Дискуссионный  клуб
научно-популярного журнала
"ЭКОЛОГИЯ И ЖИЗНЬ"

У истоков новой биологии

C.Э. Шноль,
 профессор МГУ

Начатый в прошлом номере журнала цикл лекций ведущих ученых страны на общую тему «Новые технологии для устойчивого развития» продолжает рассказ о становлении основной дисциплины современного комплекса наук о живом — молекулярной биологии, исследующей свойства жизни на молекулярном уровне.
 

10 января 1894 г. в Политехническом музее, на IX Всероссийском съезде естествоиспытателей и врачей известный химик, профессор Московского университета А.А. Колли выступал с докладом, в котором впервые задал вопрос: «Как такие маленькие клетки хранят столько наследственных признаков?». Ответа он не дал, но поставил первый вопрос молекулярной биологии. На съезде собрались думающие люди, в том числе студенты, и именно к ним был обращен вопрос Колли.
Пришел туда и Л.Н. Толстой, относившийся к науке с предубеждением. Незадолго до этого он написал статью «Наука и культура», где утверждал, что просвещение и культура народу нужны, а наука — пустое занятие, удовлетворение любопытства ученых. Объектом для своих нападок он избрал именно клетки и с неприязнью писал, что ученые открыли какие-то клеточки, а в них — какие-то «штучки». И нет конца этим занятиям, и толку от них нет, и за всю историю науки ученые ничего народу не дали — ни одного съедобного растения, разве что картофель, да и тот не они, а путешественники привезли. И вот Толстой вошел в зал как раз в то время, когда профессор Московского университета М.А. Мензбир рассказывал, как устроена клетка и что собой представляют хромосомы (которые Толстой и обозвал «штучками»). Затем на трибуну поднялся Колли и начал говорить о каких-то молекулах и какой-то наследственности, мучая присутствующих упомянутым вопросом. Лев Толстой был разочарован. Незадолго до этого И.И. Мечников пытался его переубедить. Приехав в Ясную Поляну, он целый день рассказывал о научных достижениях и уехал, считая, что убедил Толстого. А Лев Николаевич потом писал в дневнике: «Был тут Илья Ильич… столько всего наговорил. Рассказывал, в крови нашли какие-то лейкоциты. Какая гадость!». Я не случайно выделил этот эпизод — ныне государству тоже не до ученых с их «штучками», пользы от которых обывателю мало.
Но вернемся в аудиторию, где среди слушателей был студент IV курса университета Н.К. Кольцов, которого потряс вопрос Колли. Ответить на него тогда было невозможно. Кольцову, как в сказке, пришлось искать ответ на вопрос Колли 30 лет и 3 года.

Макс Дельбрюк (1906–1981) Николай Константинович Кольцов (1872–1940) Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский (1900–1981) Джеймс Уотсон (р. 1928)

Родоначальник
По завершении обучения Кольцова оставили при университете и направили за границу, где он выполнил блестящие работы, в том числе на знаменитой биостанции под Неаполем. Но в 1905 г. за участие в революционной деятельности его уволили из университета — научный руководитель Кольцова Мензбир счел это опасным. Некоторое время Кольцов преподавал на Высших женских курсах. В 1908 г. в Москве открылся не имевший аналогов Народный университет им. А.Л. Шанявского (созданный по инициативе и на деньги энтузиаста народного образования генерала Шанявского). Кольцову первому там предложили кафедру — экспериментальной биологии. За 10 лет на этой кафедре возникла уникальная научная школа, из которой — редчайший случай в истории науки — вышли десятки великих ученых. В известном смысле вся наша биология вышла из школы Кольцова. И всем своим слушателям и сотрудникам он рассказывал о попытках ответить на вопрос Колли.
В 1916 г. умирает Колли. В разгаре первая мировая война. Каков же был авторитет Кольцова, если в то время немецкие биологи обращались к нему (в нищую Россию) с просьбой помочь науке в Германии?! В 1919 г. Кольцов возвращается в Московский университет. Связи с учеными разрушены, научных журналов нет. Сложными путями он получает из-за границы письма от коллег. Среди них — пакет с работами Т. Моргана (одного из основоположников современной генетики, проводившего знаменитые опыты на дрозофилах). Н.К. Кольцов в Москве и Ю.А. Филипченко в Петрограде пытаются преподавать хромосомную теорию наследственности Моргана. Н.К. Кольцов и С.С. Четвериков читают в Москве первый курс генетики. В 1922 г. известный генетик Г. Меллер привез из США в Москву дрозофил. Изучая их мутации и размышляя над парадоксом Колли, Кольцов постепенно приходит к мысли, что описание на молекулярном уровне размножения, наследственности и изменчивости и есть основная задача молекулярной биологии.
Постепенно он нашел ответ на мучивший его вопрос Колли. В 1922 г. он рассказал об этом студентам и лишь через пять (!) лет — на III Всесоюзном съезде гистологов, анатомов и морфологов. Смысл сводился к следующему: молекул, действительно, немного, но эти молекулы — длинные полимерные нити, в которых отдельные звенья (мономеры) определяют наследственные признаки. Оказалось, что в этом молекулярном «тексте», расположение «букв» в цепи определяет все свойства. Так оформилась главная идея молекулярной биологии!
Но в 1927 г. Кольцов не мог знать, что собой представляют «буквы». Он ошибался, отводя эту роль аминокислотам. Он также полагал, что в молекулярном «тексте» каждая «буква» определяет то или иное свойство организма. А если «буквы» менять, возникнут другие «тексты» и новые свойства (как в словах «китенок» и «котенок» замена буквы меняет животное). Итак, ответ на вопрос Колли у него был — длинные молекулы из тысяч «букв», которыми можно записать любой текст. Оставался не менее важный вопрос, поставленный уже им самим: как этот «текст» наследуется?
Как рассуждали прежде? Чтобы воспроизвести все свойства китенка или котенка, нужны катализаторы, соотносящие каждой «букве» специфический фермент. И чтобы фермент к букве «к» присоединял букву «и» или «о». Таких катализаторов нет. Даже лучшие из них дают сбои. Ошибка может составить 0,001, т. е. тысячная буква может оказаться не на месте. Но генетики к тому времени уже знали, что точность воспроизведения наследственных «текстов» гораздо выше, чем 10-3. Поэтому Кольцов предположил, что наследственные «тексты» копируются, как в типографских процессах, с использованием матриц. Матричное воспроизведение наследственного «текста» — еще одно озарение Кольцова.
Здесь я не в силах удержаться от краткого отступления. В науке (впрочем, и в других сферах деятельности), как ни странно, менее всего ценится мысль. Вот опыт — это да! А мысль — кому она нужна? Все почему-то считают, что у нас мыслей много, а опытов — мало. На самом деле свежая мысль, неожиданный взгляд на предмет — это чудо, происходящее несколько раз в столетие.

Молекулярная природа наследственной информации и ее матричное воспроизведение, открытые Кольцовым, и стали в биологии таким чудом ХХ в.

Ученики — мнимые и подлинные
Я начал этот рассказ с 1894 г. Через 33 года уже плохо помнили Колли и еще плохо понимали Кольцова. А когда молекулярная биология приобрела современный облик, почти все объявили себя его учениками. Я знал женщину, слушавшую Кольцова в 1927 г. Она рассказывала, что Кольцов, как всегда, выступал замечательно. Но он был строг, не забавлял слушателей, не рисовал картинок и… аудитория его не приняла, ему просто вежливо похлопали. Еще она запомнила, что он был в строгом черном костюме, черном галстуке и… сапогах. Это в ее памяти для нее оказалось главным — Кольцов в сапогах.
Итак, старшим поколением Кольцов не был услышан, но история повторилась — его услышали студенты, среди которых были Н.В. и Е.А. Тимофеевы-Ресовские.
Немецкие коллеги вновь и вновь просили Кольцова прочесть в Германии курс лекций по новой биологии. В конце концов, он с трудом уговорил поехать вместо себя Тимофеевых-Ресовских. Они уехали в Берлин в 1925 г., не успев даже получить дипломы, но зато усвоив идею о матричном воспроизведении как возможном механизме наследования.
Миссия предстояла ответственная — развернуть в «отсталой» Германии исследования по генетике. Обладая могучим темпераментом, отлично владея языками («издержки» аристократического воспитания), искренне веря, что в России — самая передовая наука, Н.В. Тимофеев-Ресовский с энтузиазмом взялся за дело. В Германии он проводил семинары у себя на квартире. В комнате, где они проходили, на полу лежал ковер. Молодой руководитель семинара скоро вытоптал на нем дорожку, ибо, рассказывая об интересных вещах (в том числе и о главной идее учителя), он все время бегал по ковру.
На семинаре перебывало много слушателей из разных стран. Постепенно сложилась парадоксальная ситуация — мировая общественность оказалась знакома с идеями Кольцова, а в России о них ничего не знали.
В 1929 г. на семинар попал М. Дельбрюк. Его считали надеждой физики Германии. Услышав о матричном копировании, он был поражен красотой идеи и присоединился к Тимофееву-Ресовскому и работавшему с ним физику К. Циммеру. Они облучали дрозофил узким гамма-пучком, измеряли дозу и выясняли частоту мутаций, пытаясь определить минимальный объем облученной мишени, претерпевшей мутацию. По сути, они измеряли гены. В 1935 г. в немецком научном журнале появилась их знаменитая работа о мутациях и структуре гена. Как следовало из нее, размер «мишеней», в которые должен был попасть хотя бы один квант, чтобы произошла мутация, близок к 0,3 нм, что совпадало с размерами аминокислот и нуклеотидов. Оказалось, «буквы» наследственного текста — это отдельные звенья упомянутых прежде полимерных молекул.
Считается, что научные работы надо публиковать только в самых престижных журналах. Эту опубликовали в малотиражном и не слишком известном. Оттиски разослали коллегам по всему миру. Журнал в одночасье стал знаменитым, а его оттиски в зеленой обложке с тех пор называют «Зеленой тетрадью Тимофеева-Ресовского». В этой работе были изложены все основные идеи молекулярной биологии.
В современной биологии принято ссылаться на работы не старше двух лет. Молодым ученым важно прочесть новые работы, побыстрее «подхватить эстафету» и получить грант. А тогда об этом не думали и работали несуетно, делая глубокие выводы. Подчас возникает соблазн заявить, что после публикации той работы началась новая эра в биологии. В идейном плане, пожалуй. Но внешне это было незаметно — как и прежде, в мире эти проблемы неспешно изучали два-три (может быть, четыре) человека.
После прихода к власти Гитлера Тимофеев-Ресовский хотел вернуться в СССР, но получил наказ Н.К. Кольцова: «Не возвращайтесь — сами погибнете и нам навредите!». В стране начались массовые аресты. Главной мишенью в науке стал Н.И. Вавилов. Предостережение Кольцова казалось странным, но ученик остался в Германии.

Последователи
В 1943 г. великий физик Э. Шредингер, создавший волновую механику, написал книгу «Что такое жизнь», в которой уподобил живые существа кристаллам (упорядоченным структурам «мертвой» материи), способным размножаться. Книга произвела фурор (у нас ее перевели в 1946 г.). Как только она вышла, видный английский биохимик и генетик Дж.Б. Холдейн опубликовал в самом известном научном журнале «Nature» статью, где возражал Шредингеру, утверждая, что приводимые им без ссылок на автора («биологи думают») идеи принадлежат не безымянным биологам, а великому российскому ученому Николаю Кольцову. Подобное восстановление приоритета умершего иностранца — редчайший случай в науке (затравленный Кольцов умер в 1940 г.).
Дельбрюк, перебравшийся в 1937 г. в США, сделал там массу глубоких работ по генетике и, как мог, поддерживал связь с Тимофеевым-Ресовским. В 1948 г. к нему в аспирантуру попал начинающий орнитолог Джеймс Уотсон, желавший разгадать тайны жизни и веривший, что Дельбрюк к этой разгадке ближе других. Дельбрюк, сославшись на то, что тайны зарождения жизни изучает биохимия, отправил Уотсона овладевать ею в Европу. Но тот не захотел заниматься биохимией и «бежал» в знаменитую лабораторию отца и сына Брэггов, занимавшихся рентгеноструктурным анализом. Здесь работала группа Р. Франклин, изучавшая нуклеиновые кислоты. Тогда они еще никого не интересовали, а Франклин получала лучшие рентгенограммы молекул ДНК. Расшифровать же их структуру не удавалось.

Без еще одного краткого отступления повествования не завершить. В конце 1920-х годов выяснилось, что нуклеиновые кислоты содержат повторяющиеся четверки азотистых оснований А, Г, Т, Ц (аденин, гуанин, тимин, цитозин). А в 1942 г. открыли, что в клетках за наследственность отвечает ДНК и что А в них столько же, сколько Т, а Г столько же, сколько Ц, но А и Г не связаны.

До Уотсона в этой лаборатории оказался английский физик Ф. Крик, который, увидев рентгенограммы ДНК, связал видимые на них кресты со спиральными структурами. Все пытались обнаружить какую-нибудь спираль.
Когда же Уотсон поведал о матричной репродукции, усвоенной им от Дельбрюка, на «позаимствованных» у Р. Франклин рентгенограммах проступили ныне знакомые всем очертания. Если в оригинале пары выглядят так: А — Т, Ц — Г, в копии напротив Т будет А, а напротив Г — Ц, так что она повторит оригинал.
Все встало на свои места. Крик и Уотсон быстро построили двойную спираль. Они больше всего боялись, что об открытии узнает Л. Полинг, который работал над той же проблемой. В страшной спешке они подготовили статью в «Nature», появившуюся в марте 1953 г. Принято считать, что молекулярная биология началась с этой статьи. Мне же хотелось докопаться до подлинных ее истоков.
Уже став Нобелевским лауреатом, Уотсон уверял, что понятия не имел о Кольцове. Он действительно не знал о том, что гипотезу о молекулярном строении и матричной репродукции наследственных «текстов» выдвинул Кольцов, как не знал об этом Шредингер. Если бы не Холдейн, было бы трудно отстоять приоритет Кольцова. В науке идеи сначала пропитывают все вокруг, а потом кого-то осеняет замечательная мысль, и он может не знать, откуда она взялась, придумав то, что на самом деле уже сделано и где-то как-то прозвучало.
Я немного сгустил краски, описывая Крика и Уотсона. Только что на русском языке вышло второе издание одной из лучших книг ХХ в. — «Двойной спирали» Уотсона. Среди книг о науке она не имеет аналогов по откровенности. В ней Нобелевский лауреат честно признается в… нечестности. Ведь они просто-напросто стащили рентгенограмму ДНК у Франклин, заодно обозвав ее неприятной женщиной. Это не согласуется с нравственными принципами и традициями высокой науки, но… победителей не судят (?!). Крик и Уотсон — великие люди, много сделавшие для науки. Уотсон — главный молекулярный биолог современности — возглавляет замечательную лабораторию в Коулд-Спрингсе (США), где проходят многочисленные симпозиумы, на которых собираются лучшие из лучших и обсуждают самые глубокие проблемы биологии. И все же полезно прикоснуться к истокам. Не только из нравственных соображений — у предшественников можно найти немало полезных идей и важных фактов. Так что еще раз перечислим главных действующих лиц этого захватывающего сюжета: Колли—Кольцов—Тимофеев-Ресовский—Дельбрюк—Уотсон.
Только что опубликован геном человека. Расшифрованных «текстов» все больше. Но свой мы пока не понимаем — это задача XXI в. Не исключены и неожиданности: оказалось, генов у нас гораздо меньше, чем думалось (мы-то считали себя очень сложными, а по числу генов от дрозофилы недалеко ушли). Зачем-то в геноме очень много «молчащих» и непонятных последовательностей генов — что-то мы в себе носим, какую-то «тайну». Еще недавно мы гордились тем, что от шимпанзе заметно отличаемся, а сейчас усомнились в этом (геномы различаются меньше, чем на 1%). Так что, познакомившись с основами молекулярной биологии, предвосхищенными Кольцовым, нам следовало бы быть мудрее и скромнее.

Записал
Ю.Н. Елдышев