Тайна жизни: Как Розалинд Франклин, Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик открыли структуру ДНК - Маркел Ховард - Страница 23

Стипендия позволила Полингу поехать с женой в Мюнхен по приглашению директора Института теоретической физики Арнольда Зоммерфельда. Зоммерфельд, много сделавший в квантовой теории атома, был одной из ключевых фигур мюнхенской школы теоретической физики, в числе его учеников Вернер Гейзенберг, Поль Дирак и Вольфганг Паули, ставшие лауреатами Нобелевской премии по физике{258}. В институте Полинг познакомился с лучшими европейскими физиками и химиками, которые рассказали ему о своих исследованиях. Полинг был убежден, что квантовая теория – ключ к пониманию структуры и «поведения» молекул, атомов и химических связей{259}. Фонд Гуггенхайма предоставил Полингу дополнительные средства, на которые он отправился в Копенгаген, где посетил знаменитый Институт Нильса Бора и соприкоснулся с Der Kopenhagener Geist der Quantentheorie («копенгагенским духом квантовой теории»), воплощавшим идеал интеллектуального сотрудничества{260}.

Осенью 1927 г. Полинг вернулся в Калтех. Он сделал головокружительную карьеру и в 29 лет стал профессором. В 1931 г. на лекцию Полинга о применении волновой механики к пониманию химических связей пришел немецкий физик, принятый на работу в Калтех. Когда какой-то газетный репортер поинтересовался его мнением о лекции, физик замялся, признавшись: «Она была слишком сложной для меня». Физика звали Альберт Эйнштейн{261}. В том же году А. Нойес назвал Полинга восходящей звездой, ученым, уже достойным Нобелевской премии{262}. К 1933 г. Полинг вплотную приблизился к этому достижению; он был избран в Национальную академию наук, что является очень высокой оценкой у американских ученых.

В 1937 г. Полинг пригласил британского физика и молекулярного биолога Уильяма Астбери, который прекрасно разбирался в рентгеноструктурном анализе, прочесть цикл лекций в Калтехе. Астбери, будучи профессором Лидсского университета, где преподавал текстильное дело, изучал молекулярную структуру натуральных волокон – шерсти, хлопка и др. Он привез большую коллекцию превосходных рентгенограмм волокон кератина – основного белка волос, ногтей, когтей, рогов, перьев и внешних слоев кожи позвоночных{263}. Астбери, как никто другой, знал, как немыслимо сложно расшифровывать эти изображения, состоящие из линий, точек, пятен и мазков. Нередко после интерпретации колоссального набора данных полученные результаты вызывали сомнение у других ученых, которые пересматривали бо́льшую часть их или вовсе отвергали.

Астбери предложил ряд потенциально возможных структур кератина, которые, по его мнению, согласовывались с имеющимися данными. Однако Полинг, изучив рентгенограммы, не согласился с его выводами, поскольку о структуре аминокислот, из которых состоят белки, в ту пору было очень мало надежных сведений и никто, по существу, не занимался этой проблемой интенсивно и систематически. Досконально зная научную литературу, он считал, что опубликованные рентгеноструктурные исследования аминокислот ошибочны: «Я знал – то, что говорит Астбери, неверно, потому что наши исследования простых молекул дали нам достаточно знаний о длинах и углах связей и о формировании водородных связей, чтобы доказать ошибочность его утверждений. Однако я не знал, что же верно»{264}.

Семью годами ранее, в 1930 г., Полинг начал разрабатывать новый путь определения молекулярной структуры неорганических соединений кремния – силикатов{265}, сочетавший квантовую химию, теоретическую физику и блестящую интуицию. Сначала Полинг постарался узнать все возможное о размерах и форме составных частей молекулы. Затем он сделал ряд обоснованных предположений о химических связях, удерживающих вместе атомы, образующие молекулу. Межатомные связи дают представление об углах, изгибах и поворотах, то есть о трехмерной структуре молекулы. На основании этой информации Полинг строил модели из шариков, палочек и геометрических форм, изготовленных с соблюдением пропорций, воссоздавая расположение атомов в молекуле. Полученные модели Полинг сравнивал с данными рентгеноструктурного анализа; если они совпадали, значит, химические связи и форма молекулы предсказаны верно{266}.

Задолго до того, как были написаны последние строки классического труда «Природа химической связи и структура молекул и кристаллов», изданного в 1939 г., Полинг собирался переключиться на исследование сложных органических соединений – биологических макромолекул. Он полагал, что форма молекулы белка определяется водородными связями. Водородная связь возникает в силу взаимодействия электроотрицательного атома или группы атомов и атома водорода, связанного ковалентно с другим электроотрицательным атомом и потому несущего частичный положительный заряд. Поскольку эти связи определяют форму молекулы, то, как полагал Полинг, они важны и для свойств вещества, а значит, для его биологической функции – будь то взаимодействие антигена с антителом, мышечное сокращение или передача сигналов между клетками нервной системы. Он ожидал, что путь к пониманию молекулярной структуры белков займет много лет, но верил в успех{267}. Понадобилось одиннадцать лет, чтобы выяснить общее строение белков.

Еще до решения этой задачи Полинг начал размышлять о том, как гены воспроизводятся и как передаются признаки от одного поколения другому{268}. В 1940 г. он написал короткую статью в соавторстве с Максом Дельбрюком, также работавшим в Калифорнийском технологическом институте. (Дельбрюк восхищался книгой Шрёдингера «Что такое жизнь?», а Полинг находил ее пустой болтовней{269}.) Эта статья, опубликованная в журнале Science, опровергала идею немецкого физика-теоретика Паскуаля Йордана, считавшего, что в основе наследственности лежит передача информации между одинаковыми молекулами. Опираясь на свои знания о ковалентных связях, Полинг и Дельбрюк предсказали: «Эти взаимодействия таковы, что обеспечивают стабильность системы из двух противопоставленных молекул с комплементарными структурами, а не из двух молекул с непременно одинаковыми структурами»{270}. Так взаимодействуют ключ и замок: зубцу ключа (одной молекулы) соответствует углубление в замке (комплементарной молекуле). В 1940-е гг. Полинг продвигал эту завораживающую, но пока не доказанную гипотезу{271}, и она не осталась не замеченной Джеймсом Уотсоном и Фрэнсисом Криком. Комплементарность – один из важнейших принципов, позволивших раскрыть тайну строения ДНК.

В этот период Полинг предпочитал работать вместе с биохимиком Робертом Кори, превосходно владевшим рентгеновской кристаллографией. Вследствие перенесенного в детстве полиомиелита у Кори была частично парализована левая рука и он сильно хромал, так что ходил с палочкой, отличался хрупкой конституцией и застенчивостью. Получив степень PhD в области химии в Корнеллском университете в 1924 г., Кори преподавал там аналитическую химию до 1928 г., когда ему дали стипендию Рокфеллеровского института медицинских исследований, где в 1930 г. предложили место на кафедре биофизики. В этом же институте Освальд Эвери изучал «трансформирующую субстанцию» у пневмококков. К сожалению, в 1937 г. лабораторию Кори распустили, потому что во время Великой депрессии даже Рокфеллерам пришлось затянуть пояса.