ОТ НОВОЙ ФИЗИКИ К НОВОЙ БИОЛОГИИ
Доктор физико-математических наук М. ФРАНК-КАМЕНЕЦКИЙ.
Тридцатые годы
В первой трети XX века наиболее значительные, революционные преобразования происходи ли в физике. Создание теории относительности и квантовой механики до самого основания потрясло эту старую науку, дав ей новый, неслыханной силы импульс к дальнейшему развитию как вглубь, в поисках универсальных физических законов, так и вширь, в смежные области.
Одной из главных вех на пути создания новой физики было открытие Резерфордом в 1911 году атомного ядра. Само существование атома Резерфорда находилось в вопиющем противоречии с основными законами классической физики. На смену старой физике пришла новая, квантовая физика, которая призвана была объяснить устойчивость атомов и их удивительные линейчатые спектры.
Эта теория, разработка которой была начата Планком, Эйнштейном и Бором, нашла замечательно ясную формулировку в 1926 году в виде знаменитого уравнения Шредингера. Квантовая механика не только позволила физикам решить все головоломки, которые накопились в области атомных спектров, она поставила на прочный теоретический фундамент всю химию. Наконец-то был понят сокровенный смысл атомного номера в таблице Менделеева! Стал ясен истинный смысл валентности, выяснена природа химической связи, скрепляющей атомы в молекулах.
К началу 1930-х годов у физиков появилось ощущение всемогущества. Итак, с атомами все ясно, с молекулами тоже, что там еще? Ага, не понятно, как устроено атомное ядро. Занялись ядром. "Ну, здесь вряд ли есть работа на всех, - считали лидеры. - Надо бы придумать что-нибудь покрупнее". И их взоры обратились к святая святых, к тому, о чем физики раньше не могли и помышлять - к самой жизни. Не поможет ли новая физика разгадать тайну жизни? Или, может быть, наоборот, окажется, что жизнь противоречит квантовой механике, и тогда придется опять изобретать какие-то новые законы? Это было бы особенно интересно.
В то время молодой немецкий физик-теоретик Макс Дельбрюк искал себе занятие по вкусу. Он попробовал заняться квантовой химией, потом ядерной физикой. Интересно, конечно, но не очень. И вот, будучи на стажировке в Институте Бора в Копенгагене, он в августе 1932 года попал на лекцию Бора на Международном конгрессе по световой терапии. Лекция называлась "Свет и жизнь". В ней Бор поделился своими мыслями о проблеме жизни в связи с последними достижениями квантовой механики. И хотя Дельбрюк в то время был полным профаном в биологии, лекция Бора так его вдохновила, что он твердо решил посвятить себя этой науке. Вернувшись в Берлин, Дельбрюк стал искать контактов с биологами. Ему повезло. В это время в Берлине работал русский генетик Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский.
Дельбрюк стал собирать у себя дома друзей-физиков. Он приглашал Тимофеева-Ресовского, и тот часами обучал их своей науке - генетике. Рассказывая, Тимофеев-Ресовский, по своему обыкновению, бегал из угла в угол, словно тигр в клетке. Он говорил о математически строгих законах Менделя, управляющих наследственностью, о генах и о замечательных работах Моргана, доказавших, что гены расположены цепочкой в хромосомах - маленьких червеобразных тельцах, находящихся в клеточных ядрах. Он говорил о плодовой мушке дрозофиле и о мутациях, то есть изменениях генов, которые можно вызвать рентгеновскими лучами. Этим последним вопросом он как раз занимался вместе с физиком-экспериментатором Циммером. v Дельбрюка крайне заинтересовала их работа. Вообще в генетике было столько созвучного квантовой механике, что дух захватывало. Ведь квантовая механика принесла в физику дискретность, скачкообразность. Она также заставила серьезно относиться к случайности. И вот оказывается, что биологи тоже обнаружили дискретную неделимую частицу (ген), которая случайно переходит из основного состояния (генетики называют его "диким типом") в "возбужденное", "мутантное" состояние.
Что же такое ген? Как он устроен? Об этом часто спорили на вечерах у Дельбрюка. Тимофеев-Ресовский говорил, что вообще-то этот вопрос мало интересовал генетиков. Для них ген был тем же, чем для физиков электрон, - элементарной частицей наследственности.
"Вот, я вас спрошу, - сказал как-то Тимофеев-Ресовский, когда от него особенно настойчиво требовали ответа на вопрос об устройстве гена, - из чего состоит электрон?" Все рассмеялись. "Вот видите, так же смеются генетики, когда их спрашивают, из чего состоит ген... Вопрос о том, что такое ген, выходит за рамки генетики и его бессмысленно адресовать генетикам, - продолжал Тимофеев. - Вы, физики, должны искать ответ на него".
"Ну все же, - настаивал Дельбрюк, - неужели нет никаких гипотез, пусть чисто умозрительных?" Тимофеев-Ресовский задумался на минутку и воскликнул: "Ну как же. Мой учитель Николай Константинович Кольцов считает, что ген - это полимерная молекула, скорее всего, молекула белка". "Ну и что это объясняет? - длинный Дельбрюк прямо-таки кричал на широкоплечего, могучего Тимофеева-Ресовского. - От того, что мы назовем ген белком, мы поймем, как гены удваиваются? Ведь главная-то загадка в этом! Ты же сам рассказывал нам, как в роду Габсбургов из поколения в поколение переходила характерная форма губы. Что делает возможным столь точное копирование генов в течение веков? Каков механизм? Разве химия дает нам такие примеры? Во всяком случае, я никогда ничего подобного не слышал. Нет, тут нужна совершенно иная идея. Тут действительно таится загадка. Великая загадка. Возможно, новый закон природы. Сейчас главный вопрос - как к этому подступиться экспериментально".
Благодаря Тимофееву-Ресовскому Дельбрюк стал неплохо разбираться в генетике. Главное, его больше не смущала эта дьявольская терминология, как будто специально придуманная, чтобы отпугивать непосвященных. Раньше, когда ему случалось слушать выступления генетиков, он недоумевал, зачем им понадобилось придумывать специальный тарабарский язык. Уж не жулики ли они? Ведь это уголовники изобретают свой особый жаргон, чтобы их преступные намерения не были понятны окружающим.
Знакомство с Тимофеевым-Ресовским изменило его отношение к генетикам. И даже знаменитая фраза, которой генетики особенно любят поражать непосвященных - "рецессивный аллель влияет на фенотип, только если генотип гомозиготен", - стала казаться ему не только кристально ясной, но и прямо-таки красивой. "Черт возьми, - думал он. - А ведь и вправду иначе-то не скажешь!"
Фаговая группа
Великая тайна, скрывавшаяся за коротким словом "ген", окончательно пленила Дельбрюка. Как происходит удвоение, или, опять-таки на жаргоне, репликация, генов при делении клеток? В особенно сильное возбуждение пришел Дельбрюк, когда узнал о существовании бактериаль ных вирусов, или, как их чаще называют, бактериофагов (букв, пожирателей бактерий).
Эти удивительные частицы, которых и живыми-то не назовешь, вне клетки ведут себя просто как большие молекулы - из них даже выращивают кристаллы. Но когда вирус попадает в клетку, через 20 мин клеточная оболочка лопается и из нее вываливается сотня абсолютно точных копий исходной частицы. Дельбрюка осенило, что на бактериофагах гораздо легче будет изучать процесс репликации (удвоения генов), чем на бактериях, не говоря уже о животных; возможно, удастся понять наконец, как устроен ген. "Вот он - ключ к разгадке, - думал Дельбрюк. - Это очень простое явление, гораздо более простое, чем деление целой клетки. Здесь нетрудно будет разобраться. В самом деле, надо посмотреть, как внешние условия будут влиять на воспроизводство вирусных частиц. Надо провести эксперименты при разных температурах, в разных средах, с разными вирусами".
Так физик-теоретик превратился в биолога-экспериментатора. Но мышление - мышление осталось чисто физическим. А главное - цель. Во всем мире не было другого человека, который занимался бы вирусами с единственной целью - раскрыть физическое строение гена.
В 1937 году Дельбрюк покинул нацистскую Германию. В этот знаменательный во многих отношениях год Рокфеллеровский фонд начал субсидировать работы по применению физических и химических идей и методов в биологии. Распорядитель фонда Уоррен Вивер посетил Берлин и предложил Дельбрюку переехать в США, чтобы целиком посвятить себя проблеме репликации бактериофагов. Вивер, сам физик по образованию, ясно понимал значение работ, проводимых Дельбрюком. (Кстати, это он первым назвал новую область науки, финансовую поддержку которой стал оказывать Рокфеллеровский фонд, молекулярной биологией.) Разумеется, Дельбрюк поспешил воспользоваться предоставленной ему возможностью, так как жизнь в Германии становилась просто невыносимой.
В Америке Дельбрюк собрал вокруг себя горстку энтузиастов, заразившихся его идеей изучения природы наследственности на бактериофагах. Так возникла "фаговая группа". Шли годы, и участники фаговой группы все больше и больше узнавали о том, как протекает фаговая инфекция и как процесс воспроизведения фагового потомства зависит от внешних условий и т. д. Было проведено много замечательных исследований, в особенности в области изучения мутационного процесса у бактерий и бактериофагов. Именно за работы этого периода много лет спустя Дельбрюк был удостоен Нобелевской премии. Но все эти исследования, казалось, даже не приближали к решению основной проблемы.
Как часто бывает в науке, люди, объединившиеся для решения большой и очень важной задачи, постепенно занялись скрупулезным изучением частных вопросов, сделались маститыми специалистами в той или иной узкой области, но перестали видеть исходные цели. Так путники видят издалека сияющие горные вершины, но, по мере приближения к ним, попадают в лесистые предгорья, откуда этих вершин уже не видно. К тому же эти леса изобилуют ягодами, грибами и прочими маленькими радостями. Если долго бродить по предгорьям, то виденные издалека снежные вершины постепенно начинают казаться миражом. Да, скорее всего, это были лишь облака, похожие на снежные горы. Но если это и в самом деле были горы, зачем туда спешить? Ведь здесь, в почти нехоженых лесах, так хорошо. Для того чтобы путники вновь вспомнили о главной цели, нужен зычный голос лидера.
И такой голос прозвучал - это был голос Эрвина Шрёдингера, автора основного уравнения квантовой механики.
Эрвин Шрёдингер
Об истории создания квантовой механики написаны горы научно-популярной и исторической литературы. Центральное место во всех этих книгах по праву занимает исполинская фигура Нильса Бора. Но возьмите любой учебник по квантовой механике. Вы увидите, что уравнение Шрёдингера - альфа и омега этой науки. Безусловно, квантовая механика, как и любая другая наука, создавалась усилиями многих замечательных ученых. Несомненно, на Шрёдингера радикальное влияние оказала гениальная догадка де Бройля о волнах материи. Все это так. Но решающий шаг сделал все же Шрёдингер. Он собрал воедино все накопленное до него, чтобы совершить скачок замечательной интеллектуальной смелости и силы.
Хотя имя Шрёдингера не столь известно широкой публике, как имена Эйнштейна и Бора, оно глубоко почитается в кругах физиков и химиков. В 1944 году вышла в свет его небольшая книжка под броским заголовком "Что такое жизнь?", в которой обсуждалась связь между новой физикой и генетикой. Поначалу книга не привлекла почти никакого внимания. Шла война, и большинство тех, кому была адресована эта книга, с головой ушли в научно-технические проблемы, от решения которых во многом зависел исход борьбы с гитлеровской Германией.
Но когда война кончилась, появилось много специалистов, особенно среди физиков, которым надо было все начинать сначала, снова искать себе место в мирной науке - вот для них книга Шрёдингера оказалась как нельзя кстати.
В своей книге (на русском языке она вышла впервые в 1947 году) Шрёдингер , прежде всего, дал очень ясное и сжатое изложение основ генетики. Физикам представилась уникальная возможность узнать (причем в блестящем изложении их прославленного коллеги), в чем же состоит суть этой затуманенной тарабарской терминологией и все-таки загадочно привлекательной науки. Но этого мало. Шрёдингер популяризовал и развил идеи Дельбрюка и Тимофеева-Ресовского о связи генетики и квантовой механики. Пока эти идеи выдвигались неизвестными физикам людьми, им не придавали особого значения. Но когда об этом заговорил сам Шрёдингер...
По признанию всех, кто в последующие годы штурмовал проблему гена, включая основных действующих лиц - Уотсона, Крика и Уилкинса, книга Шрёдингера послужила важным толчком к этому штурму. Шрёдингер был именно тем человеком, кто крикнул: "Вот они, сияющие вершины, посмотрите, они совсем уже близко. Что же вы мешкаете?.."
Иллюстрация «Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский (1900-1981) - выдающийся русский советский генетик, один из основоположников радиобиологии и эволюционной генетики, стоявший у истоков молекулярной биологии.»
В 1935 году в Германии Тимофеев-Ресовский, его сотрудник Карл Циммер и Дельбрюк опубликовали статью о структуре гена и механизме мутаций, которая породила квантовую модель гена-молекулы. На снимке: Н. В. Тимофеев-Ресовский в дверях лабораторного вивария. Германия, 1935 год.
Иллюстрация «Эрвин Шрёдингер (1887-1961) - австрийский физик, лауреат Нобелевской премии (1933).»
Известный всему миру как один из основателей квантовой механики, развивал вопросы применения физических идей в биологии и, в частности, в механизме наследственности и мутаций.
Читайте в любое время
