Золушка становится принцессой

Да, размножающиеся молекулы!

По зеленому лугу, ярко освещенному солнцем, гуляло стадо коров. А неподалеку от них лежала группа мужчин в пиджаках и галстуках. Коровы были заняты своим делом - щипали траву, жевали жвачку - и не обращали никакого внимания на лежащих людей. А люди смотрели на коров, потому что ничем не были заняты. Они отдыхали. Недавно они прервали обсуждение сложнейших проблем современной физики, в чем участвовал сам Нильс Бор, и вышли на ближайший луг поваляться на весенней траве. Из-за рощицы виднелись крыши Копенгагена, а они грелись на солнышке, курили и шутили. И смотрели на коров. Городскому жителю, кабинетному ученому не так часто приходится видеть коров, а тем более нет времени их рассматривать. Коровы сосредоточенно жевали.

- Господа, - воскликнул один из физиков, - посмотрите, как они жуют! Они двигают нижней челюстью не снизу вверх, как мы, а слева направо!

- Простите, коллега, - отозвался его сосед, - ваше определение страдает неполнотой. Вон та, с обломанным рогом, жует не слева направо, а справа налево.

Ученые начали изощряться в остроумии (при теперешнем засорении интеллигентской речи полублатными выражениями сказали бы: начали "хохмить", но дело происходило до войны).

- Нет, это не научный подход, ведь вы не собрали достаточно материала и не обработали его статистически!

- А не связано ли это со стереоизомерией и с оптической активностью органических веществ?

- Посчитайте и получите один к трем. Обычное менделевское расщепление.

Пошутив, ученые встали с травки и побрели в Копенгаген обсуждать проблемы современной физики.

Прошло некоторое время. Один из участников этой сценки, известный физик-теоретик Паскваль Йордан, вернувшись домой, написал наукообразную статью о "лево- и правовращающих" коровах. Заканчивал он ее словами, что выводы носят лишь предварительный характер, "так как их справедливость доказана только для коров датской национальности". Показал друзьям, те посмеялись. А потом ему пришла в голову хулиганская мысль: а не послать ли статейку в научный журнал? Напечатают или не напечатают?

Куда бы послать? Тут Йордан долго не колебался. В Лондоне издается знаменитый научный журнал "Природа". Это один из старейших научных журналов мира, выходит он еженедельно огромным тиражом, и его читают ученые всех специальностей. Но что самое главное - в журнале есть раздел "Письма к редактору". Здесь помещают краткие сообщения о самых последних открытиях. Из номера в номер печатается примечание, что за содержание "писем" редакция никакой ответственности не несет. Самое подходящее место!

Все же Йордан был удивлен, когда увидел, что его заметку очень быстро напечатали. Тогда он послал редактору (им в то время был знаменитый лорд Астон - изобретатель масс-спектрографа) ехидное письмо с советом хотя бы изредка читать свой собственный журнал. На что Астон с чисто английским хладнокровием ответил: "Охота мне всякую ерунду читать!"

От шутки с коровами авторитет журнала нисколько не пострадал. И в наши дни, если ученый хочет, чтобы о его открытии быстро узнало большое число коллег, он пишет краткую статью и посылает ее в лондонскую "Природу" с просьбой напечатать в разделе "Писем". И во всем мире, как только приходит в библиотеку свежий номер "Природы", читатели прежде всего просматривают "Письма". Здесь часто можно найти много интересного.

В 1953 году в одном из номеров 171-го тома "Природы" было напечатано краткое, как и все "письма к редактору", сообщение "О макромолекулярной структуре дезоксирибонуклеиновой кислоты". Под заметкой стояли два имени: Ф. Г. К. Крик и Дж. Д. Уотсон. Но именно благодаря этой небольшой - меньше страницы - статье оба имени сразу же стали известны всем ученым, интересовавшимся проблемами наследственности или нуклеиновыми кислотами.

Почему же статья так знаменита и что сделали ее авторы? Как уже сказано, в ней говорилось о строении ДНК. Каким образом это было выяснено, кратко рассказать, чтобы понял неспециалист, невозможно. Но суть дела сводится к следующему. Если рентгеновы лучи проходят через кристаллы, то на снимке они дают ряд пятен, причем их расположение определяется положением атомов в кристалле. Хотя рентгеноструктурный снимок получают на фотопластинке, это далеко не "портрет" молекулы. Для того чтобы расшифровать рентгенограмму, определить по ней расположение атомов, нужны сложнейшие расчеты, обширные и глубокие специальные знания и изрядная фантазия. Да и само изготовление таких снимков с ДНК представляет ряд специфических трудностей.

Попытки расшифровать. строение молекулы ДНК с помощью рентгеноструктурного анализа начались еще в первой половине 40-х годов, но снимки выходили столь невразумительными, что сделать по ним какие-либо определенные выводы было невозможно. Однако на сей раз англичанину Уилкинсу с группой сотрудников после долгих трудов удалось сделать отличнейшие фотографии. Но расшифровать их они не могли. Отличные специалисты по изготовлению рентгеноструктурных снимков, они не были большими авторитетами в их расшифровке, И не удивительно: такова степень специализации теперешней науки. Расшифровку снимков суждено было сделать Уотсону и Крику.

Как же выглядит, по их представлениям, молекула ДНК? Скорее всего, ее можно сравнить с лестницей-стремянкой, закрученной в спираль. Мы уже говорили, что нуклеиновые кислоты построены из нуклеотидов, а каждый нуклеотид состоит из трех частей: сахара, фосфата и основания. Нуклеотиды соединены в длинные цепи таким образом, что основной хребет этой цепи состоит из чередующихся молекул сахара и фосфата, а основания торчат в стороны. Если продолжить наше сравнение с лестницей, то ее стойки представляют собой сахарофосфатные цепи, а основания двух цепей соединены друг с другом, образуя перекладины. Так в общих чертах построена молекула ДНК.

Да, размножающиеся молекулы!

Но самое интересное заключается в другом. Рентгеноструктурный анализ не только показал, что ДНК представляет собой двойную спираль, но дал также диаметр спирали, расстояние между ее витками - словом, все точные размеры. Между тем химики к тому времен ни уже хорошо знали, как отдельные атомы, входящие в ДНК, соединены друг с другом. Нужно было химические данные привести в соответствие с рентгеноструктурными.

Если бы они сошлись, это бы говорило, что строение ДНК описано верно; если были бы расхождения, это бы свидетельствовало, что модель не соответствует истине. А вогнать все атомы в "лесенку" - задача не такая простая. Атомы могут образовывать химическую связь, только находясь на вполне определенном расстоянии друг от друга, а химические связи должны образовывать вполне определенные углы. Таковы законы строения вещества. И природа требует выполнения своих законов. Расстояния и углы могут колебаться лишь в очень узких границах.

Крик и Уотсон стали располагать атомы в своей "лесенке" в соответствии с законами природы. Вначале все шло нормально. В "стойки лестницы" все атомы вписывались хорошо, а вот когда дело дошло до "перекладин", получилась крупная загвоздка.

Здесь нам снова придется вернуться к химии. Как мы уже знаем, основания в ДНК четырех разных сортов. Формулы их довольно сложны, и подробно рассматривать их не обязательно. Важно то, что у этих оснований разные размеры. Два из них, тимин и цитозин (сокращенно их обозначают первыми буквами - Т и Ц), относятся к группе так называемых пиримидинов и отличаются сравнительно небольшой величиной. Два других - аденин (А) и гуанин (Г) относятся к пуринам и по размерам почти вдвое превосходят своих пиримидиновых собратьев.

Хотя я и стараюсь писать как можно проще, вряд ли вы, дорогой читатель, если вы не химик, так сразу и запомните только что сказанное. А запомнить надо, чтобы было понятно дальнейшее. Собственно, нужно запомнить, что два основания большие, а два поменьше. Иногда четыре основания сравнивают с четырьмя карточными мастями. Там тоже пики и трефы побольше червей и бубен.

В греческой мифологии существует страшный рассказ о разбойнике Дамасте по прозвищу Прокруст ("Вытягиватель"), который жил возле большой дороги у переправы через реку Кефис. Он ловил путников и укладывал на свою кровать. Если ложе оказывалось слишком длинным для пленника, Прокруст растягивал его, ломая кости, а если оно было короче, чем его гость, то разбойник отрезал излишки. Как известно, справиться с ним удалось только славному сыну Посейдона и Этры знаменитому Тезею. До сих пор часто употребляют выражение "прокрустово ложе", когда говорят об искусственной подгонке под несоответствующую мерку.

Да, размножающиеся молекулы!

Двойная спираль оказалась поистине прокрустовым ложем для пуринов и пиримидинов. Каждую "перекладину лесенки" нужно было соорудить из пары оснований, соединенных друг с другом. Но оказалось, что почти ни одна из пар не подходила для этой цели. Два пурина ("черные масти") не влезали внутрь спирали, а два пиримидина ("красные") оказывались так далеко друг от друга, что между ними не могла образоваться химическая связь. Только если брали один пурин и один пиримидин, то размеры их в точности соответствовали диаметру спирали. Но и здесь в половине случаев те атомы, которые должны были соединиться, оказывались на разных концах молекулы и не могли образовать химическую связь. Только две пары удовлетворяли всем требованиям: А и Т ("пики" и "черви") и Г и Ц ("трефы" и "бубны"). Это могло бы показаться неправдоподобным, если бы не совпадало с данными химиков. В опытах Андрея Николаевича Белозерского и Э. Чаргафа, о которых мы уже рассказывали, было установлено, что во всех образцах ДНК А ровно столько же, сколько Т, а Г столько же, сколько Ц. Несмотря на трудности, все сошлось. Крик и Уотсон убедились в том, что они правы.

Да, размножающиеся молекулы!

Все, о чем здесь рассказано, очень важно и очень интересно (во всяком случае, для специалистов). Но если бы Крик и Уотсон сделали только это, их имена не были бы так знамениты. Мало ли людей на свете расшифровывают рентгеноструктурные снимки! Не каждому же давать за это Нобелевские премии. А Крику и Уотсону (а вместе с ними и Уилкинсу, получавшему снимки) дали.

Да, размножающиеся молекулы!

Чтобы понять все значение работы Крика и Уотсона, будем рассуждать следующим образом (все время помня, что в двойной спирали ДНК напротив А всегда должно стоять Т, а напротив Г - Ц). Представим себе какую-нибудь последовательность оснований в одной из цепей ДНК, например, такую: ...А-Г-Ц-Т-Т-Г-Г... Помня закон образования пар, мы можем сразу сказать, что в другой цепи последовательность оснований будет: ...Т-Ц-Г-А-А-Ц-Ц... Значит, соответствующий участок молекулы должен быть таким:

А теперь представим себе, что двойная спираль раскрутилась на отдельные ниточки и возле каждой из них начала строиться новая. Что при этом получится? Нетрудно сообразить, что получится следующее (для того чтобы отличить старые цепочки от новых, мы будем обозначать новые малыми буквами, хотя, конечно, новые основания ничем не отличаются от старых):

Что же у нас получилось? Две молекулы, каждая из которых в точности подобна исходной. Понимаете, что это такое? Ведь это и есть те самые размножающиеся молекулы, существование которых еще в 1927 году предсказал Николай Константинович Кольцов. Правда, он думал, что такими молекулами окажутся белки. Но в те дни нуклеиновые кислоты были "вне подозрения". А в 1953 году обнаружение такого свойства у ДНК вовсе не было удивительным после всего того, что узнали об этом веществе. Сейчас само строение молекулы ДНК говорило о том, что она может обладать удивительным свойством самовоспроизведения. Именно может, но что она действительно обладает этим свойством, еще следовало доказать.

Уотсона и Крика нельзя упрекнуть в том, что они недооценили значение своего открытия. Все те выводы, о которых шла речь (и еще некоторые), были сделаны в одной небольшой работке в английском журнале "Природа" в разделе "Письма к редактору".