Двойная спираль. Забытые герои сражения за ДНК - Гарет Уильямс

Дифракция затрагивает рентгеновские лучи, длина волны которых составляет одну пятитысячную и менее от длины волны видимого света. Такая длина волны сопоставима с размерами отдельных атомов и расстояниями между ними, что означает, что дифракцию рентгеновских лучей можно использовать для исследования структуры молекул – далеко вне досягаемости оптических и даже электронных микроскопов. Первыми веществами, проанализированными с помощью рентгеновских лучей, были простые соли, образующие кристаллы правильной формы, – так возникло альтернативное название этого метода, «рентгеновская кристаллография».

В первую четверть XX века она с нуля стала одной из наиболее быстроразвивающихся областей и принесла несколько Нобелевских премий. И чтобы понять историю ДНК, нам надо кое-что знать о дифракции рентгеновских лучей, поскольку с помощью этого метода удалось выявить структуру двойной спирали.

Происхождение дифракции рентгеновских лучей было скромным. Идея зародилась весной 1912 года в виде каракулей, торопливо набросанных карандашом в кофейне в центре Мюнхена. Кафе «Луц»[215] славилось своими кексами и столиками под открытым небом под каштанами в парке Хофгартен. Кроме того, именно туда сотрудники факультета физики из расположенного неподалеку университета приходили каждый день, чтобы обсудить текущую работу. Они набрасывали свои формулы, уравнения и графики не на бумаге, а – к негодованию официантки – на мраморных столешницах.

Конкретно эти каракули касались чего-то настолько отвлеченного, что профессор запретил заниматься этой идеей[216] подробнее, когда она была озвучена во время пасхальной лыжной прогулки факультета. Теперь за спиной профессора два младших научных сотрудника договорились о том, чтобы провести предварительный эксперимент. Набросанные на мраморном столике результаты не поддавались истолкованию, но выглядели так, будто старались сообщить что-то важное.

По дороге домой[217] из парка Хофгартен преподаватель физики, который убедил двух младших сотрудников пренебречь словами профессора, был охвачен порывом вдохновением. Это было настолько поразительно, что он точно помнил, где это произошло: на улице у дома 10 по Зигфридштрассе. Пока он об этом думал, в голове у него возникла серия уравнений, которые придавали смысл тем своеобразным результатам. В ближайшие несколько дней он провел дополнительные эксперименты, и, как казалось, все подтверждало его догадку. Его объяснение не было идеальным, но было достаточным, чтобы произвести впечатление на группу ученых мужей, которые собрались в Стокгольме всего три года спустя и присудили ему Нобелевскую премию по физике[218].

Максу Лауэ, преподавателю физики, было всего 33 года, когда он проходил мимо дома 10 на Зигфридштрассе тем весенним днем. Даже до приезда в Мюнхен в 1909 году он явно делал успехи[219]. Он писал диссертацию в Берлине, где его учителем был Макс Планк, немецкий титан в области физики, открывший квантовую теорию и называвший Лауэ своим «любимым учеником»[220].

Этот новаторский эксперимент был вдохновлен разговором о кристаллах[221] с одним студентом в начале 1912 года. После этого Лауэ задумался о том, как волны с очень малой длиной волны могут взаимодействовать с правильными решетками субмикроскопического размера. Рентгеновские лучи были очевидной средой, на которой можно было проверить эти идеи, особенно если учесть, что их открыватель, Вильгельм Рентген (которого Лауэ прозвал «Его величество»[222]), прятался на физическом факультете в Мюнхене с 1900 года.

Первый эксперимент[223] был шедевром импровизации. Лист свинца был сложен в виде прямоугольного контейнера размером с большой спичечный коробок; в одной из сторон было проделано трехмиллиметровое отверстие, пропускавшее рентгеновские лучи; листок фотобумаги был прислонен к противоположной стенке изнутри. Рентгеновские лучи были направлены на ярко-синий кристалл сульфата меди, прикрепленный с помощью воска к металлическому стержню в середине свинцового коробка. Когда после нескольких часов «бомбардировки» получилась фотография, на ней были видны смутные пятна и полоски, рассеянные вокруг «выходного отверстия раны», куда рентгеновские лучи попадали прямо сквозь кристалл. Кристалл сульфида цинка, тщательно выровненный перпендикулярно рентгеновским лучом, давал более ясную картину при симметричном расположении пятен (Рис. 8.1).

Рис. 8.1. Рентгеновская кристаллография. Узкий пучок рентгеновских лучей, направленных параллельно за счет прохождения через коллиматор, падает на кристалл; «пенальти», забиваемые дифрагированными рентгеновскими лучами, запечатлены на фотопленке (вверху). Рентгеновские лучи отклоняются от правильных рядов молекул в кристалле (внизу).

Таковы были результаты, которые Лауэ расшифровал с помощью уравнений, возникших у него в уме после того, как он вышел из кафе «Луц». В порыве вдохновения он понял, что рисунок пятен[224] на фотопленке может раскрыть нечто необычайное: расположение молекул сульфида цинка, образующих кристалл. Рентгеновские лучи могли не только заглянуть в кристаллы, но и различить отдельные молекулы.

Через несколько недель после своего появления на свет странное новое искусство рентгеновской кристаллографии превратилось в точную науку. 8 июня 1912 года Лауэ вновь довелось выступить в большом лекционном зале на физическом факультете в Берлине с докладом о своих экспериментах в том же самом месте, где в декабре 1900 года Макс Планк объявил о начале квантовой эры. А три года спустя, в ноябре 1915 года, Макс фон Лауэ[225] получил радостные известия из Стокгольма.

К этому времени с грохотом захлопнулась крепостная решетка Первой мировой войны. Фон Лауэ был отправлен в Вюрцбург[226] разрабатывать вакуумные трубки для военных систем связи, а блестящие волнующие церемонии вручения Нобелевских премий были приостановлены, пока Европа находилась на осадном положении. Когда присужденные во время войны премии были наконец вручены на специальной торжественной церемонии[227] летом 1920 года, вышло довольно странно. Рентгеновская кристаллография развивалась настолько быстро, что о вручении второй Нобелевской премии за работу в этой отрасли было объявлено в том же месяце, что о премии фон Лауэ. Тем не менее только один лауреат в области кристаллографии отправился в Стокгольм – и он был бы потрясен, если бы какой-нибудь предсказатель рассказал ему, что произойдет с золотой Нобелевской медалью, которую он отвез домой.

Самая серьезная борьба Макса фон Лауэ была вдвойне тяжелой, поскольку у него было целых два противника – отец и сын. Чтобы совсем сбить с толку, в итоге имена обоих звучали как сэр Уильям X Брэгг, член Королевского общества и лауреат Нобелевской премии, где X = Генри для отца и Лоренс – для сына. Отец всегда был известен как Уильям; Брэгга-младшего дома называли «Вилли», а «Лоренсом» – все остальные. Лоренс будет предводителем в последнем бою за разгадку двойной спиральной структуры ДНК. К тому времени его отца