Какому главному условию должна удовлетворять молекула, ответственная за передачу наследственности? Принципиальный ответ на этот вопрос был дан еще в 1945 году одним из первооткрывателей квантовой механики Э. Шредингером в своей маленькой книжке «Что такое жизнь?», которая оказала огромное влияние на тех, кто через десятилетие стал называть себя молекулярными биологами. Э. Шредингеру было ясно, что молекула, ответственная за передачу наследственности, должна быть апериодическим кристаллом. Сочетанием этих двух слов, звучащих примерно как «сладкая горечь», поскольку периодичность является признаком кристалла, Э. Шредингер хотел подчеркнуть, что ген должен каким-то образом (каким именно, он не имел представления) сочетать в себе упорядоченность с беспорядком.
Упорядоченность необходима по той причине, что имеется огромное множество одинаковых генов, входящих в состав разных клеток. Но строгий порядок несовместим с идеей хранилища наследственной информации. Упорядоченная система может быть описана десятком, ну сотней параметров, что свидетельствует об информативной бедности ее. Мы не можем послать сколько-нибудь содержательную телеграмму при помощи одних точек, или одних тире, или точек, регулярно чередующихся с тире.
Напротив, система, в которой точки и тире следуют друг за другом в произвольной последовательности, имеет неограниченные возможности для передачи информации.
До того как Д. Уотсон и Ф. Крик приступили к работе, уже было известно, что молекула ДНК представляет собой длинную цепь с боковыми привесками четырех типов. Эти привески, называемые нуклеотидами, суть тимин, цитозин, аденин и гуанин. Первые два привеска поменьше размером, хоть и разные, но очень похожи друг на друга. Два других, побольше, также отличаются друг от друга совсем незначительно.
Незадолго до того, как два будущих нобелевских лауреата приступили к своему поиску, химики стали подозревать, что нуклеотиды молекул ДНК разных особей следуют друг за другом в разном порядке. Длинная молекула, в которой похожие друг на друга, но все же разные нуклеотиды расположены в произвольном порядке, вполне соответствует идее Э. Шредингера об апериодическом кристалле.
Молекула ДНК простейшей бактерии имеет огромную длину. Число привесков измеряется 6 миллионами. Нетрудно прикинуть, что с помощью 6 миллионов слов четырехбуквенного алфавита мы сможем составить книгу объемом в 3 тысячи страниц. Так что концы с концами сходятся великолепно. Трех тысяч страниц вполне хватит, чтобы обрисовать во всех тончайших деталях строение бактерии.
Задачей Д. Уотсона и Ф. Крика являлось придать идее длинной апериодической молекулы конкретные черты и предложить такую модель, которая объяснила бы две основные функции молекулы ДНК — репликацию, то есть способность производить свои копии, и производство молекул белка, строго специфичных для каждого организма.
Д. Уотсон и Ф. Крик показали, что при сближении двух молекул ДНК существует лишь единственный удобный способ сплетения в одно целое двух тождественных молекул. Оказалось, что маленькому привеску тимину удобно подойти к большому аденину, а маленькому привеску цитозину удобно подойти к гуанину.
Природа пошла по пути механика, изготовляющего замок. Замок открывается лишь тогда, когда все выступы ключа попадут в соответствующие впадины замка. Так же точно существует единственная возможность сплетения молекул в двойную спираль: маленькие привески играют роль скважин, а большие — выступов ключей. Достаточно в одну из спариваемых молекул внести изменения, как свивание в двойную спираль станет невозможным.
Принцип «ключ-замок» непредвзято объясняет деление клеток. Двойная спираль расплетается, и каждая из половинок «собирает из имеющегося сырья» вторую молекулу, тождественную родительской.
Это объяснение представляется настолько естественным, что справедливость его была единодушно признана до получения прямых доказательств, которые, впрочем, не заставили себя долго ждать.
Механизм производства белковых молекул выглядел значительно сложнее. «Единицей» передачи наследственности оказалась последовательность примерно тысячи нуклеотидов. Она получила название цистрона. Каждый цистрон ответствен за производство полипептида — цепочки аминокислот, связанных пептидными связями. На смену формуле «один ген — один фермент» пришло правило «один цистрон — один полипептид».
Ген оказался не молекулой, а частью молекулы.