В этой области она прогрессировала очень быстро и вскоре опубликовала открытие, доказав, что основания ДНК по сути своей очень изменчивы и способны ежесекундно менять форму. Идея была очень проста, но вместе с тем имела серьезные последствия для понимания работы ДНК. Однако в 1951 году двое коллег, отрицательно относившихся к теории сестры Мириам, опровергли ее труд в совместной работе, назвав выводы ложными и «незначительными». Это было крайне унизительно. Как и всякая женщина-ученый того времени, сестра Мириам и без того несла тяжкое бремя: ей часто приходилось выслушивать снисходительные слова коллег-мужчин, которые были неизбежны, даже если речь шла о ее собственных разработках. Публичное унижение, подобное этой статье, разрушило добытую с большим трудом репутацию сестры Мириам так же легко и необратимо, как раскручиваются нити ДНК.
Это, конечно, не могло послужить большим утешением, но в течение нескольких последующих лет стало очевидным, что неудача сестры Мириам стала важным шагом для совершения главного биологического открытия ХХ века – двойной спирали ДНК Уотсона и Крика. Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик были необычными биологами для своего времени, так как чрезвычайно редко проводили опыты самостоятельно, попросту синтезируя труды других специалистов. Даже сверхтеоретик Дарвин держал целый питомник и заслужил репутацию эксперта во всех вопросах, связанных с усоногими раками, включая их сексуальные отношения. Склонность к «собирательству» порой доставляла Уотсону и Крику проблемы – самый известный подобный случай связан с Розалиндой Франклин, которая открыла важный способ подсвечивать двойную спираль рентгеновскими лучами. Однако Уотсон и Крик построили свой фундаментальный труд на десятках работ других, менее известных ученых, в том числе и сестры Мириам. Правда, ее работа не была самым важным трудом в этой области. В самом деле, ее ошибки сохранили многое из ранних, неправильных представлений о ДНК. Впрочем, как и в случае с Томасом Хантом Морганом, для нее много значило предъявление доказательств того, что кто-то столкнулся с ее ошибками. И, в отличие от многих других ученых, потерпевших крах, сестра Мириам оказалась достаточно смиренной – или достаточно сообразительной – чтобы вернуться в лабораторию и в итоге внести свою лепту в открытие двойной спирали.
В середине ХХ века биологи самыми разными способами пытались решить все ту же задачу – как же выглядит ДНК? – которую решал и Фридрих Мишер, ученый, первым открывший эту необычную смесь сахаров, фосфатов и кольцевых оснований. Наиболее досадным было то, что никто не мог определить, как длинные нити ДНК могут цепляться и сливаться друг с другом. Сейчас нам известно, что цепочки ДНК соединяются автоматически: А совмещается с Т, а Г с Ц, но в 1950-х годах этого еще никто не знал. Все думали, что символы объединяются в пары случайным образом. Поэтому ученым приходилось размещать каждую нескладную последовательность символов внутри своих моделей ДНК: порой приходилось соединять друг с другом и нескладные А с Г, и изящные Ц и Т. Ученые быстро поняли, что вне зависимости от того, как поворачивать или сжимать эти неправильные пары оснований, они будут образовывать вмятины и выпуклости, а не спирали ожидаемой обтекаемой формы. Уотсон и Крик даже попытались послать к черту этот биомолекулярный тетрис и потратили несколько месяцев, возясь с моделью ДНК, вывернутой наизнанку (и имеющей три цепочки)[26], в которой основания были размещены лишь бы как – просто чтобы поскорее сложить картинку.
Сестре Мириам удалось решить важнейшую часть задачи по определению структуры ДНК: определить точную форму оснований. То, что монахиня работает в технической области, кажется необычным и в наши дни, однако Мириам впоследствии вспоминала, что именно монахини составляли большую часть женщин-ученых, с которыми ей довелось встречаться на конференциях и съездах. Женщины в то время, как правило, отказывались от карьеры после замужества, в то время как незамужние работающие женщины (вроде Розалинды Франклин) вызывали подозрение, а то и становились мишенью для насмешек, а платили им порой так мало, что это не позволяло сводить концы с концами. При этом католические монахини, незамужние, но имеющие безупречную репутацию жительниц спокойных обителей, имели финансовую поддержку и были достаточно независимы для того, чтобы заниматься наукой.
Впрочем, нельзя сказать, что жизнь монахини была лишена проблем, как профессиональных, так и личных. Так же как Мендель – урожденный Иоанн, но Грегор в монашестве – Мириам Стимсон и ее товарки-новички приняли новые имена после прибытия в один из монастырей штата Мичиган в 1934 году. Мириам выбрала имя Мэри, но во время церемонии крещения архиепископ с ассистентом пропустили начало списка, поэтому большинство женщин были благословлены не под теми именами, которые выбрали. Никто не посмел возразить, и, поскольку для последней в списке Мириам не осталось имени, сообразительный архиепископ дал ей первое имя, которое пришло ему в голову: мужское имя Майкл. Монашество подразумевает брак с Христом, и поскольку Бог (или архиепископ) соединяет новобрачных раз и навсегда, монахини так и остались жить с неправильными именами.
Требования послушания стали еще более обременительными, когда сестра Мириам начала работать. Это очень осложнило ее научную карьеру. Вместо полноценной лаборатории она сумела выпросить у начальства лишь маленькую каморку, переделанную из ванной, и проводила опыты там. Причем и на это у нее было совсем немного времени: ей приходилось работать «коридорной сестрой», отвечающей за студенческое общежитие, а кроме того, брать полную педагогическую нагрузку. Также она была обязана даже в лаборатории носить рясу с громадным капотом вроде капюшона кобры: это ничуть не способствовало проведению сложных экспериментов. Она даже не могла водить машину, потому что капот закрывал ей обзор по сторонам. Тем не менее Мириам была по-настоящему умна – друзья прозвали ее «М2», намекая на Менделя – и, как и у Менделя, ее монашеский орден поддерживал и вдохновлял ее любовь к науке. Правда, они делали это в том числе и для того, чтобы США получили шанс побить безбожных азиатских коммунистов, однако и для того, чтобы понять, как Бог творит живых существ и позаботиться обо всех его творениях. Действительно, Мириам и ее коллеги привлекались к производству лекарств (отсюда и работа над Preparation H). Изучение ДНК было естественным продолжением этих трудов, и Мириам Стимсон, казалось, добилась успеха в конце 1940-х годов, определив форму оснований ДНК с помощью изучения их составных частей.
Сестра Мириам Майкл Стимсон, первопроходец в исследовании ДНК, носила рясу с большим капюшоном даже в лаборатории (из архивов Университета Сиена Хайтс)
Аденин, тимин, цитозин и гуанин состоят в основном из атомов углерода, азота и кислорода, однако содержат и водород, что все усложняет. Атомы водорода находятся на периферии молекул, они самые легкие и наиболее подверженные воздействию других атомов, поэтому могут занимать разные позиции, придавая основаниям различную форму. Эти различия не играют большой роли – молекула остается практически одной и той же, однако позиция атома водорода имеет значение для соединения нитей двойной спирали ДНК.
Атом водорода содержит один электрон, который вращается вокруг одного протона. Но водород обычно отделяет эту свою отрицательную частицу от внутренней, кольцевой поверхности основания ДНК. Поэтому он сохраняет способность образовывать новые связи. Нити ДНК соединяются, сопоставляя позитивно заряженные части оснований одной нити с отрицательно заряженными частями оснований – другой нити. Негативные отрезки обычно концентрируются на кислороде и азоте, которые придерживают электроны. Эти водородные связи не так прочны, как обычные химические связи, но это, наоборот, отлично, так как клетки при необходимости могут легко освободить свою ДНК.
Водородные связи были широко распространены в природе, но их появление в ДНК специалисты начала 1950-х годов считали невозможным. Водородная связь требует идеального выравнивания положительно и отрицательно заряженных участков – примерно такого, какое наблюдается между А и Т, Г и Ц. Но снова никто не знал, что в пары объединяются определенные символы, – а в других комбинациях положительные и отрицательные заряды не выстраивались так безупречно. Исследования Сестры М2 и других специалистов впоследствии запутали эту картину. В рамках своей работы Мириам Стимсон помещала основания ДНК в растворы различной кислотности (чем выше кислотность, тем больше ионов водорода содержится в растворе). Мириам было известно, что растворенные основания и водород как-то взаимодействуют: когда она осветила раствор ультрафиолетом, основания пропускали свет по-разному, что указывает на изменение формы. Однако она, рискнув, предположила, что изменения обусловлены смещением атомов водорода и что это естественным образом происходит по всей длине ДНК. Если бы это оказалось правдой, исследователи ДНК вынуждены были бы рассматривать водородные связи не только для несовпадающих оснований, но и для многочисленных форм каждого из таких оснований. Позже Уотсон и Крик с раздражением вспоминали, что даже учебники того времени показывали расположение атомов водорода в основаниях ДНК как бог на душу положит, в зависимости от предрассудков и капризов автора. Это делало построение моделей практически невозможным.
Как только сестра Мириам опубликовала статьи со своей теорией «изменчивой» ДНК в конце 1940-х годов, она почувствовала, что ее статус в научном мире значительно возрос. Впрочем, кто высоко взлетает, тот низко падает. В 1951 году два лондонских ученых доказали, что кислотные и нейтральные растворы никуда не перемещают атомы водорода из ДНК-оснований. Вместо этого растворы или прикрепляли новые атомы водорода в нечетных местах, или избавлялись от уязвимых атомов. Другими словами, эксперименты Мириам позволяли получить искусственные, не природные основания. Ее работа оказалась бесполезной для получения каких-либо знаний, связанных с ДНК, и тайна формы ДНК-оснований осталась неразгаданной.
Несмотря на ошибочность выводов сестры Мириам, некоторые технологии экспериментов, которые она представила в своих исследованиях, оказались чертовски полезными. В 1949 году исследователь ДНК биолог Эрвин Чаргафф адаптировал метод ультрафиолетового анализа, открытый Мириам. Используя эту технику, Чаргафф определил, что ДНК содержит одинаковое количество А и Т, а также Ц и Г. Он так и не смог в полной мере воспользоваться этой идеей, но разболтал об этом чуть ли не каждому встречному коллеге. Сначала он планировал передать это открытие Лайнусу Полингу – главному сопернику Уотсона и Крика, но находившийся в круизе Полинг был раздражен тем, что отпуск может прерваться, и пропустил слова Чаргаффа мимо ушей. Более дальновидные Уотсон и Крик обратили внимание на Чаргаффа (хоть он и считал их молодыми глупцами) и благодаря его озарению наконец определили, что А соединяется с Т, а Ц с Г. Это была последняя из необходимых им подсказок, и, немного доработав идеи сестры Мириам, они открыли двойную спираль.
Но что насчет водородных связей? Открытию Уотсона и Крика пятьдесят лет пели осанну, но на самом деле их модель была основана на неаргументированном и даже весьма шатком предположении. Основания в этой модели плотно упакованы внутри двойной спирали – и соединены, вероятно, водородными связями – только если каждое основание имеет определенную специфическую форму, причем в единственном варианте. Однако после разгрома работы Мириам Стимсон никто не знал, что формирует основания ДНК в живых организмах.
Решив помочь коллегам на этот раз, сестра Мириам вернулась в лабораторию. После кислотно-ультрафиолетового фиаско она исследовала ДНК, используя свет с другого конца спектра – инфракрасное излучение. Стандартный способ исследовать вещество с помощью инфракрасных лучей включает в себя погружение в жидкость, но основания ДНК не всегда могут перемешиваться должным образом. Поэтому Мириам разработала способ смешивать ДНК с белым порошком – бромидом калия. Чтобы делать достаточно тонкие образцы, пригодные для изучения, команде Мириам пришлось позаимствовать оборудование у соседней корпорации «Крайслер». С помощью этого оборудования порошок формировался в «пилюли» диаметром примерно с таблетку аспирина, затем отправлялся в цех, где пилюли штамповали промышленным прессом: полученные диски имели толщину всего в один миллиметр. Вид заходящих в грязный заводской цех группы монахинь в рясах весьма забавлял работяг, но Мириам вспоминала, что рабочие подшучивали над ними с джентльменской учтивостью. В конце концов при поддержке военно-воздушных сил лаборатория обзавелась собственным прессом, так что Мириам теперь сама могла штамповать диски (студенты вспоминали, что их преподавательница держала пресс в нижнем положении так долго, что за это время можно было произнести две молитвы Богородице). Поскольку тонкие слои бромида калия невидимы для инфракрасных лучей, проходящее через таблетку излучение затрагивало лишь А, Ц, Г и Т. И в течение следующего десятилетия исследования с применением инфракрасных лучей и дисков (в совокупности с прочей работой) доказало правоту Уотсона и Крика: основания ДНК имеют лишь одну естественную форму, единственную, которая продуцирует водородную связь. С этой и только с этой точки зрения ученые могут сказать, что постигли структуру ДНК.
Конечно, понимание этой структуры – не конечная цель: впереди было еще много исследований. Но несмотря на это, М2 продолжала заниматься незаурядной работой: в 1953 году читала лекции в Сорбонне (став первой женщиной на такой работе после Марии Склодовской-Кюри) и пока была жива – Мириам Стинсон скончалась в 2002 году в возрасте 89 лет – ее научные амбиции постепенно иссякали. В либеральные шестидесятые она перестала носить рясу с клобуком (и научилась водить), но, не считая этого небольшого отступления от правил, она посвятила свою жизнь монашескому ордену и перестала делать опыты. Ее работы позволили другим ученым-первооткрывателям, среди которых были и две женщины, разгадать, как ДНК на самом деле участвует в построении красивой и сложной жизни[27].
* * *История науки изобилует дублирующими друг друга открытиями. Естественный отбор, кислород, Нептун, пятна на солнце – каждое из этих открытий одновременно делали два, три, четыре специалиста. Историки продолжают спорить, почему так получается. Возможно, каждый случай – это невероятное совпадение, или один из первооткрывателей заимствует идеи другого. Вероятно, открытия были невозможны, пока обстоятельства не сложатся должным образом, и неизбежны – когда это произошло. Но вне зависимости от того, в какую из причин верите вы, научная синхронность остается фактом. Несколько команд почти дошли до идеи двойной спирали, а в 1963 году две группы ученых открыли другой важнейший аспект ДНК. Одна из этих групп использовала микроскопы, чтобы запечатлеть митохондрии: элементы в форме фасолины, производящие энергию внутри клетки. Вторая группа измельчала митохондрии и просеивала их через мембрану. Обе группы пришли к открытию, что митохондрии обладают собственным ДНК. Пытаясь обелить свою репутацию среди коллег в конце XIX века, Фридрих Мишер определил ядро как единственно возможный дом для ДНК, однако затем история в очередной раз его опровергла.
Некоторым открытиям способствуют исторические события: наука нуждается в бунтарях – типах, которые привыкли плыть против течения и могут рассмотреть благоприятные обстоятельства, на которые большинство из нас не обратит никакого внимания. Порой нам даже нужны особо неприятные бунтари – так как если бы они не высказывали провокационных мыслей, их теории не привлекли бы нашего внимания. Так обстояли дела и с Линн Маргулис. Большинство специалистов из середины 1960-х годов весьма примитивным образом объясняли происхождение митохондриальной ДНК (мтДНК): якобы клетки «одалживают» часть ДНК и никогда не получают ее назад. Но Маргулис на протяжении 20 лет, начиная с защиты докторской диссертации в 1965 году, продвигала свою идею о том, что митохондриальная ДНК ни в коей мере не является курьезом. Она увидела в этом доказательство более глобальной проблемы, доказательство того, что в жизни есть больше путей смешивания и развития, чем биологи-консерваторы могут себе представить.
Эндосимбиотическая теория Маргулис выглядела примерно так. Все мы произошли от первых бактерий на Земле, и все живущие организмы до сих пор сохраняют определенные гены (в среднем около сотни) как часть этого наследия. Первые бактерии вскоре начали разделяться на группы. Одни из них превратились в гигантские капли, другие, наоборот, съежились до совсем уж крохотных размеров – и разница в размерах определила их возможности. Большие бактерии стали глотать и переваривать остальные, в то время как те отравляли и убивали тех, кто был большим и неосторожным. По любой из этих двух причин, доказывала Маргулис, большая бактерия в один прекрасный день когда-то проглотила маленькую, и произошло нечто странное: не произошло ничего. Или маленькая бактерия смогла избежать переваривания, или ее хозяин сдержал свои внутренние процессы. Противостояние продолжилось, и хотя каждая из них продолжала бороться, никому не удавалось покончить с соперником. И через много поколений эта первоначально беспринципная жестокая схватка перетекла в кооперативное сотрудничество. Маленький микроб постепенно научился хорошо синтезировать высококачественное топливо из кислорода, а большая клетка постепенно утратила свои способности накапливать силу и вместо этого стала специализироваться на обеспечении своих элементов питательными веществами и пристанищем. Словом, все по Адаму Смиту: разделение труда принесло пользу каждой из сторон, и вскоре ни одна из них уже не могла отказаться от партнера и при этом выжить. Микроскопические проглоченные бактерии мы сейчас называем митохондриями.
Теория в целом недурна – но и только. К сожалению, когда Маргулис проповедовала ее, она не нашла понимания среди коллег-ученых. Ее первую статью по эндосимбиозу отвергло пятнадцать журналов, и хуже того – многие биологи в открытую нападали на ее гипотезу. И с каждым новым выступлением ее оппоненты выдвигали все больше доказательств и были более нетерпимы, придавая особое значение независимому поведению митохондрий, подчеркивая, что они плавают внутри клетки, размножаются по собственному расписанию, имеют собственные мембраны, напоминающие клеточную стенку. И их «мусорная» ДНК – якобы неизбежный случай: клетки редко позволяют ДНК уходить из ядра на периферию, и если такое случается, то ДНК, как правило, не выживает. Кроме того, мы наследуем митохондриальную ДНК иначе, чем хромосомную, – только от матерей, так как мама передает своим детям все свои митохондрии. Маргулис пришла к выводу, что митохондриальная ДНК может происходить только из ранее независимых клеток.