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 <<...>>.
<<...>> cпособность "пить упорядоченность" из подходящей среды, по-видимому, связана с присутствием "апериодических твердых тел" - хромосомных молекул".
Для физика такое положение дел кажется чудом: единичная группа атомов, существующая изначально (в зиготе) в единственном экземпляре, влияет на формирование макроскопического признака. Даже в многоклеточном организме (число клеток порядка 1014) число таких групп составляет мизерную долю всего ансамбля. И тогда следует вопрос:
"<<...>> не напоминают ли они нам отдельные пульты управления, разбросанные по всему организму и осуществляющие связь между собой благодаря общему для них коду?"
И последнее. "Апериодический кристалл" - ген, хромосома - способен формировать "порядок из порядка", точнее - распространять уже имеющийся в нем порядок на новые массы вещества. Фактически это похоже на апериодическую кристаллизацию, порожденную исходной молекулой-геном. В более умозрительной форме этот принцип отмечал еще Кольцов. Генетически это прообраз механизма удвоения хромосомы-молекулы.
Таким образом, Шредингер излагает хотя и недетализированную, но достаточно последовательную картину физических явлений, которые могли бы составить основу генетических механизмов. Среди наиболее значительных выводов, как теперь ясно, - представления о гене и хромосоме как о молекулярных записях информации (шифровальном коде), контролирующих формирование макроскопических признаков организма путем управления. Иначе говоря, так возник информационно-кибернетический подход в генетике. Согласно этой концепции гены обладают "квантовой" стабильностью и воспроизводятся путем "кристаллизации" с участием затравки - предыдущего "апериодического кристалла" - гена.
Книга Шредингера имела огромное влияние на дальнейший ход событий. Из уст признанного всеми ученого молодое поколение физиков узнало о возможной реальности новых фундаментальных законов физики. Молодежь, ряды которой пополнились после окончания войны, замерла от искушения. Большинство выбрало путь в биологию и усвоили идею "шифровального кода" и гена-молекулы. Среди тех, на чьи судьбы повлияли идеи Шредингера, были Ф.Крик, Дж.Уотсон, М.Уилкинс, С.Бензер, Г.Стент, Дж.Ледерберг и сотни других. Это "касание" гения было массовым. Имена Тимофеева-Ресовского и Дельбрюка стали широко известны англоязычному миру науки. У нас книга впервые была переведена и издана в 1947 г., но вскоре запрещена вместе со всей генетикой в годы лысенковщины. Только после 1955 г. идеи Шредингера стали публично обсуждаться в советской физической и биологической науке. Однако за это время наука уже заметно ушла вперед, и на повестку дня встали следующие проблемы: генетический код, генетические процессы, молекулярная кибернетика и т.д., в решении которых советские ученые уже смогли принять посильное участие.
Через 20 лет, подводя первые итоги развития молекулярной биологии и генетики, Г.Стент отметил: "Вторжение этих людей (физиков. - В.Р.) в генетику и родственные ей области биологии в 40-х годах произвело в этой науке революцию, которая, когда пыль рассеялась, оставила в качестве своего наследия молекулярную биологию <<...>>. Увы, физики были обмануты в своих надеждах. Никаких "других законов физики" на этом пути не обнаружилось <<...>> чтобы понять как функционирует наследственное вещество, нужно, по-видимому, лишь понимать, как разрываются и образуются водородные связи" [14].
Действительно, на этом пути не подтвердились многие ранние идеи Дельбрюка и Шредингера [15]. Стабильность генов обеспечивается не столько их квантовым характером, сколько существованием мощных молекулярных систем репарации повреждений ДНК, действующих на основе дублирования генетической информации (двойная цепь ДНК, диплоидность хромосом, дублирование генов и др.). Температурные зависимости скоростей мутаций, найденные у дрозофилы, относятся не к генам, а к ассоциированным ферментам. Механизмы многих мутаций связаны не с изменениями конформации гена (ДНК), а с внедрениями в нее мобильных генетических элементов.
Но тем не менее, дело было сделано. Идея молекулы-гена подтвердилась, но не для белков, а для ДНК, и на более сложном уровне, где роль мономеров-символов молекулярного кода играют не атомы, а нуклеотиды. Молекулярная биология и генетика с самого начала приобрели информационно-кибернетическую окраску. Центральные проблемы этих наук и решались в рамках этого подхода: генетическая информация, ген как единица информации, генетический код, матричная РНК-посредник, регуляторные гены, управление функцией генов и т.д. [16]. Такой подход полностью адекватен физико-химической и биологической сущностям этих проблем. Уже в следующих поколениях исследователей автору статьи пришлось развивать теорию молекулярно-генетических систем управления, т.е. фактически - молекулярную кибернетику. И все это - в результате того, что Шредингер перевел стрелку на путях могучего научного потока.