ВІД НОВОЇ ФІЗИКИ ДО НОВОЇ БІОЛОГІЇ

Надаємо читачам "Науки і життя" можливість самим оцінити стиль, логіку і доступність викладу нової науково-популярної книги М. Д. Франк-Каменецького "Століття ДНК". Перед вами - частина першого розділу, що оповідає про історію наукових откритій- предтеч гіпотези Уотсона-Кріка.

Макс Людвіг Дельбрюк (1906-1981) - німецько-американський біолог, лауреат Нобелівської премії з фізіології і медицині (1969). За освітою фізик-теоретик, він одним з перших зробив спробу пов'язати генетику з квантовою механікою.

Микола Володимирович Тимофєєв-Ресовський (1900-1981) - видатний російський радянський генетик, один з основоположників радіобіології і еволюційної генетики, який стояв біля витоків молекулярної біології.

Ервін Шредінгер (1887-1961) - австрійський фізик, лауреат Нобелівської премії (1933).

<

>

тридцяті роки

У першій третині XX століття найбільш значні, революційні перетворення станься чи у фізиці. Створення теорії відносності і квантової механіки до самої основи потрясло цю стару науку, давши їй новий, нечуваної сили імпульс до подальшого розвитку як вглиб, в пошуках універсальних фізичних законів, так і вшир, в суміжні області.

Однією з головних віх на шляху створення нової фізики було відкриття Резерфордом в 1911 році атомного ядра. Саме існування атома Резерфорда знаходилося у кричущому протиріччі з основними законами класичної фізики. На зміну старій фізиці прийшла нова, квантова фізика, яка покликана була пояснити стійкість атомів і їх дивовижні лінійчатих спектри.

Ця теорія, розробка якої була розпочата Планком, Ейнштейном і Бором, знайшла чудово ясну формулювання в 1926 році у вигляді знаменитого рівняння Шредінгера. Квантова механіка не тільки дозволила фізикам вирішити всі головоломки, які накопичилися в області атомних спектрів, вона поставила на міцний теоретичний фундамент всю хімію. Нарешті був зрозумілий потаємний сенс атомного номера в таблиці Менделєєва! Став зрозумілим справжній сенс валентності, з'ясована природа хімічного зв'язку, що скріплює атоми в молекулах.

На початок 1930-х років у фізиків з'явилося відчуття всемогутності. Отже, з атомами все ясно, з молекулами теж, що там ще? Ага, не зрозуміло, як влаштовано атомне ядро. Зайнялися ядром. "Ну, тут навряд чи є робота на всіх, - вважали лідери. - Треба б придумати що-небудь побільше". І їх погляди звернулися до святая святих, до того, про що фізики раніше не могли і думати - до самого життя. Чи не допоможе нова фізика розгадати таємницю життя? Або, може бути, навпаки, виявиться, що життя суперечить квантовій механіці, і тоді доведеться знову винаходити якісь нові закони? Це було б особливо цікаво.

У той час молодий німецький фізик-теоретик Макс Дельбрюк шукав собі заняття до смаку. Він спробував зайнятися квантової хімією, потім ядерною фізикою. Цікаво, звичайно, але не дуже. І ось, будучи на стажуванні в Інституті Бора в Копенгагені, він в серпня 1932 року потрапив на лекцію Бора на Міжнародному конгресі з світлової терапії. Лекція називалася "Світло і життя". У ній Бор поділився своїми думками про проблему життя в зв'язку з останніми досягненнями квантової механіки. І хоча Дельбрюк в той час був повним профаном в біології, лекція Бора так його надихнула, що він твердо вирішив присвятити себе цій науці. Повернувшись до Берліна, Дельбрюк став шукати контактів з біологами. Йому пощастило. В цей час в Берліні працював російський генетик Микола Володимирович Тимофєєв-Ресовський.

Дельбрюк став збирати у себе вдома друзів-фізиків. Він запрошував Тимофєєва-Ресовський, і той годинами навчав їх своїй науці - генетиці. Розповідаючи, Тимофєєв-Ресовський, за своїм звичаєм, бігав з кутка в куток, наче тигр в клітці. Він говорив про математично строгих законах Менделя, керуючих спадковістю, про генах і про чудових роботах Моргана, які довели, що гени розташовані ланцюжком в хромосомах - маленьких червоподібний тільцях, які перебувають в клітинних ядрах. Він говорив про плодової мушки дрозофіли і про мутації, тобто зміни генів, які можна викликати рентгенівськими променями. Цим останнім питанням він якраз займався разом з фізиком-експериментатором Ціммером. v Дельбрюка вкрай зацікавила їхня робота. Взагалі в генетиці було стільки співзвучного квантовій механіці, що дух захоплювало. Адже квантова механіка принесла в фізику дискретність, стрибкуватість. Вона також змусила серйозно ставитися до випадковості. І ось виявляється, що біологи теж виявили дискретну неподільну частку (ген), яка випадково переходить з основного стану (генетики називають його "диким типом") в "порушену", "мутантного" стан.

Що ж таке ген? Як він влаштований? Про це часто сперечалися на вечорах у Дельбрюка. Тимофєєв-Ресовський говорив, що взагалі-то це питання мало цікавив генетиків. Для них ген був тим же, чим для фізиків електрон, - елементарною частинкою спадковості.

&quot;Ось, я вас запитаю, - сказав якось Тимофєєв-Ресовський, коли від нього особливо наполегливо вимагали відповіді на питання про влаштування гена, - з чого складається електрон?" Всі розсміялися. "Ось бачите, так само сміються генетики, коли їх запитують, з чого складається ген ... Питання про те, що таке ген, виходить за рамки генетики і його безглуздо адресувати генетикам, - продовжував Тимофєєв. - Ви, фізики, повинні шукати відповідь на нього".

&quot;Ну все ж, - наполягав Дельбрюк, - невже немає ніяких гіпотез, нехай чисто умоглядних?" Тимофєєв-Ресовський задумався на хвилинку і вигукнув: "Ну як же. Мій учитель Микола Костянтинович Кольцов вважає, що ген - це полімерна молекула, швидше за все, молекула білка". &quot;Ну і що це пояснює? - довгий Дельбрюк прямо-таки кричав на широкоплечого, могутнього Тимофєєва-Ресовський. - Від того, що ми назвемо ген білком, ми зрозуміємо, як гени подвоюються? Адже головна загадка в цьому! Ти ж сам розповідав нам, як в роду Габсбургів з покоління в покоління переходила характерна форма губи. Що робить можливим настільки точне копіювання генів протягом століть? Який механізм? Хіба хімія дає нам такі приклади? у всякому разі, я ніколи нічого подібного не чув. Ні, тут потрібна зовсім інша ідея. тут дійсно про таїться загадка. Велика загадка. Можливо, новий закон природи. Зараз головне питання - як до цього підступитися експериментально ".

Завдяки Тимофєєву-Ресовський Дельбрюк став непогано розбиратися в генетиці. Головне, його більше не бентежила ця диявольська термінологія, як ніби спеціально придумана, щоб відлякувати непосвячених. Раніше, коли йому траплялося слухати виступи генетиків, він дивувався, навіщо їм знадобилося придумувати спеціальний пташиний мову. Чи не шахраї вони? Адже це кримінальники винаходять свій особливий жаргон, щоб їх злочинні наміри не були зрозумілі оточуючим.

Знайомство з Тимофєєвим-Ресовський змінило його ставлення до генетикам. І навіть знаменита фраза, якої генетики особливо люблять вражати непосвячених - "рецесивний аллель впливає на фенотип, тільки якщо генотип гомозиготен", - стала здаватися йому не тільки кристально ясною, але і прямо-таки красивою. "Чорт забирай, - думав він. - Але ж і справді інакше-то не скажеш!"

Фагова група

Велика таємниця, яка ховалася за коротким словом "ген", остаточно полонила Дельбрюка. Як відбувається подвоєння, або, знову-таки на жаргоні, реплікація, генів при діленні клітин? В особливо сильне збудження прийшов Дельбрюк, коли дізнався про існування бактеріаль них вірусів, або, як їх частіше називають, бактеріофагів (букв, пожирачів бактерій).

Ці дивовижні частки, яких і живими-то не назвеш, поза клітиною поводяться просто як великі молекули - з них навіть вирощують кристали. Але коли вірус потрапляє в клітину, через 20 хв клітинна оболонка лопається і з неї вивалюється сотня абсолютно точних копій вихідної частинки. Дельбрюка осінило, що на бактеріофагів набагато легше буде вивчати процес реплікації (подвоєння генів), ніж на бактеріях, не кажучи вже про тварин; можливо, вдасться зрозуміти нарешті, як влаштований ген. "Ось він - ключ до розгадки, - думав Дельбрюк. - Це дуже просте явище, набагато простіше, ніж розподіл цілої клітини. Тут неважко буде розібратися. Справді, треба подивитися, як зовнішні умови будуть впливати на відтворення вірусних частинок. Треба провести експерименти при різних температурах, в різних середовищах, з різними вірусами ".

Так фізик-теоретик перетворився в біолога-експериментатора. Але мислення - мислення залишилося чисто фізичним. А головне - мета. У всьому світі не було іншої людини, який займався б вірусами з єдиною метою - розкрити фізичну будову гена.

У 1937 році Дельбрюк покинув нацистську Німеччину. У цей знаменний у багатьох відношеннях рік Рокфеллеровській фонд почав субсидувати працювати над впливом фізичних і хімічних ідей і методів у біології. Розпорядник фонду Уоррен Вівер відвідав Берлін і запропонував Дельбрюка переїхати в США, щоб цілком присвятити себе проблеми реплікації бактеріофагів. Вівер, сам фізик за освітою, ясно розумів значення робіт, що проводяться Дельбрюком. (До речі, це він першим назвав нову галузь науки, фінансову підтримку якої став надавати Рокфеллеровській фонд, молекулярною біологією.) Зрозуміло, Дельбрюк поспішив скористатися наданою йому можливістю, тому що життя в Німеччині ставала просто нестерпною.

В Америці Дельбрюк зібрав навколо себе жменьку ентузіастів, які заразилися його ідеєю вивчення природи спадковості на бактеріофагів. Так виникла "фагів група". Йшли роки, і учасники фаговой групи все більше і більше дізнавалися про те, як протікає фагів інфекція і як процес відтворення фагового потомства залежить від зовнішніх умов і т. Д. Було проведено багато чудових досліджень, особливо в галузі вивчення мутаційного процесу у бактерій і бактеріофагів. Саме за роботи цього періоду багато років по тому Дельбрюк був удостоєний Нобелівської премії. Але всі ці дослідження, здавалося, навіть не наближали до вирішення основної проблеми.

Як часто буває в науці, люди, які об'єдналися для вирішення великої і дуже важливої ​​задачі, поступово зайнялися прискіпливим вивченням приватних питань, стали маститими фахівцями в тій чи іншій вузькій області, але перестали бачити вихідні мети. Так подорожні бачать здалеку сяючі гірські вершини, але, у міру наближення до них, потрапляють в лісисті передгір'я, звідки цих вершин вже не видно. До того ж ці ліси рясніють ягодами, грибами та іншими маленькими радощами. Якщо довго блукати по передгір'ях, то бачені здалеку снігові вершини поступово починають здаватися міражем. Так, швидше за все, це були лише хмари, схожі на снігові гори. Але якщо це й справді були гори, навіщо туди поспішати? Адже тут, у майже неходжених лісах, так добре. Для того щоб подорожні знову згадали про головну мету, потрібен гучний голос лідера.

І такий голос прозвучав - це був голос Ервіна Шредінгера, автора основного рівняння квантової механіки.

Ервін Шредінгер

Про історію створення квантової механіки написані гори науково-популярної та історичної літератури. Центральне місце у всіх цих книгах по праву займає велетенська постать Нільса Бора. Але візьміть будь-який підручник з квантової механіки. Ви побачите, що рівняння Шредінгера - альфа і омега цієї науки. Безумовно, квантова механіка, як і будь-яка інша наука, створювалася зусиллями багатьох чудових учених. Безсумнівно, на Шредінгера радикальне вплив справила геніальний здогад де Бройля про хвилі матерії. Все це так. Але вирішальний крок зробив все ж Шредінгер. Він зібрав воєдино все накопичене до нього, щоб зробити стрибок чудовою інтелектуальної сміливості і сили.

Хоча ім'я Шредінгера не настільки відомо широкому загалу, як імена Ейнштейна і Бора, воно глибоко шанується в колах фізиків і хіміків. У 1944 році вийшла в світ його невелика книжка під помітним заголовком "Що таке життя?", В якій обговорювалася зв'язок між новою фізикою і генетикою. Спочатку книга не притягнула майже ніякої уваги. Йшла війна, і більшість тих, кому була адресована ця книга, з головою поринули в науково-технічні проблеми, від вирішення яких багато в чому залежав результат боротьби з гітлерівською Німеччиною.

Але коли війна скінчилася, з'явилося багато фахівців, особливо серед фізиків, яким треба було все починати спочатку, знову шукати собі місце в мирній науці - ось для них книга Шредінгера виявилася дуже доречною.

У своїй книзі (російською мовою вона вийшла вперше в 1947 році) Шредінгер, перш за все, дав дуже ясне і стислий виклад основ генетики. Фізикам представилася унікальна можливість дізнатися (причому в блискучому викладі їх прославленого колеги), в чому ж полягає суть цієї затуманеній Тарабарського термінологією і все-таки загадково привабливою науки. Але цього мало. Шредінгер популяризував і розвинув ідеї Дельбрюка і Тимофєєва-Ресовський про зв'язок генетики та квантової механіки. Поки ці ідеї висувалися невідомими фізикам людьми, їм не надавали особливого значення. Але коли про це заговорив сам Шредінгер ...

За визнанням всіх, хто в наступні роки штурмував проблему гена, включаючи основних дійових осіб - Уотсона, Крика і Уїлкинса, книга Шредінгера послужила важливим поштовхом до цього штурму. Шредінгер був саме тією людиною, хто крикнув: "Ось вони, сяючі вершини, подивіться, вони зовсім вже близько. Що ж ви мешкали? .."

Ілюстрація «Микола Володимирович Тимофєєв-Ресовський (1900-1981) - видатний російський радянський генетик, один з основоположників радіобіології і еволюційної генетики, який стояв біля витоків молекулярної біології.»
У 1935 році в Німеччині Тимофєєв-Ресовський, його співробітник Карл Циммер і Дельбрюк опублікували статтю про структуру гена і механізмі мутацій, яка породила квантову модель гена-молекули. На знімку: Н. В. Тимофєєв-Ресовський в дверях лабораторного віварію. Німеччина, 1935 рік.

Ілюстрація «Ервін Шредінгер (1887-1961) - австрійський фізик, лауреат Нобелівської премії (1933).»
Відомий всьому світу як один із засновників квантової механіки, розвивав питання застосування фізичних ідей в біології і, зокрема, в механізмі спадковості і мутацій.

Отже, з атомами все ясно, з молекулами теж, що там ще?
Чи не допоможе нова фізика розгадати таємницю життя?
Або, може бути, навпаки, виявиться, що життя суперечить квантовій механіці, і тоді доведеться знову винаходити якісь нові закони?
Що ж таке ген?
Як він влаштований?
Quot;Ось, я вас запитаю, - сказав якось Тимофєєв-Ресовський, коли від нього особливо наполегливо вимагали відповіді на питання про влаштування гена, - з чого складається електрон?
Quot;Ну все ж, - наполягав Дельбрюк, - невже немає ніяких гіпотез, нехай чисто умоглядних?
Quot;Ну і що це пояснює?
Від того, що ми назвемо ген білком, ми зрозуміємо, як гени подвоюються?
Що робить можливим настільки точне копіювання генів протягом століть?
Где купить протеин
Без спортивного питания добиваться реальных результатов гораздо сложнее и дольше. Уже каждому любителю хорошо известно, что без него эффективность тренировок гораздо ниже. Сегодня купить протеин становится