Тень на плёнке

Помните сказку Евгения Шварца «Тень»? От человека ушла тень. Она знала всё о нем. Ведь она была его точным отражением. По воле сказочника тень превратилась в точную копию живого человека, с его характером и его привычками. Она отделилась от человека и начала жить, выдавая себя за хозяина. Подмены никто не заметил.

Эту сказку можно и переиначить. Если тень характеризует предмет, от которого она отброшена, то нельзя ли по тени определить, каков сам предмет — как он выглядит, из чего построен. В 1895 году Конрад Рентген открыл лучи, способные пронизывать довольно толстые пластинки непрозрачного вещества. Прошло восемнадцать лет, и три физика — Ю. В. Вульф и У. Г. и У. Л. Брэгги — обнаружили, что рентгеновы лучи могут выполнять поистине сказочную работу: проникать внутрь твердых соединений и отбрасывать тень от молекул и атомов этих веществ.

Со школьных времен нам знакомо выражение — кристаллическая решетка. Алмаз, графит, поваренная соль, простые по своему атомному строению вещества, были представлены в виде фантастического переплетения разноцветных шаров и стержней на столе учителя. Из этих конструкций было видно, что атомы натрия равномерно распределены среди атомов хлора и составляют узлы кристаллической решетки поваренной соли. Но как узнать, насколько схожа эта картина с тем, что есть на самом деле? Как доказать, что строение поваренной соли именно таково?

Помогла тень. Рентгеновы лучи, с их чрезвычайно малой длиной волны, оказались способными просветить толщу кристаллов, и на отброшенной ими тени были видны темные и светлые участки. В 1913 году выдающийся русский кристаллограф и кристаллофизик Юрий Викторович Вульф вывел закон, позволявший по длине волны падающих рентгеновских лучей и по величине угла отклонения этих лучей от первоначального направления определять расстояние между плоскостями атомов в кристалле. Рентгеновские лучи стали надежными помощниками физиков. При их содействии ученые устанавливали строение кристаллов по отбрасываемым от них теням. Нетрудно понять: чем сложнее строение кристалла, тем размазаннее будут рентгенограммы. Отражения атомов будут сливаться, и эти сложные, составные «рефлексы», как их называют кристаллофизики, будут все труднее поддаваться расшифровке.

Насколько четко вырисовывается в солнечный день на асфальте тень садовой решетки, настолько размазанным выглядит отражение деревьев этого сада. И только если дерево сравнительно «прозрачно», то можно угадать за переплетениями теней переплетения веток. Стоит же подойти к старому густому дереву, как уловить за его тенью архитектуру дерева становится уже невозможно. Так и в рентгеноструктурном анализе кристаллов легко угадать структуру натриевой соли соляной кислоты, состоящей всего из двух атомов, образующих к тому же простую пространственную конфигурацию, но задача расшифровки чуть более сложных кристаллов вырастает почти в неразрешимую задачу.

А теперь вспомним формулу нуклеиновой кислоты, которую вывел 90 лет назад Мишер. 29 атомов углерода, 49 — водорода, 9 — азота и т. д. Не безумна ли попытка распознать строение молекулы при таком нагромождении атомов? И тем не менее это удалось сделать. В 1953 году Джеймс Д. Уотсон и Фрэнсис Крик доложили свои результаты. Прежде всего они привели рентгенограмму молекул ДНК.

Для неспециалиста все эти кружочки, пятнышки и черточки не более чем забавная картинка. Однако из этого «портрета» ДНК и из сопоставления его с данными других «рентгеноструктурщиков» Крик и Уотсон смогли вытянуть столько информации, что ее хватило для построения модели ДНК. Прежде всего они установили:

1. ДНК состоит из двух длинных нитевидных частей;

2. Диаметр ее равен 22 ангстремам^*.

Крик и Уотсон привлекли к своим расчетам все, что было известно науке к тому времени о ДНК. Химические данные о составе ДНК, ее местонахождение, возможная роль в наследственности, физико-химические данные о возможных углах между атомами в молекулах... Ученые проделали кропотливую работу по сопоставлению всех этих разрозненных сведений, возвращаясь снова и снова к результатам рентгеноструктурного анализа. Они пытались из этих разорванных кусочков воссоздать целую картину, подобно тому, как археологи по рассеянным обломкам античной вазы пытаются представить первоначальную красоту ее.

Что же следовало из моря этих данных?

За сто лет изучения химикам удалось выяснить, что ДНК — полимер, то есть состоит из громадного количества мономерных молекул, своеобразных строительных блоков — кирпичей, наложенных друг на друга в определенной последовательности.

При сборке огромной полимерной молекулы ДНК природа ухитрилась обойтись всего тремя сортами молекул: азотистыми основаниями, остатками фосфорной кислоты да еще пятичленным сахаром — дезоксирибозой. Если молекулы сахара и фосфата в ДНК представлены каждая только в одной разновидности, то азотистые основания бывают четырех сортов: два так называемых пурина — аденин (А), гуанин (Г), два пиримидина — тимин (Т) и цитозин (Ц). Молекулы сахара и фосфата чередуются друг за другом: один сахар — один фосфат — один сахар — один фосфат и так далее тысячи раз. Химики нашли и место прикрепления в ДНК азотистых оснований. Каждое из оснований может присоединяться только к сахару. Все три вместе — один сахар, одно основание и один фосфат — образуют один мономер ДНК, называемый нуклеотидом.

Физико-химики, используя свои методы, пришли к выводу: ДНК — тонкая и чрезвычайно длинная молекула. Ее диаметр равен 20 ангстремам, а длина в сотни миллионов раз больше. Удалось высчитать и ее молекулярный вес. Он составил примерно десять миллионов для ДНК самых примитивных организмов и десять миллиардов для высших (молекулярный вес воды равен всего 18). Так как молекулярный вес одного элементарного куска ДНК (нуклеотида) был уже к этому времени известен (он равен примерно 400), то, следовательно, ДНК должна была содержать несколько десятков тысяч нуклеотидов (это для самых примитивных организмов — фагов и бактерий).

Представить себе такую исключительно тонкую в диаметре и неимоверно длинную молекулу было трудно. Но всякие сомнения в реальности ее существования отпали, когда Уильямc и Калер — один в 1952 году, а другой в 1953 году — смогли воочию убедиться, что препараты ДНК выглядят в электронном микроскопе в виде длинных тонких нитей равномерной толщины. Им удалось измерить толщину молекул. Это измерение дало цифру порядка 15—20 ангстрем.

Химик Эрвин Чаргафф вывел правило, по которому число пуринов в одной молекуле ДНК было равно числу пиримидинов в ней, то есть:

А + Г = Т + Ц.

В этом месте стоит остановиться. Если не запомнить сразу составные части ДНК, то запомнить ее строение не удастся и вовсе. Поэтому прибегнем к помощи картинок.

Представим молекулу сахара в виде пятиугольника (1). Остаток фосфорной кислоты в виде трапеции (2). А основания в виде неправильного четырехугольника (3).

Четыре нуклеотида перед соединением в единую цепь ДНК.

Сахар и фосфат, чередуясь друг с другом, образуют цепочку. Нарисуем ее.

Азотистые основания присоединены к остаткам фосфора. Получается цепочка с торчащими вбок довесками. На этом сведения о ДНК кончались.

Итак, приступая к расчетам, Крик и Уотсон в 1953 году знали, что:

1. Молекула ДНК — длинная и тонкая структура;
2. Фосфаты и сахар в ней чередуются;
3. Число пуринов равно числу пиримидинов;
4. Всего в ДНК и тех и других несколько десятков тысяч.

Рентгеноструктурные данные, кроме того, говорили, что ДНК состоит из двух нитей.

Вот тот багаж фактов, который Крик и Уотсон могли использовать для создания модели ДНК.

*Один ангстрем (А) равен стомиллионной части сантиметра.