Реферат: Хроника великого открытия: идеи и лица
Дельбрюк предположил, что изомеры соответствуют аллелям гена, а изомерные переходы - мутациям. С другой стороны, изомеры отвечают дискретным энергетическим состояниям молекулы в потенциальных ямах, которые разделены потенциальными барьерами конечной величины (порогами). Туннельный эффект сквозь эти барьеры маловероятен, и чем выше порог, тем дольше ожидание. Однако если поступившая извне энергия достаточна для преодоления барьера (т.е. для ионизации), то произойдет радиационная индукция изогенного перехода, т.е. мутация. Ясно также, что большая молекула имеет огромное число дискретных устойчивых состояний-аллелей.
Интересно, что уже в 50-е годы идея изомерных переходов между квантовыми состояниями генов нашла реальное воплощение. Было показано, что азотистые основания нуклеотидов ДНК имеют так называемые таутомерные варианты. Таутомеры образуют различное число водородных связей в ДНК и в результате - пары с другими нуклеотидами, нарушая канонические правила комплементарности: A - T и G - C. Квантовые таутомерные переходы вносят свой вклад в спонтанный мутагенез. А многие химические мутагены - аналоги нуклеотидов - имеют повышенную вероятность таутомерного перехода, т.е. индуцируют мутационные замены нуклеотидов в ДНК.
В 1935 г. Тимофеев-Ресовский, Циммер и Дельбрюк по приглашению Геттингенской академии естествознания сделали доклад о структуре гена и механизме мутаций, который затем был опубликован в виде небольшой тетради с зеленой обложкой и получил название "Классическая зеленая тетрадь" [9]. Позже в своих воспоминаниях Н.В. писал:
"Я лично с 40-х годов больше этим не занимаюсь. Правда, меня многие, особенно там, за рубежом, считают чем-то вроде деда этого направления. Потому что новая, послевоенная редакция его была запущена Дельбрюком, а Дельбрюку соответствующую вещь я заправил в мозги в 30-е годы. Вот с этого, в сущности, пошло все, с этой самой нашей классической, так называемой "зеленой тетрадочки" Геттингенского общества наук. Ну и пусть, значит, дальше развивается на доброе здоровье" [10].
Не следует думать, что "модель трех" в полной мере выдержала испытание временем. Оказалось, что оценка размера генов, действительно, не очень далека от реальной, а гены - макромолекулы, но не белки, а сегменты ДНК. Квантовые явления действительно участвуют в первичном мутагенезе, но совсем не так, как предполагал Дельбрюк. В модели рассматривались и другие важнейшие свойства генов - способность к удвоению и к контролю признаков клетки и организма и др. Именно Тимофеев-Ресовский предложил тогда идею (и термин) конвариантной редупликации генов, т.е. их способности "рядом с собой построить себе точно подобные и оттолкнуть", но с включением в себя наследственных вариаций, мутаций.
Главное значение этой модели состоит в том, что она привлекла к проблеме гена многих выдающихся физиков. В дальнейшем это оказалось решающим событием в ходе выяснения молекулярной природы генов, зарождения молекулярной биологии и генетики, развития информационно-кибернетического подхода в генетике.
В 1938 г. Дельбрюк, настроенный антинацистски, воспользовался поддержкой Рокфеллеровского фонда и уехал в США, полностью посвятив свою деятельность вопросам молекулярной генетики. Опыт физика, вероятно, подсказал ему, что для успешного решения проблемы гена следует найти такие биологические объекты, которые по размеру минимально отличались бы от генов. Дельбрюк выбрал бактериофагов. В то время (1939 - 1940) никто не предполагал, что фаги подчиняются законам генетики. Вместе с А.Херши, американским вирусологом, и С.Лурия, молодым вирусологом, эмигрантом из Италии, они организовали "фаговую группу", которая впервые использовала фаги как генетические объекты. В дальнейшем Дельбрюк, Лурия и Херши получили Нобелевскую премию за основополагающие исследования по генетике бактериофагов.
Таким образом, "касание" Н.В.Тимофеева-Ресовского и М.Дельбрюка породило квантовую модель гена-молекулы. В свою очередь, "модель трех" и "Зеленая тетрадь" произвели сильное впечатление на Э.Шредингера - одного из создателей квантовой механики.
Что такое жизнь с точки зрения Шредингера
Австрийский физик-теоретик Эрвин Шредингер, именем которого названо основное уравнение квантовой механики, Нобелевский лауреат, в 1938 г. покинул родину и переехал в столицу Ирландии - Дублин. Хотя он не был евреем и не подвергался гонениям в Австрии и Германии, его отталкивал нацизм. Поэтому он принял приглашение президента Ирландии И. де Валера возглавить Школу теоретической физики Института высших исследований в Дублине. Авторитет Шредингера в физике был исключительно высок. По свидетельству У.Мура [11], биографа Э.Шредингера, к 1960 г. число публикаций, в которых использовалось уравнение Шредингера, превысило 100 тыс.
Будучи широко образованным человеком, Шредингер не замыкался только на физике: здесь и работа о роли древних греков в современной цивилизации, и книга стихов, и многое другое. Особое место в его научном творчестве занимает небольшая книга "Что такое жизнь? С точки зрения физика", написанная по материалам трех популярных лекций [12], прочитанных в Дублине в феврале 1943 г. на основе "Зеленой тетради". Шредингер был хорошо знаком с авторами этой работы по совместным семинарам физиков-теоретиков (и частично - радиационных генетиков) копенгагенской школы. Это и стало следующим "касанием" создателей великой идеи.
Прежде всего Шредингер развил модель гена-молекулы (модель Дельбрюка, как он ее часто называл):
"Предположим, что по своей структуре ген является гигантской молекулой, которая способна только к дискретным изменениям, сводящимся к перестановке атомов с образованием изомерной молекулы.
Перестановка может коснуться небольшой части гена; возможно огромное число таких различных перестановок. Потенциальные барьеры, разделяющие возможные изомерные конфигурации, должны быть достаточно высокими (по сравнению со средней тепловой энергией атома), чтобы сделать переходы редким событием. Эти редкие события мы будем отождествлять со спонтанными мутациями" [13].
Шредингер обратил внимание, что стабильная структура молекул скорее отвечает кристаллической, чем аморфной. Рассматривая гетерогенную сложную органическую молекулу, Шредингер заключает:
"Мы можем совершенно точно назвать это образование апериодическим кристаллом, или твердым телом, и выразить нашу гипотезу словами: мы полагаем, что ген или, возможно, целая хромосомная нить представляют собой апериодическое твердое тело".
Такая модель допускает экспериментальную проверку. При термоактивационном механизме среднее время изомерного перехода (т.е. мутации) равно
t = "тау"·exp{W/kT},
где W - высота барьера, kT - средняя тепловая энергия атома при температуре T, а "тау"=10-13 - 10-14 соответствует периоду колебаний атомов в системе. Как видно, устойчивость аллеля в сильной степени зависит от температуры T и высоты барьера W. Чем выше W и ниже T, тем он стабильнее.
Действительно, генетики экспериментально установили, что при увеличении температуры "нормальные" аллели мутируют чаще, а скорость мутаций некоторых нестабильных аллелей вообще не меняется. В то же время скорость мутаций, индуцированных рентгеновскими лучами, не зависела от скоростей спонтанных мутаций облучаемых аллелей, т.е. была одинакова как для устойчивых, так и для нестабильных аллелей.
Далее Шредингер сделал еще один принципиальный шаг. Он попытался ответить на вопрос о функциональной роли молекулы-гена и молекулы-хромосомы по отношению к контролируемым ими признакам организма.
" Хромосомы <<...>> содержат в виде своего рода шифровального кода весь "план" будущего индивидуума и его функционирования в зрелом состоянии. Каждый полный набор хромосом содержит весь шифр <<...>>.
Но термин шифровальный код, конечно, слишком узок. Хромосомные структуры служат в то же время и инструментом, осуществляющим развитие, которое они же предвещают <<...>>. Они являются одновременно и архитектором, и строителем <<...>>.
Как такая крошечная частичка вещества - ядро оплодотворенного яйца - может вместить сложный шифровальный код, включающий в себя все будущее развитие организма? Хорошо упорядоченная ассоциация атомов, наделенная достаточной устойчивостью для длительного хранения своей упорядоченности, представляется единственно мыслимой материальной структурой, в которой разнообразие возможных (изомерных) комбинаций достаточно велико, чтобы заключать в себе сложную систему детерминации в пределах минимального пространства".
Иначе говоря, биологическая сущность гена и хромосомы состоит в том, что они представляют собой молекулярные записи сложной структуры отдельных признаков, онтогенеза и организма в целом. Средства записи - комбинаторика вариантов больших молекул-генов. Таким образом, Шредингер подошел к формулированию информационно-кибернетического подхода в генетике. Конечно, этот первый шаг еще был неконкретным и достаточно фигуральным, метафоричным. Но из него в дальнейшем вырос подход к проблеме кодирования генетической информации.
Наконец, Шредингер делает последний шаг в своей концепции:
"Из общей картины наследственного вещества, нарисованной Дельбрюком, следует, что деятельность живой материи, хотя и основана на законах физики, установленных к настоящему времени, но, по-видимому, подчиняется до сих пор неизвестным другим законам физики, которые, однако, как только они будут открыты, должны составить такую же неотъемлемую часть этой науки, как и первые".
"Жизнь - это упорядоченное и закономерное поведение материи, основанное не только на одной тенденции переходить от упорядоченности к неупорядоченности, но и частично на существовании упорядоченности, которая поддерживается все время".
Говоря иными словами, организм - это макроскопическая упорядоченная система, действующая по детерминированным законам, тогда как его основу составляют макромолекулы (гены, хромосомы исходной зиготы), поведение которых носит квантовый, статистический характер. Казалось бы, второе начало термодинамики (закон возрастания энтропии для изолированных систем) требует, чтобы неупорядоченность нарастала. Энтропия служит мерой хаотичности системы, а ее убывание увеличивает упорядоченность. Однако организмы - не изолированные системы, поэтому они не только сохраняют упорядоченность, но размножают себя и строят в онтогенезе новые макроскопические упорядоченные системы под контролем квантовых молекулярных объектов - генов. Шредингер предполагает, что эта особенность жизни, отличающая ее от всего неживого, возникает на основе действия каких-то новых, не известных физике законов, не менее великих и фундаментальных, чем, например, начала термодинамики.
Согласно развиваемой концепции, живой организм избегает перехода к хаосу за счет питания высоко упорядоченными продуктами. "Он (организм) питается отрицательной энтропией, как бы привлекая на себя ее поток (извне. - В.Р.), чтобы компенсировать этим увеличение энтропии, производимое им в процессе жизни, и таким образом поддерживать себя на постоянном и достаточно низком уровне энтропии <<...>>.