Головна
Реферати » Реферати з біології » Хроніка великого відкриття: ідеї та особи

Хроніка великого відкриття: ідеї та особи

де ми розмовляли по десять і більше годин без перерви, лише іноді поглинаючи їжу в ході розмов. Не можу судити, хто більше почерпнув з цього обміну ідеями, знаннями та досвідом, але є фактом, що через кілька місяців Дельбрюк настільки глибоко зацікавився кількісної біологією, і особливо - генетикою, що залишився в цьому полі назавжди "[6].

Інакше кажучи, це був, як тепер кажуть, "мозковий штурм". Знаючи нестримний характер Н.В. і його ідейний домінування в будь-якій аудиторії, можу сказати, що саме він сіяв насіння, а його молоді колеги слухали , не відриваючись.

Наприкінці 20 - середині 30-х років Тимофєєв-Ресовський і його співробітники вивчали закономірності виникнення мутацій під дією рентгенівських променів та інших жорстких випромінювань. Головна ідея полягала в тому, що квант випромінювання або частка іонізують атоми внутрішньоклітинного речовини. При цьому виникають мутації генів. Якщо механізм мутацій одноударний, тобто один акт іонізації в обсязі мішені викликає мутацію, то число мутацій (N *) при опроміненні зростає за законом

N * = N0 {1 - exp (-vD)},

де N0 - початкове число мішеней в обсязі v, D - доза опромінення, яка вимірюється числом пар іонів в см3. У тканинах дрозофіли доза в один рентген викликає 1.6 · 1012 актів іонізації на см3. Тому константа v має розмірність см3, тобто обсягу мішені, іонізація якої достатня для виникнення мутації. Вимірявши N0, N * і D, можна оцінити обсяг мішені, яка ймовірно ототожнюється з геном, тобто - Фізичний розмір гена. За уявленнями Тимофєєва-Ресовський, ген - неподільна елементарна одиниця, свого роду атом спадковості, а його мутації - зміни внутрішнього стану.

Підрахунок рецесивних летальних мутацій в X-хромосомі дрозофіли, за даними для різних випромінювань, показав, що v = 1.77 · 10 - 17 см3. Це відповідає сфері діаметром d = 3.2 · 10 - 6 см = 32 нм. Оскільки характерні міжатомні відстані 0.2 - 0.3 нм, а середній обсяг атома (8-27) · 10-3 нм3, значить, число атомів в гені 300 - 1000, а характерний розмір гена 2 - 3 нм (за пізнішими оцінками [7] , 2 - 6 нм). Для порівняння [8], діаметри молекул глобулярних білків 2 - 10 нм. Якщо середнє число атомів, складових мономери білків (амінокислоти), дорівнює 15, то уявний ген-білок повинен складатися з 20 - 70 амінокислот. Сьогодні ми знаємо, що це число занижено. Нарешті, за пізнішими та точним оцінками Тимофєєва-Ресовський і Циммера, середній обсяг мішені 1700 нм3, що відповідає діаметру сфери 25 нм, числу атомів 6.3 · 105 - 2.1 · 106 і кількістю пар нуклеотидів (для ДНК) 10000 - 40000. За сучасними даними, ці цифри для генів дрозофіли не завищені.

Проте зроблений авторами висновок є очевидним: ген - макромолекула, що складається з 100 мономерів і більше, як і передбачав Кольцов. Тому хромосома-молекула повинна бути в сотні і тисячі разів більше. При взаємодії з випромінюваннями молекула-ген повинна проявляти квантові властивості. З хімії, в тому числі - квантової, відомо, що складні молекули можуть мати ізомерні форми, тобто різні структури при тому ж складі. Якщо гени-молекули побудовані з невеликого різноманітності мономерів, то комбінаторика варіантів одного складу величезна. Наприклад, для лінійних молекул з L мономерів, що належать до n різним типам, число ізомерів буде

__ L!

---

K1! k2! ... Kn!

Де ki - число мономерів i-го типу.

Дельбрюк припустив, що ізомери відповідають аллелям гена, а ізомерні переходи - мутацій. З іншого боку, ізомери відповідають дискретним енергетичним станам молекули в потенційних ямах, які розділені потенційними бар'єрами кінцевої величини (порогами). Тунельний ефект крізь ці бар'єри малоймовірний, і чим вище поріг, тим довше очікування. Однак якщо надійшла ззовні енергія достатня для подолання бар'єру (тобто для іонізації), то відбудеться радіаційна індукція ізогенна переходу, тобто мутація. Ясно також, що більша молекула має величезне число дискретних стійких станів-алелей.

Цікаво, що вже в 50-ті роки ідея ізомерних переходів між квантовими станами генів знайшла реальне втілення. Було показано, що азотисті основи нуклеотидів ДНК мають так звані таутомерні варіанти. Таутомери утворюють різне число водневих зв'язків в ДНК і в результаті - пари з іншими нуклеотидами, порушуючи канонічні правила комплементарності: A - T і G - C. Квантові таутомерні переходи вносять свій внесок у спонтанний мутагенез. А багато хімічні мутагени - аналоги нуклеотидів - мають підвищену ймовірність таутомерного переходу, тобто індукують мутаційні заміни нуклеотидів в ДНК.

У 1935 р. Тимофєєв-Ресовський, Циммер і Дельбрюк на запрошення Геттінгенської академії природознавства зробили доповідь про структуру гена і механізм мутацій, який потім був опублікований у вигляді невеликої зошити із зеленою обкладинкою і отримав назву "Класична зелена зошит "[9]. Пізніше у своїх спогадах Н.В. писав:

"Я ??особисто з 40-х років більше цим не займаюся. Правда, мене багато хто, особливо там, за кордоном, вважають чимось на зразок діда цього напрямку. Бо нова, післявоєнна редакція його була запущена Дельбрюком, а Дельбрюка відповідну річ я заправив в мізки в 30-і роки. Ось з цього, по суті, пішло все, з цієї самої нашої класичної, так званої "зеленої тетрадочки" Геттінгенського товариства наук. Ну і нехай, значить , далі розвивається на добре здоров'я "[10].

Не слід думати, що "модель трьох" повною мірою витримала випробування часом. Виявилося, що оцінка розміру генів, дійсно, не дуже далека від реальної, а гени - макромолекули, але не білки, а сегменти ДНК. Квантові явища дійсно беруть участь в первинному мутагенезі, але зовсім не так, як припускав Дельбрюк. У моделі розглядалися й інші найважливіші властивості генів - здатність до подвоєння і до контролю ознак клітини і організму та ін Саме Тимофєєв-Ресовський запропонував тоді ідею (і термін) конвариантной редуплікаціі генів, тобто їх здатності "поруч із собою побудувати собі точно подібні і відштовхнути", але з включенням в себе спадкових варіацій, мутацій.

Головне значення цієї моделі полягає в тому, що вона привернула до проблеми гена багатьох видатних фізиків. Надалі це виявилося вирішальним подією в ході з'ясування молекулярної природи генів, зародження молекулярної біології і генетики, розвитку інформаційно-кібернетичного підходу в генетиці.

У 1938 р. Дельбрюк, налаштований антинацистського, скористався підтримкою Рокфеллерівського фонду і виїхав до США, повністю присвятивши свою діяльність питань молекулярної генетики. Досвід фізика, ймовірно, підказав йому, що для успішного вирішення проблеми гена слід знайти такі біологічні об'єкти, які за розміром мінімально відрізнялися б від генів. Дельбрюк вибрав бактеріофагів. У той час (1939 - 1940) ніхто не припускав, що фаги підкоряються законам генетики. Разом з А.Херші, американським вірусологом, і С.Лурія, молодим вірусологом, емігрантом з Італії, вони організували "фагів групу", яка вперше використовувала фаги як генетичні об'єкти. Надалі Дельбрюк, Лурія і Херші отримали Нобелівську премію за основоположні дослідження з генетики бактеріофагів.

Таким чином, "торкання" Н.В.Тімофеева-Ресовского і М.Дельбрюка породило квантову модель гена-молекули. У свою чергу, "модель трьох" і "Зелена зошит" справили сильне враження на Е. Шредінгера - одного з творців квантової механіки.

Що таке життя з точки зору Шредінгера

Австрійський фізик-теоретик Ервін Шредінгер, ім'ям якого названо основне рівняння квантової механіки, Нобелівський лауреат, в 1938 р. покинув батьківщину і переїхав до столиці Ірландії - Дублін. Хоча він не був євреєм і не піддавався гонінням в Австрії та Німеччині, його відштовхував нацизм. Тому він прийняв запрошення президента Ірландії І. де Валера очолити Школу теоретичної фізики Інституту вищих досліджень в Дубліні. Авторитет Шредінгера у фізиці був виключно високий. За свідченням У.Мура [11], біографа Е. Шредінгера, до 1960 число публікацій, в яких використовувалося рівняння Шредінгера, перевищило 100 тис.

Будучи широко освіченою людиною, Шредінгер не замикався тільки на фізиці: тут і робота про роль стародавніх греків у сучасній цивілізації, і книга віршів, і багато іншого. Особливе місце в його науковій творчості займає невелика книга "Що таке життя? З точки зору фізика", написана за матеріалами трьох популярних лекцій [12], прочитаних в Дубліні в лютому 1943 р. на основі "Зеленої зошити". Шредінгер був добре знайомий з авторами цієї роботи по спільним семінарам фізиків-теоретиків (і частково - радіаційних генетиків) копенгагенської школи. Це і стало наступним "киснем" творців великої ідеї.

Насамперед Шредінгер розвинув модель гена-молекули (модель Дельбрюка, як він її часто називав):

"Припустимо, що за своєю структурою ген є гігантською молекулою, яка здатна тільки до дискретних змін, сводящимся до перестановки атомів з утворенням ізомерної молекули.

Перестановка може торкнутися невеликої частини гена; можливо величезне число таких різних перестановок. Потенційні бар'єри, що розділяють можливі ізомерні конфігурації, мають бути досить високими (порівняно з середньою тепловою енергією атома), щоб зробити переходи рідкісною подією. Ці рідкісні події ми будемо ототожнювати зі спонтанними мутаціями "[13].

Шредінгер звернув увагу, що стабільна структура молекул швидше відповідає кристалічної, ніж аморфної. Розглядаючи гетерогенную складну органічну молекулу, Шредінгер укладає:

"Ми можемо абсолютно точно назвати це утворення апериодическим кристалом, або твердим тілом, і висловити нашу гіпотезу словами: ми вважаємо, що ген або, можливо, ціла хромосомная нитка являють собою апериодическое тверде тіло ".

Така модель допускає

Сторінки: 1 2 3