Когда двоится в глазах

Казалось бы, финал истории об открытии структуры ДНК известен вдоль и поперек, но недавно обнаруженные письма Фрэнсиса Крика проливают новый свет на лихорадочную деятельность, предшествовавшую публикации модели Уотсона и Крика.

Ляпсус Полинга послужил главным катализатором, убедившим Брэгга дать Уотсону и Крику разрешение на дальнейшую работу над моделью ДНК. Не прошло и двух недель, как Уотсон отправился в Лондон, где Уилкинс, который тоже радовался, что Полинг так оплошал, взял на себя смелость показать Уотсону прославленный снимок Франклин № 51 с изображением В-ДНК (илл. 14) – без ведома самой Франклин.

Много чернил потрачено и перьев сломано вокруг вопроса о том, насколько порядочен этот поступок. По моему скромному мнению, внимания заслуживают три основные части этой истории. Во-первых, то, что у самого Уилкинса оказалась копия снимка, само по себе было в порядке вещей: снимок дал ему Гослинг, поскольку Франклин собиралась покинуть Королевский колледж и перейти в Биркбек-колледж, а руководитель лаборатории сэр Джон Рэндалл предупредил ее, что все результаты исследований ДНК принадлежат исключительно Королевскому колледжу. Во-вторых, не приходится сомневаться, по крайней мере, мне так кажется, что стоило все же посоветоваться с Франклин, прежде чем показывать ее неопубликованные результаты сотрудникам другой лаборатории. Наконец, не все согласны, что Уотсон и Крик должным образом выразили признательность Франклин в своей статье. Судите сами. Они написали: «Кроме того, нам поспособствовали и знания о неопубликованных экспериментальных результатах и идеях доктора М. Х. Ф. Уилкинса, доктора Р. Э. Франклин и других сотрудников Королевского колледжа в Лондоне». Так или иначе, снимок стал для Уотсона настоящим потрясением: темный крест был бесспорным свидетельством, что структура молекулы спиральна. Неудивительно, что впоследствии он вспоминал, что у него «отвисла челюсть» и «заколотилось сердце».

В последующие недели Уотсон и Крик лихорадочно строили модели, в которых основания формировали ступеньки винтовой лестницы, которую они себе представляли. Первые попытки ни к чему не привели. Уотсон не принял во внимания соотношения Чаргаффа и ошибочно полагал, будто каждому основанию должно соответствовать такое же, и формировал ступеньки из пар аденин-аденин (А-А), цитозин-цитозин (C–C), гуанин-гуанин (G-G) и тимин-тимин (T-T). Но поскольку основания С и Т отличаются по размеру от G и A, ступеньки получались разного размера, что противоречило симметричному рисунку, который виден на снимке № 51. Оставался также вопрос связи между двумя основаниями в каждой ступеньке и между ступенькой и «опорами» лестницы (предполагалось, что они состоят из сахаров и фосфатов). Тут Уотсон и Крик снова двинулись не в ту сторону, но тут на помощь подоспел Джерри Донохью, деливший с ними кабинет. Он раньше был студентом Полинга и знал о водородных связях решительно все. Донохью рассказал Уотсону и Крику, что даже в учебниках атомы водорода в тимине и гуанине зачастую стоят на неправильных местах. Когда Уотсон и Крик поставили атомы на нужные места, открылись новые возможности для того, чтобы связать основания друг с другом. Дальше они пробовали разные пары – состоящие из неодинаковых оснований, – и тут Уотсона вдруг осенило, что пара А-Т, скрепленная двумя водородными связями, идентична паре G-C, где связи точно такие же. «Ступеньки» тут же стали одинакового размера. Более того, подобные пары естественным образом объясняли правила Чаргаффа. Очевидно, если А всегда стоит в паре с Т, а G с C, то число молекул А и Т на любом участке ДНК будет одинаково – и число молекул G и C тоже. Еще один источник ценной информации обеспечил Уотсону и Крику Макс Перуц, и произошло это примерно в то же время: он передал им копию доклада Франклин, подготовленного к визиту в Королевский колледж Биофизического комитета при Совете по медицинским исследованиям. Из симметрии кристаллической ДНК, о которой говорилось в той статье, Крик сделал вывод, что две цепочки ДНК антипараллельны – они ведут в разные стороны.

В результате Уотсон и Крик и получили свою знаменитую двойную спираль: две спиральные цепочки из перемежающихся фосфатов и сахаров, а к сахарам крепятся пары оснований, образующие ступеньки (илл. 15). К этому моменту Уотсон и Крик уже были настолько убеждены в своей правоте, что им не терпелось опубликовать краткое сообщение о своей модели в «Nature». Однако еще до этого, согласно ставшему широко известным в наши дни рассказу Уотсона, Крик нарушил покой мирно обедающих завсегдатаев «Орла» и провозгласил, что они с Уотсоном «раскрыли тайну жизни». На илл. 16 показана мемориальная дощечка на том месте в «Орле», где Крик сделал свое сенсационное заявление. 17 марта 1953 года Крик отправил рукопись статьи Уилкинсу. Среди «утраченных» писем Крика есть и черновик письма, прилагавшегося к рукописи. Там, в частности, говорится:

«Дорогой Морис!

Прилагаю черновик нашего письма в редакцию. Поскольку Брэгг его еще не видел, буду благодарен, если вы не станете никому его показывать. Мы посылаем его вам на этой стадии, чтобы получить ваше одобрение по двум пунктам:

А) ссылка № 8 на вашу неопубликованную работу,

Б) благодарности.

Если вы сочтете, что что-то из этого следует переписать, обязательно сообщите нам. Если от вас не будет вестей день-другой, мы решим, что нынешняя формулировка этих частей статьи вас устраивает.»

Этот черновик и еще один, адресованный редакции «Nature» (видимо, это письмо так и не было отправлено) показывают, что поначалу Уотсону и Крику казалось, что на тот момент в «Nature» будет подана только их рукопись. Однако в тот же журнал одновременно с ними подали рукописи две группы из Королевского колледжа. В записке, написанной, вероятно, в тот же день, Уилкинс отмечает: «Возвращаю черновик практически без пометок. А нам как следует сослаться на вашу заметку?» К записке был приложен черновик статьи самого Уилкинса. Авторами третьей статьи были Розалинда Франклин и Раймонд Гослинг.

Осознав, что происходит, Крик высказал свою точку зрения: каждый должен видеть все чужие статьи. «Неразумно одновременно отправлять письма в “Nature”, пока их не прочитали все участники ситуации. Мы хотим видеть ее [Франклин] статью, а она, конечно, хочет посмотреть нашу». Уилкинс согласился. В недавно найденном письме, помеченном «Пон.» – видимо, имеется в виду понедельник, 23 марта, – он сообщает: «Мы пришлем вам копию статьи Рози завтра» и добавляет: «Раймонд и Рози получили вашу статью, так что все прочитают всех».

Однако самая поразительная часть этой переписки имеет отношение к Полингу. Сначала Крик выразил недовольство тем, что Франклин, вероятно, захочет встретиться с Полингом, поскольку тот собирается в Англию: «Нельзя гарантировать, что ей не придет в голову передать Полингу экспериментальные данные, – писал он Уилкинсу. – А тогда верность модели докажет, разумеется, именно Полинг, а не вы». На что Уилкинс раздраженно ответил: «Если Рози хочет увидеться с Полингом, что мы-то можем поделать? Если мы намекнем ей, что было бы мило с ее стороны отказаться от этой затеи, это ее только подхлестнет. Вот почему все так рвутся встретиться с Полингом?!.. Теперь еще и Раймонду [Гослингу] приспичило! А пошло оно все к черту!» Эта переписка – прекрасная иллюстрация того, какое благоговение вызывал Полинг даже в нижней точке своей карьеры.

Двадцать пятого апреля 1953 года вышел номер журнала «Nature» с тремя статьями о структуре ДНК. Первой шла программная статья Уотсона и Крика, где описывалась двойная спираль. Статья была длиной чуть больше страницы – но что это была за страница! Начали Уотсон и Крикс с благодарности: «Модель структуры нуклеиновой кислоты уже предложили Полинг и Кори. Они любезно предоставили нам рукопись своей статьи еще до публикации». Однако тут же добавили: «По нашему мнению, эта структура несостоятельна». Затем они кратко объяснили, в чем суть их «радикально иной структуры», которая состоит из «двух спиральных цепочек, обернутых вокруг общей оси», и подчеркнули «новизну» структуры, состоящую в «том, как именно спирали скрепляются при помощи пуриновых и пиримидиновых оснований».

Модель Уотсона и Крика предлагала мгновенный ответ и на вопрос о том, как достигается кодирование генетической информации, и на загадку о том, как молекуле удается копировать саму себя. Подробнее об этом рассказывалось во второй статье, которая была опубликована всего через месяц с небольшим после первой: в ней Уотсон и Крик предлагали механизм, стоящий за генетическим кодом. «Фосфатно-сахарный “каркас” нашей модели обладает совершенно правильной структурой, однако в нее вписывается любая последовательность пар оснований. Следовательно, в длинной молекуле возможны любые перестановки, а значит, вероятно, что код, передающий генетическую информацию, – это именно точная последовательность оснований (выделено мной. – М. Л.)». Идея была очевидна: кодирование генетических указаний, необходимых для создания, скажем, аминокислоты, содержится в конкретной последовательности оснований в ступеньках. Например, последовательность кодов C-G, затем G-C и, наконец, T-A создает аминокислоту аргинин, а последовательность G-C, затем C-G и T-A – это код аланина. Копирование производится в полном соответствии с абстрактным предположением Полинга, высказанным в 1948 году: «лестница» двойной спирали расстегивается, как застежка-молния, посередине, и получаются две половинки – в каждой содержится одна «опора» (цепочка) и по половине от каждой ступеньки. Поскольку последовательность оснований на одной цепочке автоматически задает последовательность оснований на второй (партнер Т – всегда А, а партнер G – всегда С), очевидно, что половина молекулы содержит всю необходимую информацию для создания целой молекулы. Например, если на одной цепочке ДНК последовательность оснований TAGCA, то комплементарная последовательность на другой цепочке должна быть ATCGT. Вот и получается, что из изначальной «лесенки» можно сделать две такие же цельные молекулы, а значит, происходит копирование молекулы ДНК.

В своей первой статье Уотсон и Крик не проговаривали механизм копирования. Они лишь лаконично отметили: «От нашего внимания не ускользнуло, что постулированное нами правило создания пары оснований задает и вероятный механизм копирования генетического материала». Впоследствии Крик пояснил, что это на удивление сдержанное высказывание (некоторые историки науки называют его даже «лукавством»), в сущности, было компромиссом: Крик хотел рассказать о том, какие последствия их модель имеет для генетики, уже в первой статье, а Уотсон опасался, что структура все же может оказаться неверной. Подобная формулировка была просто заявкой на приоритет. А то, что Уотсон и правда сомневался в модели, прекрасно задокументировано в его тогдашней переписке.

Как я уже отмечал, одновременно со статьей Уотсона и Крика в «Nature» были отправлены еще две статьи. Одну написали Уилкинс, Стоукс и Уилсон, и там анализировались некоторые данные рентгеновской кристаллографии, а также приводились свидетельства того, что спиральная структура присуща не только изолированным волокнам, но и нетронутым биологическим системам. В последующие годы Уилкинс с коллегами, а также Мэтью Мезельсон, Артур Корнберг и другие ученые проделали большую работу, чтобы во всех подробностях подтвердить верность модели Уотсона и Крика и их выводы.

Третью статью в номере «Nature» от 25 апреля 1953 года написали Франклин и Гослинг. Там приводился знаменитый рентгеновский снимок структуры В. Формулировки в статье были осторожные, что соответствовало общему подходу Франклин к научным исследованиям.

«Мы не претендуем на исчерпывающую интерпретацию волоконного изображения структуры В, однако можем сделать следующие выводы. Вероятно, структура эта спиральна. Фосфатные группы расположены на внешней стороне структурной единицы на спирали диаметром около 20 ангстрем. Структурная единица, вероятно, состоит из двух коаксиальных молекул, которые расположены вдоль оси волокна неравномерно… Наши общие предположения не противоречат модели, предложенной Уотсоном и Криком в предшествующей заметке.»

Очевидно и бесспорно, что отличные рентгеновские снимки, которые сделала Розалинда Франклин, обеспечили важнейшую информацию о структуре ДНК в целом и о ее конкретных параметрах. К сожалению, Розалинда Франклин в 1958 году умерла от рака, ей было всего 37 лет. Весьма вероятно, болезнь была вызвана передозировкой рентгеновского излучения – того самого, которое позволило выявить структуру ДНК. Четыре года спустя Уотсон, Крик и Уилкинс получили Нобелевскую премию по физиологии и медицине за открытие молекулярной структуры ДНК и ее важности для передачи информации в живой материи. Поскольку посмертно Нобелевской премией не награждают и нельзя делить ее больше чем на трех человек (в одной категории и за один год), мы так и не узнаем, что произошло бы, если бы Франклин дожила до 1962 года.

В 2009 году знаменитый снимок № 51 дал название пьесе Анны Циглер; постановка имела успех. Пьеса «Фотография 51» – беллетризованный рассказ о Розалинде Франклин и ее непростых отношениях с Морисом Уилкинсом. Когда Уотсона спросили, что он думает об этой пьесе, он ответил, что Морис Уилкинс в ней «слишком много болтает», а актер, игравший Крика, совсем не похож на настоящего Крика, поскольку по воле драматурга этот персонаж «напоминает торговца подержанными автомобилями».

Признавать поражение не любит никто, и ученые – не исключение. В письме Питеру от 27 марта 1953 года Полинг в первых же строках «между делом» отмечает:

«Было бы мило с твоей стороны, если бы ты связался с мисс Франклин, если ты считаешь, что это хороший план, и договорился о нашей встрече с ней. Если сотрудники Королевского колледжа (а мисс Франклин ушла оттуда и теперь работает у Бернала в Биркбеке) выразят заинтересованность в том, чтобы я у них побывал, может быть, удастся устроить так, чтобы это было в один день. Однако обсуждать с ними этот вопрос я не планирую.»

Затем следует абзац, где Полинг рассказывает, как именно собирается построить поездку, а потом он продолжает:

«Я получил письмо от Уотсона и Крика с кратким описанием их модели, с приложением копии их письма в «Nature». Мне кажется, что это очень интересная структура, у меня нет против нее серьезных возражений. Правда, не думаю, что и у них есть серьезные возражения против нашей модели.»

Далее в том же письме Полинг признал, что содержание воды в молекуле – это, вероятно, очень важное обстоятельство: «У нас есть доводы… в поддержку трех нуклеотидных остатков… однако, если образец относительно сухой нуклеиновой кислоты содержит около 30 % воды… остатков такой длины будет только два». И заключил: «Думаю, что снимки Уилкинса окончательно снимут все вопросы».

Я спросил у Алекса Рича, действительно ли Полинг считал, что сумеет отстоять свою модель тройной спирали, а у модели двойной спирали есть недостатки. Ответ Рича был совершенно недвусмыслен: «Конечно, Полинг понимал, что двойная спираль – это верная модель, – сказал он. – Все эти разговоры о недостатках – чистой воды бравада». И в самом деле, в первую неделю апреля Полинг приехал в Кембридж (на илл. 17 вы видите его фотопортрет, сделанный в 1953 году) и, увидев макет модели Уотсона и Крика и снимок Франклин и выслушав объяснения Крика, благосклонно признал, что структура, судя по всему, верна. Дня через два Полинг и Брэгг отправились на Сольвеевский конгресс в Брюссель. На этой конференции ведущих ученых планеты Брэгг представил модель двойной спирали. Во время последовавшего обсуждения Полинг с большим достоинством заметил: «Хотя мы с профессором Кори опубликовали статью о своей модели структуры нуклеиновой кислоты всего два месяца назад, пожалуй, придется признать, что она ошибочна».

Кое-кто из читателей скажет, вероятно, что ляпсус Полинга не такой уж и блистательный: его модель была вывернута наизнанку, и в ней оказалась лишняя цепочка. Однако Уотсон и Крик вдохновлялись именно методом Полинга, его образом мыслей, его невероятным достижением – моделью молекулы сложного белка; они опирались на его соображения. В короткой статье, опубликованной 21 марта 1999 года, Уотсон писал о Полинге: «Неудача следует рука об руку с величием, и это очень огорчительно. Но сейчас мы принимаем во внимание исключительно достоинства Полинга, а не какие-то его недостатки, канувшие в прошлое. Я прекрасно помню, как 50 лет назад Полинг объявил, что жизнь – это процесс, обусловленный лишь химическими связями, а никакими не жизненными силами. Если бы не эта мысль, мы с Криком ничего бы не добились».

Открытие структуры ДНК распахнуло двери для целой лавины исследований, кульминацией которого стало официальное завершение проекта «Геном человека», котрое состоялось в апреле 2003 года. Ученые полностью расшифровали ДНК человека (хотя в 2006 году в журнале «Nature» опубликовали очередную статью о последовательности одной хромосомы, а анализ полученных данных займет много лет). По пути ученых ждало много неожиданностей. Например, до 2000 года биологи считали, что геном человека состоит примерно из 100 000 генов, кодирующих белки. Однако результаты работы Международного Консорциума по Секвенированию Человеческого Генома, обнародованные в 2004 году, сократили это число до 25 000, а то и меньше – чуть больше, чем количество генов у незатейливой нематоды C. elegans! Технология генетического секвенирования, которая становится все дешевле и быстрее, в последнее время дала ученым возможность нарисовать новую картину происхождения человека. Это новое представление основано на генетическом анализе кончика мизинца девочки, жившей 40 000 лет назад и найденной в сибирской пещере; из анализа следует, что современное человечество отнюдь не в полном составе пришло из Африки. Скорее всего, оно встретилось и смешалось еще как минимум с двумя другими группами первобытных людей.

Открытие структуры и функций ДНК пролило свет и на эволюцию – оно прояснило природу наследственных вариаций, на которых основывается естественный отбор. Полинг провозгласил, что жизненные процессы – это следствие законов химики и физики, и это подтвердилось благодаря пониманию того, какие именно силы формируют и изменяют последовательности ДНК. На илл. 18 приведена групповая фотография участников Конференции по структуре белка в Пасадене в сентябре 1953 года, на ней собраны многие ключевые фигуры, поспособствовавшие открытию альфа-спирали и двойной спирали.

Илл. 18

Невозможно даже представить себе, какие перспективы открывают перед нами в отдаленном будущем понимание структуры ДНК и способность модифицировать эту молекулу – от значительного увеличения продолжительности жизни человека до создания новых форм жизни. Расшифровка структуры ДНК уже привела к обнаружению генетических причин различных болезней – а это настоящая революция в поисках лечения. Нечего и говорить, что эра генома привела и к невообразимому до сей поры прогрессу в криминалистике. Например, после того, как в 2001 году пять человек умерли от сибирской язвы, бактерии которой распространялись посредством инфицированных писем, ФБР сумело расшифровать геном микроба и проследить, какой штамм применяли преступники (5,2 миллионов пар оснований). В итоге следователи вышли на военную лабораторию, откуда, скорее всего, и были взяты бактерии.

Благодаря изучению структуры ДНК и белков вопрос происхождения жизни заиграл новыми гранями – зато стало понятно, что на него в принципе можно получить ответ. Однако научные исследования вышли за рамки чистой биологии и достигли более фундаментального уровня: откуда, собственно, берутся строительные кирпичики жизни, молекулы-носители информации, способные к самовоспроизведению? А с физической точки зрения – если искать еще более глубокие корни – откуда во Вселенной взялся атом водорода, столь важный для водородной связи, значение которой в структуре белковых молекул использовал Полинг? А более тяжелые элементы, тоже необходимые для жизни – углерод, кислород, азот и фосфор?

В первых исследованиях того, как четыре основания ДНК управляют синтезом белков из аминокислот, участвовал и Георгий Гамов, физик российского происхождения. Гамову показали статью Уотсона и Крика о генетических следствиях их модели, когда он был в Радиационной лаборатории в Беркли. Он пришел в восторг и тут же начал размышлять над ней, а едва вернувшись на свой факультет в Университете Джорджа Вашингтона, тут же написал Уотсону и Крику письмо. Начиналось оно с извинений: «Дорогие доктор Уотсон и доктор Крик, я физик, а не биолог». Но дальше начиналось главное: не может ли быть такого, что отношения между четырьмя буквами, соответствующими основаниям в ДНК, и двадцатью аминокислотами в белках – это задача, которую можно решить простым численным криптоанализом? Математические решения, которые предложил Гамов, в конце концов оказались ошибочными, однако они помогли сформулировать вопросы в терминах теории информации.

Примерно пятью годами раньше Гамов занимался решением другой, еще более фундаментальной задачи: космического происхождения водорода и гелия. Его решение было подлинно блистательным. Однако оно не объясняло существования элементов тяжелее гелия. Эту масштабнейшую задачу призван был решить другой астрофизик и космолог – Фред Хойл. С одной стороны, Хойл занимался эволюцией Вселенной в целом, с другой – происхождением жизни в ней. Он был одновременно одним из самых выдающихся и самых противоречивых умов ХХ века.