Ховард Маркел

Тайна жизни: Как Розалинд Франклин, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли структуру ДНК

Памяти посвятившей себя науке М. Деборы Гордин Маркел (1 августа 1958 г. — 16 октября 1988 г.), жизнь которой трагически рано оборвал рак

[(иврит) — аббревиатура библейской фразы («Да будет душа твоя завязана в узле жизни»), часто встречающейся на еврейских надгробиях. // Биолог Д.Э. Хатчинсон в своей захватывающей рецензии сравнил «конфигурации» Крёбера с внутренними или свободными колебаниями численности природных популяций, выразив его подход в математических терминах, подобных тем, которые используются в популяционных исследованиях. Эта рецензия была перепечатана в журнале The Itinerant Ivory Tower (New Haven, 1953. P. 74–77), по которому я позволю себе привести цитату: «Великий человек, рожденный в период, когда соотношение dN/dt [где N обозначает степень насыщения паттерна. — Д. К.] максимально, способен на многое. Исходное техническое вдохновение предоставлено ему предшественниками, и вместе с тем немало еще предстоит сделать. Если бы он родился позднее и примкнул к более развитой традиции, то, обладая теми же врожденными способностями, ему удалось бы достичь меньшего, поскольку меньше можно было бы сделать. А если бы он родился раньше, ему пришлось бы тяжелее: возможно, он получил бы высокую оценку со стороны узкого круга образованных критиков, но никогда не приобрел бы широкого признания, которое ждало бы его на пике традиции. Таким образом, подъем и падение, наблюдаемые нами в прошлом, следует рассматривать как движение вверх и вниз по отношению к максимуму описываемой ими кривой. Итоговая кривая, отражающая всю совокупность произведенного материала, по всей видимости, мало зависит от индивидуальных достижений, будучи просто их суммой, оценить которую не так-то просто. Мы куда менее склонны видеть в 1616 годе момент, в окрестностях которого было создано большинство елизаветинских драм, чем дату смерти Шекспира». ]

Часть I

Пролог

Все древние летописи, как заметил один из наших блестящих умов, всего лишь ходячие побасенки.

ВОЛЬТЕР [Вольтер. Жанно и Колен / Пер. Е. Гунста // Вольтер. Философские повести. — М.: Правда, 1985.] [Voltaire, Jeannot et Colin (1764), in Œuvres complètes de Voltaire (Paris: Garnier, 1877), vol. 21, 235–42, quote is on 237.]

Как мне представляется, лучше всем заинтересованным лицам оставить прошлое истории, тем более что я сам намерен ее написать.

УИНСТОН ЧЕРЧИЛЛЬ [Foreign Affairs, House of Commons Debate, 23 January 1948, vol. 446, 529–622, https://api.parliament.uk/historic-hansard/commons/1948/jan/23/foreign-affairs#S5CV0446P0_19480123_HOC_45.]

[1]

Действующие лица

Каждому школьнику известно, что ДНК — очень длинное химическое послание, записанное четырехбуквенным алфавитом… Теперь, когда ответ известен, понятно, в чем были ошибки… Путь к успеху в теоретической биологии чреват ловушками.

ФРЭНСИС КРИК [Здесь и далее цит. по: Крик Ф. Что за безумное стремление / Пер. М. В. Елифёровой. — М.: АСТ, 2020. — Прим. ред.] [Francis Crick, What Mad Pursuit: A Personal View of Scientific Discovery (New York: Basic Books, 1988), 35, 62.]

28 февраля 1953 г. вскоре после того, как церковные колокола пробили полдень, двое мужчин кубарем скатились по лестнице Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Их переполняло ликование. Они только что совершили открытие всей своей жизни и жаждали рассказать о нем коллегам. Первым, бухнув подошвами об пол, достиг первого этажа Джеймс Уотсон, 25-летний американский биолог из Чикаго. От него на шаг отстал спускавшийся более осторожно Фрэнсис Крик, 37-летний английский физик из Уэстон-Фавелла близ Нортгемптона [James D. Watson, The Double Helix: A Personal Account of the Discovery of the Structure of DNA (New York: Atheneum, 1968); в остальных сносках используется издание Norton Critical Edition by Gunther Stent (New York: Norton, 1980).].

Если бы это был эпизод из голливудского кино, то сначала показали бы Кембриджский университет с высоты птичьего полета, потом виды уютных английских садов Клэр-колледжа, в котором когда-то квартировал Уотсон. Затем камера скользила бы вдоль мелководной реки Кем, на мгновение выхватив фигуру человека на узкой плоскодонке, плывущей вниз по течению. Дальше показались бы великолепные прибрежные луга возле Тринити-колледжа и Королевского колледжа, и взгляд последовал бы вверх, к бесчисленным каменным шпилям.

Эти двое, мчащиеся что есть духу, так что галстуки съехали набок и полы пиджаков колотятся за спиной, выскакивают из готического портала Кавендишской лаборатории. Вот они несутся по Фри-Скул-лейн — короткой извилистой дорожке, выложенной истертыми и неровными каменными плитами. Миновав плотную группу старых деревьев, затеняющих приходскую церковь Св. Бенедикта, квадратная башня которой была выстроена в 1033 г., то есть еще в англосаксонский период, парочка обегает кованую ограду, у которой скопились велосипеды — основное средство передвижения для многих кембриджских студентов, аспирантов и профессоров.

Целью этого забега тем ветреным, но необыкновенно солнечным для февраля днем был паб Eagle [Monthly Weather Report of the Meteorological Office, Summary of Observations Compiled from Returns of Official Stations and Volunteer Observers, 1953; 70:2 (London: Her Majesty's Stationery Office, 1953).] на северной стороне Бенет-стрит — всего в сотне шагов от Кавендишской лаборатории. Это заведение, впервые распахнувшее двери в 1667 г. и называвшееся тогда Eagle and Child, привлекало посетителей главным образом тем, что пиво стоило пенни за три галлона [В XVII–XIX вв. в Англии цена пива регулировалась специальным законом. Пенни за три галлона — это было очень дешево. — Прим. ред.]. Именно там любили промочить горло кембриджские преподаватели и студенты. Во время Второй мировой войны паб Eagle оказался неофициальной штаб-квартирой подразделений Королевских военно-воздушных сил Великобритании (ВВС), расквартированных поблизости. Стены одного из его залов покрыты написанными, выжженными и выцарапанными именами, рисунками, номерами эскадрилий и прочими граффити. Некий безвестный пилот умудрился изобразить на потолке соблазнительную полуголую женщину.

Шесть дней в неделю Уотсон и Крик перекусывали в уютном закутке между залом для служащих ВВС и баром из дуба, уставленным разноцветными бутылками пива всевозможных видов и сортов. Когда 28 февраля они сюда прибежали, Eagle был битком набит преподавателями и научными сотрудниками, поглощавшими сосиски с пюре, рыбу с жареным картофелем, пирог с говядиной и почками и прочие блюда обеденного меню. За едой и питьем блистательные умы Кембриджа громко обсуждали едва ли не все стороны человеческого существования.

Джеймс и Фрэнсис явились туда, чтобы поднять еще больше шума. Они только что открыли структуру дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК). Фрэнсис как на крыльях влетел в паб, крича во все горло: «Мы раскрыли тайну жизни!» [Здесь и далее цит. по: Уотсон Дж. Двойная спираль. Воспоминания об открытии структуры ДНК / Пер. М. Брухнова и А. Иорданского. — М.: Мир, 1969. — Прим. ред.] [Watson, The Double Helix, 115.] Так описывал случившееся Уотсон, хотя Крик всю жизнь вежливо, но твердо отрицал, что заявлял подобное в тот судьбоносный день [См.: Francis Crick, "How to Live with a Golden Helix," The Sciences 19 (September 1979): 6–9.].

Подобное бахвальство не одобрялось кембриджскими учеными, кодексу поведения которых Крик, впрочем, следовал далеко не всегда. Однако бесспорно, что в тот день Уотсон и Крик действительно раскрыли тайну жизни или, по крайней мере, ее главный биологический секрет. Установление структуры ДНК лежит в русле давно известной, но не утратившей своего значения максимы: в биологии, не зная строения или анатомии объекта, невозможно понять его функцию (и влиять на нее). Практически все достижения в современном понимании процесса передачи генетической информации основываются на эпохальном открытии структуры ДНК. Вряд ли кто не согласится с тем, что 28 февраля 1953 г. в истории науки — да, собственно говоря, и в истории человечества — словно зажегся свет. И после этого представления о наследственности, живом организме и жизни вообще не могли остаться прежними. Изменилось все, как будто исчезла вековая тьма [Историк Роберт Олби утверждал, что известие о строении ДНК 28 апреля 1953 г. весьма скромно отразилось в прессе; Robert Olby, "Quiet Debut for the Double Helix," Nature 421 (2003): 402–5. Напротив, Ив Жингра с помощью библиометрических данных и анализа цитирования доказывает, что сообщение об этом открытии оказало немедленное и долгосрочное воздействие; Yves Gingras, "Revisiting the 'Quiet Debut' of the Double Helix: SA Bibliometric and Methodological Note on the 'Impact' of Scientific Publications," Journal of the History of Biology 43, no. 1 (2010): 159–81.].

Открытие двойной спирали объяснило ключевую роль ДНК в процессе деления живой клетки на две новые, каждая из которых содержит копию родительской ДНК и обладает свойствами исходной клетки. Молекула ДНК построена из единиц, называемых нуклеотидами; каждый нуклеотид состоит из остатка сахара, соединенного через фосфатную группу (включает атом фосфора и четыре связанных с ним атома кислорода) с азотистым основанием. Азотистые основания в ДНК имеются двух типов: пуриновые (гуанин и аденин) и пиримидиновые (цитозин и тимин). Пуриновые основания одной цепи двойной спирали соединены водородными связями с противолежащими пиримидиновыми основаниями другой цепи, как ступеньки винтовой лестницы, перила которой образованы чередующимися сахарными остатками и фосфатными группами. В обеих цепях этой длинной молекулы ДНК пуриновые и пиримидиновые основания расположены не случайным образом, а в определенной последовательности, которая и содержит информацию о свойствах клетки.

Порядок расположения миллиардов нуклеотидов, соединенных в молекулы ДНК, и несет то, что называют тайной жизни, — генетический код. В конечном счете открытие Уотсона и Крика привело к формуле, которая сыграла в генетике ту же роль, что формула E = mc2 в физике: ДНК —> РНК —> белок. Ее Крик впоследствии назвал «центральной догмой молекулярной биологии».

На протяжении первой половины XX столетия в науке царили физики [George Johnson, "Murray Gell-Mann, Who Peered at Particles and Saw the Universe, Dies at 89," New York Times, May 25, 2019, B12.]. Они потрясли мир важными открытиями — атома, рентгеновского излучения и радиоактивности, фотоэлектрического эффекта, специальной и общей теории относительности, а тех, кто занимался количественными характеристиками подобных фундаментальных физических явлений, — еще и принципом неопределенности. Эти достижения радикально изменили представления о природе и придали науке такую роль в обществе, о которой в 1900-е гг. и помыслить было невозможно [Daniel J. Kevles, The Physicists: The History of a Scientific Community in Modern America (New York: Knopf, 1978); Richard Rhodes, The Making of the Atomic Bomb (New York: Simon and Schuster, 1986), 113–17, 127–29, 131–33.].

Знаковым триумфом современной физики стала квантовая механика. Ее создали (и переработали, включив другие теории) датчанин Нильс Бор, австриец Эрвин Шрёдингер, немцы Макс Планк, Альберт Эйнштейн и Вернер фон Гейзенберг, уроженец Будапешта Лео Силард и многие другие. Эти ученые стремились объяснить физический мир, проникнув в его структуру на недоступную человеческому глазу глубину: внутрь атома и его компонентов — электрона, нейтрона, протона, а также открытых позднее других субатомных частиц, в частности кварков и бозона Хиггса. Они предложили ряд головокружительных математических абстракций, чтобы объяснять и даже предсказывать явления, изучаемые естественными науками. Поэтому на весь мир прославились именно физики-теоретики, а не безымянные труженики, добывавшие экспериментальные данные, необходимые для доказательства их блестящих теорий [Abraham Pais, Niels Bohr's Times in Physics, Philosophy, and Polity (Oxford: Clarendon Press, 1991), 176–210, 267–94; John Gribbin, Erwin Schrödinger and the Quantum Revolution (Hoboken, NJ: John Wiley and Sons, 2013); George Gamow, Thirty Years That Shook Physics: The Story of Quantum Theory (New York: Dover, 1966).].

В годы Второй мировой войны физики стран-союзниц вместе с математиками, химиками и инженерами сконструировали радиолокатор, гидролокатор, реактивный двигатель, развили химию и производство пластиков и пластмасс, значительно развили электронику и использование электромагнетизма, взломали коды немецкой шифровальной машины «Энигма» с помощью совершенно новой технологии [Rhodes, The Making of the Atomic Bomb; Andrew Hodges, Alan Turing: The Enigma (Princeton: Princeton University Press, 2014); Kai Bird and Martin J. Sherwin, American Prometheus: The Triumph and Tragedy of J. Robert Oppenheimer (New York: Knopf, 2005).]. Наконец, американские физики, работавшие в Лос-Аламосе (штат Нью-Мексико), Окридже (штат Теннесси) и Хэнфорде (штат Вашингтон), разработали атомную бомбу. Увы, ее первое применение в военных целях было чудовищным: оно уничтожило японские города Хиросиму и Нагасаки.

Осознав ужасный результат своей работы, многие из этих ученых поклялись никогда больше не заниматься оружием. Фокус научных исследований сместился к изучению механизмов жизни на уровне молекул, из которых состоят кровь, мышцы, нейроны, прочие ткани, органы и клетки тела. По воспоминаниям Джеймса Уотсона, в научных кругах после Второй мировой войны единственным предметом всеобщего восхищения была физика. Революция в химии — следствие революции в физике. Революция в биологии, также берущая начало в физике, развернулась лишь после открытия структуры ДНК [Интервью, взятое автором у Джеймса Уотсона (№ 4) 26 июля 2018 г.].