Рентгеновская кристаллография дает довольно своеобразную картинку. Полученные изображения — это не свет, отраженный от предмета (например, от тарелки с фруктами в случае с натюрмортом), и не силуэты, отбрасываемые рентгеновскими лучами при снимке сломанной кости, как тень. Эти изображения создаются с помощью квантово-механического принципа дифракции. Дело в том, что рентгеновские лучи, как и любой свет, состоят из волн, и когда те ударяются во что-то, например атомы в кристалле, то разлетаются во всех направлениях. Подобно кругам от брошенных в воду камней, волны из разных источников распространяются вовне и в конце концов пересекаются. В некоторых местах, где гребень одной волны встречается с гребнем другой, они усиливаются, в других, где гребень наталкивается на впадину, нейтрализуют друг друга. Например, если осветить кристалл, то большинство волн нейтрализуют друг друга — за исключением тех, которые в точности соответствуют расположению атомов внутри. Поставив на пути этих волн фоточувствительную пленку, можно определить структуру молекулы, давшей ту или иную картинку. Расшифровка такого изображения требует не только детального понимания теории дифракции, но и практического опыта, необходимого для получения четких снимков непослушных материалов.
Именно таким экспертом была Розалинд Франклин. Она получила образование физического химика в Кембриджском университете и освоила технику рентгеновской кристаллографии, проведя революционные исследования кристаллической решетки угля. Ее работа помогла узнать, почему некоторые кусочки угля при нагревании распадаются на графит, а другие — нет. Эта тема была далека от биологии, но имела важное применение в промышленности и давала отличную практику применения кристаллографических техник (уголь — не идеальный кристалл, поскольку примеси и неправильности в строении затрудняют интерпретацию снимков). Затем Франклин пригласили в Королевский колледж Лондона для изучения самой загадочной молекулы в биологии: ДНК.
Сделать снимок подобной структуры довольно непросто. Во-первых, живые молекулы влажные. ДНК существует в двух кристаллических формах: компактной A-форме и слегка растянутой B-форме, и от влажности образца зависит то, какая из них будет превалировать. Первые фотографии ДНК оказались смазанными, потому что образец переходил из одной формы в другую прямо во время долгого процесса съемки. Для получения хорошего снимка требовался достаточно «послушный» образец, а для этого приходилось измельчать органы животных, очищая затем полученные экстракты. Но хотя наука ценит точность, процессы создания пригодных образцов были понятны не до конца. Рудольф Зигнер, швейцарский химик, открыл методику, при которой молекулы почти не разрушались — или, как выражаются ученые, образцы имели «большой молекулярный вес». «Настоящие аристократы!» — заметил Морис Уилкинс, еще один ученый, работавший с ДНК, имея в виду высокое качество образцов Зигнера [125]. Хотя эта молекула содержится буквально в каждой живой клетке на планете, тот стал практически монопольным производителем пригодных для работы образцов. Чтобы получить хорошие снимки, нужно было осторожно «потянуть» за нити ДНК, использовать ряд растворов соли для поддержки идеальной влажности и облучать их рентгеновскими лучами с выдержкой 100 и более часов.
Снимки, полученные Франклин, оказались потрясающими. Британский кристаллограф Джон Бернал отметил, что они «относятся к лучшим из когда-либо сделанных рентгеновских фотографий какого-либо вещества» [126]. Экспериментаторские навыки ученой были подкреплены еще и глубокими теоретическими познаниями. Когда Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик показали ей свою первую модель, с тремя фосфатными опорами внутри и основаниями, торчащими наружу, она сразу же поняла, что в ней не так: там было слишком мало воды, а ионы натрия, которые они расположили снаружи, оказались связаны ее молекулами и не могли прикрепляться так, как та предсказывала [127]. Позже, когда к «гонке ДНК» присоединился всемирно известный химик Лайнус Полинг, предложивший похожую трехцепочечную модель, Франклин без обиняков написала прославленному гению, чтобы указать на ошибку [128]. Полученные снимки помогли ей понять, что фосфаты должны находиться снаружи, а основания — внутри. Многие месяцы она вместе со своим ассистентом Рэймондом Гослингом делала новые и новые снимки ДНК-форм A и B, все точнее определяя атомную структуру.
В конце концов загадку первыми разрешили Джеймс Уотсон и Фрэнсис Крик. То был печально знаменитый момент в истории науки: ученые воспользовались рентгеновскими фотографиями Франклин без ее ведома и согласия. Без этих фотографий дуэту, возможно, и не удалось бы продвинуться дальше своей ошибочной трехцепочечной модели, а будь у Франклин еще несколько месяцев на анализ собственных данных, возможно, именно она бы открыла верную структуру. В 1962 году Уотсону и Крику вручили Нобелевскую премию, но Франклин до нее не дожила — скончалась от рака четырьмя годами ранее. Пусть она так и не получила высочайшую награду науки — «Нобелевку» посмертно не вручают, — ее работа сейчас признается важнейшим шагом к разгадке одного из величайших секретов жизни.
ЧТО ВООБЩЕ ТАКОЕ ЭКСПЕРТНАЯ КОМПЕТЕНТНОСТЬ?
Как Франклин с первого же взгляда поняла, что первая модель ДНК, предложенная Уотсоном и Криком, не может быть правильной? Почему она сразу догадалась, как правильно подготовить хрупкие волокна, хотя никогда раньше не имела дела с этой молекулой? И более того, как Уотсон и Крик, лишь на мгновение увидевшие рентгеновский дифракционный снимок Франклин, сумели не только понять общую форму структуры, но и отбросить достаточно других вариантов, чтобы прийти к правильному ответу? Науку часто считают вершиной рациональности, а ученых — жрецами, которые открывают природу мира посредством чистых рассуждений, без каких-либо сантиментов и интуиции. Тем не менее примеры их работы опровергают эту философию. Интуиция играет в анналах великих открытий как минимум такую же важную роль, как и целенаправленное применение научного метода.
Венгерский философ и химик Майкл Полани ввел термин «негласные знания»: это вещи, которые мы знаем, но не можем объяснить, как и почему [129]. Наука, по его мнению, основана на невыразимых ноу-хау в такой же степени, как и на явных рассуждениях. Образу беспристрастного исследователя Полани противопоставил собственный взгляд: наука неразрывно связана с личными убеждениями конкретного ученого. Из нее невозможно убрать негласные знания, а попытка избавить ее от интуитивного фундамента лишь разрушит то, что философы надеются защитить [130].
Математик и физик Анри Пуанкаре тоже говорил о важности интуиции для совершения великих открытий.