДНК еще не было однозначным. Многие тогда считали бактерии (пневмококки!) совсем особой формой жизни, где все не так, как у человека или животных.

Были и другие сомнения. Прославленный генетик Г. Мёллер полагал, что ДНК — это просто вещество, способное вызывать изменения в генах (то есть производить мутации). А что-де сами-то гены все-таки имеют белковую природу…

Трубадур генетики

Так что же все-таки собой представляют гены? Как устроены? Какова их молекулярная природа? Об этом в 30-е годы нашего века в Берлине велись горячие споры в группе интересующихся биологией физиков. Заводилой тут был немец Макс Дельбрюк, в 1937 году он эмигрировал в США. Он-то и пригласил русского биолога Николая Владимировича Тимофеева-Ресовского обучить физиков генетике.

Тимофеев-Ресовский (1900–1981) — один из создателей радиационной биологии, родился в Москве, в годы гражданской войны с оружием в руках в рядах Красной Армии защищал Советскую власть, окончил МГУ, был учеником известных русских генетиков Николая Константиновича Кольцова (1872–1940) и Сергея Сергеевича Четверикова (1880–1959), участник (1921–1925) известного тогда в научных кругах Москвы семинара, который в шутку называли «Дрозсоор», что означало «совместное орание дрозофилистов».

Кольцов на запрос наркома Николая Александровича Семашко послать кого-то из советских генетиков для организации генетической работы в Германии назвал Тимофеева-Ресовского. Так этот ученый оказался в Германии, где вынужден был оставаться до 1945 года. Широким кругам имя Тимофеева-Ресовского стало известно лишь после публикации повести писателя Даниила Гранина «Зубр», хотя этот ученый является автором многих капитальнейших исследований в генетике. Именно он вместе с немецкими физиками Куртом Циммерманом и Максом Дельбрюком сделали для биологии то, что когда-то Эрнест Резерфорд сделал для физики.

Резерфорд (1871–1937), обстреливая альфа-частицами металлические экраны из золотой фольги толщиной в несколько тысяч атомов, установил, что подавляющее большинство атомных снарядов пролетало сквозь преграду, как если бы она была прозрачной, лишь малая их часть, примерно одна альфа-частица из 8 тысяч отклонялась на значительные углы и даже поворачивала назад! Так у атома было обнаружено ядро, так была создана планетарная модель атома, с ядром — Солнцем и планетами — электронами.

Примерно к тому же результату пришел и Тимофеев-Ресовский. Он подвергал дрозофил действию строго определенных доз ионизирующего излучения и регистрировал число мутаций, наследственных изменений. В его опытах, как и у Резерфорда, лишь малая часть квантов излучения производила мутации. Так Тимофеевым-Ресовским и его немецкими коллегами было показано, что, подобно ядру в атоме, гены занимают в клетке лишь ее ничтожнейшую часть. Исследователи, рассматривая генетические структуры как «мишени», оценили объем одного гена — его размер составлял 3 тысячи атомов. Так были вычислены линейные размеры гена.

С этой-то работы практически и началась молекулярная генетика. Это и другие исследования Тимофеева-Ресовского свидетельствовали, что он умел в сложном увидеть его главные, наиболее существенные черты, мог так упростить ситуацию, чтобы при этом не выплеснуть с водой и ребенка. Ученый любил повторять:

— Нам деньги платят не за то, чтобы усложнять, а чтобы упрощать.

Бму принадлежит много шутливых афоризмов. Оценивая некоторых ученых, он обычно приговаривал:

— Этот звезды неба не портит (то есть звезд с неба не хватает. — Ю. Ч.).

«Что есть ген?» — наседали на Тимофеева-Ресовского, когда он оказался в Германии, въедливые немецкие физики. «Какова его структура? Каков смысл мутаций генов?..»

— А вот я вас, физики, спрошу, — отвечал находчивый в дебатах (его многочасовые — обычно он метался по аудитории из угла в угол, словно тигр в клетке, — лекции никого не оставляли равнодушными), любящий выступать перед любой аудиторией Николай Владимирович. Статьи же этот «трубадур генетики» писать не любил; если удавалось записать его выступление, то запись можно было сразу, лишь расставив знаки препинания, публиковать как научную работу — так точны и продуманны были все формулировки, так строга логика выражения.

— Я вас, физики, спрошу, а из чего состоит электрон? Вы смеетесь? Но так же смеются генетики, когда у них допытываются, из чего состоит ген.

Вопрос о том, что такое ген, выходит за рамки генетики и его бессмысленно адресовать генетикам, — продолжал Тимофеев-Ресовский. Вы, физики (ему надо было бы добавить: и химики. — Ю. Ч.), должны искать ответ на него.

Когда пыль рассеялась…

Идеи Тимофеева-Ресовского и его немецких соратников о природе вещества наследственности вдохновили одного из создателей квантовой механики, лауреата Нобелевской премии австрийца Эрвина Шрёдингера (1887–1961) написать книгу «Что такое жизнь с точки зрения физики?». В ней в элегантной форме Шрёдингер высказал немало ценных соображений о генах.

Во-первых, он указал физикам, что перед ними стоит фундаментальная проблема, высочайшая цель, достойная их усилий. Во-вторых, он предположил, что особые «генные молекулы», видимо, представляют собой «апериодический кристалл» (генные бусинки Моргана?), состоящий из совокупности нескольких повторяющихся элементов, точная последовательность которых, подобно азбуке Морзе, и составляет код наследственности. В-третьих, Шрёдингер поддерживал мысль, первым ее высказал другой известнейший физик, также лауреат Нобелевской премии Нильс Бор (1885–1962), о том, что некоторые биологические явления (природа гена?) нельзя будет полностью объяснить, исходя лишь из традиционных понятий физики и химии. (Увы, это предположение позднее не подтвердилось: никаких других законов физики в живом открыто не было.)

Призывы Шрёдингера были услышаны. И вскоре после окончания второй мировой войны началась совершенно новая эпоха генетических исследований. Тон в ней задавали физики. В классической генетике ген мыслился абстрактным и неделимым, романтически же настроенные физики захотели расщепить ген, словно атом, докопаться до его генной сути, до физико-химической сердцевины.

Многие физики тогда переметнулись в биологию. Эти новички были подчас малознакомы с достижениями генетики, но они привнесли с собой в эту область свое особое физическое мышление, и это оказало сильное влияние на прогресс генных исследований.

Если, как это следовало из опытов О. Эвери, гены действительно заключены в молекуле ДНК, то необходимо детально изучить ее структуру. Подобные знания мог дать достаточно развитый к тому времени усилиями физики рентгеноструктурный анализ.

Направив узкий пучок рентгеновских лучей на кристалл, удается зарегистрировать на фотопластинке за кристаллом картину, состоящую из большого числа закономерно расположенных пятен. Такая рентгенограмма позволяет установить все особенности структуры кристалла, расположение в нем атомов и их групп, их природу.

Вот такую кристаллографическую методику и пытались физики приспособить для изучения ДНК и других молекул живого. Анализируя, расшифровывая рентгенограммы, которые давало облучение ДНК, «болтая» с биологами, выпытывая у них необходимые для работы генные знания, не страшась упреков в малограмотности, не робея ни перед какими авторитетами настоящего и прошлого, надеясь набрести на особые физические законы жизни, дерзко, весело, с задором физики неуклонно шли вперед. И когда поднятая ими пыль рассеялась, из большого здания классической генетики проклюнулась, а затем, окрепнув, расправила крылья и высоко поднялась новая ее ветвь — генетика молекулярная.

Честный Джим

24 апреля 1953 года в английском научном журнале «Nature» («Природа») была напечатана статья, начинавшаяся словами: «Мы предлагаем вашему вниманию структуру соли дезоксирибонуклеиновой кислоты. Эта структура имеет некоторые новые свойства, которые представляют значительный биологический интерес».

Так в генных исканиях открылась новая эра. Так наконец в центр поисков была поставлена открытая Мишером 84 годами ранее молекула ДНК. Авторами помянутой статьи были тогда мало кому известные англичанин Фрэнсис Харри Крик и американец Джеймс Дьюи Уотсон.

Уотсон родился в Чикаго в 1928 году, интерес к биологии ему привил его отец. Он дарил сыну книжки о птицах, брал с собой на прогулки за город. Из чтения в публичной библиотеке разных энциклопедий Уотсон узнал слово «эволюция», стал задумываться над тем, что же это такое — живые существа и откуда они взялись.

Окончил Чикагский университет (поступил в него 15 лет!), в 22 года стал доктором философии (по зоологии), но вовсе не зоология заставила Уотсона покинуть родной Чикаго и переехать в Англию, в тихий городок Кембридж. До этого учителями Уотсона были выдающиеся генетики — Мёллер, Сальвадор Лурия и Дельбрюк. «Сам Дельбрюк, — вспоминал впоследствии Уотсон, — увлекся биологией под влиянием Тимофеева-Ресовского. И если Лурия и Дельбрюк — мои отцы, то Тимофеев-Ресовский мой дедушка в ней».

Еще с университетской поры Уотсоном владело желание познать, что же такое ген. Эта жажда и привела его в кембриджский университет, где он стал соавтором выдающегося открытия, которое потом сделало его почетным членом многих иностранных академий, консультантом президента США по науке, дало ему широкие возможности для организации исследований по молекулярной генетике.

Уотсон прославился и своими резкими высказываниями о науке и ученых. Вот одно из них: «В науке нельзя добиться успеха, не усвоив той истины, что вопреки повсеместному убеждению, поддерживаемому газетами и любящими мамашами, изрядная часть ученых не только узколоба и скучна, но и просто глупа». Другая шокирующая его ученых собратьев возмутительная реплика такова. Уотсон утверждал, что было бы лучше, если бы ученые переставали заниматься наукой, когда им стукнет 40 лет, освобождая место молодым. Забавно: сам он именно в 40 лет, забыв о собственных словах, вместе с возглавляемым им научным коллективом занялся новой для него областью — проблемой рака!

Манера Уотсона высказываться напрямик о том, что его волнует, нажила ему не только множество врагов, но и друзей. В Кембридже он получил кличку «честный Джим». В 60-х годах Уотсон выступал с требованием прекратить все исследования, ведущиеся в США в области бактериологического оружия, и превратить военный химико-бактериологический центр Форт-Детрик в мирную лабораторию.

А еще Уотсона называли «счастливчик Джим». И не только потому что научная его судьба сложилась удивительно счастливо: лауреатом Нобелевской премии он стал в 34 года. Счастливой случайностью для этого тогда еще неоперившегося биолога стала встреча в Кембридже с физиком Фрэнсисом Криком.

Атмосфера научных исканий Уотсона и Крика и окружающих их людей нашла яркое отражение в нашумевшей некогда, быстро и неожиданно ставшей наряду с последними опусами Агаты Кристи и Сименона бестселлером, переведенной на множество языков (на русском вышла в 1969 году) книге Уотсона «Двойная спираль», где подробно описаны все перипетии открытия структуры молекулы ДНК. Эта книга, пожалуй, прославила на всех континентах Земли имена Уотсона и Крика больше, чем это сделали вместе взятые все их научные труды!

Уотсон начинает рассказ с того момента, когда осенью 1951 года, переплыв океан, он появился в знаменитой научными традициями Кавендишской лаборатории Кембриджского университета и вошел в состав маленькой группы физиков и химиков (не генетиков!), изучавших пространственную структуру молекул белков.

В тот момент Уотсон был никому не известным, очень молодым задиристым иностранцем. Тогда еще никто из знавших его исследователей не подозревал, какие могучие шансы на успех дает Уотсону твердая вера в то, что гены — это вовсе не белок, как это принято было думать тогда, а молекула ДНК.

«Он говорил громче и быстрее всех»

Особенный интерес для нас представляет набросанный в «Двойной спирали» портрет соратника Уотсона по изучению ДНК — Крика.

Крик родился в 1916 году, физик по образованию, степень бакалавра (во многих странах Запада это первое ученое звание, в средневековых университетах оно присваивалось студентам по завершении ими первого этапа образования: знак прохождения четырехлетней учебы в вузе, если по советским меркам) Крик получил еще в 1937 году. Во время войны работал в Морском министерстве, создавал радарные системы, средства защиты от немецких мин, с 1947 года стал работать в Кембридже, интересовался строением биологических полимеров — к ним относятся многие белки и другие важные молекулы живого.

Были тогда люди, которые сомневались в том, что научная удача еще улыбнется Крику. Известный физик Фримен Дайсон, к примеру, говорил, что ему жаль способного ученого, который упустил время, занимаясь военной наукой. А разница между военной наукой, добавлял Дайсон, и наукой вообще такая же, как между военной музыкой и музыкой, и что вряд ли выйдет что-либо путное из нового увлечения Крика биологией.

В «Двойной спирали» Уотсон утверждает, что-де бросить физику и заняться биологией Крика побудила книга Шредингера «Что такое жизнь с точки зрения физики?». Особенно та ее часть, где Шредингер излагал свои соображения о генах.

«В то время (в 1951 году. — Ю. Ч.). Крику было уже тридцать пять лет, — пишет Уотсон, — и тем не менее он был почти совершенно безвестен. Хотя некоторые из его ближайших коллег понижали силу его быстро схватывающего и проницательного ума и часто обращались к нему за советом, его недооценивали, и большинство считало, что он слишком говорлив…»

Обладая несомненным талантом юмориста, Уотсон дает Крику такие характеристики:

«Я никогда не видел, чтобы Фрэнсис Крик держался скромно. Может быть, где-нибудь такое с ним и бывает, но мне при этом быть не приходилось. И дело вовсе не в его нынешней славе…

Он говорил громче и быстрее всех, а уж когда он смеялся, то место его пребывания было известно всему Кавендишу…

Хотя обыкновенно он был вежлив и считался с коллегами, которые никак не могут понять подлинного смысла своих собственных последних экспериментов, но все же он никогда не скрывал от них этого факта. Почти тут же он предлагал множество новых опытов, которые подтвердили бы его интерпретацию. Более того, он никогда не мог удержаться, чтобы впоследствии не сообщать каждому встречному и поперечному, насколько далеко вперед могли бы продвинуть науку его мудрые идеи.

В результате все испытывали перед Криком тайный, но несомненный страх, особенно те, кому только еще предстояло утвердить свою репутацию. Быстрота, с которой он схватывал открытие или факты и пытался внести в них ясность, часто заставляла сжиматься сердца его приятелей, опасавшихся, что вот-вот он добьется успеха и раскроет перед всем миром скудоумие своих коллег…»

«Делом простого здравого смысла»

Принято считать, что наука требует огромного прилежания, колоссального терпения, верности одним и тем же изо дня на день, из месяца в месяц, а то и из года в год занятиям. Многие столпы науки и техники писали об этом. Знаменитый американский изобретатель Томас Алва Эдисон (1847–1932) прямо указывал: «Гений — это на 99 процентов труд до изнеможения и на один процент игра воображения».

Практика Уотсона и Крика, их путь к открытию как бы опровергает подобные представления. После прочтения книги «Двойная спираль» остается странное впечатление. Уотсон вовсе не корпел с утра и до ночи над трудными экспериментами или же изнурительными расчетами. Он откровенно признается, что всячески увиливал от скрупулезной микробиологической работы в Европе, ради которой ему и выхлопотали стипендию его руководители в США. Он едет на конференцию в Италию, где отлынивает от заседаний и из наиболее интересного для него доклада Мориса Уилкинса выносит лишь сведения о том, что структура ДНК очень однообразна. А потом возвращается в Англию и здесь основное время тратит на прогулки по аллеям Кембриджа и нескончаемые беседы с неудачником Криком.

Как же тогда, спросит удивленный читатель, союз этих людей привел к едва ли не самому важному из открытий XX века?

А разгадка проста. Дело было в том, что в основе поисков Уотсона и Крика лежали очень простые соображения. Ученые понимали, по какой дорожке им следует идти, каких ориентиров придерживаться. Все это они узнали от их старшего собрата по науке американского физика и химика Лайнуса Полинга.

Нет, Полинг не делился с Уотсоном и Криком никакими секретами, более того, даже был их потенциальным соперником. Просто этот позднее удостоенный сразу двух Нобелевских премий: как выдающийся химик в 1954 году и как известный борец за мир в 1962-м, тогда, в 1951 году, только что разгадал структуру, устройство главного «каркаса» белков. Их основным компонентом стала α-спираль. Но главным, ободряющим, вдохновляющим обстоятельством для Уотсона и Крика стало даже не это, а то, как Полинг этого добился.

Послушаем, что по этому поводу писал в «Двойной спирали» Уотсон:

«Скоро я усвоил, что успех Полинга был делом простого здравого смысла, а не результатом каких-то сложных математических выкладок. В его рассуждениях иногда попадались уравнения, но в большинстве случаев и их можно было заменить словами. Ключом к удаче Лайнуса послужило его доверие к простым законам структурной химии. А-спираль была открыта не простым созерцанием рентгенограмм: главный фокус состоял в том, чтобы задать себе вопрос: а какие же атомы рядом с какими предпочитают сидеть? Основными рабочими инструментами были не бумага и карандаш, а набор молекулярных моделей, похожий на детский конструктор.

Мы (Уотсон и Крик. — Ю. Ч.) не видели никаких препятствий к тому, чтобы не попытаться подобным же образом решить проблему ДНК. Для этого нужно было только сконструировать набор молекулярных моделей и начать играть ими — при известном везении могла получиться и спиральная структура. Любая иная конфигурация оказалась бы куда сложнее. Раздумывать о сложностях, не убедившись в том, что не годится простейший ответ, было бы непростительной глупостью. Если бы Полинг так искал трудностей, он никогда ничего не добился бы».

Смелой до нахальства

Революционное для биологии открытие было совершено в невзрачном домике, в комнатке, где едва помещались шкаф и два стола. Все было забито книгами, кристаллографическими моделями да стопками негативов. На них можно было увидеть темные пятна и полосы — это были рентгенограммы молекул ДНК.

Со стороны (могло показаться, что Уотсон и Крик действительно занимаются какой-то детской игрой. Или… разгадыванием объемного кроссворда, в котором на «вертикалях» и «горизонталях» много, очень много незаполненных клеток. Пользуясь вращающимися сочленениями, они соединяли окрашенные в разноцветные тона элементы, изготовленные из дерева, пластика, металла, в сложные сооружения, напоминающие скульптуры абстракционистов.

Надо было только угадать. Угадать, как природа соединила в цепочки четыре основных компонента, которые химики давно уже выделили из ДНК, установив их состав, — четыре азотистых основания: аденин (А), гуанин (Г), цитозин (Ц) и тимин (Т). Как связаны они друг с другом двумя «склеивающими» элементами — сахарной и фосфатной группами?

Уотсон и Крик стремились так расположить соединенные проволочками, которые условно означали химические связи, шарики-атомы, все слагаемые модели, чтобы возведенная конструкция соответствовала рентгенограммам ДНК. Их для Уотсона и Крика получал английский физик, он тоже работал в Кембридже, Морис Уилкинс. Уроженец Новой Зеландии, ровесник Крика, специалист по рентгеновской кристаллографии, он во время войны был участникам совместного американо-английского атомного проекта, это занятие, признавался он после, намного снизило его интерес к физике, и он в послевоенные годы переключился на биофизические исследования.

Уотсон и Крик изрядно повозились. Они неустанно вращали отдельные части своей конструкции вокруг осей-проволочек, подгоняя свою «скульптуру» под данные рентгенограмм. И если соответствия не наблюдалось, приходилось разбирать модель и начинать ее сборку заново, уже в ином порядке. И так бессчетное число раз.

И все же конец этих комбинаторных исканий наступил. Однажды Уотсон и Крик обнаружили, что всем требованиям удовлетворяет модель, представляющая собой двойную спираль. Потому так и была названа книга Уотсона. Поиски можно было прекратить. Ученым повезло — они сравнительно быстро попали в точку: трудились, возясь с моделями, всего два года.

Можно было праздновать победу? Почить на лаврах? Все еще нет! И модель в виде двойной спирали, все ее детали были описаны в статье, опубликованной в «Nature», тогда, в далеком 1953 году, представлялись не более чем изящной и смелой до нахальства гипотезой.

В ней все требовало проверки. Двойная спираль? А почему не тройная, четверная?.. Произвольно ли чередуются в спиралях основные элементы — А, Г, Ц и Т? Или, как думали прежде многие, какие-то их комбинации, скажем, АТЦГ служат основными блоками и генетические послания заключены в формулах типа (АТЦГ)n, где n — неизвестные пока целые числа?.. В самом ли деле молекула ДНК закручена в спирали? Если да, то какие они — левые или правые?..

Поистине достойно удивления (недаром всё-таки Уотсона прозвали «счастливчик Джим»!), что фактически с первой попытки, занявшись молекулярным конструированием, Уотсон и Крик (много лет спустя на радостях свой дом в Кембридже Крик назовет Golden Helix — золотая спираль) поразили цель: в яблочко, в десятку! Ибо последующие детальнейшие проверки в основном подтвердили, а не опровергли их представления. Модель выдержала самые строгие экзамены. Среди экзаменаторов был и обойденный в этой научной гонке, главный соперник Уотсона и Крика — Лайнус Полинг. А высшей наградой для Уотсона, Крика и Уилкинса стало присуждение всей троице в 1962 году Нобелевской премии.

* * *

Она очень изящна, элегантна, просто очень красива, эта созданная природой за миллионы лет эволюции молекула. С чем ее сравнить? Может, со стройной новогодней елкой, увешанной хлопушками и блестящими шарами (их роль играют повторенные в различных комбинациях основания А, Т, Г и Ц — аденин, тимин, гуанин и цитозин)?

ДНК. В популярных изданиях эти молекулы часто еще сравнивают то с немыслимо длинными товарными поездами, составленными из вагонов четырех типов, помеченных литерами А, Т, Г и Ц, то со зданиями-небоскребами, сложенными из кирпичей четырех сортов. В таких сравнениях подмечено важное обстоятельство. Молекулы ДНК имеют огромную длину. ДНК — крупнейший из известных нам полимеров. Протяженность молекул наследственности в миллиарды раз больше ее толщины.

И еще одна полезная для запоминания «силуэта» ДНК параллель. Если умозрительно раскрутить уотсон-криковскую двойную спираль и уложить ее в плоскости, то эта молекула будет иметь вид веревочной лестницы, причем сахарá и фосфатные группы, превращающие ДНК в полимер, будут связывать узлы лестницы по ее длине, а несущие смысловую, информационную нагрузку основания А, Т, Г и Ц, разбившись на пары, создадут ступени этой воображаемой лестницы.

Цепь ДНК можно разбить на отдельные с особым своим смыслом отрезки. Каждый из них (важнейший итог исследований!) и представляет собой ген, эту элементарную единицу наследственности. Да, ныне принято отождествлять ген с выполняющим определенную функцию, например, синтез одного из нужных живой клетке белков, участком молекулы ДНК. Считается, что средний по размеру ген слагается примерно из 1500 пар нуклеотидов (каждый нуклеотид — совокупность сахара, фосфата и одного из оснований А, Т, Г и Ц).

Так удалось наконец в деталях и подробностях разглядеть то, о чем твердили Мендель, Морган и их последователи. Так были нарисованы портреты прежде почти мистического, абстрактного для классической генетики понятия «ген».