Генетический детектив. От исследования рибосомы к Нобелевской премии: читать начало книги онлайн

Поразительно, что ученые XVIII и XIX веков, не видевшие молекулы, не только логически догадались об их существовании, но даже распознали их структуру. Они описали не только простые молекулы поваренной соли (где всего два атома), но и более сложные, например сахара, где атомов порядка двадцати.

Мы не можем видеть молекулы из-за свойств света. Он состоит из фотонов, которые (как известно из квантовой физики) могут одновременно вести себя и как частица, и как волна. Именно волновая природа света лежит в основе работы линз и микроскопов. Но это же свойство означает, что, когда свет проникает через очень узкое отверстие или огибает его, он рассредоточивается – этот процесс именуется дифракцией. Как правило, этот эффект незаметен, но если сильно сблизить два очень маленьких объекта, то их изображения наложатся друг на друга, и человек, глядя на них через микроскоп, увидит один размытый объект, а не два. В XIX веке немецкий физик Эрнст Аббе вычислил, что два объекта можно увидеть по отдельности, если расстояние между ними составит не менее половины длины волны того света, в котором мы их рассматриваем. Для видимого света эта длина – около 500 нм. Если два объекта находятся на расстоянии ближе 250 нм друг от друга, нам хватает разрешающей способности, чтобы увидеть их в отдельности при видимом свете. Этот лимит называется пределом разрешения.

К началу XX века мы научились определять, сколько молекул должно быть в заданном объеме вещества, поэтому стало известно и примерное расстояние между атомами в молекуле. Оказалось, что оно в тысячи раз меньше длины световой волны, и невозможно рассмотреть их даже в самые лучшие оптические микроскопы. Считалось, что молекулы навсегда останутся невидимыми.

Альтернативой видимому свету оказалось интересное новое излучение, открытое в 1895 году немецким физиком Вильгельмом Рентгеном. Он изучал электрические разряды в вакуумных трубках, содержащих два электрода, между которыми в вакууме возникает высокое напряжение. При подаче тока на электроды тот из них, который был заряжен отрицательно (катод), нагревался и излучал электроны. Они летели сквозь вакуум и попадали на второй электрод (анод). Рентген открыл, что при этом из трубок выходили необычные лучи, под действием которых соединения бария светятся даже в полной темноте. Он назвал их икс-лучами и принялся исследовать их свойства. Оказалось, что они обладают огромной проникающей способностью, позволяющей заглянуть внутрь непрозрачных объектов, например увидеть кости человеческой руки.

Никто, в сущности, не знал, что же представляют собой рентгеновские лучи, не было даже ясно, частицы это или волны (сегодня известно, что они состоят из таких же фотонов, что и видимый свет, то есть имеют корпускулярно-волновую природу). В 1912 году Макс фон Лауэ и двое его сотрудников решили проверить, что произойдет, если подставить под рентгеновские лучи кристалл сульфида цинка, состоящий из атомов всего двух элементов: серы и цинка.

Оказалось, что рентгеновские лучи не рассеиваются произвольно во всех направлениях, а образуют на снимках пятна.

Фон Лауэ быстро догадался, что происходит: кристалл, с которым они работали, имел правильную трехмерную структуру, состоящую из молекул, – пирамидку из идеальных шариков. При попадании рентгеновских лучей на кристалл каждый атом должен был равномерно рассеивать волны во всех направлениях. То же самое происходит, когда мы бросаем камешек в воду. Результирующая волна, раскатывающаяся в любом направлении, должна была быть суммой волн, рассеянных каждым атомом, по которому попали рентгеновские лучи.

Рис. 3.1. Рентгеновские лучи попадают на кристалл, в результате получаются дифракционные пятна

Суммарная сила волны, возникшей из двух волн, зависит от способа их соединения в условиях расположения относительно друг друга. Если пики и впадины у них совпадают, то говорят, что они объединились по фазе, и тогда общая волна будет вдвое сильнее ее слагаемых. Если гребни одной волны накладываются на подошвы другой, то эти волны в противофазе и полностью гасят друг друга. Прочие комбинации дают некий промежуточный результат.

Фон Лауэ понял, что в зависимости от положения атома рассеивающиеся от него волны проходят разное расстояние. Они запаздывают или обгоняют друг друга, поэтому оказываются в разных фазах и более или менее сильно друг друга гасят. Но в определенных направлениях расстояние между волнами сопоставимо с их длинами, а минимумы и максимумы волн совпадают, и они остаются в фазе, усиливая друг друга, – тогда появляются пятна на снимках.

Рис. 3.2. Сложение волн зависит от их взаимоотношения

Этот эксперимент показал, что рентгеновские лучи определенно можно считать волнами. Тогда же были получены первые прямые доказательства того, что кристалл – это структура из правильно упорядоченных атомов. На основе предположений о расстоянии между атомами удалось приблизительно вычислить длину волн рентгеновских лучей – они более чем в тысячу раз короче волн видимого света. Два года спустя, в 1914 году, фон Лауэ был удостоен Нобелевской премии по физике.

Он также пытался в точности определить, как именно расположены в кристалле атомы серы и цинка. Но в данном случае его анализ оказался ошибочным. Лоуренс Брэгг, молодой аспирант из Кембриджа, заинтересовался результатами фон Лауэ и, покорпев над ними, нашел элегантный способ трактовки данной проблемы, который помог логически вывести верную структуру кристалла. Брэгг догадался, что атомы в кристалле могут образовывать разнонаправленные совокупности плоскостей, расстояния между которыми могут различаться. То есть рентгеновские лучи, рассеивающиеся от атомов, отражаются от плоскости. Для любого множества плоскостей дополнительное расстояние, проходимое отраженными от смежных плоскостей рентгеновскими лучами, будет под определенным углом равно целой длине волны. Если волны распространятся от каждой группы плоскостей под таким углом, то останутся в фазе и будут усиливать друг друга, образуя дифракционное пятно.

Отношение, описывающее расстояние между плоскостями и угол между ними, было названо законом Брэгга. В любой точке может находиться несколько плоскостей, удовлетворяющих условию Брэгга, и каждая из них может давать дифракционное пятно, будучи расположенной под нужным углом к входящему рентгеновскому лучу. Также, когда вы поворачиваете кристалл, все новые плоскости будут удовлетворять условию Брэгга и давать новые дифракционные пятна. Полностью повернув кристалл вокруг луча, можно измерить все возможные дифракционные пятна от этого кристалла. Применив свой анализ, Брэгг смог верно вывести расположение атомов в кристалле фон Лауэ. Он написал сообщение о своем анализе в Кембриджское философское общество в ноябре 1912 года, но поскольку был всего лишь аспирантом, его профессор Дж. Дж. Томсон, открывший электрон, должен был официально передать статью, которую написал Брэгг, в журнал общества.

Можно считать, что атомы в кристалле образуют разнонаправленные плоскости, и расстояния между этими плоскостями различаются

Рис. 3.3. Плоскости кристалла; как они отражают рентгеновские лучи под разными углами

Затем Брэгг воспользовался своей теорией, проанализировав одну из простейших в природе молекулу поваренной соли. К тому времени химики уже определили, что она состоит из тесно связанных двух атомов (натрия и хлора). Когда Брэгг изучил дифракционные пятна на рентгеновской пленке после облучения трехмерных кристаллов соли, оказалось, что вместо молекул они содержат ионы натрия и хлора, расположенные в шахматном порядке. При этом в каждом ионе натрия не хватает одного электрона, а в ионе хлора есть лишний электрон, и эти ионы имеют противоположные заряды. Это означало, что они удерживаются в кристалле под действием электрических сил.

В те времена многие химики не принимали заявления молодого аспиранта-физика о том, что даже такое простое вещество, как поваренная соль, устроено совершенно иначе, нежели они полагали. Один из них, Генри Армстронг, профессор химии из Имперского колледжа в Лондоне, злобно поддел Брэгга в письме, адресованном журналу Nature и озаглавленном «Бедная поваренная соль»[8]. Он написал, что предложенная Брэггом структура хлорида натрия «более чем вопиюща с точки зрения здравого смысла», и присовокупил обвинение, пожалуй, убийственное для англичанина: «Это абсурд в n-ной степени, а не химический крикет»[9]. Однако правота Брэгга не просто подтвердилась; он также определил своим методом и строение многих других простых молекул. Впервые молекулы удалось «увидеть». Способ определения трехмерной структуры атомов в молекуле с помощью кристаллизации и анализа дифракционных пятен получил название рентгеновской кристаллографии.

Отец Брэгга-младшего, Уильям Брэгг (их обоих звали Уильям, поэтому сын пользовался вторым именем – Лоуренс), был профессором физики и разработал ряд приборов, позволявших с большой точностью измерять рентгеновские дифракционные пятна. После того как Брэгг-младший разработал свою теорию, они с отцом поставили несколько экспериментов. Пока Лоуренс оставался в Кембридже, его отец путешествовал, выступая с лекциями о той работе, которую выполнили «он со своим мальчиком». Какое-то время Брэгг-младший волновался, что, поскольку он просто аспирант, знаменитый отец присвоит себе всю славу за его работы, между ними явно существовала некоторая напряженность. Оказалось, что Нобелевский комитет был об этом хорошо осведомлен. В 1915 году оба Брэгга были удостоены премии по физике. Лоуренс, которому тогда было двадцать пять, остается самым молодым нобелевским лауреатом. Он не смог отправиться в Стокгольм, так как Первая мировая война была в разгаре и его брат Роберт был убит в бою всего за несколько недель до того, как пришло известие о премии. Поэтому Брэгг прочитал свою нобелевскую лекцию только в 1922 году.

В простых молекулах всего несколько атомов, поэтому можно было выдвигать различные гипотезы об их структуре и проверять, совпадают ли дифракционные пятна с результатами экспериментов. Но подобное угадывание осложнялось при изучении более крупных молекул. Требовался иной подход.

Чтобы понять, как вычисляется карта молекулы, представьте, как получается увеличенное изображение, которое мы видим через линзу. Лучи света рассеиваются от всех граней объекта. Линза собирает рассеянные волны, отраженные от каждой точки объекта, и строит точки изображения. В данном случае важно, что рассеянные лучи существуют независимо от присутствия линзы; линза просто фокусирует их и дает изображение. Мы уже говорили о том, что длина световой волны почти в тысячу раз больше, чем требуется для рассмотрения атомов в молекуле. С другой стороны, длина волны у рентгеновских лучей как раз та, что надо. Нельзя ли рассматривать вещество через обычную линзу в рентгеновских лучах и видеть молекулы напрямую, а не возиться с кристаллами и пятнами?

Рис. 3.4. Сравнение двух способов получения карты: при помощи линзы и рентгеновской кристаллографии

Однако достаточно хорошей линзы, которая позволяла бы делать изображения молекул в рентгеновском диапазоне, не существует. Но даже если бы она была, есть другая проблема: чтобы рассмотреть отдельно взятую молекулу в хорошей детализации, пришлось бы обдать ее такой дозой рентгеновского излучения, которое ее разрушит. В кристалле дифракционные пятна возникают в результате наложения рассеянных рентгеновских лучей, отраженных от миллионов молекул, сигнал от которых усиливается, позволяя обойтись гораздо меньшей дозой рентгеновского излучения, – тем кристаллы и хороши.

Ученые придумали хитрые математические способы моделирования линзы и собрали в одно изображение волны, отраженные от разных частей объекта. (Для подкованных в математике поясню: это делается при помощи преобразования Фурье, применяемого к рассеянным лучам.) Но выяснилось, что не так просто взять с рентгеновского снимка измеренные пятна и скомбинировать их на компьютере в цельную карту. Линза фиксирует попадание каждой конкретной части волны. Когда мы вычисляем интенсивность дифракционного пятна, полученного при облучении кристалла, мы фактически измеряем амплитуду электромагнитной волны, то есть высоту ее гребня относительно средней позиции. Такое измерение ничего не сообщает нам о ее фазе и не позволяет сравнить волны, соответствующие всем пятнам, в то время как изображение гораздо более зависит от фазы, нежели от амплитуды отраженной волны.

Кристаллограф Артур Линдо Паттерсон придумал, как, не зная фаз, по измеренным значениям интенсивности пятен вычислить функцию, показывающую самые заметные (тяжелые) атомы в структуре, которые из-за большого количества электронов сильнее рассеивают лучи. Затем вычислить фазы, которые волны получили при отражении от этих атомов, и сопоставить их с известными амплитудами. Некоторые атомы проявятся как менее четкие «призрачные» детали в изображении всей структуры. Добавив эти атомы в исходную структуру и сделав повторные вычисления, вы увидите на следующей итерации еще больше «призрачных» атомов. Таким образом можно шаг за шагом полностью воссоздать структуру молекулы.

У вас получится трехмерная карта молекулы, или карта электронной плотности, в которой рентгеновские лучи рассеиваются преимущественно от электронов в атомах. Такая карта демонстрирует, насколько высока плотность электронов в любой заданной точке.

[8] Armstrong, 1927.

[9] Ibid.