Несмотря на отсутствие интереса к этому веществу у ученых, современников Уотсона и Крика, им казалось, что именно в нем кроется ключ к разгадке химического механизма наследственности. Они решили попытаться расшифровать молекулярную структуру ДНК, применив метод, уже испытанный при изучении структуры белка. Этот метод заключался в получении длинных волокон очищенной ДНК и их обработке рентгеновскими лучами. Рентгеновские лучи проникали в ДНК, и большая их часть проходила насквозь и выходила с другой стороны. Но некоторое количество лучей сталкивалось с атомами, входящими в структуру молекулы. Лучи отражались от атомов и рикошетом возвращались к той же стороне, откуда направились. В этом месте их фиксировали с помощью фотопленки — точно такой же, какой до сих пор пользуются рентгенологи для снимков перелома костей. Отраженные рентгеновские лучи «рисовали» на пленке узор из множества точек, по которым затем можно было определить расположение атомов в молекуле ДНК.
Уотсон и Крик провели долгие недели за изготовлением различных моделей из штативов, картонных пластинок и металлических шариков, изображающих атомы. Наконец одна из моделей полностью совпала с узором рентгеновских лучей. Модель была простой, но в то же время невероятно изящной. Ее структура сразу же навела ученых на мысль о том, как может осуществляться ее генетическая функция. Молодые ученые с подкупающей уверенностью сообщали о сделанном открытии в статье, опубликованной в научном журнале «Nature»: «От нашего внимания не ускользнуло, что специфическое удвоение, которое мы постулируем, может служить копирующим механизмом генетического материала». Они оказались совершенно правы, и в 1962 году Уотсон и Крик были награждены Нобелевской премией по медицине и физиологии.
Требования, предъявляемые к генетическому материалу: возможность многократного и точного его воспроизведения, чтобы при делении клетка давала двум новым «дочерним» клеткам равные порции хромосом в ядрах. Если генетический материал в хромосомах не будет копироваться всякий раз при делении клетки, то он довольно скоро иссякнет. Копирование же должно быть очень точным, иначе вновь образованные клетки просто не будут жизнеспособными. Уотсон и Крик обнаружили, что каждая молекула ДНК состоит из двух длинных спиралей, напоминающих две переплетенные винтовые лестницы — эта структура получила название «двойная спираль». Когда подходит время копирования, две винтовые лестницы двойной спирали разъединяются. ДНК построена всего из четырех базовых компонентов, которые обычно обозначаются первыми буквами их химических названий: А — аденин, Ц — цитозин, Г — гуанин и Т — тимин. Их общее название — азотистые основания (в дальнейшем для простоты мы будем именовать их просто основаниями). Теперь забудьте про химические названия и запомните только четыре буквы А, Ц, Г и Т.
Прорыв в расшифровке структуры ДНК был сделан, когда Уотсон с Криком обнаружили: четыре кирпичика, из которых строится ДНК, могут соединяться не каждый с каждым, а только попарно: А в одной спирали подходит только к Т, находящемуся прямо напротив него в соседней спирали. Словно ключ к замку или один кусочек головоломки — паззла к другому, А идеально подходит к Т, но никогда к Г, Ц или другому А Точно так же Ц и Г на двух спиралях соединяются только друг с другом, но не с А и не с Т. Таким способом обе нити сохраняют комплементарно (то есть дополнительно друг к другу) закодированную информацию о последовательности. Например, последовательности АТТЦАГ на одной нити может соответствовать только последовательность ТААГТЦ на соседней. Когда двойная спираль разъединяет нити, особые клеточные структуры достраивают напротив АТТГАЦ старой нити новую последовательность ТААГТЦ, и в то же время новое АТТГАЦ строится напротив ТААГТЦ второй старой нити. В результате появляются две новые двойные спирали, идентичные исходной. Последовательность четырех химических букв остается в неизменности на протяжении всего процесса дублирования. Что же означает эта последовательность? Это информация в чистом виде. Сама по себе ДНК не имеет никакой другой функции в организме. Она не помогает дышать или переваривать пищу. Она только дает организму указания, как ему это делать. В клетке имеются и «менеджеры среднего звена», вещества, которые получают инструкции и, руководствуясь ими, выполняют работу,— это белки. Вам может показаться, что все слишком усложнено. Что ж, это и впрямь очень сложно, но белки на самом деле действуют по указаниям, получаемым напрямую из штаба, то есть непосредственно от ДНК.