В общественном сознании наука отделена от занимающихся ею людей. Все знают про вирусы или про фоновое излучение Большого взрыва, но почти никто не сможет назвать имена ученых, открывших эти явления. В случае с ДНК все иначе, и причина этого – данная книга. С первого же предложения («Я никогда не видел, чтобы Фрэнсис Крик вел себя скромно») научные факты в ней неразрывно связаны с любопытными историями – если не сказать со сплетнями – про открытие Уотсона и Крика. Повторное ее прочтение – в моем случае почти через тридцать лет – дает дополнительный повод убедиться в гениальности тех, кто занимался этой работой. Также она служит напоминанием о том, насколько изменились наука и ученые за десятилетия, прошедшие после публикации в 1953 году статьи Уотсона и Крика, заложившей основы современной генетики.
На тот момент наука Великобритании была «типично британской» в худшем смысле этого понятия. Она считалась уделом представителей высшего слоя среднего класса, преимущественно мужчин, и была сосредоточена в старинных провинциальных университетах. С тех пор она (несмотря на периодическое противодействие) стала гораздо более открытой. Что касается генетики, то первым шагом в ее демократизации стала в 1951 году встреча Джеймса Уотсона, тогда еще молодого человека двадцати трех лет, и тридцатипятилетнего Фрэнсиса Крика. Помимо того, что главная интрига книги «Двойная спираль» заключается в истории открытия ДНК, во многих отношениях она представляет собой социологическое описание науки как таковой. Сэр Лоуренс Брэгг, один из крупнейших персонажей в этой истории, в своем предисловии к первому изданию книги характеризует ее как в высшей степени драматичную, но при этом с некоторым огорчением добавляет, что «тем, кто фигурирует в этой книге, следует читать ее с изрядной долей снисходительности». И нетрудно понять почему.
Начиная с Ньютона, для величайших ученых стало почти обязательным правилом скромно объяснять собственную гениальность тем, что они «стояли на плечах гигантов». Уотсон и Крик в этом отношении предпочитали стоять на цыпочках, то есть на собственных ногах. «Двойная спираль» преисполнена задорного юмора в адрес более великих фигур. Иногда эта ирония выплескивается через край: в книге встречаются целые пассажи, едко высмеивающие хорошо известных людей и бьющие в известные авторам болевые точки.
Обсуждение Уотсоном роли Розалинды Франклин в их совместной работе («Он не мог отделаться от мысли, что лучшее место для феминистки – в чьей-нибудь другой лаборатории»), хотя отчасти и искупается несколько неуклюжими извинениями в эпилоге, может показаться современному читателю и вовсе оскорбительным.
Но ничто из этого не умаляет того факта, что – выражаясь словами другого биолога и лауреата Нобелевской премии из того же поколения, Питера Медавара, – Уотсон и Крик не только были умны, но и выбрали достойный объект, для того чтобы применить свой ум. Рассматривать историю открытия ДНК следует в общем контексте. Генетика – это наука без прошлого. Всего лишь полтора столетия назад, до Менделя, на этом месте не было совсем ничего. И даже после того, как его работы были заново открыты в 1901 году, генетики, вслед за самим Менделем, интересовались только половым размножением. Карты генов составлялись сугубо биологическими методами: мыши, мухи или грибы – все они скрещивались между собой, а затем можно было установить распределение признаков в последующих поколениях. О сущности наследуемого материала при этом даже не задумывались.
Какими бы блестящими ни были эти исследования, они упускали один очень важный момент: они отделяли генетический механизм от того, из чего он состоит. Они ориентировались скорее на теорию, нежели на практику, и скорее на математику, нежели на химию. Какое-то время существовала даже опасность того, что генетика превратится в своего рода ветвь математики. Благодаря экспериментам по размножению были разработаны многие методы современной статистики. Ко времени Уотсона и Крика одно из ее направлений, популяционная генетика, достигло такой степени застывшего изящества, что потеряло всякую связь с лабораторией. Вскоре генетики оказались в гетто, отделенном стеной от другого гетто – гетто биохимии, которая занималась в основном распутыванием паутины химических связей внутри клеток, а не вопросами о том, откуда берется информация для построения этих клеток.
Впервые ДНК получили из пропитанных гноем бинтов. Поскольку это соединение в больших количествах находили в сперматозоидах рыб, то позже его даже называли «спермином». На факты, свидетельствующие о важности ДНК, внимания не обращали, поскольку структура казалась слишком простой. Она имела лишь четыре химических субъединицы, повторяющиеся много раз в цепи, – в отличие, скажем, от белков, в которых таких единиц около двадцати и которые бывают самых разных форм и размеров. Поэтому белки и казались наиболее подходящими кандидатами на роль передатчика генетического материала; ДНК же считалась «дурацкой молекулой», настолько простой, что она просто не могла играть важную роль в биологии.
Идею о том, что фактором наследственности может стать такой относительно простой материал, пришлось ждать до 1944 года. К тому времени был разработан метод изменения признаков колоний некоторых бактерий посредством пересадки ДНК, извлеченной из колоний с другими признаками. Что самое любопытное, эти признаки наследовались. Информация передавалась от одного поколения другому посредством ДНК. Как именно, никто не понимал.
Эта книга повествует о том, как была открыта структура ДНК – две соответствующие друг другу цепи простых химических соединений, называемых основаниями, обернутых вокруг друг друга в двойной спирали. Это открытие позволило тут же начать исследования процесса репликации генов и передачи информации от родителей потомству. В последней фразе своей статьи Уотсон и Крик со скромностью (возможно, напускной) замечают:
От нашего внимания не укрылось, что установленное нами специфическое спаривание [оснований] непосредственно указывает на возможный механизм копирования генетического материала.
За этой знаменитой фразой последовал настоящий взрыв исследований ДНК. Не удовольствовавшись одним лишь выяснением структуры молекулы, восемь лет спустя Крик в очередном интеллектуальном порыве (совместно с Сиднеем Бреннером и другими исследователями) расшифровал сам генетический язык. Добавляя к короткой цепи ДНК вируса по одному разные основания, исследователи выяснили, что информация кодируется тройками оснований и считывается от одного конца молекулы к другому. Одно дополнительное основание или два, добавленные к последовательности, прерывали процесс чтения после точки добавления; но три основания восстанавливали подобие смысла. Оказалось, что в генетическом сообщении, как, например, в древнем иврите, нет промежутков между словами (хотя в отличие от любого разговорного языка слова здесь состоят только из трех букв). Если добавить к сообщению одну или две буквы, то в дальнейшем предложении получится неразбериха. Но добавить три основания – это все равно что добавить лишнее слово в сообщение, уже состоящее из сотни слов.
К 1966 году был расшифрован код каждой аминокислоты, а также коды для начала и конца фраз, сообщающих о том, как строить белки. Уотсон помог выяснить механизм чтения этих наследуемых сообщений. Он изучал молекулу-посредник РНК, которая перемещает содержащуюся в ДНК генетическую информацию по всей клетке. Это исследование привело к формулировке того, что он назвал центральной догмой молекулярной биологии, а именно, что ДНК создает РНК, а та в свою очередь создает белок (хотя впоследствии Уотсон признавался, что он тогда не знал, что на самом деле означает слово «догма»).
Как и большинство других правил, эта центральная догма вскоре начала обрастать подробностями и исключениями. В некоторых вирусах РНК сама по себе служит генетическим материалом. Что важнее, направление передачи информации может обращаться вспять. Вместо того чтобы передавать инструкции для клетки от ДНК посредством РНК, некоторые вирусы (как, например, вирус, вызывающий СПИД) заставляют клетки хозяина делиться и создавать копии ДНК, содержащие геном вирусной РНК.
Генетики, начавшие работать с этой «дурацкой молекулой», были поражены четкостью ее кода. Но при дальнейших исследованиях биология – в которой редко встречаются чистые формы и которая никогда не бывает простой – взяла вверх. Архитектура генов в настоящее время представляется более барочной и изощренной, чем ожидалось в 1953 году. У многих живых организмов ДНК – это не простая цепь инструкций, а весьма запутанная структура. Но отсутствие четкого порядка не так уж удивляет: в конце концов, гены эволюционировали, а эволюция славится тем, что грубо и сиюминутно подстраивает свои творения под наш непредсказуемый мир.
Тем не менее для основателей молекулярной биологии стал потрясением тот факт, что работающие гены высших организмов составляют лишь небольшую долю их ДНК. Очень часто последовательность генов прерывают цепочки оснований, которые совсем ничего не кодируют. Какой бы нелогичной ни казалась вся последовательность, она тем не менее прочитывается и переносится в РНК, а потом – с чуждой математике извращенностью – редактируется с вырезанием лишних отрезков. Что еще более странно, ДНК во многом состоит из одних и тех же повторяющихся последовательностей. За серией букв следует серия их зеркальных отражений, а затем оригинал повторяется вновь – и так тысячи раз. Среди них затесались «трупы» давно устаревших и недействующих генов, которые можно опознать только благодаря их сходству с другими, до сих пор функционирующими. Представление о генетическом материале изменилось. Теперь ДНК воспринимается не как простой набор инструкций. Это скорее пустыня из жестких камней и отходов, убывающих в процессе разложения.
Исследования РНК-посредников помогают проследить, какие гены кодируют белки и сколько их всего. Количество генов на удивление невелико: у человека их всего шестьдесят тысяч. В красных кровяных тельцах активны шестьдесят шесть; в печени или почках – от двух до трех тысяч. В мозге одновременно действует половина общего количества.
Девятнадцатое столетие проигнорировало Менделя, потому что механизм наследия казался менее загадочным, чем то, что он производит. Почему из почти похожих оплодотворенных яйцеклеток в одном случае получается слон, а в другом угорь? Что, если на то пошло, дает толчок для развития угрей или слонов? По мере того как создаются списки последовательностей оснований ДНК – уже полные для некоторых бактерий и дрожжей и почти полные для определенных червей; для самого же человека определено три миллиарда оснований нашего генетического материала[1], – эти старые вопросы задаются снова.
Разные ветви биологии в настоящее время объединяет теория эволюции. Новая генетика поддерживает – а по сути дела доказывает – теорию Дарвина об общем происхождении. Она говорит о том, что все живые организмы объединены иерархией связей между собой. Она показывает, что родство, скажем, между человеком и бананом гораздо ближе, чем между двумя внешне неразличимыми бактериями. Грибы же, в свою очередь, более разнообразная группа различающихся между собой организмов, нежели животные и растения, если рассматривать их как одну группу, включающую в себя слонов, угрей и деревья.
Дарвин низверг человека с его пьедестала. Исследования ДНК, фигурально выражаясь, ткнули человека лицом в биологическую грязь. У людей и шимпанзе 99 % генов общие. Человеческие наследуемые заболевания встречаются у мышей, кошек и собак. Гены, контролирующие фундаментальные биологические процессы, такие как деление клеток, схожи, даже если организмы отличаются настолько, как мы и дрожжи. Такой эволюционный консерватизм означает, что для исследования генома человека можно использовать гены других существ, порой очень даже неожиданных. У японской рыбы фугу (более известной тем, что ею можно отравиться, если приготовить не так, как следует) в ДНК по каким-то причинам отсутствуют имеющиеся у нас фрагменты избыточной ДНК. Ее используют для картирования генов – тех, последовательность которых близка к последовательности генов человека, – чтобы избежать долгого и нудного путешествия по молекулярной пустыне.
Но, несмотря на генетическое сходство, люди и рыбы – или даже люди и шимпанзе – заметно отличаются друг от друга. То, как ДНК в практически бесформенной яйцеклетке контролирует процесс ее превращения во взрослый организм, остается почти загадкой. Некоторые гены кодируют производство белков, служащих переключателями во время раннего развития и подталкивающих эмбрион в том или ином направлении. Они необязательно должны быть сложными: так, например, тот, благодаря которому эмбрион человека развивается как мужчина или как женщина (со всеми сопутствующими последствиями), состоит всего лишь из пары сотен оснований. Другие гены, производящие сходный эффект (например, заставляющие муху отрастить лишнюю пару крыльев), также довольно просты. В настоящее время вернулось викторианская одержимость двумя родственными вопросами – развитием организма из яйцеклетки и развитием организмов от простейших к сложным. Они и будут доминировать в биологии двадцать первого столетия.
Но какие бы фундаментальные достижения ни совершались на этом поприще, генетикой, как и многими другими науками, часто занимаются из простых соображений прибыли. Начиная с 1953 года она совершила настолько стремительный прогресс, что какое-то время ее коммерческие перспективы казались безграничными. Бум биотехнологий позволял надеяться, что все имеющие к нему отношение смогут получить, как обещал в свое время доктор Джонсон при продаже пивоварни Трейла,
не просто набор котлов и чанов, но и богатство, превосходящее границы самого алчного воображения[2].
Однако, хотя в этой сфере и было несколько успехов (например, создание бактерий, производящих белки для лечения гемофилии, или овец, дающих молоко с гормоном роста человека), по большей части эти биотехнологические компании не произвели ничего стоящего[3].
Точно так же столкнулось с суровой реальностью еще одно проявление биологической гордыни. Некогда казалось, что наследственные заболевания можно будет легко устранять, вставляя нужные куски в поврежденную ДНК. Но до сих пор это остается более обещанием, чем реальностью. Конечно, исследуя генетические дефекты, мы определенно облегчаем их излечение. Все «великие убийцы» западного мира – рак, болезни сердца, диабет – имеют наследственную составляющую. Идентифицировать людей, склонных к таким болезням, – первый шаг на пути их лечения. Можно также убедить людей изменить образ жизни. Наследственная вариативность восприимчивости к табаку означает, что если бы все курили, то рак легких был бы генетическим заболеванием. Осознание того, что сигареты неминуемо убьют тебя, послужило бы серьезным поводом задуматься для тех, кто входит в группу наибольшего риска.
Наука действует не в социальном вакууме. Не успели генетики разобраться в связи между ДНК и организмом, как в отношении объекта их исследований возникли различные спекуляции. Похоже, общество – это нечто большее, чем продукт действия генов, но сообщения о том, что различия в характере, сообразительности или агрессивности обусловлены наследственностью, стали в наше время обыденным явлением. Такие наследуемые вариации, несомненно, имеются. Если половина всех активных генов регулирует деятельность мозга, неудивительно, что существуют какие-то наследуемые черты. Но при этом некоторые утверждают, что тем, кто рождается с генами низкого IQ или вспыльчивости, ничто не поможет. А такой фатализм подразумевает, что общество должно как-то контролировать своих слабейших членов (вместо того чтобы реабилитировать их и помогать им). Довольно странно, но когда речь заходит об их собственных детях, такие фаталисты обычно настаивают на том, что им нужно предоставить наилучшую среду для развития.
Такой логике свойственно одно фатальное заблуждение. Это неверная трактовка слова «обуславливает», наиболее опасного во всей генетике. Нет никаких генов, строго обуславливающих то или иное поведение. Никакое поведение, пусть оно даже и обусловлено ДНК, не существует в отрыве от среды. Тот факт, что на развитие болезни сердца влияют гены, не означает, что ее нельзя лечить лекарствами. Точно так же наилучший способ повысить общенациональный IQ – какой бы наследуемой ни была его вариативность – это увеличить зарплату учителям.
В настоящее время выявляется настолько великое множество наследуемых предрасположенностей, касающихся как организма, так и сознания, что изучающие их сталкиваются с чем-то вроде ситуации, описанной в «Гондольерах» (оперетте Гилберта и Салливана, в которой все граждане государства получают статус аристократов). Когда практически все, хотя бы отчасти, контролируется генами, генетика лишается своей привлекательности. Как с некоторой досадой поют в «Гондольерах» аристократы, вынужденные чистить обувь,
Когда всякий что-то значит,
Никто не значит ничего!
Точно так же, если все мыслимые человеческие признаки имеют генетическую составляющую (а, по всей видимости, так оно и есть), то публика вскоре усвоит, насколько мало это значит. Биология тогда снова станет восприниматься как наука, а не как своеобразный социальный эликсир.
Необычайный прогресс, достигнутый в биологии со времен открытия двойной спирали, говорит о том, как трудно говорить в этой сфере о каком-то «настоящем» или «современном» этапе развития. С точки зрения специалиста те, кого мы до сих пор считаем своими современниками, для историка были бы фигурами вроде Гитлера или Наполеона. Крик и Уотсон до сих пор среди нас, но при этом попадают именно в данную категорию (в наилучшем возможном смысле, разумеется).
Оба они за сорок лет, прошедших после их величайшего открытия, построили замечательную карьеру. Уотсон вернулся в Соединенные Штаты, сначала в Калифорнийский технологический институт, затем в Гарвард и в лабораторию Колд-Спринг-Харбор, один из важнейших исследовательских центров в сфере молекулярной биологии[4]. Несколько лет он возглавлял проект «Геном человека» – программу по расшифровке полной последовательности человеческой ДНК.
Крик в 1976 году перебрался из Кембриджа в Институт Солка в Сан-Диего и занялся изучением сознания – темой, которая до сих сопротивляется нашему пониманию, как это было с наследственностью до Менделя. В его автобиографии «К чему стремятся безумцы» (What Mad Pursuit) излагается его собственная версия событий 1953 года. Морис Уилкин работал в Лондонском королевском колледже вплоть до выхода на пенсию[5]. Розалинда Франклин скончалась в 1958 году, а сэр Лоуренс Брэгг – в 1971-м. Многие из людей, описанных на страницах этой книги, живы до сих пор. Большинство сыграли важную роль в развитии современной биологии, хотя никто не может похвастаться таким же удивительным открытием, как то, которое сделали Уотсон с Криком.
В конце концов, важна именно наука, а не ученые, которые часто остаются в тени. Эта книга дает представление о том, каково это – принимать участие в том, что Уотсон с подкупающей прямотой назвал «величайшим событием в биологии со времен книги Дарвина». В науке бывает очень трудно опознать поворотные пункты – то, что это была ключевая точка в развитии, часто становится ясно только через много лет после возникновения самой идеи. В случае с открытием структуры ДНК это не так: важность этого события стала понятной сразу же, как была создана первая примитивная модель структуры. Двойная спираль – символ современной эпохи, и значимость ее открытия, история которого изложена в книге «Двойная спираль», в этом столетии остается непревзойденной. Кто знает, удастся ли превзойти его открытиям следующего столетия?