Орхидеи, желудочный сок и ДНК

Всем делегатам комсомольской конференции физического факультета МГУ была роздана анкета, в которой между прочим предлагалось ответить на вопрос о том, что такое ДНК. Происходило это пятнадцать лет назад, и я уже не помню всех ответов, но в памяти осталась почти всеобщая растерянность, вызванная необычным вопросом. Больше других «пострадали» первокурсники: они вообще ничего не слышали о ДНК.

Теперь положение изменилось. Физики и химики знают подчас о ДНК больше, чем биологи. За эти годы те, кто расшифровал ее строение, удостоились Нобелевской премии. ДНК исследована лучше множества других полимеров. Химики научились получать дезоксирибонуклеиновую кислоту искусственно в пробирке — ин витро. Автор последнего открытия также получил Нобелевскую премию. Эти работы были сделаны всего за какие-нибудь десять лет.

Но, как ни странно, старушка ДНК поселилась в лабораториях ученых давным-давно. С тех пор как она была открыта и описана, прошло сто лет. Сто лет она занимала скромное место, явно не подобающее ей. И если уж рассказывать о ДНК, то надо начать с ее открытия.

Сначала два факта. В 1833 году английский ботаник Роберт Броун, заинтересовавшись орхидеями, делает срезы этого растения и изучает их под микроскопом. В центре клетки он замечает загадочные шарообразные структуры. Повторив неоднократно свои опыты, Броун сообщает об открытии им ядра.

В 1834 году молодой анатом и физиолог Теодор Шванн после тщательных опытов доказывает, что вовсе не слизь, как до него считали все ученые, а особый фермент — пепсин — участвует в переваривании пищи животным организмом. Спустя некоторое время химикам удается выделить пепсин в чистом виде, и тогда перед ними открывается удивительная возможность: в пробирке воспроизводить то, что было скрыто внутри организма животного. Пепсин разрушает белки, и кусочки пищи распадаются на глазах.

Через пять лет пути Броуна и Шванна сходятся. Но за это время Шванн успевает забыть о своем прежнем увлечении пепсином. Всеми его помыслами овладевает желание доказать, что животные, как и растения, построены из клеток. Вот тут-то ему приходится обратиться к открытию Броуна. Помните: самый легкий способ увидеть клетки — сначала искать их ядра, а уже потом пытаться разглядеть плохо заметные оболочки. Воспользовавшись этим, меньше чем за год Шванн заканчивает свою работу. Клеточная теория, носящая теперь имя Шлейдена и Шванна, доказана для всего живого.

Но ни Броун, ни Шванн не подозревают, что у них имелись ключи к другому важному открытию. Вещество наследственности, хранитель всех эволюционных достижений живой материи, как спустя столетие начнут называть дезоксирибонуклеиновую кислоту, было в их руках. Сделай они всего один шаг, поставь всего один опыт, и тогда...

Шаг этот был сделан спустя четверть века другим ученым. Правда, и он вряд ли предполагал, что это открытие прославит его имя на века, хотя всю последующую жизнь он посвятил изучению своего детища. Главным действующим лицом в эксперименте австрийского химика Фридриха Мишера был пепсин. Место действия пепсина — ядро клеток. Спектакль можно было разглядеть в микроскоп, и никаких эффектных номеров не показывалось. Все, что впоследствии стало сопровождать ДНК на каждом шагу — электродные микроскопы, гамма-пушки, тяжелые атомы, ультрацентрифуги, — появится через сто лет. А пока все было просто и даже обыденно.

Мишер решил испытать действие пепсина на клетки организмов, содержащихся в гное. Пепсин разрушил оболочки клеток и внутреннее их содержимое, но, к удивлению ученого, ядра клеток остались нетронутыми. Совершенно справедливо Мишер заключил, что ядра состоят из какого-то другого, чем белки, соединения, раз пепсин не разрушает их. Но тогда неплохо было бы узнать, что же входит в состав ядер.

Пришлось повторить не один раз всё сначала, чтобы скопить такое количество голых ядер, которого хватило бы для химического анализа содержимого ядер. И все-таки, как ни старался Мишер, выделенных ядер было слишком мало. Вещество ядер не похоже ни на что, с чем ему раньше приходилось иметь дело,— это было все, что узнал ученый. Обнаруженное им вещество Мишер назвал нуклеином по имени ядра, или нуклеуса.

Мишеру пришлось искать клетки с большими ядрами. Самые крупные ядра содержатся в мужских половых клетках. Так ученый натолкнулся на хороших поставщиков нуклеина — лососей, собиравшихся на нерестилища в многочисленных заводях Рейна. Почти половина сухого веса сперматозоидов лососей приходилась на долю нуклеина, и это позволило Мишеру накопить достаточно вещества для теперь уже детального химического анализа. Ученый сумел определить, что в составе нуклеина важную роль играет сложная кислота. Выделив ее в чистом виде, Мишер в 1874 году попытался получить ее химическую формулу. По его подсчетам получилось, что кислота состоит из 29 атомов углерода, 49 водорода, 9 азота, 3 фосфора и 22 кислорода: C₂₉H₄₉N₉P₃O₂₂. Уже эта формула показывала, что вещество было очень сложным, пожалуй, таким же сложным, как белок. Ведь первые химические формулы белка состояли примерно из тех же элементов и в тех же количественных соотношениях.

И сам Мишер и многочисленные его последователи принялись искать нуклеиновую кислоту в составе ядер разнообразных организмов. Поразительная картина открылась перед учеными. Не было ни одного растения, ни одного животного, в ядрах которого не содержалось бы нуклеиновой кислоты. Но вместе с тем только ядром и ограничивалось распространение этого соединения.

В те годы передовые биологи уже начали понимать особую роль ядра в жизни клетки. Находились и такие, кто задумывался над проблемами наследственности. Прошло уже десять лет с тех пор, как Мендель открыл свои законы и опубликовал их. Появились статьи и книги, в которых мелькали почти созвучные нашему времени мнения и мысли.

Через два года после открытия Мишера появилась классическая работа Рихарда Гертвига «К единой точке зрения на различные формы ядер». Работа начиналась блистательным прорицанием классика биологии: «Приступая к изложению моих соображений, я должен указать на важнейший пункт для общего суждения о различных формах ядер. Будем ли мы исследовать ядра клеток животного, растений или протистов, мы всегда найдем в них в том или ином количестве вещество, которое мы, следуя прежним авторам, назовем ядерным веществом (нуклеином). Если мы хотим описать ядро, мы должны начинать с характеристики этого вещества, как тот, кто хочет изобразить существенную часть клетки, должен начать с протоплазмы». Не правда ли, фраза вполне современная.

И все-таки, несмотря на явный интерес ученых к нуклеиновой кислоте, она оставалась кладом за семью печатями. Могли ли химики тех лет проанализировать состав полимерной молекулы ДНК, если в те времена даже понятия «химия полимеров» не существовало? Великие открытия физики, которые легли в основу большинства методов исследование молекул, тогда еще не были сделаны. Не мудрено, что догадки о роли ДНК в клетке не могли быть ничем иным, кроме как догадками.

Интерес к ДНК потихоньку угас. Убедившись в неспособности проникнуть в ее тайны, ученые переключились на исследование веществ более доступных.