24
КВАНТ 2024/
№3
Винтовые линии, спирали и физические методы
В.ПТУШЕНКО
Стремительное развитие физики в ХХ веке дало ей возможность внести свой вклад и в развитие других наук, прежде всего за счет появления многих новых методов исследования. Одним из них стал метод рентгеноструктурного анализа, основанный на дифракции рентгеновского излучения на атомах кристаллической решетки. Напомним, что дифракция волны на периодическом препятствии приводит к различиям интенсивности волны, рассеянной в разных направлениях. Один из наглядных примеров – дифракция света на поверхности DVD диска, который в отраженном свете переливается всеми цветами радуги. Любой кристалл также является периодической структурой и, следовательно, может служить дифракционной решеткой. Однако расстояние между «штрихами» этой решетки слишком маленькое, чтобы при отражении от такой периодической структуры видимого света могла возникнуть различимая дифракционная картина. А вот рентгеновское излучение, длина волны которого близка к межатомным расстояниям, дает отличную дифракционную картину. Это явление еще в 1912 году обнаружили Макс Лауэ и отец и сын Уильям и Лоренс Брэгги, за что были удостоены Нобелевских премий (1914 и 1915 г.). Относительно скоро рентгеноструктурный анализ стал (и остается до сих пор) одним из основных методов исследования структуры молекул, в том числе и биологически важных макромолекул. Позже в число основных методов опреде-
DOI: https: doi.org 10.4213 kvant20240302
ления структуры молекул вошел метод ядерного магнитного резонанса, а относительно недавно к ним присоединился и метод криоэлектронной микроскопии. С использованием метода рентгеноструктурного анализа связано и одно из наибо-
Рис. 1. Пространственная структура двухцепочечной молекулы ДНК. Изображение построено с помощью визуализатора структур VMD
25
ИЗ ИСТОРИИ НАУКИ
лее «резонансных» открытий в биологии XX века – открытие, поистине взорвавшее научный мир и оказавшее, пожалуй, наибольшее влияние на развитие биологии во второй половине XX века. Речь идет об открытии пространственной структуры молекулы ДНК (рис. 1), сделанном Фрэнсисом Криком и Джеймсом Уотсоном чуть больше 70 лет назад (1953 г.). Наверное, практически всем известно словосочетание «двойная спираль» – благодаря книге Уотсона с таким названием. Однако отнюдь не это – обнаружение «спиральной» структуры ДНК – было основным в открытии Крика и Уотсона. Ключевым здесь было предположение о том, что азотистые основания – «кирпичики», из которых сложена молекула ДНК, – в одной цепи комплементарны, т.е. дополнительны, лежащим напротив них основаниям в другой цепи. Такая комплементарность, по сути – строгое соответствие, означала, что одна нить этой «двойной спирали» содержит в себе уже всю необходимую информацию о ее структуре. Вторая же нить может быть достроена по первой так же, как «достраивается» чугунная отливка в отливочной форме. Идеи о подобном механизме копирования наследственной информации (воссоздания новой полимерной молекулы на основе уже существующей) впервые были высказаны задолго до Уотсона и Крика (русским биологом Н.К.Кольцовым, австрийским биологом Х.Пржибрамом, немецким химиком Г.Штаудингером и английс-
Рис. 2. Разрез раковины головоногого моллюска наутилуса, очертания которого напоминают логарифмическую спираль
Рис. 3. Винтовая лестница, контуры которой (перила и края ступенек) образуют винтовые линии
ким биохимиком и математиком Д.Ринч еще в двадцатых – начале тридцатых годов ХХ века). Однако свое зримое воплощение они обрели и перестали быть лишь умозрительной гипотезой только в результате открытия структуры ДНК. Эта структура в русском языке получила весьма неудачное, хотя и броское название, – «двойная спираль». Конечно же, нити ДНК сворачиваются отнюдь не в плоскую кривую – спираль, а в винтовую линию (рис. 2 и 3). Этот неудачный перевод английского слова helix, которое иногда может означать и спираль, к сожалению, закрепился в русском языке. Любопытно, что в одной из своих первых статей Френсис Крик прямо сказал о том, какую кривую нужно понимать под этим термином: «Винтовую линию (helix) часто вольно называют спиралью (spiral); различие заключается в том, что винтовая линия обвивается не вокруг конуса, а вокруг цилиндра, как обычно это делает винтовая лестница» (1954 г.). Разумеется, автор здесь допустил некоторую вольность, спираль – это не сама кривая, намотанная на конус, а ее проекция на плоскость, перпендикулярную к его оси. Но статья была опубликована в научно-популярном журнале Scientific American, и такая вольность была допустима. Русский же перевод этой статьи, который стал первым переводом сообщения о структуре ДНК на
26
КВАНТ 2024/№3
устоявшихся стандартов (левые винты обычно используются для каких-либо специальных задач). Напомним, что правым винтом считается та винтовая линия, которая при движении вперед вдоль ее оси закручивается по часовой стрелке. Наиболее стабильная и распространенная форма ДНК (B-форма), с которой работали первые ее исследователи, является правой винтовой линией. Именно так она изображена в статье Уотсона и Крика, вышедшей в апреле 1953 года. Именно эта форма и
Рис. 4. Памятник лабораторной мыши в Академгородке города Новосибирска
русский язык, совершенно упустил это предостережение Крика, представив его довольно странным образом: «имеется в виду спираль, навитая не вокруг конуса, а вокруг цилиндра, подобная винтовой лестнице» (1956 г.). Статья была опубликована в солидном советском журнале, который позже получил название «Журнал Всесоюзного химического общества имени Д.И.Менделеева». Журнал основал выдающийся химик И.Л.Кнунянц, и именно его мужеству и проницательности мы обязаны тем, что эта статья вообще была опубликована в то время, когда упоминать о ДНК, как о материальном носителе наследственности, в нашей стране было не принято. Однако вместе с этой новостью о важнейшем научном открытии, увы, вкралась и эта курьезная ошибка. В последующих переизданиях этой статьи Крика на русском языке даже эти уточнения о форме ДНК полностью исчезли. Однако математические курьезы со структурой ДНК на этом не закончились. Как известно, резьба винта (а ведь это – тоже винтовая линия) может быть левой или правой, хотя в быту мы гораздо чаще сталкиваемся с правыми винтами в силу
Рис. 5. Символический памятник мира и добра