Читать книгу Тайна жизни: Как Розалинд Франклин, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли структуру ДНК - - Страница 4

Все началось в аббатстве, воздвигнутом на вершине холма в моравском городе Брюнн (теперь Брно в Чешской Республике). В 1352 г. монахи-августинцы выстроили для монастыря оштукатуренное каменное двухэтажное здание в форме буквы Г, увенчанное остроконечной крышей с оранжевой глиняной черепицей. В центре первого этажа расположились трапезная и библиотека, над ними находился длинный открытый дормиторий для братии. Эти помещения выходили окнами одной стороны на слияние рек Свитавы и Свратки, а другой – на готическую базилику Вознесения Девы Марии, построенную из красного кирпича. Тогдашние власти назвали монастырь аббатством Св. Фомы в честь апостола, который сначала усомнился в воскресении Иисуса Христа (отсюда выражение «Фома неверующий»).

В залах и галереях здания царила необыкновенная тишина, нарушаемая лишь чириканьем птиц, которых держали на территории аббатства в клетках из проволочной сетки для защиты от хищников. Из расположенной по соседству пивоварни «Старобрно», утолявшей жажду местных жителей с 1325 г., несло ароматами кипящего сусла, хмеля и дробины. В углу центрального двора поместился тщательно возделываемый садик, окруженный ухоженным газоном. Здесь монах по имени Грегор Мендель выращивал помидоры, фасоль и огурцы{26}. Его главной гордостью был горох, разросшиеся стебли которого всевозможных форм, размеров и оттенков образовывали живое подобие решетки Пеннета{27}.

Иоганн Мендель (имя Грегор он принял, когда вступил в орден августинцев) родился в 1822 г. в семье фермера, которая возделывала участок земли возле границы Моравии и Силезии. В детстве Менделю нравилось работать в саду и ухаживать за пчелами. Он сменил несколько школ в своем районе и в 1840 г. поступил в университет в близлежащем Оломоуце. Через три года ему пришлось бросить учение, потому что денег было мало, а плата оказалась высокой.

В 1843 г. Мендель с намерением продолжить учебу оставил мирские блага и начал монашескую жизнь в аббатстве Святого Фомы. В ночных молитвах он благодарил Бога за то, что не нужно больше ломать голову над тем, как свести концы с концами или выплатить семейные долги. У него была удобная кровать и достаточно пищи. Аббатство в ту пору было интеллектуальным центром Брюнна, и Мендель в 1851 г. убедил настоятеля найти средства оплатить его обучение в Венском университете{28}. Там Мендель преуспел в изучении физики, агрономии, биологии и в исследованиях врожденных признаков растений и овец. Обладавшего выдающимися умственными способностями Менделя можно уподобить не Фоме неверующему, а подвижнику и провидцу святому Антонию.

В 1853 г., когда брат Грегор вернулся в Брюнн, настоятель поручил ему преподавать физику в местной школе, хотя тот дважды завалил устный экзамен на получение диплома учителя. Менделю больше нравилось ухаживать за садом, чем выполнять обязанности в приходе. На крохотном клочке земли он взрастил современное учение о наследственности. Ежедневно Мендель тщательно записывал свои наблюдения за семью изменчивыми признаками в последовательных поколениях самоопыляющегося гороха: высотой растений, формой и окраской стручков, формой и окраской горошин, расположением и окраской цветков.

Вскоре после того, как Мендель начал скрещивать высокорослые растения с низкорослыми, он заметил, что все растения в следующем поколении вырастают высокими. Он назвал высокорослость доминантным признаком, а низкорослость – рецессивным. Но в поколении, полученном от гибридных растений, наблюдались оба признака: имелись и высокорослые экземпляры, и низкорослые в соотношении 3:1. Мендель обнаружил это устойчивое соотношение также для других доминантных и рецессивных признаков гороха. В итоге он вывел математическую формулу, предсказывающую проявление этих признаков в последующих поколениях и скрещиваниях{29}. Он полагал, что наблюдаемые им явления обусловлены некими невидимыми факторами – ныне известно, что это гены.

Брат Грегор рассказал о своих исследованиях на двух вечерних собраниях брюннского Общества естествознания 8 февраля и 8 марта 1865 г. Сегодня на научном семинаре странно было бы увидеть монаха в черной шерстяной рясе до щиколоток и с островерхим капюшоном, свисающим на спину. А тогда Общество естествознания нередко посещали обитатели аббатства, приходили туда также горожане-интеллектуалы и даже интересующиеся фермеры из соседних сел. У Менделя были лишь доска и мел, чтобы представить свои сложные формулы; делая доклад, он почти шептал – сказывались долгие годы монастырского молчания, – но тем не менее и впечатлил, и озадачил сорок с лишним присутствующих.

Позднее в том же году Мендель опубликовал свои сообщения в Verhandlungen des naturforschenden Vereines in Brünn – печатном издании Общества естествознания. К сожалению, оно не пользовалось широкой известностью, и открытия Менделя не всколыхнули мир. Их по́зднее признание часто объясняют малозаметностью публикации, но дело не только в этом. Идея Менделя о дискретности наследственности – о передаче потомству предсказуемых элементов – противоречила господствовавшему в ту эпоху представлению о функционировании и размножении живых организмов. Считалось, что деятельность органов и даже особенности личности ребенка определяются соотношением четырех жидкостей тела: крови, слизи, желтой желчи и черной желчи{30}. Эта многовековая теория была совершенно неверна, но, чтобы опровергнуть ее, понадобилось еще несколько десятилетий научного поиска. Кроме того, математические методы, к которым прибег Мендель для анализа полученных данных, были чужды мышлению биологов и натуралистов того времени, многим было еще трудно хотя бы постичь теорию Дарвина, если уж не принять; они привыкли лишь собирать, описывать и классифицировать различные виды исходя из морфологических признаков{31}.

К сожалению, последние семнадцать лет жизни Мендель являлся настоятелем аббатства Св. Фомы и тратил время на многочисленные служебные обязанности, увязая в спорах о налоговых обязательствах монастыря с бюрократическим аппаратом Австро-Венгерской империи. Он умер в 1884 г. в возрасте 62 лет от хронической болезни почек. Лишь через шестнадцать лет после его смерти, в 1900 г., голландский ботаник Хуго де Фриз, австрийский агроном Эрих фон Чермак-Зейзенегг, немецкий ботаник Карл Корренс и американский специалист по экономике сельского хозяйства Уильям Спиллман независимо друг от друга экспериментировали со скрещиванием и получили данные, сходные с менделевскими, а также обнаружили затерявшуюся в архивной пыли статью Менделя{32}. Только самые одержимые темой наследственности помнят сегодня этих четырех ученых, потому что они благородно (и честно) признали первенство Грегора Менделя. В последние годы высказывалось предположение, что Мендель выдумал свои данные, потому что математические соотношения, которые он привел в своей статье, слишком точны, чтобы быть достаточно вероятными со статистической точки зрения. Однако множество биологов и специалистов по биостатистике решительно встали на защиту Менделя{33}. Теперь превалирует мнение, что данные Менделя вполне корректны и он был честен в описании своих опытов.

Повторное открытие законов Менделя, управляющих передачей простых рецессивных и доминантных признаков, заложило основу современной генетики. С тех пор он обрел заслуженное бессмертие как отец классической генетики. Но в этой системе понятий есть серьезная проблема: большинство наследуемых признаков не являются простыми, будучи обусловлены взаимодействием нескольких генов, экспрессия которых может также изменяться под влиянием средовых, социальных и иных факторов.

Через три года после выхода статьи Менделя в свет, осенью 1868 г., в Тюбингене Фридрих Мишер собирал гной с бинтов хирургических больных. Новоиспеченный швейцарский врач (он получил степень доктора медицины в Базеле в 1868 г.), Мишер происходил из почтенной и состоятельной семьи. Его отец, Иоганн Фридрих Мишер, был профессором физиологии, а дядя, Вильгельм Гис, – профессором анатомии в Базельском университете; Гис сделал немало открытий в нейробиологии, эмбриологии и гистологии{34}.

Мишер с детства плохо слышал из-за хронической инфекции в сосцевидном отростке. Это мешало ему сначала в годы учебы, затем при работе с больными, осложняя общение с ними. Отец и дядя Мишера сочли, что ему лучше не приступать сразу к клинической практике. Благодаря своим связям они устроили его в лабораторию профессора Феликса Гоппе-Зейлера в Тюбингенском университете. Гоппе-Зейлер – один из основателей современной биохимии; помимо прочего, он открыл функцию красных кровяных телец (эритроцитов), которая состоит в переносе кислорода белком гемоглобином, и роль железа в этом процессе.

Лаборатория Гоппе-Зейлера располагалась в подвальных помещениях замка Хоэнтюбинген. Она представляла собой ряд тесных помещений с глубоко утопленными в стены арочными окнами, выходившими на реку Неккар и долину реки Аммер. Мишер полюбил это место, где под руководством Гоппе-Зейлера занялся изучением состава нейтрофилов и других белых кровяных телец (лейкоцитов), циркулирующих в кровяном русле и нейтрализующих чужеродные клетки и частицы, тем самым препятствуя инфекциям. Лейкоциты были выбраны потому, что они содержатся в крови, а не в более плотных тканях организма, и, следовательно, их легче выделить и очистить. Кроме того, у этих клеток относительно крупное ядро, хорошо видное в световой микроскоп, а ядро – это, можно сказать, центр управления клетки.

Оказалось, что лучше всего получать лейкоциты из серо-зеленых, пропитанных гноем бинтов с ран хирургических пациентов. В середине XIX в. хирурги считали, что гной как побочный продукт заживления операционной раны имеет доброкачественный эффект и чем больше образуется гноя, тем выше шансы на выздоровление. Как теперь известно, нагноение чаще всего возникает из-за нечистых рук и инструментов, а избыточное выделение гноя приводит к послеоперационной инфекции. Нередко из-за «доброкачественного» гноя инфекция распространялась с кровотоком по всему организму и развивалось смертельно опасное состояние – сепсис.

Как часто случается в научном поиске, Мишеру сыграло на руку появление новой технологии, разработанной другим исследователем, а именно Виктором фон Брунсом, возглавлявшим хирургическую клинику Тюбингенского университета. Профессор фон Брунс придумал хлопковый тканый материал с высокими абсорбирующими свойствами, которому дал название «ватный хлопок» (теперь он называется марлей). Вместе с послеоперационными инфекциями этот новый перевязочный материал, впитывающий жидкости как губка, ежедневно обеспечивал Мишера гноем{35}.

Со временем Мишер нашел наилучший способ отделять нежные лейкоциты от жидкой части гноя из перевязочного материала, не повреждая и не убивая их, что было непростой задачей. К счастью, с его, как говорится, легкой руки появился метод, который позволил получить в осажденном виде ранее не описанное вещество с высоким содержанием фосфора, проявлявшее свойства кислоты. Мишер установил, что это вещество содержится только в ядре клетки, и назвал его нуклеином (от латинского nucleus – «ядро»). В наше время обнаруженное Мишером вещество называется дезоксирибонуклеиновой кислотой, сокращенно ДНК{36}. Зачастую ошибочно говорят, будто Уотсон и Крик открыли ДНК. В действительности они открыли молекулярную структуру вещества, которое Фридрих Мишер выделил и охарактеризовал химически на восемьдесят четыре года раньше – в 1869 г.

В 1871 г. Мишер перебрался из Тюбингена в Лейпциг, где стал работать под руководством прославленного физиолога Карла Людвига{37}. В том же году он подготовил статью о своих исследованиях нуклеина, и после тщательной проверки результатов, отличавшихся высокой воспроизводимостью, Феликс Гоппе-Зейлер согласился опубликовать ее в престижном журнале Medicinisch-chemische Untersuchungen, редактором которого являлся. В редакционном предисловии к статье Мишера Гоппе-Зейлер авторитетно подтвердил научную новизну открытия нуклеина{38}.

В следующем году Мишер вернулся в родной Базель проходить хабилитацию – читать лекции и готовиться к занятию академической должности согласно процедуре, принятой для молодых врачей Германии, Австрии и Швейцарии в XIX в.{39} В возрасте 28 лет он получил предложение возглавить кафедру физиологии и занять должность профессора в Базельском университете. Поскольку в этом учебном заведении высокие посты принадлежали его отцу и дяде, коллеги-завистники безосновательно жаловались на кумовство. Мишер, став блестящим исследователем, доказал, что они ошибаются.

Поскольку Базель раскинулся на берегах Рейна, одной из важнейших отраслей хозяйства в городе была ловля лосося. А сперматозоиды лосося легко выделить и очистить даже теми методами, которые были известны во времена Мишера. Кроме того, эти клетки имеют очень крупное ядро, так что из них получается много нуклеина, пригодного для исследований. И Мишер взялся за рыбалку, чтобы обеспечить себе неиссякаемый источник молок лосося. Химический анализ тогда был очень трудоемким и долгим, к тому же поначалу образцы нуклеина бывали загрязнены белками и входящей в их состав серой, но в конце концов Мишер установил, что нуклеин состоит из углерода, фосфора, водорода, кислорода и азота.

В 1874 г. Мишер опубликовал сообщение о том, что ядра клеток различных видов позвоночных имеют много общего, но и несколько различаются. В частности, в этой статье есть сформулированное довольно сдержанно, но по сути сенсационное предположение, что если конкретной причиной оплодотворения является индивидуальное вещество, то следует рассматривать в первую очередь нуклеин{40}. Однако Мишер не мог объяснить, каким образом столь сложным процессом, как репродукция, может управлять единственное химическое соединение с таким ограниченным разнообразием, и сделал вывод, что, как он выразился, «не существует конкретного вещества, определяющего оплодотворение»{41}.

Как и Грегор Мендель, Мишер был вынужден заниматься административными делами, теряя на них время, которое лучше было бы посвятить размышлениям. Он умер от туберкулеза в 1895 г. на 52-м году жизни. В его честь назван Институт медико-биологических исследований Базельского университета. Однако за пределами Базеля лишь немногие помнят имя и труды Мишера. Прошло больше полувека, прежде чем удалось выяснить функции и роль ДНК. К сожалению, до этого в академических кругах понимание природы наследственности было далеко от истины.