"Мы встречались два-три раза в неделю, в основном - в доме Тимофеева-Ресовского в Берлине, где мы разговаривали по десять и более часов без перерыва, лишь иногда поглощая пищу в ходе разговоров. Не могу судить, кто больше почерпнул из этого обмена идеями, знаниями и опытом, но является фактом, что через несколько месяцев Дельбрюк столь глубоко заинтересовался количественной биологией, и особенно - генетикой, что остался в этом поле навсегда" [6].
Иначе говоря, это был, как теперь говорят, "мозговой штурм". Зная неудержимый характер Н.В. и его идейное доминирование в любой аудитории, могу сказать, что именно он сеял семена, а его молодые коллеги слушали, не отрываясь.
В конце 20 - середине 30-х годов Тимофеев-Ресовский и его сотрудники изучали закономерности возникновения мутаций под действием рентгеновских лучей и других жестких излучений. Главная идея состояла в том, что квант излучения или частица ионизируют атомы внутриклеточного вещества. При этом возникают мутации генов. Если механизм мутаций одноударный, т.е. один акт ионизации в объеме мишени вызывает мутацию, то число мутаций (N*) при облучении растет по закону
N*=N0{1 - exp( - vD)},
где N0 - начальное число мишеней в объеме v, D - доза облучения, измеряемая числом пар ионов в см3. В тканях дрозофилы доза в один рентген вызывает 1.6·1012 актов ионизации на см3. Поэтому константа v имеет размерность см3, т.е. объема мишени, ионизация которой достаточна для возникновения мутации. Измерив N0, N* и D, можно оценить объем мишени, которая предположительно отождествляется с геном, т.е. - физический размер гена. По представлениям Тимофеева-Ресовского, ген - неделимая элементарная единица, своего рода атом наследственности, а его мутации - изменения внутреннего состояния.
Подсчет рецессивных летальных мутаций в X-хромосоме дрозофилы, по данным для различных излучений, показал, что v=1.77·10 - 17 см3. Это соответствует сфере диаметром d=3.2·10 - 6 см = 32 нм. Поскольку характерные межатомные расстояния 0.2 - 0.3 нм, а средний объем атома (8-27)·10-3 нм3, значит, число атомов в гене 300 - 1000, а характерный размер гена 2 - 3 нм (по более поздним оценкам [7], 2 - 6 нм). Для сравнения [8], диаметры молекул глобулярных белков 2 - 10 нм. Если среднее число атомов, составляющих мономеры белков (аминокислоты), равно 15, то воображаемый ген-белок должен состоять из 20 - 70 аминокислот. Сегодня мы знаем, что это число занижено. Наконец, по более поздним и точным оценкам Тимофеева-Ресовского и Циммера, средний объем мишени 1700 нм3, что соответствует диаметру сферы 25 нм, числу атомов 6.3·105 - 2.1·106 и числу пар нуклеотидов (для ДНК) 10000 - 40000. По современным данным, эти цифры для генов дрозофилы не завышены.
Тем не менее сделанный авторами вывод ясен: ген - макромолекула, состоящая из 100 мономеров и более, как и предполагал Кольцов. Поэтому хромосома-молекула должна быть в сотни и тысячи раз больше. При взаимодействии с излучениями молекула-ген должна проявлять квантовые свойства. Из химии, в том числе - квантовой, известно, что сложные молекулы могут иметь изомерные формы, т.е. различные структуры при том же составе. Если гены-молекулы построены из небольшого разнообразия мономеров, то комбинаторика вариантов одного состава огромна. Например, для линейных молекул из L мономеров, принадлежащих к n различным типам, число изомеров будет
__L!
--------------------
k1! k2! ... kn!
где ki - число мономеров i-го типа.
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".