* * *
Уотсон начал работу в Кавендишской лаборатории в 1951 году, когда Лайнус Полинг опубликовал свою работу об альфа-спирали белка. Это открытие так потрясло Уотсона, что в течение всего времени работы с Криком над структурой ДНК он постоянно озирался на Полинга.
И у него были все основания считать того своим главным конкурентом. Полинг, получивший Нобелевскую премию по химии в 1954 году, уже превозносился историками науки как один из самых влиятельных химиков на свете. Его лучшей (хотя и не единственной блестящей) идеей стало применение квантовой теории к химическим связям атомов в молекулах, в частности, в сложных органических соединениях - кирпичиках, из которых выстроена сама жизнь.
ХХ век стал временем поразительных достижений в астрономии. Ученые исследовали звезды, галактики и черные дыры, узнали о существовании сил, управляющих Вселенной. Столь же важными, хотя и не нашедшими такого широкого признания у общественности, были достижения химиков и биохимиков в изучении микромира атомов и молекул. Атомы в молекулах жизни соединяются между собой двумя типами связей. Один из них называется ковалентной, а второй - водородной связью. Полинг применил к силам, участвующим в формировании этих связей, принципы квантовой механики.
Перед нами не стоит задача постичь сложные математические основы прикладной физики - нам нужно понять лишь базовые механизмы. Проще всего разобраться с ними на примере знакомой всем нам молекулы воды.
Всем известно, что химическая формула воды - H 2 O. Это означает, что молекула воды состоит из одного атома кислорода и двух атомов водорода. Но как они связываются между собой, формируя стабильное вещество, с которым мы сталкиваемся ежедневно? Молекулу воды можно сравнить с планетой (атом кислорода), вокруг которой вращаются две луны (атомы водорода). Пользуясь такой моделью, легко представить, как сила гравитации удерживает водородные луны на орбитах вокруг кислородной планеты. В молекулярных масштабах сила, притягивающая два атома водорода к атому кислорода, называется ковалентной связью. Если мы рассмотрим атом на ультрамикроскопическом уровне, то увидим, что в ядре каждого атома водорода содержится один положительно заряженный протон, а вокруг ядра вращается один отрицательно заряженный электрон. Ядро атома кислорода содержит восемь положительно заряженных протонов, а по орбитам вокруг него движутся восемь электронов с отрицательным зарядом. Эти электроны расположены на двух орбитах: два - на внутренней и шесть - на внешней. При формировании молекулы воды два электрона, вращающиеся вокруг ядер атомов водорода, совмещаются с двумя из шести электронов, находящихся на внешней орбите атома кислорода. Спаренные электроны продолжают притягиваться к протонам своих ядер и, таким образом, оказываются соединенными как с ядрами атомов водорода, так и с ядром атома кислорода. Такое совмещенное притяжение формирует стабильную ковалентную связь между двумя атомами, точно так же, как и сила гравитации создает стабильные орбиты двух лун, вращающихся вокруг нашей воображаемой кислородной планеты.
Водородные связи действуют по-другому. Снова возьмем для примера молекулу воды, но теперь рассмотрим взаимодействие между самими молекулами. Между молекулами, содержащими водород и более тяжелые атомы, например азот, кислород или фтор, возникают силы притяжения, более слабые и менее стабильные, чем ковалентные связи. Молекулы воды состоят из водорода и кислорода, поэтому между ними формируются водородные связи. Плотность связей между молекулами объясняет разницу между водой в газообразной (пар), жидкой и твердой (лед) форме. Когда вода находится в твердом состоянии, ее молекулы, соединенные водородными связями, формируют нечто вроде кристалла. В жидкой воде водородные связи могут соединять разное количество молекул. В паре за счет добавления дополнительной тепловой энергии водородные связи разрываются, в то время как ковалентные связи, скрепляющие атомы внутри молекул, остаются неизменными.
Итак, водородные связи слабы и нестабильны при нагревании, а на ковалентных связях оно не отражается. Такие же два типа связей присутствуют в структуре органических соединений, например белков. Кроме того, они важны и для понимания строения ДНК.
За период с 1927 по 1932 год Полинг опубликовал около 50 научных работ, в которых описывал проведенные им дифракционные исследования, совмещенные с теоретическими расчетами в области квантовой механики. Эти исследования позволили ему вывести пять правил, известных сейчас как правила Полинга и позволяющих ученым предсказывать характер связей, соединяющих атомы в молекулах. Как минимум три из этих правил были основаны на трудах Брэгга, и подобное присвоение чужих результатов повергало того в ярость. Вражда между двумя учеными была неизбежна. Труды Полинга в области химических связей были настолько необычными, что в 1954 году он удостоился Нобелевской премии. Новый уровень понимания позволил Полингу точно визуализировать форму и параметры молекул в трехмерном пространстве. В Калтехе Полинг применил свои знания вместе с технологиями рентгеновской дифракции, разработанными Брэггом, к крупным белковым молекулам. Например, он доказал, что молекула гемоглобина (предмет исследований Перуца) меняет физическое строение после присоединения или утраты атома кислорода. На этом Полинг не остановился, и его исследования молекулярной структуры белков продолжились.
Первые рентгеновские изображения волокнистых белков были получены за несколько лет до этого в университете Лидса Уильямом Томасом Астбери, физиком, присутствовавшим на лекции Уилкинса в Неаполе. Именно на них строились предположения, которые Крик подвергал сомнению в Кавендишской лаборатории. В течение многих лет Полинг пытался применить квантовые расчеты к рентгенограммам Астбери, но результаты никак не сходились. Ему и двум его коллегам, Роберту Кори и Герману Брэнсону, потребовалось 14 лет, чтобы достичь желаемого прорыва.
Базовая структура всех белков строится на основе аминокислотного кода, "буквами" которого являются двадцать разных аминокислот. Химические связи, соединяющие аминокислоты в первичную цепь, называются пептидными связями. Полинг и его коллеги увидели, что пептиды соединяются между собой в двухмерной плоскости (такая связь называется плоскостной). Из-за устаревшего оборудования Астбери сделал серьезную ошибку при создании рентгенограмм: молекулы белков на них отклонились от естественных плоскостей, что затрудняло математическую экстраполяцию их структуры. Исправив ошибку Астбери, Полинг обнаружил, что по мере роста цепочки аминокислот формирующаяся базовая структура белка начинала напоминать витую пружину, закручивающуюся вправо, - так называемую альфа-спираль. Это открытие поразило Уотсона, вернувшегося из Неаполя.
В это время в Кембридже сэр Лоуренс Брэгг был крайне разочарован, что группа Полинга обошла его сотрудников и первой открыла структуру белка. Хотя у этой ситуации была и обратная сторона: Перуц использовал открытие Полинга, чтобы переоценить всю свою работу над молекулой гемоглобина. Эта переоценка в итоге помогла ему раскрыть структурную тайну гемоглобина и обеспечила получение Нобелевской премии по химии в 1963 году. Работа Полинга также заставила насторожиться Уотсона. Сразу по прибытии в Кембридж он понял, что у них с Криком имеется весьма знающий и могущественный соперник в гонке за следующим открытием - трехмерной структурой ДНК.
* * *
Как отмечал Крик в ежедневных беседах и дискуссиях с Уотсоном, их главная проблема состояла в том, что они не могли полагаться на полученные Полингом результаты. "Данные могут быть ложными. Данные могут увести тебя в неверном направлении", - говорил он. Скептически глядя на общепринятые экспериментальные данные, Уотсон и Крик попытались создать свою физическую модель. Иными словами, они полагались на существующую информацию в той же степени, что и на творческие порывы собственного воображения.
Партнеры начали задаваться вопросом, может ли ДНК, как и белки, иметь спиральную структуру. В частности, Уотсон предлагал воспользоваться методом Полинга, который любил строить трехмерные модели изучаемых молекул. Для этого, как и Полингу, им нужно было задуматься об атомной структуре ДНК и собрать своего рода сложную трехмерную головоломку из атомов и связей между ними. Ученые знали, что в состав молекулы ДНК входят четыре нуклеотида (гуанин, аденин, цитозин и тимин), а также молекула сахара рибозы и неорганическое вещество фосфат. Составив их вместе в правильном порядке, Уотсон и Крик должны были прийти к разгадке занимавшей их тайны.
Теперь перед Уотсоном и Криком стояли два важных вопроса. Во-первых, если ДНК имеет спиралевидную структуру, то какая именно спираль имеется в виду. Во-вторых, как именно в подобное строение вписывается молекула фосфата. Фосфат кальция входит в состав костей, раковин и известняка - камня, сформировавшегося из останков древних морских организмов. Присутствие фосфата указывало на укрепление цепочки ДНК, на своего рода химические "леса", или, может быть, ось. Но как она может располагаться относительно пока неизвестной нам спирали? Где и как в этой структуре появляется сахар? Сам код, очевидно, должен записываться нуклеотидами, играющими роль букв. Каждый ингредиент важен сам по себе. Но каким образом они объединялись в более или менее осмысленное целое?
Ответ на этот вопрос могли подсказать дифракционные паттерны. А значит, Уотсону и Крику требовалась помощь Мориса Уилкинса и Розалинд Франклин (Рози, как Уотсон называет ее в своей автобиографии), которые проводили рентгенологические исследования волокон ДНК в лондонском Кингс-колледже.
* * *
Розалинд Элси Франклин родилась в 1920 году в Лондоне в богатой еврейской семье. С раннего детства она была смышленой и настойчивой - в самом деле, имела хорошие научные задатки. Кроме того, она обладала боевым, если не агрессивным характером, который не всегда был полезен, учитывая, как предвзято тогда относились к евреям и женщинам в высшем образовании и науке. Не помогало и то, что отец, человек с таким же взрывным темпераментом, не одобрял ее попыток сделать карьеру в науке. На второй год пребывания Розалинд в кембриджском Ньюхэм-колледже он, угрожая урезать содержание, потребовал, чтобы она бросила учебу и занялась практической работой для помощи стране в военное время. Только при поддержке матери и тетушки Розалинд смогла успокоить отца и продолжить обучение.
Франклин занималась физической химией, и ее учебный курс включал лекции, множество материалов для чтения, лабораторные эксперименты в области физики и химии, а также математику, применимую ко всем этим отраслям знания. Одним из обязательных текстов для студентов была работа Лайнуса Полинга "Природа химической связи".
Молодая Розалинд была очень разочарована, когда получила вторую, а не первую степень бакалавра наук в 1941 году. Тогда женщины-ученые сталкивались с такой дискриминацией, что ей и другим выпускницам Ньюхэм-колледжа пришлось ожидать формального присвоения степени до 1947 года, все это время оставаясь в полном неведении относительно того, произойдет ли это когда-нибудь.
Как и Фрэнсис Крик, во время Второй мировой войны Франклин работала на национальную армию. В рамках своей докторской работы она изучала плотность и пористость угля для определения эффективности разных его типов в качестве топлива. После окончания войны она продолжила труды в этом направлении в Государственной центральной лаборатории химических исследований в Париже под руководством Жака Меринга. Он и познакомил Розалинд с рентгеновской кристаллографией, которую применял для изучения волокон, например искусственного шелка. Меринг выглядел как "типичный соблазнительный француз" с "высокими татарскими скулами, зелеными глазами и волосами, залихватски зачесанными поверх залысин". Тем не менее Розалинд с удивлением обнаружила, что он был евреем. Судя по всему, молодая и все еще наивная девушка влюбилась в Меринга. На тот момент он был женат, но его жены "нигде не было видно".
Бренда Мэддокс, одна из биографов Франклин, обращает внимание на то, что самые творческие работы и продуктивные исследования удавались Розалинд в сотрудничестве с коллегами мужского пола и еврейского происхождения. Очевидно, Меринга также привлекла элегантная стройная молодая женщина с блестящими черными волосами и сверкающими глазами. Они проводили целые дни за обсуждениями возможных значений рентгеновских изображений и спорами об атомной структуре молекул.
Однако увлечение Франклин Мерингом было болезненно прервано в феврале 1951 года, когда она приняла предложение занять место научного сотрудника в биофизическом отделении Совета медицинских исследований в лондонском Кингс-колледже, которым руководил Джон Туртон Рэндалл. Ее назначение совпало с крупными послевоенными изменениями в департаменте, направленными на включение в него новой, только зарождающейся отрасли - биофизики. Точный характер и цель назначения Франклин были предметом споров, в частности, потому, что между первым предложением и принятием Франклин должности Рэндалл изменил описание вакансии. Изначально Розалинд согласилась участвовать в дифракционном исследовании белков, но затем, еще до подтверждения решения, Рэндалл написал ей и предложил сменить предмет исследований на ДНК. По словам Мориса Уилкинса, это было сделано по его инициативе. Но, как бы там ни было, Франклин согласилась. Ей предложили в помощники многообещающего выпускника Реймонда Гослинга. Проблема была лишь в том, что новое направление исследований было изначально сопряжено с рядом трудностей.
Именно Уилкинс, заместитель директора отделения Совета медицинских исследований при Кингс-колледже, разжег в Уотсоне искру вдохновения своей неапольской лекцией 1950 года. Он же инициировал изучение ДНК в своем отделении, однако на момент назначения Франклин подменял Рэндалла, работавшего в Штатах. До этого времени Гослинг сотрудничал с Уилкинсом в исследованиях ДНК. Вернувшись из США, Рэндалл не сообщил Уилкинсу условия, на которых он предложил место в отделе Розалинд Франклин. По словам коллеги Франклин Аарона Клуга, в результате этого возникла "злополучная двусмысленность относительно позиций Уилкинса и Франклин в отделе, которая привела к возникновению отчужденности между ними и разделению исследований ДНК в Кингс-колледже".
Вот выдержка из письма, написанного Рэндаллом Франклин, в котором излагаются условия ее работы:
…что касается рентгеновских исследований, на данный момент в отделе будете лишь Вы и Гослинг, а также временный лаборант, выпускник из Сиракьюза мистер Хеллер.
Эта цитата явно показывает, что Франклин должна была заняться рентгеновской дифракцией, но примечание "на данный момент" является слишком размытым. Тем не менее в письме не говорилось о том, что Франклин должна игнорировать работу Уилкинса или отказываться от сотрудничества с другими работниками лаборатории.
Уилкинс совместно с Гослингом инициировал рентгеновские дифракционные исследования ДНК в своем отделе. В результате были получены лучшие (вплоть до настоящего времени) рентгенограммы, демонстрирующие ключевое свойство ДНК - упорядоченную и похожую на кристалл структуру ее молекулы. В Париже Франклин научилась применять дифракционные техники к веществам с ограниченной упорядоченностью. Но даже Клуг, который поддерживал ее во всем, говоря о ее работе во Франции, признавал: "Важно понимать, что… Франклин не получила формальных навыков кристаллографии".
В начале 1950-х годов Уилкинс жаловался на низкое качество рентгеновской аппаратуры, которая не была предназначена для изучения тонких волокон. По его предложению отдел приобрел новую рентгеновскую трубку, однако та пролежала без дела целый год, пока Уилкинс был занят работой в качестве заместителя директора отдела. Прибыв в Кингс-колледж, Франклин, естественно, полагала, что исследования ДНК станут ее персональным проектом, в то время как Уилкинс рассчитывал, что Розалинд продолжит его труды в качестве научного партнера с того места, где он остановился. Впоследствии он признавал, что ему недоставало квалификации для дальнейшей работы с технологиями рентгеновской дифракции и требовался преданный делу квалифицированный коллега. "Вот почему мы и наняли Розалинд Франклин".
К сожалению, Франклин и Уилкинс разошлись во взглядах на ее роль. Тем не менее несогласию совсем не обязательно было перерастать во вражду, как личную, так и профессиональную. Сложности, вызванные неоднозначным поведением Рэндалла, легко можно было бы преодолеть, будь на то желание обеих сторон. Однако Франклин, по мнению обоих ее биографов, не была готова идти на компромисс.
О предубеждении против женщин в науке, существовавшем в то время, написано достаточно много. В частности, американская журналистка и подруга Франклин Энни Сайр написала ее биографию, в которой утверждала, что в Кингс-колледже существовало особо недружелюбное отношение к коллегам женского пола, и Франклин пыталась утвердить свое место в сфере, которая на тот момент была практически полностью мужской. Однако еще один журналист из США, Хорас Фриленд Джадсон, решив исследовать этот вопрос, выяснил, что из 31 научного сотрудника Кингс-колледжа в то время восемь были женщинами, некоторые из них занимали достаточно высокие должности в отделе Франклин. Во второй биографии Франклин авторства Бренды Мэддокс говорилось, что в целом к женщинам в Кингс-колледже относились хорошо. О том же пишет и Крик, а уж он-то успел хорошо узнать Франклин за годы после открытия ДНК. Даже самая бытовая претензия Сайр - о том, что женщинам якобы запрещали входить в главную столовую и участвовать в беседах за обедом, - оказалась неправдой. Столовых в колледже было две. Одна из них действительно была предназначена только для мужчин, но там в основном обедали интерны англиканского вероисповедания. Основной столовой пользовались все сотрудники отдела, включая самого Рэндалла.
Холодность в отношениях между Уилкинсом и Франклин возникла вовсе не в результате предубеждений против женщин и, вероятно, даже не из-за формулировки, присутствовавшей в письме Рэндалла. Судя по всему, она объясняется различиями в характерах обоих ученых. Только Уилкинс пытался найти хоть какой-нибудь компромисс и даже спрашивал коллег, как ему поступить. Однако его ближайший соратник Александр (Алекс) Стоукс оказался еще более мягким, чем он сам. По мнению Бренды Мэддокс, Уилкинс и Франклин могли бы сработаться, ведь Уилкинс обладал прекрасными манерами и, несмотря на неуверенность в себе, нравился женщинам. Он хорошо разбирался в математике и прекрасно знал вопросы, которыми занималась Франклин. Однако, по словам Мэддокс, "конфронтация была единственной тактикой Франклин, когда ее загоняли в угол". Например, работая над своим магистрантским проектом, она однажды поссорилась со своим профессором Р. Дж. У. Норришем. Вспоминая об этом, Франклин говорила: "Я стояла перед ним… и это была настоящая буря… он заставил меня презирать себя настолько сильно, что впредь никакие его слова уже не задевали меня. Он дал мне чувство бесконечного превосходства, которое возникало в его присутствии".
Даже Сайр, которая во всем поддерживала подругу, признавала, что такое описание профессора было слишком неточным и злым с ее стороны. Профессор Норриш получил Нобелевскую премию по химии в 1967 году.