Как и многие другие, Полинг практически не интересовался ДНК до 1952 года, хотя швейцарский биолог Фридрих Мишер обнаружил ДНК еще в 1869 году. Мишер совершил это открытие, поливая спиртом и желудочным соком свиней пропитанные гноем повязки (которые брал в расположенных неподалеку больницах). Ученый проделывал эти манипуляции до тех пор, пока на повязках не оставалась только клейкая тягучая сероватая субстанция. Исследовав это вещество, Мишер немедленно и самодовольно заявил, что дезоксирибонуклеиновая кислота окажется важнейшим биологическим веществом. К сожалению, химический анализ показал высокое содержание фосфора в этих образцах. В те времена единственным достойным изучения биохимическим соединением считались белки, а поскольку фосфор в белках отсутствует, ДНК сочли остатком, молекулярным довеском[73].
Это предубеждение удалось развенчать только в 1952 году, после того как был выполнен революционный эксперимент над вирусами. Вирусы нападают на клетки, прикрепляются к ним и впрыскивают в них свои гены. Но в начале 50-х никто еще не знал, где именно содержится эта генетическая информация – в белках или в ДНК. Поэтому два генетика использовали радиоактивные индикаторы, чтобы пометить и фосфор, содержащийся в ДНК вирусов, и серу, которая в большом количестве содержится в их белках. После того как исследователи проанализировали несколько зараженных клеток, они обнаружили, что радиоактивный фосфор был внедрен в клетки и передан при делении, а с серой этого не произошло. Белки не могли быть носителями генетической информации – таким носителем оказалась ДНК[74].
Но что же такое ДНК? Ученые на тот момент могли об этом только догадываться. Эта молекула состояла из длинных нитей, каждая из которых имела каркас, состоящий из фосфора и сахаров. В ней также находились нуклеиновые кислоты, которые выступали на этом каркасе, как позвонки на хребте. Но оставалось совершенно непонятно, какую форму эти нити принимают в живой клетке и как они связываются вместе. Как Полинг уже показал на примере гемоглобина и альфа-спиралей, функционирование молекулы в значительной мере зависит от ее формы. Вскоре форма ДНК стала важнейшим вопросом молекулярной биологии.
И Полинг, как и многие другие, счел, что лишь он сможет ответить на этот вопрос. Это было не высокомерие, по крайней мере, не только высокомерие: просто Полинга раньше никому не удавалось опередить. Итак, в 1952 году Полинг вооружился карандашом, логарифмической линейкой и фрагментарными данными, полученными из вторых рук, засел в своем калифорнийском кабинете и решил разгадать тайну ДНК. Сначала он ошибочно решил, что громоздкие нуклеиновые кислоты теснятся по внешнему краю каждого сахаро-фосфатного остова. Иначе он просто не мог себе представить, как такая молекула образует целостную структуру. Соответственно, он повернул сахаро-фосфатный остов в центр молекулы. На основании своих некачественных данных Полинг также решил, что ДНК представляет собой тройную спираль. Дело было в том, что Полинг оперировал информацией, полученной при исследовании высушенного препарата ДНК, которая закручивается иначе, чем влажная «живая» ДНК. Странная тройная спираль вынуждала бы молекулу скручиваться сильнее, чем на самом деле. Но на бумаге модель Полинга казалась вполне правдоподобной.
Сначала картинка складывалась отлично, но Полинг попросил одного аспиранта проверить его расчеты. Аспирант взялся за дело и вскоре принялся ломать голову, силясь понять, в чем же он ошибается, а Полинг – нет. В конце концов, пришлось сказать Полингу, что фосфатные компоненты, как ни крути, не вписываются в его модель по самой примитивной причине. На уроках химии нам всегда рассказывают о нейтральных атомах, но химики воспринимают элементы несколько иначе. В природе, особенно в биохимической среде, многие элементы существуют только в виде ионов, то есть заряженных атомов.
Действительно, если принять модель, предложенную Полингом, то получалось, что все атомы фосфора в ДНК всегда будут иметь отрицательный заряд и, соответственно, отталкиваться друг от друга. Невозможно было уложить в сердцевину ДНК три фосфатные нити, не разорвав всю молекулу на части.
Аспирант объяснил эту проблему, а Полинг (как и должен был поступить Полинг) вежливо проигнорировал эти возражения. Не совсем понятно, зачем Полинг вообще решил привлекать ученика для проверки, если не собирался его выслушать. Но причина, по которой ученый отмахнулся от аспиранта, вполне ясна. Разумеется, Полинг стремился к научному приоритету, хотел, чтобы все остальные идеи о ДНК считались развитием его идеи. Поэтому, изменив своей обычной дотошности, Полинг предположил, что структурные детали молекулы прояснятся сами собой, и уже в начале 1953 года поспешно опубликовал свои выводы о тройной спирали, построенной вокруг фосфатной сердцевины.
Тем временем по другую сторону Атлантики два застенчивых аспиранта из Кембриджского университета корпели над пробными экземплярами статьи Полинга. Сын Лайнуса Полинга, Питер, работал в той же лаборатории, что и Джеймс Уотсон и Френсис Крик[75]. Великодушно он предоставил копию отцовской статьи коллегам. Никому не известные исследователи давно бились над тайной ДНК, пытаясь сделать себе на этом имя. И то, что они прочитали в статье Полинга, невероятно их расстроило: они сами выстроили такую же модель годом ранее, но смущенно отказались от нее, когда одна коллега доказала им, что модель «тройной спирали» явно ошибочна.
Но эта дама, раскритиковавшая аспирантов (звали ее Розалинд Франклин), невзначай раскрыла им секрет. Франклин специализировалась на методе рентгеновской кристаллографии, который позволяет определять форму молекул. Ранее в том же году Франклин исследовала сырую ДНК из спермы кальмара и пришла к выводу, что ДНК – двунитевая молекула. Полинг в период обучения в Германии также занимался рентгеновской кристаллографией. Если бы он познакомился с данными, полученными Франклин, он, вероятно, сразу бы нашел верное решение. Ведь форму высушенной ДНК он также установил при помощи рентгеновской кристаллографии. Но Полинг был убежденным либералом и не стеснялся об этом высказываться. Поэтому маккартисты добились того, чтобы загранпаспорт Полинга надолго застрял в Госдепартаменте США, и в 1952 году он просто не мог съездить в Англию на важную конференцию, где мог бы услышать о работе Франклин. Кроме того, в отличие от Франклин, Уотсон и Крик никогда не делились своими открытиями с конкурентами. Но они перенесли нанесенную Франклин обиду и сами принялись разрабатывать ее идею. Вскоре после этого на глаза друзьям попалась та самая статья Полинга, в которой он повторил их же ошибку.
Отбросив все сомнения, Уотсон и Крик срочно обратились к своему научному руководителю Уильяму Брэггу. Брэгг получил Нобелевскую премию еще несколькими десятилетиями ранее, но позднее переживал из-за того, что не совершил ряд важнейших открытий, уступив их Полингу (в частности, это касалось открытия альфа-спирали). Полинг был ярым соперником Брэгга, а один историк охарактеризовал Полинга в этом противостоянии как «резкого и тщеславного» человека. Брэгг отстранил Уотсона и Крика от работы над ДНК после их ошибки с тройной спиралью. Но они показали Брэггу статью Полинга и признались, что втайне продолжали работать над этой задачей. Брэгг понял, что у него есть шанс опередить Полинга, и поручил аспирантам продолжить исследование ДНК.
Первым делом Крик написал Полингу осторожное письмо, в котором поинтересовался, каким образом фосфорная сердцевина молекулы оставалась целостной – ведь, согласно теории самого Полинга, это было невозможно. Это письмо разозлило Полинга, так как он счел предложенные вычисления поверхностными. Хотя сын Питер и предупреждал, что двое английских аспирантов вот-вот его обойдут, Лайнус Полинг настаивал, что его модель в виде тройной спирали все равно окажется верной и осталось уточнить лишь незначительные детали. Уотсон и Крик сознавали, что Полинг упрям, но не глуп и вскоре заметит свои ошибки. Поэтому они изо всех сил искали свежие идеи. Уотсон и Крик никогда не проводили собственных серьезных экспериментов, а лишь блестяще интерпретировали идеи других людей. И в 1953 году они наконец получили последнюю недостающую подсказку от еще одного ученого.
Этот коллега рассказал им, что четыре нуклеиновые кислоты, входящие в состав ДНК (обозначаемые буквами А, Ц, Т и Г), всегда присутствуют в парных пропорциях. Это означает, что, если в образце ДНК содержится 36 процентов А, то там будет и 36 процентов Т. Всегда. Такая же взаимосвязь существует и между Ц и Г. Так Уотсон и Крик поняли, что А и Т и Ц и Г должны образовывать пары внутри ДНК. (По иронии судьбы, этот ученый пытался донести ту же мысль до Полинга за несколько лет до этого, находясь с ним вместе в морском круизе. Тогда Полинг возмутился, что неугомонный коллега портит ему отпуск, и просто отшил его). Более того (чудо из чудес!), две эти
пары нуклеиновых кислот складываются друг с другом, как кусочки пазла. Это объясняет, почему спираль ДНК так туго свернута. Такая высокая плотность упаковки противоречила идее Полинга о расположении фосфорного каркаса внутри молекулы. И вот, пока Полинг трудился над своей моделью, Уотсон и Крик просто вывернули ее наизнанку, так что отрицательные ионы фосфора больше не соприкасались. У них получилась модель, напоминающая винтовую лестницу, – знаменитая двойная спираль. Все сошлось замечательно, и прежде, чем Полинг опомнился[76], они опубликовали статью о своей модели в номере журнала Nature от 25 апреля 1953 года.
Как же Полинг отреагировал на публичное развенчание тройной спирали и внутреннего фосфорного каркаса? И на то, что он уступил величайшее биологическое открытие XX века не кому-нибудь, а сотрудникам лаборатории своего заклятого врага Брэгга? Полинг воспринял все это с необычайным достоинством. Надеюсь, что каждому из нас хватит воли столь же достойно вести себя в подобной ситуации. Полинг признал свое поражение и даже пригласил Уотсона и Крика на научную конференцию, которую планировал организовать в конце 1953 года. Учитывая свой статус, Полинг мог позволить себе быть великодушным. Тот факт, что он одним из первых стал поддерживать идею о двойной спирали, вполне это доказывает.
После 1953 года дела Полинга и Сегре стали налаживаться. В 1955 году Сегре и еще один ученый из Беркли, Оуэн Чемберлен, открыли антипротон. Антипротон является противоположностью обычного протона: он имеет отрицательный заряд, может перемещаться в прошлое и, что самое страшное, при контакте аннигилирует любую «обычную» материю, из которой, например, состоим мы с вами. Существование антиматерии было предсказано еще в 1928 году, после чего достаточно скоро удалось открыть первую элементарную античастицу – антиэлектрон, который назвали позитроном. Это произошло в 1932 году. Но антипротон ускользал от физиков-ядерщиков не менее успешно, чем технеций – от химиков. Тот факт, что Сегре удалось открыть технеций после долгих лет, полных «ложноположительных результатов» и сомнительных заявлений, свидетельствует о его исключительной настойчивости. Именно поэтому через четыре года Сегре были прощены все его промахи, и он получил Нобелевскую премию по физике[77]. Кстати, для участия в церемонии Сегре одолжил у Эдвина Макмиллана его белый жилет.
Проиграв битву за ДНК, Полинг получил утешительный приз: в 1964 году он был удостоен Нобелевской премии, которую давно заслужил. Далее, по своему обыкновению, Полинг принялся за исследования в совершенно других областях. Его раздражали собственные хронические простуды, поэтому он принялся экспериментировать на себе, принимая лошадиные дозы витаминов. По какой-то причине эти огромные дозы ему помогли, о чем он с воодушевлением всем рассказал. В итоге именно его благословение (ведь проблемой заинтересовался не кто-нибудь, а нобелевский лауреат!) дало толчок тому помешательству на здоровом питании, которое не утихает и сегодня. Чего только стоит сомнительное с научной точки зрения (извините!) утверждение, что витамин С лечит простуду! Кроме того, Полинг, в свое время отказавшийся работать в Манхэттенском проекте, стал крупнейшим в мире активистом, ратовавшим за запрет ядерного оружия. Он шел в первых рядах демонстрантов и одну за другой выпускал книги с названиями вроде «Не бывать войне!». Он даже получил в 1962 году вторую Нобелевскую премию, Нобелевскую премию мира, став единственным человеком в истории, кто лично, а не вместе с коллегами, является обладателем двух таких премий. Правда, в том же году вместе с ним на Нобелевской церемонии присутствовали еще два лауреата, удостоенные премии по физиологии и медицине. Это были Джеймс Уотсон и Френсис Крик.
9. Коридор ядов: «Ой-ой, больно!»
Полинг на собственном горьком опыте смог уяснить, что законы биологии гораздо более тонкие, чем законы химии. Вы можете по-разному химически воздействовать на аминокислоты и получить в итоге такой же набор измененных, но целых молекул. Если подвергнуть такому же воздействию более сложные и хрупкие белки живого существа, то белки разрушатся. Такое разрушительное воздействие на белок могут оказывать нагревание, кислоты или, хуже всего, вредные элементы. Самые опасные из них бьют практически по всем уязвимым точкам живых клеток, часто маскируясь под жизненно необходимые минеральные и питательные вещества. А истории о том, как коварно подобные элементы способны убивать, являются одними из самых мрачных сюжетных линий, связанных с периодической системой. Итак, добро пожаловать в «коридор ядов».
Самый легкий из наиболее токсичных элементов – кадмий, чья дурная слава восходит к истории древних копей, расположенных в центральной Японии. Рудокопы начали добывать драгоценные металлы на приисках в Камиоке в 710 году. В течение следующих веков оттуда извлекали золото, свинец, серебро и медь, пока страной владели сначала многочисленные сёгуны, а потом – промышленные магнаты. Но только через двенадцать веков после того, как в Камиоке начали разрабатывать первую жилу, шахтеры приступили к добыче кадмия. Вскоре копи превратились в одно из самых опасных мест в Японии, которое стало ассоциироваться с криком «итай-итай!» – это междометие в японском языке выражает сильную боль.
В 1904–1905 годах разразилась Русско-японская война, а еще через десять лет Япония вступила в Первую мировую войну. Страна остро нуждалась в металлах, в особенности в цинке – для изготовления брони, самолетов и амуниции. Кадмий расположен в периодической системе прямо под цинком, и два этих металла смешиваются в земной коре так, что их практически невозможно отличить друг от друга. Для очистки цинка, добытого в Камиоке, рудокопы поджаривали его, как кофе, и вываривали в кислоте, удаляя кадмий. По привычкам того времени, они сливали образовавшуюся кадмиевую взвесь прямо в реки или на землю. Оттуда кадмий проникал в грунтовые воды.
Сегодня никто не стал бы избавляться от кадмия таким примитивным способом. Кадмий очень ценен, так как используется для антикоррозионной защиты батарей и деталей компьютеров. Кроме того, кадмий издавна применяют в красителях, дубильных добавках и припоях. В XX веке блестящей кадмиевой оболочкой украшали модные столовые сервизы. Но основная причина запрета на выброс кадмия в окружающую среду заключается в том, что этот металл чрезвычайно токсичен. Производители элитных высоких кружек были вынуждены отказаться от использования кадмия, так как ежегодно сотни людей тяжело заболевали, оттого что пили из этой посуды кислые фруктовые соки или лимонад, которые вымывали кадмий из стенок посуды. У многих спасателей, работавших на месте рухнувших небоскребов Всемирного торгового центра для ликвидации последствий теракта 11 сентября 2001 года, возникли респираторные заболевания. Некоторые врачи сразу заподозрили отравление кадмием, поскольку при обрушении башен-близнецов в одно мгновение расплавились и испарились тысячи электронных устройств. Это предположение оказалось неверным, но оно показывает, как глубоко в подсознании врачей укоренились представления о пагубности сорок восьмого элемента.
Этот неверный диагноз является отголоском событий, произошедших почти на сто лет раньше в окрестностях месторождений в Камиоке. Еще в 1912 году японские врачи заметили, что местные рисоводы начали страдать от ужасных неизвестных болезней. Крестьяне приходили к врачу, согнувшись в три погибели, жалуясь на сильнейшие боли в костях и суставах. Среди пострадавших было особенно много женщин – не менее сорока девяти случаев из пятидесяти. У несчастных часто отказывали почки, а кости размягчались и крошились из-за обычных повседневных нагрузок. Один врач даже сломал девушке запястье, прощупывая ей пульс. Наиболее сильные вспышки таинственной болезни пришлись на 1930-1940-е годы – годы подъема японского милитаризма. Потребность в цинке сохранялась, пустая порода и промышленные отходы распространялись по окрестностям. Хотя никаких боев в префектуре Камиока не велось, этот район сильнее многих пострадал в годы Второй мировой войны. Болезнь проникала из деревни в деревню, вскоре этот недуг стали называть «итай-итай»: несчастные жертвы не могли сдержать криков боли.
Только после войны, в 1946 году, местный врач Нобору Хагино всерьез занялся изучением итай-итай. Сначала он предположил, что причина заболевания заключается в плохом питании. Эта гипотеза оказалась несостоятельной, поэтому Хагино обратил внимание на шахты, где высокотехнологичные западные приемы добычи руды сочетались с применением примитивной кирки и лопаты. Хагино, воспользовавшись помощью профессора медицины, составил эпидемиологическую карту, на которой отметил все очаги заболевания итай-итай. Кроме того, он подготовил гидрологическую карту, где показал скопления наносов от реки Дзиндзу.