Лайнус Карл Полинг : Как жить долго и быть здоровым

Муниципальная средняя школа №8

Реферат

на тему:

Лайнус Карл Полинг
"Как жить долго и быть здоровым"

Выполнила:
ученица 11 Б класса
Шарова Ольга

Утвердил:
учитель биологии
Кузнецова Л. А.

Кострома 2001 год.

Содержание:

Введение. 3

Биография. 4

Материальный носитель. 11

Двойная спираль ДНК.. 14

"Крик и Гам". 19

Человек и другие мутанты. 24

Немного биохимии. 26

От рака до сенной лихорадки. 27

Суточная доза по Минздраву и по горилле. 29

Заключение. 34

Литература. 35

"Жизнь - это не свойство какой-либо
одной молекулы, а скорее результат взаимодействия между молекулами"
Лайнус Полинг

"ОН НАСТОЯЩИЙ гений!" - Альберт Эйнштейн о Лайнусе Полинге". Телевизионный рекламный ролик вот уже, наверное, месяца два напоминает нам о 100-летии со дня рождения действительно незаурядного американского ученого. Однако в такое бескорыстие рекламодателей верится с трудом. В конце концов, почему бы не напомнить о дне рождения самого Альберта Эйнштейна (14 марта 1879 г.). Да мало ли еще достойных имен в мире науки! Почему же все-таки Лайнус Карл Полинг?

Полинг, Крик и Уотсон возможно не осознавали в свое время, что их работы подвели к порогу новой эры в биологической науке. К моменту открытия двойной спирали биология, и химия были в первую очередь ремеслом, искусством практики. Эти науки создавались небольшими группами людей в основном в рамках академических исследований. Но семена перемен были уже посеяны. Благодаря ряду открытий в области лекарственных средств, и в первую очередь благодаря открытиям вакцины против полиомелита и пенициллина, наука биология подошла вплотную к тому, чтобы стать отраслью промышленности.

Сегодня такие области, как органическая химия, молекулярная биология и основные исследования по созданию лекарственных препаратов перестали быть делом небольшого числа ВлремесленниковВ»; они превратились в промышленное производство. Академические исследования еще продолжаются, однако же, явно большая часть исследователей и финансов, выделяемых на исследования, сосредоточены в фармацевтической промышленности. Союз науки с промышленностью, по меньшей мере, непрост. С одной стороны, фармацевтические компании в состоянии финансировать исследования в объемах, о которых академические институты могут только мечтать. С другой стороны, это финансирование направляется только в темы, представляющие для компаний интерес. Судите сами, что предпочтет профинансировать фармацевтическая компания: исследования в области поисков способов излечения болезни, или исследования.

Биография

Американский химик Лайнус Карл Полинг (Паулинг) родился в Портленде (штат Орегон), в семье Льюси Айзабелл (Дарлинг) Полинг и Хермана Хенри Уильяма Полинга, фармацевта. Полинг-старший умер, когда его сыну исполнилось 9 лет. Полинг с детства увлекался наукой. Вначале он собирал насекомых и минералы. В 13-летнем возрасте один из друзей Полинг приобщил его к химии, и будущий ученый начал ставить опыты. Делал он это дома, а посуду для опытов брал у матери на кухне. Лайнус посещал Вашингтонскую среднюю школу в Портленде, но не получил аттестата зрелости. Тем не менее, он записался в Орегонский государственный сельскохозяйственный колледж (позже он стал Орегонским государственным университетом) в Корваллисе, где изучал главным образом химическую технологию, химию и физику. Чтобы поддержать материально себя и мать, он подрабатывал мытьем посуды и сортировкой бумаги. Когда Полинг учился на предпоследнем курсе, его как на редкость одаренного студента приняли на работу ассистентом на кафедру количественного анализа. На последнем курсе он стал ассистентом по химии, механике и материалам. Получив в 1922 г. степень бакалавра естественных наук в области химической технологии, Полинг приступил к подготовке докторской диссертации по химии в Калифорнийском технологическом институте в Пасадене.

Полинг был первым в Калифорнийском технологическом институте, кто по окончании этого высшего учебного заведения сразу стал работать ассистентом, а затем преподавателем на кафедре химии. В 1925 г. ему была присуждена докторская степень по химии summa cum laude (с наивысшей похвалой. тАУ лат.). В течение последующих двух лет он работал исследователем и был членом Национального научно-исследовательского совета при Калифорнийском технологическом институте. В 1927 г. П. получил звание ассистент-профессора, в 1929 тАУ адъюнкт-профессора, а в 1931 г. тАУ профессора химии.

Работая все эти годы исследователем, Полинг стал специалистом по рентгеновской кристаллографии тАУ прохождению рентгеновских лучей через кристалл с образованием характерного рисунка, по которому можно судить об атомной структуре данного вещества. Применяя этот метод, Лайнус изучал природу химических связей в бензоле и других ароматических соединениях (соединениях, которые, как правило, содержат одно или несколько бензольных колец и обладают ароматичностью). Стипендия Гуггенхейма позволила ему провести учебный год за изучением квантовой механики у Арнольда Зоммерфельда в Мюнхене, Эрвина Шредингера в Цюрихе и у Нильса Бора в Копенгагене. Созданной Шредингером в 1926 г. квантовой механике, которая была названа волновой механикой, и изложенному Вольфгангом Паули в 1925 г. принципу запрета предстояло оказать глубокое влияние на изучение химических связей.

В 1928 г. Полинг выдвинул свою теорию резонанса, или гибридизации, химических связей в ароматических соединениях, которая основывалась на почерпнутой из квантовой механики концепции электронных орбиталей. В более старой модели бензола, которая время от времени еще использовалась для удобства, три из шести химических связей (связывающих электронные пары) между смежными атомами углерода были одинарными связями, а остальные три тАУ двойными. Одинарные и двойные связи чередовались в бензольном кольце. Таким образом, бензол мог обладать двумя возможными структурами в зависимости от того, какие связи были одинарными, а какие тАУ двойными. Известно было, однако, что двойные связи короче, чем одинарные, а дифракция рентгеновских лучей показывала, что все связи в молекуле углерода имеют равную длину. Теория резонанса утверждала, что все связи между атомами углерода в бензольном кольце были промежуточными по характеру между одинарными и двойными связями. Согласно модели Полинга, бензольные кольца можно рассматривать как гибриды их возможных структур. Эта концепция оказалась чрезвычайно полезной для предсказания свойств ароматических соединений.

В течение последующих нескольких лет Лайнус продолжал изучать физико-химические свойства молекул, особенно связанных с резонансом. В 1934 г. он обратил внимание на биохимию, в частности на биохимию белков. Совместно с А.E. Мирски он сформулировал теорию строения и функции белка, вместе с Ч.Д. Корвеллом изучал влияние оксигенирования (насыщения кислородом) на магнитные свойства гемоглобина, кислородсодержащего белка в красных кровяных клетках.

Когда в 1936 г. умер Арту Нойес, Полинг был назначен деканом факультета химии и химической технологии и директором химических лабораторий Гейтса и Креллина в Калифорнийском технологическом институте. Находясь на этих административных должностях, он положил начало изучению атомной и молекулярной структуры белков и аминокислот (мономеров, из которых состоят белки) с применением рентгеновской кристаллографии, а в учебном 1937-1938 гг. был лектором по химии в Корнеллском университете в Итаке (штат Нью-Йорк).

В 1942 г. ему и его коллегам, получив первые искусственные антитела, удалось изменить химическую структуру некоторых содержащихся в крови белков, известных как глобулины. Антитела представляют собой молекулы глобулина, выработанные специальными клетками в ответ на вторжение в тело антигенов (чуждых веществ), таких, как вирусы, бактерии и токсины. Антитело сочетается с особым видом антигена, который стимулирует его образование. Полинг выдвинул верный постулат, что трехмерные структуры антигена и его антитела комплементарны и, таким образом, Влнесут ответственностьВ» за образование комплекса антиген тАУ антитело. В 1947 г. он и Джордж У. Бидл получили субсидию для проведения рассчитанных на пять лет исследований механизма, с помощью которого вирус полиомиелита разрушает нервные клетки. В течение следующего года Полинг занимал должность профессора Оксфордского университета.

Работа над серповидноклеточной анемией началась в 1949 г., когда он узнал, что красные кровяные клетки больных этой наследственной болезнью становятся серповидными только в венозной крови, где низок уровень содержания кислорода. На основе знания химии гемоглобина П. немедленно выдвинул предположение, что серповидная форма красных клеток вызывается генетическим дефектом в глубине клеточного гемоглобина. (Молекула гемоглобина состоит из железопорфирина, который называется гема, и белка глобина.) Это предположение тАУ наглядное свидетельство удивительной научной интуиции, столь характерной для Полинга. Три года спустя ученому удалось доказать, что нормальный гемоглобин и гемоглобин, взятый у больных серповидноклеточной анемией, можно различать с помощью электрофореза, метода разделения различных белков в смеси. Сделанное открытие подтвердило убеждение П. в том, что причина аномалии кроется в белковой части молекулы.

В 1951 г. П. и Р.Б. Кори опубликовали первое законченное описание молекулярной структуры белков. Это был результат исследований, длившихся долгих 14 лет. Применяя методы рентгеновской кристаллографии для анализа белков в волосах, шерсти, мускулах, ногтях и других биологических тканях, они обнаружили, что цепи аминокислот в белке закручены одна вокруг другой таким образом, что образуют спираль. Это описание трехмерной структуры белков ознаменовало крупный прогресс в биохимии.

Но не все научные начинания Лайнуса оказывались успешными. В начале 50-х гг. он сосредоточил свое внимание на дезоксирибонуклеиновой кислоте (ДНК) тАУ биологической молекуле, которая содержит генетический код. В 1953 г., когда ученые в разных странах мира пытались установить структуру ДНК, П. опубликовал статью, в которой описывал эту структуру как тройную спираль, что не соответствует действительности. Несколько месяцев спустя Фрэнсис Крик и Джеймс Д. Уотсон опубликовали свою ставшую знаменитой статью, в которой молекула ДНК описывалась как двойная спираль.

В 1954 г. Полингу была присуждена Нобелевская премия по химии Влза исследование природы химической связи и ее применение для определения структуры соединенийВ». В своей Нобелевской лекции Полинг предсказал, что будущие химики станут Влопираться на новую структурную химию, в т. ч. на точно определенные геометрические взаимоотношения между атомами в молекулах и строгое применение новых структуральных принципов, и что благодаря этой технологии будет, достигнут значительный прогресс в решении проблем биологии и медицины с помощью химических методовВ».

Несмотря на то, что в юные годы, которые пришлись на первую мировую войну, Полинг был пацифистом, во время второй мировой войны ученый занимал официальный пост члена Национальной научно-исследовательской комиссии по обороне и работал над созданием нового ракетного топлива и поисками новых источников кислорода для подводных лодок и самолетов. В качестве сотрудника Управления научных исследований и развития он внес значительный вклад в разработку плазмозаменителей для переливания крови и для военных нужд. Однако вскоре после того, как США сбросили атомные бомбы на японские города Хиросиму и Нагасаки, Полинг начал кампанию против нового вида оружия и в 1945-1946 гг., являясь членом Комиссии по национальной безопасности, читал лекции об опасностях ядерной войны.

В 1946 г. он стал одним из основателей Чрезвычайного комитета ученых-атомщиков, учрежденного Альбертом Эйнштейном и 7 другими прославленными учеными с тем, чтобы добиваться запрещения испытаний ядерного оружия в атмосфере. Четыре года спустя гонка ядерных вооружений уже набрала скорость и Полинг выступил против решения своего правительства о создании водородной бомбы, призвав положить конец всем испытаниям ядерного оружия в атмосфере. В начале 50-х гг., когда и США, и СССР провели испытания водородных бомб и уровень радиоактивности в атмосфере повысился, он использовал свой немалый талант оратора, чтобы обнародовать возможные биологические и генетические последствия выпадения радиоактивных осадков. Озабоченность ученого потенциальной генетической опасностью отчасти объяснялась проводимыми им исследованиями молекулярных основ наследственных заболеваний. Полинг и 52 других нобелевских лауреата подписали в 1955 г. Лайнаускую декларацию, призывавшую положить конец гонке вооружений.

Когда в 1957 г. Полинг составил проект воззвания, в котором содержалось требование прекратить ядерные испытания, его подписало более 11 тыс. ученых из 49 стран мира, и среди них свыше 2 тыс. американцев. В январе 1958 г. Лайнус представил этот документ Дагу Хаммаршёльду, который был тогда генеральным секретарем ООН. Предпринятые им усилия внесли свой вклад в учреждение Пагуошского движения за научное сотрудничество и международную безопасность, первая конференция сторонников которого состоялась в 1957 г. в Пагуоше (провинция Новая Шотландия, Канада) и которому, в конечном счете, удалось способствовать подписанию договора о запрещении ядерных испытаний. Такая серьезная общественная и личная озабоченность по поводу опасности заражения атмосферы радиоактивными веществами привела к тому, что в 1958 г., несмотря на отсутствие какого бы то ни было договора, США, СССР и Великобритания добровольно прекратили испытания ядерного оружия в атмосфере.

Однако усилия Полинга, направленные на то, чтобы добиться запрета испытаний ядерного оружия в атмосфере, встречали не только поддержку, но и значительное сопротивление. Такие известные американские ученые, как Эдвард Теллер и Уиллард Ф. Либби, оба члены Комиссии по атомной энергии США, утверждали, что Полинг преувеличивает биологические последствия выпадения радиоактивных осадков. Он также наталкивался на политические препятствия из-за приписываемых ему просоветских симпатий. В начале 50-х гг. у ученого были трудности с получением паспорта (для выезда за рубеж. тАУ Ред.), и он получил паспорт без всяких ограничений только после того, как был награжден Нобелевской премией.

Как это ни странно, но в тот же самый период Полинг подвергался нападкам и в Советском Союзе, поскольку его резонансная теория образования химических связей считалась противоречащей марксистскому учению. (После смерти Иосифа Сталина в 1953 г. эта теория была признана в советской науке.) его дважды (в 1955 и 1960 гг.) вызывали в подкомиссию по вопросам внутренней безопасности сената США, где ему задавали вопросы относительно его политических взглядов и политической деятельности. В обоих случаях он отрицал, что когда бы то ни было, являлся коммунистом или симпатизировал марксистским взглядам. Во втором же случае (в 1960 г.) он, рискуя вызвать обвинение в презрении к конгрессу, отказался назвать имена тех, кто помог ему собрать подписи под воззванием 1957 г. В конце концов, дело было прекращено.

В июне 1961 г. Полинг и его жена созвали конференцию в Осло (Норвегия) против распространения ядерного оружия. В сентябре того же года, несмотря на обращения П. к Никите Хрущеву, СССР возобновил испытания ядерного оружия в атмосфере, а на следующий год, в марте, это сделали США. Он начал вести дозиметрический контроль над уровнями радиоактивности и в октябре 1962 г. сделал достоянием гласности информацию, которая показывала, что из-за проводимых в предыдущем году испытаний уровень радиоактивности в атмосфере поднялся вдвое по сравнению с предшествующими 16 годами. Полинг также составил проект предлагаемого договора о запрещении таких испытаний. В июле 1963 г. США, СССР и Великобритания подписали договор о запрещении ядерных испытаний, в основе которого лежал проект П.

В 1963 г. Полинг был награжден Нобелевской премией мира 1962 г. В своей вступительной речи от имени Норвежского нобелевского комитета Гуннар Ян заявил, что Полинг Влвел непрекращающуюся кампанию не только против испытаний ядерного оружия, не только против распространения этих видов вооружений, не только против самого их использования, но против любых военных действий как средства решения международных конфликтовВ». В своей Нобелевской лекции, названной ВлНаука и мирВ» (ВлScience and PeaceВ»), Полинг выразил надежду на то, что договор о запрещении ядерных испытаний положит Влначало серии договоров, которые приведут к созданию нового мира, где возможность войны будет навсегда исключенаВ».

В том же году, когда он получил свою вторую Нобелевскую премию, он вышел в отставку из Калифорнийского технологического института и стал профессором-исследователем в Центре изучения демократических институтов в Санта-Барбаре (штат Калифорния). Здесь он смог уделять больше времени проблемам международного разоружения. В 1967 г. Полинг также занял должность профессора химии в Калифорнийском университете (Сан-Диего), надеясь проводить больше времени за исследованиями в области молекулярной медицины. Спустя два года он ушел оттуда и стал профессором химии Стэнфордского университета в Пало-Альто (штат Калифорния). К этому времени он уже вышел в отставку из Центра изучения демократических институтов.

В конце 60-х гг. Лайнус заинтересовался биологическим воздействием витамина С. Ученый и его жена сами стали регулярно принимать этот витамин, Полинг же начал публично рекламировать его употребление для предотвращения простудных заболеваний. В монографии ВлВитамин С и простудаВ» (ВлVitamin C and the Common ColdВ»), которая вышла в 1971 г., он обобщил опубликованные в текущей печати практические свидетельства и теоретические выкладки в поддержку терапевтических свойств витамина С. В начале 70-х гг. Полинг также сформулировал теорию ортомолекулярной медицины, в которой подчеркивалось значение витаминов и аминокислот в поддержании оптимальной молекулярной среды для мозга. Эти теории, получившие в то время широкую известность, не нашли подтверждения в результатах последующих исследований и в значительной мере были отвергнуты специалистами по медицине и психиатрии. Полинг, однако, придерживается точки зрения, что основания их контраргументов далеко не безупречны.

В 1973 г. П. основал Научный медицинский институт Лайнуса Полинга в Пало-Альто. В течение первых двух лет он был его президентом, а затем стал там профессором. Он и его коллеги по институту продолжают проводить исследования терапевтических свойств витаминов, в частности возможности применения витамина С для лечения раковых заболеваний. В 1979 г. Полинг опубликовал книгу ВлРак и витамин СВ» (ВлCancer and Vitamin СВ»), в которой утверждает, что прием в значительных дозах витамина С способствует продлению жизни и улучшению состояния больных определенными видами рака. Однако авторитетные исследователи раковых заболеваний не находят его аргументы убедительными.

В 1922 г. Лайнус женился на Аве Элен Миллер, одной из его студенток в Орегонском государственном сельскохозяйственном колледже. У супругов три сына и дочь. После смерти жены в 1981 г. Полинг живет в их загородном доме в Биг-Сюре (штат Калифорния).

Помимо двух Нобелевских премий, Полинг был удостоен многих наград. В их числе: награда за достижения в области чистой химии Американского химического общества (1931), медаль Дэви Лондонского королевского общества (1947), советская правительственная награда тАУ международная Ленинская премия ВлЗа укрепление мира между народамиВ» (1971), национальная медаль ВлЗа научные достиженияВ» Национального научного фонда (1975), золотая медаль имени Ломоносова Академии наук СССР (1978), премия по химии американской Национальной академии наук (1979) и медаль Пристли Американского химического общества (1984). Ученому присвоены почетные степени Чикагского, Принстонского, Йельского, Оксфордского и Кембриджского университетов. Полинг состоит во многих профессиональных организациях. Это и американская Национальная академия наук, и Американская академия наук и искусств, а также научные общества или академии Германии, Великобритании, Бельгии, Швейцарии, Японии, Индии, Норвегии, Португалии, Франции, Австрии и СССР. Он был президентом Американского химического общества (1948) и Тихоокеанского отделения Американской ассоциации содействия развитию науки (1942..1945), а также вице-президентом Американского философского общества (1951..1954).

Материальный носитель

До начала 40-х годов главными "кандидатами" на роль материальных структур наследственности считались белки, макромолекулы большой молекулярной массы, состоящие из ограниченного разнообразия мономеров - аминокислот. Мономеры связаны между собой стандартными пептидными связями, а все разнообразие белков определяется составом и порядком боковых радикалов.

Сопоставимые данные для нуклеиновых кислот получили значительно позже, и это было связано с некоторыми драматическими обстоятельствами. Ключевую и противоречивую роль в выявлении мономеров, связей между ними, а также в формировании общих представлений о роли нуклеиновых кислот сыграл американский биохимик русского происхождения Ф.А.Левин.

В то же время Левин - автор так называемой "тетрануклеотидной гипотезы", основанной на ранних и достаточно неточных данных о молярных концентрациях оснований в нуклеиновых кислотах. В 1908 - 1909 гг. он и сотрудники показали, что нуклеиновые кислоты из тимуса теленка и дрожжей имеют равные молярные концентрации всех четырех нуклеотидов. Это дало основание предположить, что четыре разных нуклеотида связаны последовательно в стандартный тетрануклеотид, который многократно повторяется в структуре нуклеиновой кислоты. В более поздних вариантах гипотеза допускала высокую полимерность нуклеиновых кислот путем повторения тетрануклеотида, но, очевидно, исключала возможную комбинаторику нуклеотидов.

Таким образом, "стандартный тетрануклеотидный кирпич" (М ~ 1500) позволял строить только унылую, однообразную последовательность. В этом случае нуклеиновые кислоты не годились на роль материальной структуры генов. Однако большинство выдающихся биохимиков приняло эту гипотезу на веру, что надолго задержало развитие молекулярных представлений о генах.

Но в 40-е годы Э.Чаргафф и многие другие исследователи подвергли тетрануклеотидную гипотезу уничтожающей критике, а ее автор оказался "козлом отпущения" за свое заблуждение. По мнению историков науки Ф.Португала и Дж.Коэна, именно тетрануклеотидная гипотеза помешала Левину получить Нобелевскую премию за другие работы, которой он несомненно заслуживал. Умер Левин в 1940 г., когда уже началась война, и вопросы чистой науки оказались за пределами внимания большинства ученых.

Тем не менее к началу 40-х годов уже было ясно, что нуклеиновые кислоты (нынешние ДНК и РНК) могут быть высоко полимерны (М ~ 500 тыс. - 1 млн). В конце 40-х годов Чаргафф показал, что ДНК разного видового происхождения имеют разный состав нуклеотидов, а общая их эквимолярность не выполняется. Использовав новый метод хроматографии на бумаге, Чаргафф обнаружил, что между молярными концентрациями пуринов и пиримидинов имеются другие регулярные соотношения: A=T и G=C. И хотя он не объяснил эти свойства, стало совершенно ясно, что мономеры нуклеиновых кислот - не тетрануклеотиды, а четыре стандартных нуклеотида, у которых одинаковая сахаро-фосфатная часть, участвующая в образовании стандартных фосфо-диэфирных связей, и различные основания. Их комбинаторика и допускает огромное разнообразие вариантов.

Тем не менее, даже с учетом этих свойств, генетическую роль ДНК еще предстояло доказать. Это сделал в 1944 г. О.Эвери с сотрудниками. Еще в 1928 г. английский врач-инфекционист Ф.Гриффитс обнаружил, что пневмококки одного штамма (невирулентные) приобретают наследуемую вирулентность при контакте с лизатом инфекционных бактерий, убитых нагреванием (явление трансформации). Свыше 10 лет Эвери и сотрудники отрабатывали методы фракционирования лизата бактерий пока, наконец, не выделили активную фракцию, по физико-химическим свойствам совпадающую с ДНК. С одной стороны, это была сенсация, опровергавшая тетрануклеотидную гипотезу (ДНК обладала генетическими свойствами), с другой - интерпретация такой трансформации не была однозначной. ДНК могла быть либо генетическим материалом, который рекомбинирует с гомологичным геномом бактерии-реципиента, либо мутагеном, вызывающим мутации генов (тогда природа генов может быть другой), либо специфическим сигналом, переключающим функциональное состояние гена (этот вариант выявился позже). Дж.Ледерберг насчитал семь альтернативных гипотез о природе трансформации. Многие генетики не поняли фундаментального значения работы Эвери. Например, выдающийся цитолог А.Мирский, работавший в том же Рокфеллеровском институте, резко возражал против доказательств трансформирующей роли ДНК.

Тем не менее, значительная группа биохимиков, генетиков и физиков сосредоточилась на изучении химии, генетической роли и молекулярного строения ДНК. Дискуссии прекратились только после 1952 г., когда А.Херши и М.Чейз показали, что при заражении бактерии E.coli фагом T2 инфекционным началом является почти чистая ДНК фага 2. Эвери умер в 1955 г., не дождавшись своей Нобелевской премии, которой, несомненно, был достоин. В 1939 - 1940 гг. близкое открытие сделал С.М.Гершензон в Киеве, показав, что введение или скармливание дрозофиле чужеродной ДНК вызывает вспышку мутаций признаков крыла.

Двойная спираль
ДНК

Следующее "одиночное касание", высекшее "искру гения", состоялось в английском Кембридже между двумя очень непохожими людьми. Осенью 1951 г. туда приехал Дж.Уотсон, только что защитивший докторскую диссертацию у С.Лурии в Университете штата Индиана (США). Он был членом "фаговой группы" М.Дельбрюка и находился под влиянием этой легендарной личности, а также книги Э.Шредингера "Что такое жизнь". Его "интерес к ДНК вырос из возникшего в колледже на последнем курсе желания узнать, что же такое ген".

Формально Уотсон получил стипендию для изучения методов рентгеноструктурного анализа белков в группе М.Перуца в Кавендишской лаборатории Кембриджского университета. Тогда в этой группе физик Ф.Крик работал над теорией дифракции рентгеновских лучей. Во время войны он занимался оборонными исследованиями в Военно-морском ведомстве. В 1946 г. под впечатлением книги Э.Шредингера и лекции Л.Полинга он решил заняться приложением физики в биологии.

Итак, Уотсон и Крик оказались в одной комнате. Позже Уотсон вспоминал: "После разговоров с Френсисом моя судьба была решена. Мы быстро поняли, что в биологии мы намереваемся идти одинаковым путем. Центральной проблемой биологии были ген и контролируемый им метаболизм. Главной задачей было понять репликацию гена и путь, которым гены контролируют синтез белков. Было очевидно, что приступить к решению этих проблем можно лишь после того, как станет ясной структура гена. А это значило выяснение структуры ДНК".

"В лаборатории Макса Перуца. нашелся человек, который знал, что ДНК важнее, чем белки, - это было настоящей удачей.

Вот как Ф.Португал и Дж.Коэн характеризуют этот научный тандем:

"Контраст между Уотсоном и Криком мог показаться очень большим. Крику во время их встречи в 1951 г. было 35 лет, и он еще не имел докторской степени. Уотсону было 23 года, он получил свою докторскую степень необычно рано - в 22 года и был приглашен в члены фаговой группы. Крик был крупным и гениальным, Уотсон - тощим и угловатым. Но они имели много общего. Оба были одиночками, которые, тем не менее, не скрывали своих веских идей по многим вопросам. Оба имели выраженный интерес к открытию строения генетического материала. Но там, где из разных подходов - рентгеноструктурного анализа и генетики фагов - возникала их комплементарность, такой синтез вел к существенным результатам. В этом важном отношении Уотсон выполнял роль моста между информационной и структурной школой в молекулярной биологии".

Чтобы понять причины успеха совместной работы Уотсона и Крика, надо учесть некоторые обстоятельства.

Во-первых, поблизости от Кембриджа, в Лондонском Кингс-Колледже, работали крупнейшие английские специалисты по рентгеноструктурному анализу ДНК, М.Уилкинс и Р.Франклин. Именно их экспериментальные данные Уотсон и Крик использовали для обоснования и проверки своей модели.

Во-вторых, существенную роль для молодых исследователей играл дух конкуренции с крупнейшим американским физико-химиком Лайнусом Полингом. В то время звезда Полинга достигла своего зенита: он был автором блестящей классической книги "Природа химической связи" (1939); вместе с Г.Кори теоретически, с помощью молекулярных стереомоделей, предсказали существование альфа-спиралей в глобулярных белках. С тех пор идея спирали как бы "висела в воздухе" применительно к любым макромолекулам. Вот мнение Дж.Уотсона: "Спирали в то время были в центре внимания лаборатории, главным образом из-за альфа-спирали Полинга". <..> Через несколько дней после моего (Уотсона. - В.Р.) приезда мы уже знали, что нам следует предпринять: пойти по пути Полинга и одержать над ним победу его же оружием". Но и Полинг активно обдумывал варианты молекулярных моделей ДНК.

В-третьих, к началу работы Крик уже имел опыт разработки теории диффракции рентгеновых лучей на спиралях, что позволяло ему мгновенно отыскивать признаки спиральности на фотографиях диффракции рентгеновских лучей. Иначе говоря, он был подготовлен к поиску спиралей.

В-четвертых, Уотсон и Крик понимали, что ставки очень высоки. Речь шла о молекулярной структуре генов - ключевых объектов биологической организации. Это требование налагало на любую модель ряд очевидных требований. Следовало в молекулярных терминах объяснить, как гены выполняют свои основные функции: самоудвоение, мутирование, запись информации, контроль над синтезом белков и др.

В частности, следовало понять, каков механизм самоудвоения (репликации) ДНК. Генетическая традиция, основанная на микрофотографиях поведения хромосом в митозе и мейозе, постулировала идею гомологичного узнавания подобных генов и сегментов хромосом. Уже в модели Н.К.Кольцова репликация хромосом рисуется как гомологичное выстраивание сегментов вдоль матрицы. Для этого требуются определенные молекулярные силы и отношения. Поддерживая этот подход, известный немецкий физик-теоретик П.Иордан предположил, что помимо известного физико-химического "близкодействия" (Ван-дер-Ваальсовы силы, солевые мостики, водородные связи и др.) существуют пока неизвестные квантовые резонансные "силы дальнодействия", которые способны притягивать гомологичные структуры друг к другу.

Против этого резко возражал Полинг. Весь опыт структурной химии и квантовой физики подсказывал ему, что воображаемые "силы дальнодействия" - это фикция. Что касается "сил близкодействия", то они требуют наиболее тесного контакта между взаимодействующими молекулярными поверхностями. Ясно, что этому отвечал широко известный к тому времени принцип взаимодействия антиген - антитело, фермент - субстрат и др., т.е. принцип "ключ - замок". Иначе говоря, тесно взаимодействующие поверхности должны быть взаимно комплементарны. В 1940 г. Полинг и Дельбрюк изложили свои аргументы против Иордана в журнале "Science".

Мозговой штурм продолжался 18 месяцев. Он сопровождался довольно сложными отношениями между его участниками. Так, Уотсон и Крик встречали решительный отпор со стороны Франклин, хотя именно ее данные по В-форме ДНК дали ключевой импульс для разработки модели и лучше всего соответствовали результатам моделирования. Авторы перебрали многие десятки возможных спиральных структур, но все они имели какие-нибудь недостатки.

Полинг тоже исследовал различные варианты спиральных структур, но он остановился на трехцепочечных спиралях, т.е. пошел по неправильному пути. Отсутствие непосредственных контактов Уотсона - Крика и Полинга позволило первым совершить "интеллектуальный рывок". Даже случай способствовал этому. Полинг неоднократно просил прислать ему рентгенограммы диффракции, но Уилкинс не торопился. А когда Полинг собрался на конференцию в Лондон, чтобы посетить Кембридж и увидеть все воочию, Госдепартамент США не выдал ему визу (!). Виной тому была активная пацифистская деятельность Полинга против ядерных испытаний.

В начале 1953 г. Уотсон и Крик познакомились (полулегально!) с последними данными Франклин по диффракции рентгеновских лучей на препаратах В-формы ДНК в условиях высокой влажности. Они сразу узнали признаки спирали с шагом 34 A и диаметром 20 A . Для проверки срочно нужны были стереомодели, однако мастерские задерживали изготовление металлических деталей, моделирующих пурины и пиримидины. Тогда Уотсон нарезал их из толстого картона и стал раскладывать на плоскости стола. Тут его и настигло озарение. Впоследствии он вспоминал: "И вдруг я заметил, что пара аденин - тимин, соединенная двумя водородными связями, имеет точно такую же форму, как и пара гуанин - цитозин, тоже соединенная, по меньшей мере, двумя водородными связями. <..> Если пурин всегда соединяется водородными связями с пиримидином, то две нерегулярные последовательности оснований прекрасно укладываются регулярно в центре спирали. При этом аденин всегда должен спариваться только с тимином, а гуанин только с цитозином, и правила Чаргаффа, таким образом, неожиданно оказывались следствием двуспиральной структуры ДНК. А главное, такая двойная спираль подсказывала гораздо более приемлемую схему репликации. Последовательности оснований двух переплетенных цепей комплементарны друг другу. <..> Поэтому было очень легко представить себе, как одна цепь может стать матрицей для другой".

В течение ближайших дней была построена стерео-модель двуцепочечной ДНК. Она оказалась правовинтовой спиралью с противоположной ориентацией цепей.

"Уже через два дня Морис (Уилкинс. - В.Р.) позвонил нам и сказал, что, как убедились они с Рози (Франклин. - В.Р.) рентгенографические данные явно подтверждают существование двойной спирали".

В мае 1953 г. вышла первая статья о двойной спирали ДНК.

"Полинг впервые услышал о двойной спирали от Дельбрюка. Полинг, как и Дельбрюк, был сразу же покорен. .. Открытие двойной спирали принесло нам не только радость, но и облегчение. Это было невероятно интересно и сразу позволило нам сделать важное предположение о механизме дупликации генов".

Модель Уотсона - Крика благодаря своим неоспоримым достоинствам признали быстро и повсеместно. Она полностью выдержала также испытание временем. Одним ударом она разрешила множество трудных проблем; прежде всего объяснила правила Чаргаффа и рентгеноструктурные данные. Сам Чаргафф, который весьма скептически относился к тандему Уотсон - Крик, не смог ничего возразить по существу, его критика скорее напоминала брюзжание: "..мне кажется, что то огромное искусство и изобретательность, которые были затрачены на конструирование различных малоподходящих моделей, по существу пропали даром".

Модель утвердила матричный принцип, основанный на парной комплементарности нуклеотидов (т.е. на принципе "близкодействия"), из чего вытекала простая и естественная схема матричной репликации. Ясно, что в этом случае копирование отдельной матрицы можно произвести только в два этапа:

позитив --> негатив --> позитив.

Однако двуцепочечность спирали решает и эту проблему. Двойная цепь способна к точному копированию в один этап благодаря двум сопряженным матричным процессам, т.е. обладает вожделенным генетическим свойством - удвоением путем контактного гомологичного выстраивания сегментов на матрице:

позитив - негатив-->позитив тАУ

Вместе с этим смотрят: