نویسنده: جان گریبین
مترجم: رضا خزانه
مترجم: رضا خزانه
فرضیه تترا نوکلئوتید
کسی که بیش از همه مسئول این تلقی اشتباه بود، فیبس لوین (Phoebus Levene)(1940-1869)، دانشمند آمریکایی متولد روسیه بود. او یکی از اعضای بنیان گذاران مؤسسه راکفلر در نیویورک در سال 1905 بود و تا پایان زندگی حرفه ای خود در آنجا ماند. او در درک ماهیت پیوند اجزای ساختاری RNA با یکدیگر پیشتاز بود و در سال 1929 سرانجام DNA را شناسایی کرد؛ اما او اشتباه قابل درکی کرد که متأسفانه به علت شهرت و نفوذ بسیارش به عنوان یک بیوشیمی دان برجسته بازتاب وسیعی یافت. لوین در شهر کوچک ساگر در روسیه به دنیا آمد (همان سالی که میشر نوکلئین را کشف کرد) و او را فیشل نام نهادند که یک نام یهودی است. او دو ساله بود که خانواده اش به سنت پترزبورگ نقل مکان کرد و نامش را به فئودور تغییر دادند که یک نام روسی است. خانواده در سال 1891 برای نجات از سرکوب های ضد یهودی به آمریکا مهاجرت کرد و او این بار هم نامش را به فبوس تغییر داد زیرا به اشتباه گمان می برد که این نام معادل انگلیسی نام روسی است؛ زمانی که متوجه شد که معادل درست ودر واقع تئودور است احساس کرد تغییر مجدد نام دیگر ثمری ندارد. لوین در نتیجه تحلیل مقدار نسبتاً زیادی اسید نوکلئیک دچار اشتباه قابل درکی شد. در نتیجه شکستن ماده مذکور به اجزای ساختاری اش معلوم شد که این ماده تقریباً حاوی مقادیر برابری از C,A,G و U است (سلول های خمیرمایه مورد استفاده در این تحقیق RNA تولید می کنند). او نتیجه گرفت که اسید نوکلئیک تنها ساختاری است که از چهار واحد تکراری تشکیل می شود که با یکدیگر پیوند خورده اند؛ ظاهراً مولکول RNA دقیقاً حاوی یک عدد از هر کدام از چهار پایه مورد نظر است. ایده مذکور به فرضیه تترا نوکلئوتید مشهور شد؛ اما به جای آنکه درستی آن به عنوان یک فرضیه مورد آزمون قرار گیرد، عده بی شماری از هم عصران لوین و وارثان بلافصلش آن را باوری بی چون و چرا تلقی کردند و بدون هیچ سؤالی پذیرفتند. پروتئین ها به صورت مولکول های بسیار پیچیده ای شناسایی شده بودند که از انواع گوناگون اسیدهای آمینه تحت شیوه های متفاوت ترکیب تشکیل می شوند. این امر منجر به تقویت این ایده شد که همه اطلاعات مهم سلول ها در ساختار پروتئین وجود دارد و اسید نوکلئیک فقط به عنوان یک داربست، وظیفه نگه داشتن پروتئین ها را در جای خود به عهده دارد. طبق فرضیه مزبور این «پیام» حاوی اطلاعات کمی است و شامل یک کلمه یعنی GACU است که به نحو پایان ناپذیری تکرار می شود. اما شواهد در اواخر دهه 1920نشان داد که اسید نوکلئیک چیزی بیش از یک داربست است. این واقعیت اولین بار در سال 1928، یک سال پیش از آنکه لوین سرانجام موفق به کشف DNA شود مورد توجه قرار گرفت.راه حل مسئله را فرد گریفیث (Fred Griffith) (1941-1881)، میکروبیولوژیست بریتانیایی، ارائه داد که به عنوان کارمند پزشکی وزارت بهداشت لندن کار می کرد. او به بررسی باکتری عامل بیماری ذات الریه مشغول بود و به هیچ وجه به دنبال کشف حقیقت عمیقی درباره مفهوم وراثت نبود. مگس های میوه سریع تر از بوته های نخود زاد و ولد می کنند و از این رو طرز کار وراثت را سریع تر نشان می دهند. موجودات زنده بسیار ریزی مانند باکتری ها هم سریع تر از مگس های میوه زاد و ولد می کنند. در ظرف چند ساعت چند نسل از آنها تولید می شود و می توان در ظرف چند هفته تغییرات مورد نظر را در آنها مشاهده کرد. همین بررسی در مورد مگس های میوه ی دروزوفیلا چند سال طول می کشد. گریفیث در نتیجه این بررسی کشف کرد که دو نوع باکتری ذات الریه وجود دارد. یکی از آنها فعال است و می تواند بیماری مهلکی ایجاد کند، در حالی که باکتری دیگری تأثیر اندکی دارد و یا اصلاً بی تأثیر است. گریفیث در جریان انجام چند آزمایش، با هدف بررسی امکان درمان این بیماری، دریافت که نوع خطرناک باکتری ذات الریه بر اثر حرارت از بین می رود و اگر باکتری های مرده را با نوع غیر خطرناک بیامیزند، مخلوط حاصل تقریباً همان اثر خطرناک را در موش ایجاد می کند. گریفیث علت این رویداد را درک نکرد و پیش از آنکه اهمیت این موضوع آشکار شود درگذشت (او در سانحه حمله هوایی در زمان جنگ کشته شد)؛ اما کشف او، جهت تحقیقات را تغییر داد. یکی از تأثیرگذارترین افراد در این زمینه اسوالد آوری (1955-1877)، میکرو بیولوژیست آمریکایی بود. او از سال 1913 به بعد به طور تمام وقت در مؤسسه راکفلر نیویورک، در زمینه درمان بیماری ذات الریه تحقیق می کرد.
آوری و گروهش در دهه 1930 و 1940 با انجام چند آزمایش بسیار دقیق شیوه تبدیل یک نوع از بیماری ذات الریه به نوع دیگر را بررسی کردند. آنها ابتدا آزمایش های گریفیث را تکرار کردند و بعداً متوجه شدند که تکثیر گروهی از باکتری های غیر خطرناک در ظرفی شیشه ای (ظروف پتری) که محتوی سلول های باکتری خطرناک مرده و حرارت دیده است موجب می شود که باکتری های در حال رشد غیر خطرناک فوق الذکر به نوع خطرناک تبدیل شوند. چیزی از سلول های مرده به باکتری های زنده منتقل می شود. اما چه چیزی؟ در گام بعد، سلول ها را به وسیله انجماد و حرارت شکستند و از دستگاه سانتریفوژ برای جدا کردن باقیمانده جامد و مایع موجود استفاده کردند. آنها دریافتند که عامل مورد نظر در بخش مایع وجود دارد. به این ترتیب تحقیقات به نحوی متمرکز دنبال شد. همه محققانی که در آزمایشگاه آوری کار می کردند تا اواسط دهه 1930 در این تحقیقات مشارکت کردند. در همین ایام، آوری که قبلاً کارها را دورادور نظاره می کرد و دخالت مستقیمی در آزمایش ها نداشت تمام توان خود را برای شناسایی عامل تبدیل بسیج کرد. او این کار را با همکاری دو پژوهشگر جوان، یک آمریکایی متولد کانادا به نام کالین مک لئود (1972-1909) و از سال 1940 به بعد با مک لین مک کارتی (1911- ) از ساوت بند ایالت ایندیانا انجام داد.
انتشار مقاله نهایی آوری، مک لنود و مک کارتی از طرفی به علت اصرار آوری به بررسی همه جانبه جزئیات و از طرفی به علت وقفه ناشی از جنگ جهانی دوم و سرانجام به خاطر دشواری پذیرش نتایجی که بسیار شگفت آور بود تا سال 1944 به طول انجامید.(1) آنها در این مقاله ماده شیمیایی مسئول تبدیل را که گریفیث اولین بار در سال 1928 مشاهده کرده بود معرفی کردند. آنها ثابت کردند که عامل تبدیل، به رغم باور رایج پروتئین نیست بلکه DNA است. اما در مقاله سال 1944 آن قدر پیش نرفتند تا DNA را به عنوان ماده ژنتیکی شناسایی کنند، هر چند آوری که در آن زمان 67 ساله بود (سن قابل توجهی برای کسی که در این سطح از تحقیقات علمی کار می کند) در گفتگو با برادرش، روی، حدسیاتی زده بود.(2)
قواعد چارگاف
اما آن دسته از دانشمندان که مفاهیم اصلی را دریافتند، دورنمای تحقیقات را به روشنی می دیدند. آنها یک بار دیگر مشعل را دست به دست کردند و گام کلیدی بعدی پس از انتشار مقاله آوری، مک لئود و مک کارتی در سال 1944 را دانشمندی به نام چارگاف ( -1905) برداشت. چارگاف در وین به دنیا آمد. او در سال 1928 در همان سالی که گریفیث DNA را کشف کرد دکترا گرفت. او دو سال در دانشگاه ییل آمریکا ماند و سپس به اروپا بازگشت و در پاریس و برلین کار کرد. او در سال 1935 به آمریکا بازگشت و بقیه زندگی حرفه ای خود را در دانشگاه کلمبیا گذراند. چارگاف با پذیرش این فرضیه که DNA حامل اطلاعات وراثتی است پی برد که مولکول های DNA به رغم تصور رایج، انواع گوناگون و ساختار پیچیده تری دارند. چارگاف و همکارانش با به کارگیری فنون جدید رنگ شناسی کاغذی (که از دوران مدرسه با ساده ترین شیوه آن آشنا هستیم؛ در این آزمایش جوهرها با سرعت های مختلف کاغذ را لکه دار می کنند و به صورت مؤلفه های رنگی پخش می شوند) و طیف نمایی ماوراء بنفش موفق شدند نشان دهند که جزئیات ساختار DNA به رغم تشابهات در گونه های مختلف مورد مطالعه از گونه ای به گونه دیگر متفاوت است (گر چه هنوز DNA است). چارگاف گوشزد کرد که به اندازه تعداد گونه های مختلف، انواع گوناگون DNA وجود دارد. او دریافت که گوناگونی در مقیاس وسیع دیده می شود اما میزانی از یکنواختی در پیچیدگی مولکول های DNA وجود دارد. پایه های مختلف چهارگانه مولکول های DNA شامل دو نوع مختلف است. گوانین و آدنین هر یک اعضای خانواده ای شیمیایی به نام پورین هستند در حالی که سیتوزین و تیمین هر دو به خانواده پیریمیدین تعلق دارند. چارگاف قواعدی را که به نام خودش شناخته می شود در سال 1950 منتشر کرد. طبق قواعد مذکور، اولاً مقدار کل پورین که در نمونه ای از DNA (G + A) موجود است همیشه با مقدار کل پیریمیدین موجود (C+T) برابر است؛ ثانیاً مقدار A با مقدار T برابر است در حالی که مقدار G با مقدار C برابر است. اینها قواعد کلیدی درک ساختار مشهور مارپیچ دوتایی DNA هستند. اما درک چگونگی انسجام این ساختار، نیازمند آگاهی از پیشرفت های علم شیمی پس از انقلاب کوانتومی است.شیمی حیات
فیزیک کوانتومی با شروع از کار نیلس بور در دهه 1920 به اوج خود رسید، الگوهای جدول تناوبی عناصر را توضیح داد و نشان داد که چرا بعضی از اتم ها با اتم های دیگر ترکیب می شوند و مولکول تشکیل دهند، اما اتم های دیگر نمی توانند. جزئیات مدل های مذکور، به توزیع انرژی در الکترون های اتم بستگی دارد و آن هم به نوبه خود بر مبنای کمینه کردن انرژی اتم انجام می شود مگر آنکه اتم بر اثر تأثیرات انرژی خارجی برانگیخته شود. در اینجا نیازی به پرداختن به جزئیات نداریم و می توانیم یکسره از نتایج آغاز کنیم. در این میان حتی مدل اتمی بور هم سودمند است؛ هر چند پیشرفت های دهه 1920 چارچوب محکم تر را فراهم کرد. مهم ترین تفاوت بین این دو در اینجاست که بور در ابتدا فکر می کرد که الکترون ها ذرات بسیار ریز و سختی هستند اما نظریه کامل کوانتومی، الکترون ها را موجودات پخش شده ای در نظر می گیرد، به نحوی که یک الکترون تنها مانند موجی، هسته اتم را احاطه می کند.بنابر خواص کوانتومی الکترون، تنها بعضی از الکترون ها مجاز به اشغال سطوح انرژی هستند. می توانیم، هر چند به صورت تقریبی، تجسم کنیم که این سطوح انرژی مانند مدارهایی به دور هسته اند. شیمی دان ها این حالات انرژی را «پوسته» می نامند. چند الکترون می توانند یک پوسته را اشغال کنند به صورتی که هر الکترون در کل حجم پوسته پخش شده است. سطح انرژی پوسته های کامل یعنی پوسته هایی که حاوی تعداد بیشینه الکترون های مجازند، کمتر از سطح انرژی پوسته های نیمه پر است. در هر عنصری، پایین ترین حالت انرژی اتم های منفرد (پوسته ای «که به هسته نزدیک تر است») تنها به اندازه دو الکترون جا دارد. در پوسته بعدی هشت الکترون جای می گیرد و همین طور در پوسته سوم. هر چند با ادامه این بحث به مشکلاتی بر می خوریم که طرح آنها خارج از موضوع کتاب است. هسته اتم هیدروژن حاوی یک پروتون است و بنابراین فقط یک الکترون در تنها پوسته اشغال شده آن موجود است. از جنبه انرژی سطح انرژی این حالت نسبت به حالتی که دو الکترون در پوسته هستند بیشتر است و به این دلیل هیدروژن دست کم در یک وضعیت میانی قرار دارد، یعنی می تواند به اتم های دیگر بپیوندد و در الکترون دوم سهیم شود. به عنوان مثال، در مولکول هیدروژن (H_2 ) یک الکترون از هر اتم در یک زوج سهیم است و با احاطه کردن هر دو هسته، یک پوسته کامل ایجاد می کند. اما هلیوم که در تنها پوسته قابل اشغالش دو الکترون دارد در وضعیت مناسب انرژی یا نیروانای اتمی قرار دارد و با اتم های دیگر برهم کنش نمی کند.
با بالا رفتن از نردبان پیچیدگی به عنصر بعدی یعنی لیتیوم می رسیم که سه پروتون در هسته دارد (و معمولاً چهار نوترون) و بنابراین سه الکترون در ابر اتم موجود است. دو تا از الکترون ها روی پوسته اول قرار می گیرند و الکترون بعدی پوسته دوم را اشغال می کند. بارزترین جنبه هر اتم نسبت به اتم دیگر که خواص شیمیایی آن را مشخص می کند، مربوط به وضعیت بیرونی ترین پوسته اشغال شده است. در مورد لیتیوم، یک الکترون بیرونی ترین پوسته را اشغال می کند. به همین دلیل، لیتیوم تمایل دارد تا این الکترون با اتم دیگری، به ترتیبی که به زودی خواهیم دید، شریک شود. بنابراین لیتیم عنصری شدیداً واکنش دهنده است و خواص شیمیایی آن شبیه هیدروژن است. تعداد پروتون های هر هسته بیانگر عدد اتمی آن عنصر خاص است. با افزودن پروتون ها به هسته و الکترون ها به پوسته دوم (و با نادیده گرفتن نوترون ها که اصولاً در این سطح از شیمی نقشی ندارند) به عنصر نئون می رسیم که جمعاً ده پروتون و ده الکترون دارد. دو تا از این الکترون ها در داخلی ترین پوسته و هشت تای دیگر در بیرونی ترین پوسته قرار دارند. نئون مانند هلیوم گازی بی اثر است. حال می توانیم درک کنیم که این الگوی تکراری خواص شیمیایی عناصری که به فاصله هشت واحد در جدول تناوبی قرار گرفته اند از کجا ناشی می شود. تنها ذکر یک نمونه دیگر برای این منظور کافی خواهد بود. با افزودن یک پروتون و الکترون دیگر از نئون به سدیم می رسیم که دو پوسته داخلی کاملاً اشغال شده و یک الکترون در پوسته بیرونی دارد؛ سدیم با عدد اتمی 11 خواص شیمیایی مشابهی با لیتیم با عدد اتمی 3 دارد.
مدل پیوند کووالانسی و شیمی کربن
گیلبرت لوئیس (1946-1875) آمریکایی در سال 1916، ایده پیوند بین دو اتم را ابتدا به صورت کیفی مطرح کرد. طبق این ایده، دو الکترون برای پر کردن پوسته هایشان با هم مشارکت می کنند. اهمیت مدل پیوند کووالانسی با توجه به ساده ترین مثال برای تشریح شیمی کربن که در قلب حیات قرار دارد آشکار شده است. کربن در هسته خود شش پروتون (و بر حسب اتفاق شش نوترون) و در ابر خود شش الکترون دارد. دو تا از این الکترون ها طبق معمول، روی درونی ترین پوسته قرار گرفته اند و چهار الکترون پوسته بیرونی را اشغال می کنند. این چهار الکترون دقیقاً نصف تعداد الکترونی هستند که می توانند این پوسته را پر کنند. هر یک از این چهار الکترون می تواند با یک الکترون اتم هیدروژن یک زوج تشکیل دهد. به این ترتیب مولکول متان
تشکیل می شود که در آن اتم کربن در وسط قرار گرفته و پوسته بیرونی با هشت الکترون پر شده است، در حالی که هر یک از اتم های هیدروژن یک پوسته پر حاوی دو الکترون دارد. اگر در پوسته بیرونی پنج الکترون وجود داشت، اتم مرکزی تنها به سه پیوند برای پر کردن این پوسته نیاز داشت؛ اگر این پوسته تنها سه الکترون داشت می توانست سه پیوند داشته باشد، هر چند شاید «تمایل داشت» پنج پیوند داشته باشد. چهار پیوند حداکثر میزان پیوندی است که هر اتم می تواند برقرار کند و پیوندها در پوسته هایی که به هسته نزدیک ترند قوی تر است.(3) به این دلیل است که کربن عالی ترین عامل ترکیب است. اگر به جای یک یا تعداد بیشتری از اتم های هیدروژن، اتم های کربن یا گروه های فسفر قرار دهیم، می توانیم درک کنیم که چرا شیمی کربن این توانایی عظیم را برای تولید انواع وسیعی از مولکول های پیچیده داراست.پیوند یونی
اما راه دیگری هم برای پیوند اتم ها وجود دارد که ما را به لیتیم و سدیم باز می گرداند. این دو عنصر می توانند چنین پیوندهایی تشکیل دهند؛ ما سدیم را به عنوان نمونه در نظر می گیریم زیرا پیوند مزبور در ماده معمولی روزمره، یعنی نمک طعام یا NaCl، وجود دارد. این پیوند به پیوند یونی معروف است، چند دانشمند در قرن نوزدهم ایده پیوند مذکور را توسعه دادند که درک کامل آن تا قرن بیستم به طول انجامید؛ هر چند اعتبار اصلی طرح ایده به اسوانته آرنیوس سوئدی (1927-1859) باز می گردد که در سال 1903 به پاداش این کار به دریافت جایزه نوبل مفتخر شد. سدیم، همان طور که دیدیم، دو پوسته کاملاً پر و یک الکترون در پوسته بیرونی دارد. اگر سدیم بتواند از شر این الکترون خلاص شود شکلی مانند نئون خواهد داشت (البته کاملاً مانند نئون نمی شود زیرا پروتون اضافی هسته سدیم موجب پیوند محکم تر با الکترون ها می شود) که از نظر سطح انرژی حالت مطلوب است. از سوی دیگر کلر 17 الکترون در ابر خود دارد (و البته 17 پروتون در هسته). از این میان، 10 الکترون روی دو پوسته کاملاً پر و 7 الکترون روی پوسته بیرونی قرار می گیرند و در نتیجه کلر یک الکترون دیگر در «حفره» این پوسته خواهد داشت. اگر اتم سدیم یک الکترون به اتم کلر بدهد هر دو به وضع نیروانا (ایده آل) می رسند. در نتیجه هر دو اتم باردار می شوند: بار مثبت برای سدیم و بار منفی برای کلر. یون های سدیم و کلر که به این ترتیب به وجود می آیند به وسیله نیروهای الکتریکی در آرایشی بلوری که نسبتاً شبیه یک مولکول منفرد عظیم است در کنار هم نگه داشته می شوند. مولکول های NaCl به عنوان واحدهای مستقل، مانند مولکول های
وجود ندارند.اما در فیزیک کوانتومی اوضاع ندرتاً مطابق میل ما روشن و سرراست است و پیوندهای یونی را می توانیم به بهترین وجه، آمیزه ای از دو فرایند بدانیم: برخی از آنها بیشتر کووالانسی اند با مخلوطی از پیوند یونی و برخی بیشتر یونی اند با مخلوطی از پیوند کووالانسی و سرانجام برخی از حد وسط قرار دارند (حتی می توان فرض کرد که در مولکول هیدروژن، یکی از اتم های هیدروژن الکترون خود را کاملاً در اختیار اتم دیگر قرار می دهد). اما همه این تصاویر تنها به کار تجسم بهتر قضیه می آیند. می توانیم با تکیه بر این تصاویر، انرژی های مربوط را با دقت بسیار محاسبه کنیم. در واقع، در آن سالی که شرودینگر معادله موجی مکانیک خود را منتشر کرد و درست یک سال پیش از کار کلیدی گریفیث در زمینه باکتری ذات الریه در سال 1927، دو فیزیک دان آلمانی به نام های والتر هایتلر (1981-1904) و فریتز لندن (1954-1900) با استفاده از این رویکرد ریاضی، تغییر کلی انرژی را زمانی که دو اتم هیدروژن الکترونشان را برای تشکیل یک مولکول به مشارکت می گذارند محاسبه کردند. نتیجه محاسبه با مقدار انرژی لازم که شیمی دان ها برای جدا کردن پیوندهای بین اتمی در مولکول هیدروژن مصرف می کنند، بسیار نزدیک بود. نتایج محاسبات بعدی با تکیه بر پیشرفت های مکانیک کوانتومی به ارقام آزمایش نزدیک تر شد و نشان داد که نظم الکترون ها در اتم ها و اتم ها در مولکول ها تصادفی نیست. در نتیجه نظم مذکور اتم ها و مولکول ها در وضع تعادل بهینه، یعنی نظمی با کمترین انرژی، قرار می گیرند. این رویکرد برای تبدیل شیمی مولکولی به صورت یک علم کمّی حائز اهمیت بسیار بود؛ موفقیت این رویکرد از طرفی گواه آشکار بر کاربرد دقیق فیزیک کوانتومی در دنیای اتمی، علاوه بر کاربرد آن در حالات منزوی خاص، مانند پراش الکترون ها به وسیله بلورها بود.
کسی که سرنخ ها را به هم وصل کرد و شیمی را به شاخه ای از فیزیک بدل کرد، لینوس پاولینگ (1994-1901) آمریکایی بود. او یکی دیگر از دانشمندانی بود که در زمان مناسب و در مکان درستی قرار داشت. او اولین مدرک علمی خود را در سال 1922در رشته مهندسی شیمی از کالج کشاورزی ایالتی اورگون (پیشگام دانشگاه ایالتی اورگا) گرفت و سپس برای گرفتن دکترا در رشته شیمی-فیزیک در کلتک کار کرد؛ او مدرک دکترایش را در سال 1925، در همان سالی گرفت که ایده های لویی دوبروی درباره امواج الکترون، توجه همه را به سوی خود جلب کرد. پاولینگ طی دو سال بعد، درست در دورانی که مکانیک کوانتومی در حال جا افتادن بود، با استفاده از بورس تحصیلی گوگنهایم از اروپا بازدید کرد. او چند ماه در مونیخ و بعد در کپنهاگ به سرپرستی نیلس بور کار کرد، مدتی با اروین شرودینگر در زوریخ گذراند و از آزمایشگاه ویلیام براگ در لندن بازدید کرد.
براگ و به ویژه پسر او لارنس نیز در ماجرای کشف ساختار DNA نقش کلیدی داشتند. براگِ پدر، ویلیام هنری، از سال 1862 تا 1942 زندگی کرد و به ویلیام براگ معروف است. او در سال 1884 از دانشگاه کمبریج مدرک گرفت و پس از گذراندن دوره کاری یک ساله نزد جی. جی. تامسون به دانشگاه آدلاید استرالیا رفت. در آنجا، پسرش ویلیام لارنس (که به لارنس براگ معروف است) به دنیا آمد. براگ پدر، درباره پرتوهای آلفا و ایکس کار کرد و پس از بازگشت به انگلستان در سال 1909، ابتدا در دانشگاه لیدز و سپس در یونیورسیتی کالج لندن مشغول به کار شد و اولین طیف سنج پرتوی ایکس را شناخت. در سال 1925، به ریاست انجمن سلطنتی منصوب شد و آن را به صورت یک مرکز تحقیقاتی احیا کرد و آزمایشگاهی را که پاولینگ چند سال بعد از آن بازدید کرد، راه اندازی کرد. ویلیام براگ برای اولین بار این رؤیا را در سر پروراند که با استفاده از پراش پرتوهای ایکس ساختار مولکول های آلی پیچیده را شناسایی کند، گر چه فناوری موجود در دهه 1920 هنوز در این سطح قرار نداشت.
لارنس براگ (1971-1890) در دانشگاه آدلاید ریاضی تحصیل کرد (و تحصیلات خود را در سال 1908 به پایان رساند). سپس به کمبریج رفت و در آنجا ابتدا رشته ریاضی را دنبال کرد ولی در سال 1910 به توصیه پدرش رشته خود را به فیزیک تغییر داد و در سال 1912 مدرک گرفت. در همان دورانی که لارنس تحقیقات دانشجویی خود را آغاز می کرد و ویلیام در لیدز استاد بود، از آلمان خبر رسید که ماکس فون لاوئه (1960-1879) از دانشگاه مونیخ، پراش پرتوهای ایکس از بلورها را مشاهده کرده است.(4) این مورد دقیقاً معادل پراش نور در آزمایش دو شکاف بود، اما از آنجا که طول موج پرتوهای ایکس بسیار کمتر از طول موج نور است، فاصله بین «شکاف ها» باید بسیار کمتر باشد؛ بعداً معلوم شد که فاصله بین لایه های اتم در بلور برای این کار مناسب است. نتایج این تحقیقات نشان داد که پرتوهای ایکس مانند نور، امواج الکترومغناطیسی اند اما طول موجشان کوتاه تر است؛ دستاورد مذکور اهمیت بسیاری داشت و فون لاوئه به پاس آن، دو سال بعد، جایزه نوبل گرفت.
قانون براگ؛ شیمی به عنوان شاخه ای از فیزیک
گروه فون لاوئه به الگوهای پیچیده پراش پی برده بود اما قادر نبود جزئیات رابطه این الگوها را با بلورهای پراشنده پرتوهای ایکس دریابد. براگ ها (پدر و پسر) در مورد این کشفیات با هم گفتگو کردند و هر یک از آنها بر روی جنبه ای از این مسئله مشغول به کار شد. لارنس براگ قوانینی را برای پیش بینی دقیق نقاط نورانی الگوی پراش به دست آورد. این نقاط نورانی هنگامی به وجود می آید که باریکه ای از پرتوهای ایکس با طول موج مشخص، تحت زاویه معین، به شبکه بلوری با فاصله خاص بین اتم ها برخورد کند. تقریباً بلافاصله پس از کشف پراش پرتوهای ایکس معلوم شد که اندازه گیری طول موج های مربوط، در کاوش ساختار بلور به کار می آید (در اینجاست که نقش طیف سنجی که ویلیام براگ در سال 1913 ساخت آشکار می شود). رابطه ای که لارنس به دست آورد به قانون براگ معروف شد. این قانون امکان انجام تحقیقات را در دو جهت فراهم کرد. از یک سو تعیین طول موج پرتوهای ایکس، با اندازه گیری فاصله نقاط نورانی و شناخت فاصله اتم ها در بلور امکان پذیر شد، از سوی دیگر اندازه گیری فاصله بین اتمی با آگاهی از طول موج پرتوهای ایکس ممکن شد هر چند تفسیر داده ها در مورد ساختارهای آلی پیچیده به طرز وحشتناکی پیچیده بود. این کار نشان داد که مولکول های NaCl به تنهایی وجود ندارند بلکه در ردیف هایی به صورت یون های سدیم و کلر در الگوهای هندسی قرار گرفته اند. براگ های پدر و پسر با هم کار کردند، در طول چند سال بعد مقاله منتشر کردند و کتاب پرتوهای ایکس و ساختار بلور(X rays and Crystal Structure) را در سال 1915، بیست سال پس از کشف پرتوهای ایکس نوشتند. یک سال قبل از آن، لارنس به عضویت کالج ترینیتی درآمد اما زندگی حرفه ای او به علت بروز جنگ و خدمت به عنوان مشاور علمی در ارتش انگلستان در فرانسه متوقف شد؛ هنگامی که در سال 1915 در فرانسه بود باخبر شد که او و پدرش جایزه نوبل را به پاداش کار خود دریافت کرده اند. لارنس جوان ترین فردی بود که این جایزه را دریافت کرد (در 25 سالگی) و این دو، تنها پدر و پسری هستند که مشترکاً جایزه نوبل را به پاس کار مشترکشان دریافت کرده اند. لارنس در سال 1919 در دانشگاه منچستر استاد فیزیک و در سال 1938 به عنوان رئیس آزمایشگاه کاوندیش، جانشین رادرفورد شد. او در آنجا در ماجرای مارپیچ دوتایی درگیر شد. وی در سال 1954 کمبریج را ترک کرد و رئیس انجمن سلطنتی شد و تا سال 1966 که بازنشسته شد در این پست باقی ماند.لینوس پاولینگ
پاولینگ از دوران دانشجویی به ویژه از طریق مطالعه کتاب ویلیام و لارنس براگ با بحث بلورشناسی پرتوهای ایکس آشنا بود و شخصاً با استفاده از فنون موجود، در سال 1922، ساختار بلوری (بلور نوعی نمک مولیبدن) را تشخیص داده بود. او در سال 1927 به آمریکا بازگشت و در کلتک مشغول به کار و در سال 1931 استاد تمام شد. اطلاعات او در زمینه بلورشناسی پرتوهای ایکس کاملاً به روز بود و آن را مانند کف دستش می شناخت. او به زودی قواعدی را برای تفسیر الگوهای پراش پرتوهای ایکس از بلورهای پیچیده تر توسعه داد. لارنس براگ اساساً همان قواعد را تقریباً در همان زمان توسعه داده بود، اما پاولینگ تا اندازه ای با آزردگی خاطر براگ، اولین نفری بود که آن را منتشر کرد. از این رو تا به امروز این قواعد به قواعد پاولینگ شهرت دارد. این موضوع رقابتی بین براگ و پاولینگ ایجاد کرد که تا دهه 1950 ادامه یافت و به داستان کشف ساختار DNA منجر شد.در همین ایام، پاولینگ به مطالعه ساختار پیوند شیمیایی مشغول بود و در مدت هفت سال، این موضوع را به زبان مکانیک کوانتومی تشریح کرد. او در سال 1931 پس از دیدار دیگری از اروپا و آشنایی با ایده های جدید در زمینه فیزیک کوانتومی، مقاله مهمی تحت عنوان «ماهیت پیوند شیمیایی» (The Nature of Chemical Bond) در مجله انجمن شیمی آمریکا منتشر کرد؛ این مقاله اساس کار را بنیان نهاد. او شش مقاله دیگر با محوریت همین موضوع منتشر کرد و در طول دو سال بعد کتابی نوشت که به عبارتی، جمع بندی همه موضوعات مذکور بود. پاولینگ بعدها نوشت «در سال 1935 احساس کردم که اصولاً درک کاملی از ماهیت پیوند شیمیایی پیدا کرده ام».(5) طبیعی بود که از آن به بعد با استفاده از این رویکرد، به حل ساختار مولکول های آلی پیچیده مانند پروتئین ها بپردازد (به خاطر داشته باشیم که DNA در اواسط دهه 1930 هنوز به عنوان مولکولی بسیار پیچیده تلقی نمی شد). مطالعه این ساختارها به یک بررسی دو جانبه منجر شد: شیمی و درک پیوند شیمیایی، چگونگی هماهنگی زیرواحدهای مولکول های بزرگ با یکدیگر را نشان می دهد (زیرواحدهای پروتئین ها اسیدهای آمینه هستند)؛ در حالی که بلورشناسی پرتوهای ایکس، شکل کلی این مولکول ها را آشکار می کند. تنها تعدادی از آرایش های ممکن این زیرواحدها الگوهای پراش قابل مشاهده به وجود می آورند. بسیاری از انواع مختلف، در نتیجه ترکیب هر دو بخش این اطلاعات و طراحی مدل ها (مانند ورقه های کاغذ که به شکل زیرواحدهای مولکول ها بریده شده و مانند معمای پازل جورچین در جای خود قرار می گیرند و در برخی موارد مانند مدل سازی پیچیده تر سه بعدی) حذف و سرانجام ساختار مولکول های مهم حیات پس از طی مراحل دشوار آشکار شد. کار دانشمندانی مانند پاولینگ، دزموند بِرنال (1971-1901)، دوروتی هاجکین (1994-1910)، ویلیام آستبری (1961-1889)، جان کندرو (1977-1917)، ماکس پروتز (2002-1914) و لارنس براگ، شیمی دان ها را قادر ساخت که طی چهار سال بعد ساختار بسیاری از مولکول های زیستی از جمله هموگلوبین، انسولین و پروتئین ماهیچه یعنی میوگلوبین را تشخیص دهند. نیازی نیست که به اهمیت این کار، هم از نظر دانش علمی و هم از نظر نتایجی که برای بهبود سلامت انسان دارد، اشاره کنیم؛ روایت داستان کامل این مبحث مانند داستان پزشکی در این کتاب نمی گنجد. تنها داستان تشخیص ساختار DNA را روایت می کنیم که از بررسی ساختار چند پروتئین توسط پاولینگ و رقبای انگلیسی او آغاز می شود؛ اما پیش از آن ضروری است که به مورد دیگری از شیمی کوانتومی اشاره کنیم.
ماهیت پیوند هیدروژنی
وجود پیوندهای هیدروژنی اهمیت فیزیک کوانتومی را در شیمی و به ویژه شیمی حیات به نحو بارزتری نشان می دهد و ما را با تفاوت دنیای کوانتومی نسبت به دنیای روزمره آشنا می کند. شیمی دان ها از قبل می دانستند که تحت شرایط معینی امکان تشکیل پیوند بین مولکولی با استفاده از اتم هیدروژن به عنوان پل وجود دارد. پاولینگ در سال 1928 درباره پیوند هیدروژنی مطالبی نوشته بود مبنی بر اینکه این پیوند از پیوند عادی دو ظرفیتی یونی ضعیف تر است. او در دهه 1930 ابتدا در رابطه با یخ (که پیوندهای هیدروژنی پل هایی بین مولکول های آب تشکیل می دهند) به این موضوع بازگشت و بعد با همکارش آلفرد میرسکی این ایده را در مورد پروتئین ها به کار برد. ایده پیوندهای هیدروژنی به این صورت است که الکترون اتم هیدروژن، نه به صورت گلوله بیلیارد بسیار ریز، بلکه به صورت ابری از بار الکتریکی گسترده شده است. زمانی که اتم هیدروژن با اتم اکسیژن که الکترون را با قدرت جذب می کند پیوند می زند، ابر بار الکتریکی به سوی اتم اکسیژن کشانده می شود و لایه پوششی نازکی از بار را در آن سوی اتم هیدروژن باقی می گذارد. هیدروژن بر خلاف همه اتم های فعال (هلیوم از نظر شیمیایی فعال نیست)، الکترون دیگری در پوسته درونی ندارد که بار مثبت پروتون را بپوشاند. به همین علت، اتم ها و مولکول های نزدیک، بخشی از بار مثبت آن را «می بینند». این امر موجب می شود که اتم هیدروژن اتم های نزدیک را که بار منفی دارند جذب کند، مانند اتم اکسیژن در مولکول آب که از دو مولکول هیدروژن بار منفی اضافی کسب کرده است. بار مثبت هر دو اتم هیدروژن با ابر الکترون مولکول دیگر پیوند می زند و به همین خاطر ساختار یخ، بلورین و فاصله دار می شود و چگالی آن به حدی اندک است که روی سطح آب شناور می ماند. ارزش کار پاولینگ در زمینه یخ آن است که او یک بار دیگر اعدادی را در معادلات قرار داد، انرژی های مربوط را محاسبه کرد و نشان داد نتایج محاسبات با نتایج آزمایش همسو است.(6) او دقت ایده پیوند هیدروژنی را افزایش داد و علم مربوط را به صورت کمّی و نه تنها یک ایده کیفی مبهم بدل کرد. پاولینگ و میرسکی در اواسط دهه 1930 نشان دادند که زنجیره های طولانی مولکول های پروتئین به اشکال متراکمی در می آیند (تا اندازه ای مانند اسباب بازی مار روبیک که به شکل متراکمی چمباتمه می خورد) و شکل خود را از طریق پیوندهای هیدروژنی در قسمت های مختلف زنجیره پروتئین حفظ می کنند. بینش مذکور یک بینش کلیدی بود زیرا شکل مولکول پروتئینی برای فعالیت ماشینی سلول نقش حیاتی دارد و تمام اینها نتیجه پیوند هیدروژنی است که فقط زبان مکانیک کوانتومی قادر به بیان درست آن است. تصادفی نیست که بینش ما از پایه مولکولی زندگی پس از آن به دست آمد که قواعد مکانیک کوانتومی را درک کردیم و یک بار دیگر می بینیم که علم با تکامل و نه با انقلاب پیشرفت می کند.مطالعه پروتئین های رشته ای
اولین پیروزی بزرگ با تلفیق درک نظری چگونگی جور شدن زیرواحدهای پروتئین ها و الگوهای پراش پرتوهای ایکس از مولکول های کامل به دست آمد (در واقع از تعداد زیادی از پروتئین ها که در کنار هم قرار گرفته اند) و در اوایل دهه 1950 به درک ساختار خانواده کاملی از پروتئین ها از نوع رشته ای انجامید که در مو، پشم و ناخن انگشتان وجود دارد. مسیر طولانی پیروزی، از دوره کاری ویلیام آستبری در دهه 1920، با گروه بلورشناسان ویلیام براگ در انجمن سلطنتی آغاز شد. آستبری در آنجا کار در زمینه مولکول های بزرگ حیات را آغاز کرد. او با بررسی پراش پرتوهای ایکس از برخی از رشته ها، اولین تصاویر پراش پرتوهای ایکس پروتئین های رشته ای را به دست آورد و این مسیر تحقیقاتی را پس از عزیمت به دانشگاه لیدز در سال 1928 ادامه داد. او در دهه 1930 به مدلی درباره ساختار پروتئین ها دست یافت که در واقع نادرست بود اما در عین حال نشان داد که مولکول های پروتئینی گویچه مانند (مانند هموگلوبین و میوگلوبین) از زنجیره های طولانی پروتئین تشکیل شده اند (زنجیره های پلی پپتید) که روی هم پیچیده شده و به صورت گلوله در آمده اند.ساختار مارپیچی آلفا
پاولینگ در اواخر دهه 1930 وارد این ماجرا شد و بعداً به خاطر داشت که چگونه «تابستان سال 1937 را در تلاشی برای یافتن راهی جهت پیچاندن زنجیره پلی پپتید در سه بعد، به نحوی که با داده های پرتوهای ایکس آستبری قابل مقایسه باشد، سپری کرد».(7) اما حل این مسئله به زمان طولانی تری بیش از یک تابستان نیاز داشت. پروتئین های رشته ای ظاهری امیدوار کننده داشتند اما پیشرفت در این حوزه با بروز جنگ جهانی دوم به تعویق افتاد. در اواخر دهه 1940، پاولینگ و همکاران او در کلتک (به ویژه رابرت کوری) از یک سو و لارنس براگ (که در آن زمان رئیس کاوندیش بود) و گروه کمبریج از سوی دیگر، به حل این مسئله نزدیک شدند. گروه براگ اولین گروهی بود که نتایج کار خود را در سال 1950 منتشر کرد. اما به زودی معلوم شد که گر چه مدل آنها حاوی حقایق بسیاری است اما به طور کلی اشتباه است. گروه پاولینگ در سال 1951 به راه حل درست دست یافت و ساختار پایه پروتئین رشته ای را شناسایی کرد. ساختار مذکور از زنجیره طولانی پلی پپتید ساخته شده است که به شیوه مارپیچی به دور خود پیچیده اند، مانند رشته های نخ که به دور یکدیگر می پیچند و طناب تشکیل می دهند. پیوندهای هیدروژنی، نقش مهمی در نگه داشتن این پیچه ها ایفا می کنند. این امر به خودی خود پیروزی با شکوهی بود اما دنیای بیوشیمی زمانی هیجان زده شد که گروه کلتک در مه سال 1951 هفت مقاله جداگانه در مجموعه مقالات آکادمی ملی علوم منتشر کرد. مقالات مذکور به تشریح جزئیات ساختار شیمیایی مو، پرها، ماهیچه ها، ابریشم، شاخ، پروتئین های دیگر و همچنین ساختار مارپیچی آلفای خود رشته ها که تا آن زمان شناخته شده بود اختصاص داشت. این واقعیت که ساختار مذکور مارپیچی است دیگران را به این فکر واداشت که ساختار مارپیچی را به عنوان ساختارهای ممکن درشت مولکول های زیستی تلقی کنند اما موضوعی که همان قدر اهمیت داشت، موفقیت کوبنده رویکرد پاولینگ بود: داده های پرتوهای ایکس، مدل سازی و شیمی کوانتومی. پاولینگ تأکید کرد که شناسایی ساختار مارپیچی آلفا «از مشاهدات تجربی پروتئین ها حاصل نشد بلکه ملاحظات نظری بر پایه مطالعه اجسام ساده تر نقش مهم تری داشت.» (8) این کار به دو نفر الهام بخشید که به زودی موفق به کشف ساختار DNA شدند و جایزه را نه تنها از دست گروه کلتک بلکه از دست گروه دیگری که روی همین مسئله در لندن کار می کرد ربودند.پاولینگ به مطالعه DNA پرداخت که همان طور که دیدیم، از دهه 1940 به عنوان ماده ژنتیکی شناسایی شده بود.(9) تصور این موضوع هم آسان است که لارنس براگ که پاولینگ در دو مورد بر او پیشدستی کرده بود، منتظر موقعیتی بود تا ساختار DNA را در آزمایشگاه خود در کمبریج شناسایی کند. اما در حقیقت این هدف برای گروه او نه به دلایل علمی بلکه به علت اعتبارات محدودی که در اختیار تحقیقات علمی بریتانیا قرار داشت امکان پذیر نبود. اقتصاد این کشور به کندی از صدمات ناشی از جنگ رها می شد و این وضعیت قدرت عمل پژوهشگران را محدود کرده بود. تنها دو گروه قادر بودند که با مسئله ساختار DNA در بیفتند. یکی در کاوندیش زیر نظر ماکس پروتز و دیگری تحت نظر جان رندال (1905-1984) در کینگز کالج لندن که هر دو از اعتبارات شورای تحقیقات پزشکی (MRC: Medical Research Council) استفاده می کردند؛ کاملاً منطقی به نظر می رسید که این دو گروه از دوباره کاری که موجب اتلاف اعتبارات محدود می شد اجتناب کنند. در نتیجه توافقی صورت گرفت (نه به صورت رسمی بلکه توافقی جوانمردانه) که حق تقدم مطالعات در زمینه DNA به کینگز تعلق بگیرد. گرفتاری این کار آن بود که گروه کینگز به سرپرستی موریس ویلکینز ( -1916) هیچ شتابی برای تکمیل کار نداشت. کار این گروه به این علت تا اندازه ای فلج شده بود که روزالیند فرانکلین (1958-1920) محقق جوانی که عکس های DNA بسیار خوبی از پراش های پرتوهای ایکس گرفته بود و قاعدتاً شریک کار ویلکینز محسوب می شد به علت منازعه ای که بین آن دو وجود داشت، از این مشارکت محروم بود. به نظر می رسد که این امر دست کم تا اندازه ای از تعصب ویلکینز نسبت به زن بودن فرانکلین ناشی می شد.
فرانسیس کریک و جیمز واتسون: مدل مارپیچی دوتایی DNA
این آشفتگی گروه کینگز («گروه» تنها در نام) بود که روزنه فرصتی را برای جوان آمریکایی بی باکی به نام جیمز واتسون ( - 1928) گشود. او که در سال 1951 دوره فوق دکترای خود را با بورس تحصیلی در کمبریج می گذرانید عزم کرده بود که درباره ساختار DNA کار کند. او از آداب انگلیسی ها یا باخبر نبود و یا به آن اهمیت نمی داد. اتاق کار واتسون با یک دانشجوی دکترای انگلیسی مسن تر به نام فرانسیس کریک (2004-1916) مشترک بود.(10) زمینه اطلاعاتی و راهبردی کریک نسبت به واتسون وسیع تر بود و برای کار در زمینه همین مسئله استخدام شده بود. کریک ابتدا فیزیک دان بود و در زمان جنگ در نیروی دریایی درباره مین کار می کرد. اما مانند بسیاری از فیزیک دان های نسل خود از فیزیک به علت کاربردهایی که در زمینه جنگ داشت بیزار شده بود. او هم مانند بسیاری از هم عصران خود تحت تأثیر کتاب کوچک اروین شرودینگر تحت عنوان «حیات چیست؟» قرار گرفته بود که در سال 1944 منتشر شده بود. این فیزیک دان بزرگ در کتاب خود مسئله رمز ژنتیکی را بررسی کرده بود. شرودینگر در هنگام نوشتن کتاب نمی دانست که کروموزوم ها از DNA ساخته شده اند. او به طور کلی اساسی ترین قسمت سلول زنده یعنی رشته کروموزم را که می تون آن را بلوری «غیر تناوبی» نامید، تشریح کرد. برای درک این عبارت باید دو چیز را از یکدیگر تمیز دهیم: یک بلور معمولی مانند نمک عادی که به شکل آرایش تکراری الگوی پایه ای ساده و بی انتها مشاهده می شود و مانند «نقاشی های پرده ای رافائل که هیچ چیز ساده تکراری در آن دیده نمی شود بلکه طرحی پر نقش و نگار، منسجم و پرمعنا است» تنها از چند رنگ که به شیوه های مختلف آرایش یافته اند تشکیل شده است. مقایسه دیگری بین این دو می تواند طرز ذخیره اطلاعات باشد: این اطلاعات را می توان به صورت حروف الفبا و یا مانند کد مورس با نقطه و خط تیره به نشانه الفبا نوشت. شرودینگر با بررسی چند نمونه از روش های ذخیره اطلاعات در بلورهای غیر تناوبی متوجه شد که اگر کدی مشابه کد مورس اما با سه نماد به جای دو نماد در گروه های ده تایی به کار رود «می تواند 88572 «حرف» مختلف تشکیل دهد.» با این سابقه بود که کریک فیزیک دان در سال 1949 در سن 33 سالگی به واحد MRC در کاوندیش پیوست. او در رساله دکترایش با استفاده از پرتوهای ایکس به مطالعه پلی پپتیدها و پروتئین ها پرداخت (و مدرک دکترایش را در زمان مقرر گرفت)؛ اما او همیشه به خاطر کاری غیررسمی به یاد خواهد ماند که با تشویق واتسون در حاشیه مطالعات اصلی اش برای رساله دکترا انجام داد.این کار در واقع کاملاً غیررسمی بود. براگ دوبار به کریک گفته بود که کار درباره DNA را برای گروه کینگز بگذارد و کریک دو بار از توصیه او سرپیچی کرده بود. سرانجام در مراحل آخر پس از آنکه به نظر رسید که پاولینگ به حل این مسئله نزدیک شده است، کریک تأیید رسمی استاد کاوندیش را به دست آورد. گر چه بینش نظری و مدل سازی عملی مهم بود اما همه چیز به عکس های پراش پرتوهای ایکس بستگی داشت و اولین نمونه از چنین تصاویری از DNA را آستبری در سال 1938 تهیه کرده بود. در این زمینه تا دهه 1950 پیشرفت دیگری صورت نگرفت (باز هم تا اندازه ای به علت جنگ که مراکز تحقیق را خالی کرده بود). در این دهه گروه ویلکینز ( به ویژه روزالیند فرانکلین و با همکاری ریموند گاسلینگ، دانشجوی محقق) به کار مشغول شد؛ در واقع کار پاولینگ به این دلیل دچار نارسایی شد که او از داده های قدیمی آستبری استفاده کرد. این زوج کاوندیش (واتسون و کریک) با استفاده از داده هایی که واتسون در ضمن صحبت از دهان فرانکلین در کینگز بیرون کشیده بود (که فرانکلین به اهمیت آنها پی نبرده بود) خیلی زود به مدلی برای DNA دست یافتند که شامل دو رشته با پایه های نوکلئوتیدی (G,C,A و T) بود که به دور هم می پیچیدند و از اطراف خارج می شدند. واتسون و کریک این مدل را با احساس غرور به ویلکینز، فرانکلین و دو نفر از همکاران آنها در لندن که همگی به این مناسبت به کمبریج دعوت شده بودند معرفی کردند. مدل مذکور بسیار نارسا بود و انتقادات تند و تیزی در پی داشت به نحوی که موجب شد واتسون پر شور برای مدتی کار را کنار بگذارد در حالی که کریک به مطالعه پروتئین ها ادامه داد. او در تابستان سال 1952 در جریان گفتگو با جان کریفیث ریاضی دان (وی برادرزاده فردریک گریفیث بود، به بیوشیمی علاقه بسیاری داشت و در این زمینه فرد آگاهی بود) این ایده را مطرح کرد که پایه های نوکلئوتیدها در مولکول DNA به نحوی با یکدیگر جور می شوند و مولکول ها را در کنار هم نگاه می دارند. گریفیث که قدری به این موضوع علاقه مند شده بود با بررسی شکل مولکول ها دریافت که آدنین و تیمین از طریق پیوند هیدروژنی در کنار هم قرار می گیرند در حالی که گوانین و سیتوزین هم از طریق سه پیوند هیدروژنی با هم جفت و جور می شوند. اما هیچ راه دیگری برای جفت کردن هر چهار پایه با هم وجود ندارد. کریک بلافاصله به اهمیت این جفت شدن و رابطه با پیوندهای هیدروژنی پی نبرد. او که به تازگی وارد میدان بیوشیمی شده بود از قواعد چارگاف اطلاعی نداشت. اما شانس نادری به او روی کرد. چارگاف در ژوئیه سال 1952 از کاوندیش دیدار کرد. او با کریک آشنا شد و پس از آگاهی از علاقه وی به DNA اشاره کرد که نمونه های DNA همیشه مقدار برابری از A و G و مقدار برابری از C و T دارند. ترکیب این ایده با کار گریفیث به روشنی نشان می داد که ساختار DNA حاوی جفت هایی از مولکول های زنجیره ای بلند است که از طریق پل های AG و CT به هم پیوند می خورند. بعداً معلوم شد که طول پل CT که به این ترتیب تشکیل می شود با طول پل AG برابر است. بنابراین دو زنجیره مولکولی فاصله یکسانی دارند. اما گروه کاوندیش مدت چهار ماه درباره این موضوع گفتگو می کردند بی آنکه کار جدی انجام دهند. آنها بی تابانه و پرشتاب به کار مدل سازی مشغول بودند (واتسون کار مدل سازی را دنبال می کرد در حالی که کریک ایده های درخشان عرضه می کرد) این وضعیت تا پایان سال 1952 طول کشید. در ماه دسامبر، پیتر پاولینگ، پسر لینوس پاولینگ و دانشجوی فوق لیسانس کمبریج، نامه ای از پدر خود دریافت کرد مبنی بر اینکه وی به ساختار DNA دست یافته است. این خبر در اردوی واتسون- کریک اندوه بسیاری را موجب شد ولی جزئیات این مدل در نامه تشریح نشده بود. پیتر در ژانویه سال 1953 نسخه ای از مقاله پدر خود را به دست آورد و آن را به واتسون و کریک نشان داد. ساختار پایه در مدل مارپیچی بود و سه رشته از زنجیره های DNA به طرف بالا به هم پیچ می خوردند. اما کریک و واتسون با شگفتی دریافتند (در آن هنگام دیگر در مورد شیوه های الگوهای پراش پرتوهای ایکس اطلاعات کافی داشتند) که پاولینگ اشتباه بزرگی مرتکب شده است و مدل او با داده های فرانکلین سازگاری ندارد.
چند روز بعد واتسون نسخه ای از مقاله پاولینگ را به لندن برد تا آن را به ویلکینز نشان بدهد. ویلکینز هم یکی از بهترین عکس های فرانکلین را بدون آگاهی وی و با زیر پا گذاشتن آداب مرسوم به واتسون نشان داد. تنها راه تفسیر این عکس استفاده از ساختار مارپیچی بود. کریک و واتسون با استفاده از این عکس و قواعد چارگاف و روابطی که جان گریفیث به دست آورده بود مدل مشهور مارپیچی دوتایی خود را در اولین هفته مارس ساختند. در این مدل مولکول های تابیده از طریق پیوندهای هیدروژنی که پایه های نوکلئوتید را از وسط به هم متصل می کنند با هم جفت می شوند. سرنوشت چنین بود که پاولینگ در آن زمان در مسابقه شرکت نکند زیرا او متوجه نشده بود که مدل مارپیچی سه تایی اش اشتباه است. در واقع او هیچ گاه فکر نمی کرد که مسابقه ای وجود دارد زیرا آگاه نبود که رقبای انگلیسی اش تا چه اندازه به هدف نزدیک شده اند. اما فرانکلین در کینگز کالج لندن در مسیری مشابه با واتسون و کریک فکر می کرد (بی آنکه از مدل سازی فیزیکی استفاده کند) و تقریباً آماده بود تا مدل مارپیچی دوتایی خودش را منتشر کند و در واقع اولین پیش نویس مقاله اش را برای مجله نیچر آماده کرده بود. اما روز بعد، خبر پیروزی از کمبریج فرا رسید. جوش و خروش فعالیتی که مقاله زودهنگام پاولینگ برانگیخته بود، موجب شد که واتسون و کریک جایزه را نه از پاولینگ بلکه از فرانکلین نیز بربایند. در نتیجه در نسخه 25 آوریل سال 1953 مجله نیچر، سه مقاله در کنار یکدیگر منتشر شد. مقاله اول از واتسون و کریک جزئیات مدل را نمایش می داد و بر قواعد چارگاف تکیه داشت اما شواهد مربوط به پرتوهای ایکس را کم اهمیت جلوه می داد؛ مقاله دوم از ویلکینز و همکاران او ا. آر. استوکس و اچ. آر. ویلسون حاوی داده های پرتوهای ایکس بود که به صورت کلی ساختار مارپیچی مولکول را تجویز می کرد؛ مقاله سوم از فرانکلین و گاسلینگ نشان می داد که داده های پرتوی ایکس شواهد اساسی ساختار مارپیچی دوتایی واتسون و کریک را فراهم می کند. این مقاله (گر چه در آن زمان هیچ کس نمی دانست) اصولاً همان مقاله ای بود که فرانکلین در زمان رسیدن خبر از کمبریج روی آن کار می کرد. موضوعی که هیچ کس در آن زمان نمی دانست یا می توانست از طرز ارائه مقالات حدس بزند که مقاله فرانکلین و گاسلینگ به جای آنکه تأییدی بر کار واتسون و کریک باشد مربوط به کشف کاملاً مستقلی درباره جزئیات ساختار DNA بود که کشف واتسون و کریک در سطح وسیعی بر اساس آن صورت گرفته بود. مدت ها بعد معلوم شد که داده های کلیدی پرتوهای ایکس که به کمبریج رسیده بود، در مدل سازی نقش اساسی ایفا کرد و رفتاری که نسبت به فرانکلین چه از سوی همکارانش در کینگز کالج و چه از سوی واتسون و کریک اعمال شد بسیار نسنجیده بود. فرانکلین که از ترک کینگز کالج در سال 1953 و پیوستن به محیط خوشایندتر بیربک کالج خرسند بود، هیچ گاه این احساس را نداشت که با او بدرفتاری شده است ولی از حقیقت هم هرگز آگاه نشد. او در سال 1958 در سن 38 سالگی بر اثر ابتلا به بیماری سرطان درگذشت. کریک، واتسون و ویلکینز چهار سال بعد در سال 1962 جایزه نوبل فیزیولوژی یا پزشکی را به دست آوردند.
رمز ژنتیکی
دو ویژگی کلیدی در ساختار مارپیچی دوتایی وجود دارد که در زندگی اهمیت دارند: تولید مثل و تکامل. بر مبنای ویژگی اول، هر ترکیبی از پایه ها- هر پیامی که با حروف T,C,A و G نوشته شد-به روشنی در طول تار رشته DNA بیان می شود. در دهه 1950 و اوایل 1960 کوشش های بسیاری از پژوهشگران از جمله کریک (واتسون هرگز کار دیگری که قابل مقایسه با مارپیچی دوتایی باشد انجام نداد) و گروهی از انستیتو پاستور پاریس نشان داد که رمز ژنتیکی در واقع سه پایه دارد مانند CTA یا GGC. این پایه ها نمایشگر بیست و چند اسید آمینه سازنده پروتئین هایی هستند که به نوبه خود بدن را می سازند. زمانی که سلول پروتئین می سازد، بخش مربوط مارپیچ DNA که حامل ژن مربوط است از حالت پیچ خوردگی باز می شود و ریسمانی متشکل از «کدهای ژنتیکی»(Codon) سه حرفی روی رشته RNA کپی می شود (در اینجا پرسش جالبی مطرح می شود که اولین مولکول زندگی DNA است یا RNA)؛ این «RNA پیام بر» یک تفاوت اساسی با DNA دارد به این ترتیب که هر جا DNA حاوی تیمین است، RNA در عوض محتوی اوراسیل است. این ساختار به عنوان الگویی برای گردآوری ریسمانی از اسیدهای آمینه، مربوط به کدهای ژنتیکی عمل می کند که به هم وصل می شوند و پروتئین مورد نظر را می سازند. این فرایند آن قدر ادامه می یابد تا دیگر نیازی به آن پروتئین خاص نباشد. DNA دوباره به صورت اول به دور خود می پیچد و RNA پس از آنکه پروتئین کافی ساخته شد از هم می گسلد و اجزای آن دوباره مورد استفاده قرار می گیرد. اما سلول از کجا «می داند» که کی و کجا این کار را انجام دهد. اصول این فرایند در اواسط دهه 1960 آشکار شد.ویژگی مهم دیگر مارپیچی دوتایی DNA آن است که دو رشته آن با ملاک پایه هایشان، تصویر آینه ای یکدیگرند، به این صورت که هر A در یک رشته در مقابل یک T در رشته مقابل و هر C در یک رشته در مقابل یک G از رشته دیگر قرار می گیرد. بنابراین اگر این رو رشته از هم باز شوند و با استفاده واحدهای شیمیایی سلول، شریک جدیدی برایشان ساخته شود (همان طور که پیش از تقسیم سلول روی می دهد)(11) یکی از اعضای هر جفت در مارپیچ های دوتایی جدید به سلول دختر می رود و همان پیام ژنتیک با حروف رمز و با همان ترتیب به صورت A در مقابل T و C در مقابل G شکل می گیرد. جزئیات این سازوکار بسیار پیچیده است و هنوز به طور کامل درک نشده است اما به زودی روشن شد که سازوکار تکامل به همین صورت است. در فرایند کپی شدن DNA که هنگام تقسیم سلول انجام می شود، گاهی اوقات اشتباهاتی روی می دهد. امکان دارد که قسمت هایی از DNA دوبار کپی شود یا قسمت هایی اصلاً کپی نشود و یا یک پایه (یک حرف در رمز ژنتیکی) به طور تصادفی جایگزین پایه دیگر شود. هیچ یک از این موارد در تقسیم سلولی که موجب رشد می شود، حائز اهمیت نیست زیرا تمام اتفاقی که رخ می دهد آن است که قسمت هایی از DNA در یک سلول (احتمالاً حتی نه در آن قسمت از DNA که مورد استفاده آن سلول است) تغییر کرده است. اما هنگامی که سلول های تولید مثل از طریق فرایندهای ویژه تقسیم که موجب می شود مقدار DNA سلول های دختر نصف شود تولید می شوند، نه تنها زمینه وقوع اشتباه بیشتر است (به علت فرایندهای اضافی شامل همبری (Crossing over) و ترکیب دوباره)، بلکه اگر سلول تولید مثل حاصل به طرز موفقیت آمیزی با شریکش پیوند بخورد و فرد جدیدی به وجود آورد، همه DNA از جمله اشتباهات، شانس بروز خواهند داشت. اغلب تغییرات حاصل زیان بخش است به این معنا که فرد جدید کارایی کمتری خواهد داشت و در بهترین وضعیت خنثی خواهد بود؛ اما در حالات نادری که DNA یک خطا را نسخه برداری می کند، ژن یا بسته ژنی به وجود می آورد که موجب سازگاری بیشتر صاحب خود با محیط زیست می شود. این همان چیزی است که سازوکار تکامل داروین از طریق انتخاب طبیعی را توضیح می دهد.
عصر ژنتیک نوع بشر
از دیدگاه مورد نظر ما مبنی بر نقش علم در شکل دهی به درک بشریت از جایگاهش در تاریخ، موضوعات فوق، تمام آن اطلاعاتی است که برای روایت داستان DNA به آن نیاز داریم. کارهای بسیار دیگری از دهه 1960 به بعد برای تشخیص ساختار ژن ها و سطح کدهای مجاز در DNA انجام شده است و کارهای بسیار دیگری باید در آینده انجام شود تا بستر لازم برای درک فرایندهای کنترلی برخی از ژن ها بر ژن های دیگر را فراهم کند. به ویژه باید دریابیم که نحوه «فعال شدن» ژن ها در فرایند پیچیده رشد شخصی بالغ، از سلول تخمکی باردار شده چگونه است. اما برای اینکه بدانیم در کجای فرشینه زندگی قرار گرفته ایم و برای اینکه به میزان دقت تفسیر چارلز داروین از جایگاه بشر در طبیعت پی ببریم، می توانیم گامی به عقب برداریم و به تصویر وسیع تری بنگریم. از دهه 1960 به بعد، بیوشیمی دان ها مواد ژنتیکی نوع انسان و گونه های دیگر را با جزئیات بیشتر و بیشتر بررسی کردند و به تدریج آشکار شد که ما انسان ها رابطه نزدیکی با میمون های آفریقایی داریم که داروین آنها را از نزدیک ترین بستگان ما می دانست. در اواخر دهه 1990 معلوم شد که 98/4 درصد مواد ژنتیکی شامپانزه و گوریل و نوع بشر یکسان است. به این ترتیب معلوم شد که ما، به زبان مردم پسند، فقط به اندازه یک درصد انسان هستیم. مقایسه مواد ژنتیکی گونه های زنده که کم و بیش از نزدیک با هم خویشاوندی دارند، با شواهد فسیلی مربوط به دورانی که این گونه ها از نیای مشترک جدا شده اند، نشانگر میزانی از تفاوت ژنتیکی است. از این تفاوت ژنتیکی می توان به عنوان نوعی ساعت مولکولی استفاده کرد که نشان می دهد که انسان، شامپانزه و گوریل، در چهار میلیون سال پیش از نیای مشترکی جدا شده اند.توجه به این واقعیت که این تفاوت ژنتیکی اندک قادر است موجودات بسیار متفاوتی مانند انسان و شامپانزه به وجود آورد به ما یادآوری می کند که تفاوت های مهم ناشی از ژن های کنترلی است که رفتار ژن های دیگر را تنظیم می کنند و تعبیر مذکور با تکیه بر شواهد حاصل از پروژه ژنوم انسان پشتیبانی می شود. در جریان این پروژه در سال 2001، نقشه برداری از تمام DNA موجود در همه کروموزوم های ژنوم انسان تکمیل شد. نقشه حاصل، به سادگی، تمام ژن ها را بر حسب رشته هایی از کدهای ژنتیکی، C,T,A و G فهرست می کند؛ هنوز نقش بیشتر ژن ها در بدن آشکار نشده است؛ اما ویژگی اساسی این نقشه آن است که نوع انسان تنها سی هزار ژن دارد. این تعداد بسیار کمتر از میزان مورد پیش بینی است؛ گر چه این سی هزار ژن می توانند دست کم دویست و پنجاه هزار پروتئین بسازند. این تعداد ژن تنها دو برابر ژن های مگس میوه و به اندازه چهار هزار تا بیشتر از ژن های علف هرز است. به این ترتیب آشکار می شود که تعداد ژن ها عامل تعیین کننده ماهیت بدن نیست. تعداد ژن های نوع انسان نسبت به گونه های دیگر بیشتر نیست. بنابراین تعداد ژن ها به تنهایی نحوه تفاوت ما با گونه های دیگر را توضیح نمی دهد. بنابراین نتیجه می گیریم که ژن های کلیدی متفاوت ما در مقایسه با نزدیک ترین بستگانمان کم تعداد است و این ژن ها بر نحوه کار ژن های دیگر تأثیر می گذارد.
بشریت، خاص نیست
اما نتیجه همه مباحث فوق بر این واقعیت استوار است که اگر تمام گونه های مورد بررسی رمز ژنتیکی مشترکی نداشتند، هیچ مقایسه ای امکان پذیر نبود. در سطح DNA و سازوکارهای سلولی در رابطه با RNA پیام بر و ساختن پروتئین ها و نیز تولید دوباره آنها، مطلقاً تفاوتی بین نوع انسان و اشکال دیگر حیات روی زمین وجود ندارد. همه موجودات رمز ژنتیکی مشترکی دارند و همه ما به شیوه ای یکسان از اشکال اولیه زندگی در روی زمین (شاید تنها از یک شکل اولیه) تکامل پیدا کرده ایم. هیچ نکته خاصی در مورد فرایندهایی که انسان را تولید کرده اند در مقایسه با فرایندهایی که شامپانزه، توتیای دریایی، کلم یا شپشک چوب را تولید کرده اند وجود ندارد. حذف ما از صحنه مرکزی حیات به اندازه زمانی که به جایگاه زمین در جهان بی پایان می نگریم دارای مفاهیم ضمنی ژرف است.پی نوشت ها :
1- باید در نظر داشت که این فرضیه کاملاً در جهت مخالف فرضیه تترا نوکلئوتید قرار داشت و لوین تا زمان مرگش در سال 1940 شخصی با نفوذ و تأثیرگذار در راکفلر بود.
2- به جادسون نگاه کنید.
3- این مورد در شرایط عادی است و همواره استثنا وجود دارد. اما در اینجا به جزئیات نمی پردازیم.
4- اگر بخواهیم دقیق تر صحبت کنیم، فون لاوئه آزمایش را طراحی کرد و والتر فریدریش و پاول نیپینگ از مؤسسه فیزیک نظری مونیخ آن را انجام دادند؛ این آزمایش بازتابی از آزمایشی بود که رادرفورد برای پی بردن به وجود هسته اتم طراحی کرد و هانس گایگر و ارنست مارسدن آن را انجام دادند.
5- به جادسون نگاه کنید. این خودستایی بی اساس نبود؛ پاولینگ در سال 1954، چنان که سزاوارش بود، جایزه نوبل را به پاداش این کار دریافت کرد. در سال 1962، جایزه صلح نوبل نیز به پاس تلاش هایش برای خلع سلاح هسته ای به او اعطا شد.
6- در این مورد پاولینگ در حقیقت آنتروپی را بررسی می کرد اما در اصل تفاوتی بین این دو بررسی وجود ندارد.
7- به جادسون نگاه کنید.
8- به کتاب شیمی نگاه کنید.
9- در همین زمان، انجام آزمایشی بسیار مهم هر گونه تردیدی را از میان برداشت. در این آزمایش دو پژوهشگر آمریکایی به نام آلفرد هرشی و مارتا چیز که در آزمایشگاه کلداسپرینگ هاربور در لانگ آیلند کار می کردند، ثابت کردند که مواد ژنتیکی ویروس ها از DNA ساخته شده است.
10- فرانسیس کریک در 28 ژوئیه سال 2004 در شهر سن دیگو (کالیفرنیا) در گذشت. او در سال های آخر زندگی خود مؤسسه ای علمی را در شهر لاهویا در جنوب سن دیگو بنیان گذاری کرد که درباره شناخت دقیق تر سیستم اعصاب و نوروبیولوژی کار می کرد.-م
11- رشته ها پیش از کپی شدن کاملاً باز نمی شوند. در عوض با آغاز باز شدن مارپیچ دوتایی، الگوهای جدیدی در روی هر یک از رشته ها نقش می بندند و با ادامه این فرایند به دور خود می پیچند. به این ترتیب، تا زمانی که باز شدن مارپیچ اولیه پایان می یابد مارپیچ های دختر اساساً کامل شده اند.
