Что за безумное стремленье! - Фрэнсис Крик

Самолюбие Перуца несколько успокоилось, когда он обнаружил, что альфа-спираль должна давать яркий рефлекс на меридиане на расстоянии в 1,5 ангстрема, соответствующем высоте между последовательными звеньями спирали, и сумел подтвердить это[24]. Совместно с двумя другими кристаллографами, Владимиром Вандом из университета Глазго и Биллом Кохрейном из Кавендишской лаборатории, я занимался общими вопросами преобразований Фурье для последовательности атомов, расположенных на правильной винтовой линии, и мы с Кохрейном продемонстрировали, что расчеты вполне согласуются с картинкой рентгеновской дифракции для синтетического полипептида. Но в некоторых отношениях мы сами себе сыпали соль на раны.

Чем же тогда объяснялось обманчивое пятно на 5,1 ангстрем? Чуть позже я и Полинг независимо друг от друга додумались до правильного объяснения. Поскольку ось симметрии у них дробная, спирали не укладываются просто так в ряд бок о бок. Лучше всего они упаковываются, когда между ними есть небольшой угол, и, если они слегка искривлены, это дает двойную намотку – то есть две или три спирали, уложенные в ряд, но медленно наматывающиеся друг на друга [отличный пример того, как слабое взаимодействие нарушает симметрию]. Эта дополнительная намотка отбрасывала проекцию рефлекса в 5,4 ангстрем, смещенного от меридиана, на меридиан в 5,1 ангстрем.

Можно возразить, что, поскольку альфа-спирали встречаются почти исключительно в молекулах живой материи, модель полипептидного остова не стоит отбрасывать лишь потому, что она некрасива. Я бы предпочел сказать, что в силу своей молекулярной простоты базовая альфа-спираль стоит ближе к физической химии, чем к биологии. На этом уровне у эволюции не так много возможностей для выбора. Только когда мы переходим к боковым цепочкам и многообразным способам, которыми способна укладываться длинная полипептидная цепь, становится возможным огромное многообразие структур. Тогда простота уступает сложности. Элегантность, если таковая существует в природе, может быть не столь очевидной, и то, что поначалу кажется натянутым или даже безобразным, может быть наилучшим решением, на которое способен естественный отбор.

Эта история провала наших коллег, упустивших открытие альфа-спирали, произвела глубокое впечатление на нас с Джимом Уотсоном. Из-за нее я стал доказывать, как важно не слишком полагаться на единичный факт экспериментальных данных. Он может ввести в заблуждение, как, несомненно, это произошло с рефлексом 5,1 ангстрем. Джим высказывался немного резче, утверждая, что ни одна хорошая модель никогда не объясняла всех фактов, поскольку часть данных всегда обречена быть обманчивой или вовсе неверной. Теория, которая объясняла бы все данные, неминуемо будет «обтесанной» под них и потому подозрительной.

Иногда утверждают, будто Полингова модель альфа-спирали или его ошибочная модель ДНК вдохновили нас на идею, что ДНК – спираль. Это весьма далеко от истины. Тема спиралей витала в воздухе, и нужно было отличаться либо тупоумием, либо крайним упрямством, чтобы не подумать о спиральных линиях. Если Полинг чему-то и научил нас, то лишь тому, что точное и тщательное моделирование может содержать ограничения, с которыми в любом случае придется увязывать конечный ответ. Иногда таким образом можно получить верное представление о структуре, используя лишь минимум прямых экспериментальных данных. Таков был урок, который мы усвоили и которым пренебрегли Розалинда Франклин с Морисом Уилкинсом, пытаясь расшифровать структуру ДНК. Плюс необходимость не выдвигать таких посылок, которые нельзя время от времени подвергать сомнению. Следует также добавить, что у нас с Джимом была высокая мотивация добиться успеха, пусть мы и подходили к задачам нестрого; мы замечали успех с первого взгляда и быстро соображали, какие уроки можно извлечь как из побед, так и из поражений.

Открытие альфа-спирали стало важной вехой на тернистом пути молекулярной биологии, но оно не имело такого резонанса, как открытие двойной спирали ДНК. Поначалу мы надеялись, что, располагая базовыми сведениями об укладке альфа-спиралей и бета-складок, мы сможем расшифровать структуру белка путем прямого моделирования. К несчастью, большинство белков слишком сложны для этого. Коротко говоря, эти два структурных шаблона предупредили нас о том, чего можно ожидать от некоторых элементов строения белков, но они не раскрыли нам непосредственно секрета специфичности и каталитической активности конкретного белка. Напротив, структура ДНК сдалась сразу, откровенно подсказав, как именно реплицируются нуклеиновые кислоты. ДНК в конечном итоге намного более простая молекула, чем высокоспециализированный в ходе эволюции белок, и потому выдает свои секреты более охотно. Мы не знали этого наперед – нам просто повезло, что мы наткнулись на столь изящную структуру.

Полинг сыграл более важную роль в молекулярной биологии, чем порой принято думать. Он не только сделал ряд ключевых открытий (например, что серповидноклеточная анемия – заболевание на молекулярном уровне), но и проявлял верный теоретический подход к этим биологическим проблемам. Он был убежден, что многие необходимые нам объяснения можно получить, воспользовавшись общепризнанными идеями химии, в особенности химии макромолекул, и что знания о различных типах атомов, в первую очередь углерода, и о связях, их соединяющих [электростатические взаимодействия, ковалентные, водородные и ван-дер-ваальсовы связи], вполне достаточно, чтобы раскрыть тайны жизни.

Напротив, Макс Дельбрюк, начинавший как физик, надеялся, что биология поможет нам открыть новые законы физики. Дельбрюк, как и Полинг, работал в Калифорнийском технологическом институте. Он стал первопроходцем важных направлений в исследовании вирусов, называемых бактериофагами (или просто фагами), а также был одним из руководителей авторитетной группы по фагам, одним из младших участников которой был Джим Уотсон. Не думаю, что Дельбрюк особенно интересовался химией. Как большинство физиков, он считал химию довольно второстепенным прикладным применением квантовой механики. Он не мог вообразить, насколько необыкновенные структуры может создавать естественный отбор, – он не представлял себе даже, какое многообразие различных белков возможно в природе.

Время показало, что по крайней мере на текущий момент Полинг оказался прав, а Дельбрюк ошибался – что Дельбрюк и сам признал в своей книге «От духа к материи» (Mind into Matter). Все, что мы знаем о молекулярной биологии, по-видимому, находит объяснение в рамках стандартной химии. И теперь мы понимаем, что молекулярная биология – не второстепенная сторона биологических систем. Она – их сердцевина и основание. Практически все аспекты жизни заданы на молекулярном уровне, и без понимания природы молекул возможно лишь весьма отрывочное представление о жизни как таковой. Ни одна теория на высшем уровне не может считаться надежной, пока не подтвердится на молекулярном уровне.

Двойная спираль, безусловно, необычайная молекула. Современному человеку как виду, вероятно, около 50 тысяч лет[25], цивилизация существует не более 10 тысяч лет, а государство США – лишь чуть больше 200; но ДНК и РНК существуют как минимум несколько миллиардов лет. Все это время двойная спираль жила и работала, однако мы первые живые существа на Земле, догадавшиеся о ее существовании.