Изгледа да су све материјалне ствари састављене од чврстих честица… различито повезаних током првог стварања, промислом интелигентног Чиниоца. Јер је Он тај који их је створио и довео у ред. А ако јесте тако, неразумно је тражити било које друго објашњење за порекло света или претварати се да би он могао настати из хаоса пуким законима природе. – Исак Њутн
Милеров експеримент
Објављивање Опаринове теорије на енглеском језику утицало је на многе научнике који су се бавили овом темом. Неколико њих је током 1940-их и 1950-их година покушало да унапреде Опаринову теорију у потрази за детаљнијим објашњењем хемијске еволуције. Вероватно су најзначајнији били покушаји експерименталног доказивања наведених претпоставки од којих је најчувенији Милеров (тј. Милер-Јуријев) експеримент, увршћен у школске уџбенике широм света.
Децембра 1952. године радећи на свом дипломском раду на Универзитету у Чикагу, Стенли Милер је урадио први тест Опариновог модела хемијске еволуције. Користећи кључалу воду обезбедио је кружење мешавине гасова кроз стаклену апаратуру. Метан, амонијак, вода и водоник долазили су до гасне коморе у којој су била волфрамова влакна под високим напоном, симулирајући утицај муња на гасове пребиотичне атмосфере. После два дана Милер је нашао аминокиселине у колекторској посуди на дну апаратуре. Користећи папирну хроматографију открио је аминокиселине: глицин, алфа аланин и бета аланин.
Добијање аминокиселина, градивних блокова протеина, дочекано је као велико откриће и снажна експериментална потврда Опаринове теорије. После објављивања његовог рада 1953. године, и други су успели да понове Милерове резултате, тако да су порасле наде у проналажење свеобухватне теорије која би објаснила настанак живота. Милеров експеримент је преко ноћи доживео неслућен публицитет. Био је тема познатих часописа (нпр. Time) и постао подразумевани део уџбеника.
До стогодишњице објављивања Дарвинове књиге 1959. године ситуација је била крајње обећавајућа. Изгледало је да је одбрањено и последње упориште велике материјалистичке приче о животу, земљи и свемиру. Успостављањем неодарвинистичке верзије Дарвинове теорије и појавом експериментално доказане теорије хемијске еволуције, еволуциона наука је понудила свеобухватно и потпуно натуралистичко објашњење за то што живи свет изгледа дизајнирано, укључујући све од једноћелијске бактерије до најсложенијих неуралних структура људског мозга. Иако нова теорија није била употпуњена, била је довољно детаљно скицирана да доведе до одбацивања анахроних спекулација о руци која је све дизајнирала. Проблем настанка живота је најзад био решен… или је бар тако изгледало, док научници нису почели озбиљније да размишљају о другом великом открићу објављеном те исте 1953. године.
Двадесети век – поновни успон теизма
У школама се помиње да су Вотсон и Крик открили структуру ДНК 1953. године, али се не помиње колико је трка била занимљива пре него што су њих двојица први протрчали кроз циљ. Да ствар буде још занимљивија, нико није ни приметио да су они учествовали у трци, све до самог краја.
Механизам наслеђивања
Пре развоја савремене генетике, наука није располагала сазнањима која би дала одговор на многобројна питања о репродукцији и наслеђивању који одликују живи свет. Знало се врло мало. Пре свега, уочено је да живо настаје само од живог (Omne vivum ex vivo). Било је очигледно и да се жива бића могу размножавати и да настало потомство личи на своје родитеље. Ипак, нико није знао одакле долази способност репродукције, а још мање шта је то у живим бићима што потомство чини слично родитељима.
Наука је током векова нудила различите одговоре. Једна од теорија је тврдила да животиње имају мале копије себе у репродуктивним органима мушких јединки. Друга теорија, која се назива пангенеза, тврдила је да сваки део тела шаље своје делиће – гемуле – у репродуктивне органе ради утицаја на оно што ће следећа генерација наследити.
Средином 19. века долази до усмеравања пажње на мале сферичне структуре, назване ћелије, које су откривене захваљујући најсавременијим микроскопима тог доба. Тако је настала „ћелијска теорија“ коју су 1839. предложили Немачки ботаничари Матијас Шлајден и Теодор Шван. Тврдили су да су ћелије најмања и најосновнија јединица живота. Остатак века је протекао без сазнања о ономе што се налази унутар ћелијског зида, тако да су и најеминентнији научници као што је био Ернест Хекел описивали ћелију као: „хомогену куглицу протоплазме без структуре“.
У међувремену научници су почели да увиђају одређене законитости које постоје у процесу наслеђивања, иако нису имали никакву представу како се пренесене особине стварају ни где би могле бити смештене. Нарочито су позната истраживања која је током 1860-их година радио аустријски свештеник, биолог, ботаничар и математичар Грегор Мендел, која су била толико значајна да се он данас назива оцем генетике.
Мендел је посматрао грашак који је гајио у својој башти. Једна врста грашка производила је зелено семе, док је друга врста производила жуто семе. Укрштавањем зеленог и жутог грашка добијао је другу генерацију која је увек била жута. У том тренутку вероватно је помислио да је могућност стварања зеленог грашка у наредној генерацији уништена, али није стао ту. Укрстио је укрштене биљке које су све имале жуто семе, и добио невероватан резултат – 75% биљака треће генерације имало је жуто семе, а 25% имало је зелено семе. Очигледно је друга, потпуно жута генерација грашка, у себи на неки начин задржала могућност стварања зеленог семена.
Мендел је особину грашка да буде жут назвао доминантном особином док је особину да буде зелен назвао рецесивном. Закључио је да рецесивне особине могу нестати у одређеној генерацији, али да су и даље сачуване у неком облику и могу се испољити у наредној генерацији. Мендел је тако показао да биљке имају нешто што је одговорно за развијање одређене особине и што постоји независно од тога да ли је та особина испољена или не. То нешто касније је названо ген. Сачувана способност стварања неке особине названа је генотип, док су испољене особине назване фенотип.
Менделово откриће отворило је велико питање – где су ускладиштене наследне информације? Пажња научника који су се овим питањем бавили наредних неколико деценија била је на једру ћелије. Швајцарски лекар Фридрих Мишер, истражујући хемијске особине леукоцита, открио је у њима 1869. године нуклеинску киселину, коју данас знамо као ДНК. Да би добио бела крвна зрнца узимао је гној са постоперативних завоја и растварао га је у хлороводоничној киселини која је растварала све осим једра. Једра је потапао у базне, а затим киселе растворе, добивши сиву органску материју коју не назвао „нуклеин“ јер ју је добио из једра (лат. nucleus) ћелије. Други научници су коришћењем контрастних техника изоловали тракасте структуре из језгра. Због њихове изразите обојености названи су „хроматин“ (χρώμα – грчка реч за боју), а ми их данас зовемо хромозоми. Каснији експерименти су показали да траке хроматина и Мишеров нуклеин реагују на исти начин на киселе и базне растворе, закључено је да је у питању исти материјал. Када су биолози приметили да се спајањем јаја и сперматозоида у једно једро увек искомбинује исти број трака хроматина, многи су закључили да је управо хроматин одговоран за наслеђивање особина.
1909. године на Универзитету Колумбија, Томас Морган је започео експерименте на винским мушицама. Оне су погодне за генетска истраживање због кратког животног циклуса од само две недеље. Излажући их мутагенима приметио је везу између група уочених промена закључивши да су делови који носе информацију о њима физички смештени један близу другог на хромозому. Морган је успео експериментално да покаже да гени имају линеаран распоред на хромозому.
Већ током 1909. године хемичари су овај кисели материјал из једра ћелије назвали „нуклеинска киселина“. Пошто су открили и присуство рибозе (молекул врсте шећера) без једног атома кисеоника, назвали су је прецизније „дезоксирибонуклеинска киселина“ тј. ДНК. Откривено је и да овај велики молекул садржи и фосфате и четири тада већ познате базе: аденин, цитозин, гуанин и тимин.
Исте године литванско-амерички биохемичар Фибус Лавин погрешно је закључио да се четири нуклеобазе увек јављају у истој количини у ДНК молекулу. Његов модел је многе научнике навео на погрешан траг и одвратило их од помисли да ДНК може бити место где би могли нашли извор наследних особина. Наука је тек 1940-их почела да схвата грешку захваљујући низу повезаних догађаја.
Све је почело када је канадско-амерички лекар и научник Освалд Ејвери постао заинтригиран експериментом са пнеумококним бактеријама који је извео британски бактериолог Фредерик Грифит у Рокфелеровом институту у Њујорку. Експеримент је започео очекиваним, али се завршио изненађујућим резултатом. Уколико би смртоносни сој бактерија био загрејан до смрти, постао би очекивано безопасан за мишеве у које би се убризгао. Мишевима се такође ништа не би десило када би им се убризгао невирулентни сој. Поново ништа изненађујуће, али Грифит је после тога у мишеве убризгао и смртоносни сој бактерије загрејан до смрти, и безопасни сој бактерије. Мишеви су умрли. То је било крајње изненађујуће јер се очекивало да оба соја, претходно доказано потпуно безопасна, неће утицати на мишеве. Када се било који од два соја убризга сам, мишеви би остајали неповређени, али ако би се убризгали заједно мишеви би умрли као да је бактерија поново постала смртоносна.
Резултат је био невероватан у правом смислу речи. За наставак истраживања успели су да осмисле начин да идентификују бактерије на самом медијуму за њихово размножавање тако да мишеви више нису морали бити део експеримента. Постојале су само две могућности – или су мртве бактерије оживљавале, што је апсурдно, или је неки део мртвих бактерија прелазио у безопасни живи сој, претварајући га у смртоносни. Ејвери је решио да одгонетне о чему се ради и открије мистериозни материјал који је чинио ту изненађујућу трансформацију. 1944. године Ејвери и његова двојица колега Колин Меклауд и Меклин Мекарти објавили су резултате свог рада у часопису Journal of Experimental Medicine. Шта је било узрочник трансформације? На изненађење свих, укључујући и самог Ејврија, изгледало је да је то била Лавинова наизглед незанимљива нуклеинска киселина – ДНК. ДНК мртвог соја прелазила је у живи сој претварајући безопасну бактерију у смртоносну.
Ервин Чаргаф, амерички биохемичар аустријског порекла са Универзитета Колумбија, схватио је значај Ејверијевог рада чим га је прочитао. Присећајући се касније тог тренутка рекао је да је „у тамним контурама видео почетак граматике у биологији“.
„Ејвери нам је дао први текст новог језика, или боље речено, показао нам је где да га нађемо. Решио сам да почнем да тражим тај текст“, изјавио је он.
Чаргафови експерименти временом су дали додатну потврду да би ДНК могао бити извор биолошке променљивости. Такође су допринели проналажењу назнака о структури ДНК молекула. Чаргаф је прочистио узорке ДНК и разложио их на своје састојке – шећере, фосфате и четири базе. Користећи технике квантитативне хемијске анализе одредио је релативан однос сваког састојка и тако открио веома занимљиво правило. Количина аденина увек је била једнака количини тимина, док је количина гуанина увек била једнака количини цитозина.
Откриће је било збуњујуће јер је било супротно ранијим закључцима Лавинове „тетрануклеотидне хипотезе“. Чаргаф је открио да се појединачна учестаност нуклеотида разликује између врста, а константна за једну врсту као и за било који орган или део ткива једног организма. Што је још важније, Чаргаф је уочио да је, чак и за нуклеинске киселине са истом пропорцијом четири базе (A, T, C, G), могућ огроман број варијација њиховог редоследа. Како је он то објаснио, различити ДНК молекули, или различити делови ДНК молекула: „могу се разликовати међу собом у редоследу, али не у међусобном односу својих састојака.“ Другим речима, ДНК се може упоредити са бинарним кодом. Различити програми могу имати потпуно другачији редослед нула и јединица, али ће њихов укупан број вероватно бити приближно исти.
Тако су крајем 1940-их година многи почели веровати да ДНК може бити носилац наследних информација, али нико није знао како.
Аутсајдери
Џејмс Вотсон је студирао у свом родном Чикагу. Слободно време проводио је посматрајући птице што му је било главно интересовање све док 1946. године није прочитао књигу „Шта је живот?“ Ервина Шредингера, када је променио област студирања са орнитологије на генетику. Дипломирао је већ са 19 година (уписао је факултет са 15), а докторирао је са 22 године на Универзитету Индијана код професора Салвадора Лурије, стручњака за генетику вируса. Одабрао је тај факултет због присуства Хермана Милера, добитника Нобелове награде који је у својим радовима објаснио основне принципе наслеђивања о којима је Шредингер писао у својој књизи.
Потрага за решењем тајне наслеђивања одвела га је на Кембриџ у Енглеској где се група стручњака интензивно бавила тим питањем. Факултет је предњачио у примени рендгенских зрака за анализу великих биолошких молекула. Вотсон се брзо удружио са Франсисом Криком, теоријским физичарем који није знао много о хемији, али се бавио развојем математичке анализе за проучавање структуре протеина користећи рендгенске зраке. Обојицу је занимала генетика и обојица су веровали да је за решење мистерије наслеђивања претходно неопходно да наука открије „шта су гени и чему служе“.
Вотсон и Крик су били млади научници који, за разлику од осталих научника који су се бавили истим питањем, нису имали високу репутацију па тако ни стида да у потрази за одговорима постављају свакојака питања на све стране. Док су остали интензивно радили на сакупљању података, они су се фокусирали на ширу слику и тражили елегантан одговор на све актуелнију загонетку.
1951. године, после свега неколико месеци бављења овим питањем, представили су свој први модел на семинару у Кавендиш лабораторији Универзитета Кембриџ. Састанак је прошао лоше. Представили су ДНК као троструку спиралу. Међу присутним научницима била је и Розалинда Френклин која је приговорила да „нема ни трунке доказа“ да ДНК формира спиралу на основу резултата испитивања рендгенским зрацима и да се та идеја појавила само због недавних открића појаве спиралних структура код протеина.
Негативном пријему допринеле су и неке очигледне грешке. Вотсон је погрешно израчунао густину воде у молекулу ДНК, што је веома важно јер од количине апсорбоване воде зависи да ли ће он бити у А или Б облику. Када је узета исправна густина воде за израчунавање димензије ДНК, њихов модел је пао у воду (игра речи је намерна).
Вотсон и Крик су у свом моделу поставили шећер-фосфатну основу у средиште молекула док су базе штрчале ка споља. Френклинова је исправно истакла да ДНК може ефикасно апсорбовати воду само ако су фосфатне групе са спољне, а не унутрашње стране структуре.
Обрукан због њих, ако не и због себе, њихов ментор професор Лоренс Браг замолио их је да више не раде на истраживањима ДНК. Крик је требало да доврши свој докторат, а Вотсон је пребачен да изучава вирусе.
Сакупљање доказа
Непоколебани својим неуспехом брзо су се поново бацили на посао. Правили су картонске моделе и разговарали са многим стручњацима у Енглеској и иностранству. До 1952. већина научника је престала да полаже наду у протеине и фокусирала се управо на дезоксирибонуклеинску киселину, укључујући и двоструког Нобеловца Лајнуса Полинга, хемичара са Калифорнијског технолошког института, који је претходно открио облик једне значајне структуре код протеина – алфа хеликс (спирала). Вотсон и Крик су осећали да време истиче. Сваког тренутка би неко могао да их победи у трци за откривање структуре мистериозног молекула.
Док су други поступали изразито методички, постепено сакупљајући податке у својим лабораторијама, Вотсон и Крик су мислили да су сви потребни подаци можда већ доступни и да треба размотрити постојеће хипотезе и сложити коцкице. Због тога су на неки начин били у улози детектива који трага за доказима како би решио мистерију. Трагајући за доказима Вотсон је 28. јануара 1953. набавио копију нацрта научног рада Лајнуса Полинга од његовог сина Петра који је похађао докторске студије на Кембриџу. Полинг је структуру ДНК представио као троструку спиралу, веома слично моделу кога су Вотсон и Крик представили годину дана раније. Послао је нацрт Петру, који га је показао Вотсону и Крику.
Као и оригинални модел Вотсона и Крика, Полинг је замислио троструку шећер-фосфатну основу која се протезала средином молекула док су нуклеобазе постављене око ње и биле усмерене ка споља. Вотсон је одахнуо знајући да Полингов модел не може бити тачан. Размишљајући о могућем решењу, два дана касније, и даље са Полинговим нацртом у рукама, отпутовао је до лабораторије Краљевског колеџа у Лондону где су се правили најбољи рендгенски снимци ДНК.
Лабораторија је имала најсавременију технологију која се заснивала на пројектовању рендгенских зрака на нити ДНК. Након судара са молекулима њихов правац се мења и добија се снимак на коме се може видети и измерити угао њиховог скретања. Вотсон је ту дошао због Розалинде Френклин која је била водећи ауторитет у анализи структуре ДНК том техником. Она је претходно открила да ДНК може имати два потпуно другачија облика, потпуно другачијих димензија, у зависности од тога да ли је присутна вода или не. Ово је било огромно откриће само по себи јер до тада научници у незнању мешали добијене резултате, чиме су сва истраживања структуре ДНК рендгенском дифракцијом само додатно замућивала њено схватање.
Вотсон је дошао у лабораторију и наступила је напета расправа. Самоуверено је покушавао да је убеди да ДНК мора имати спирални облик. Френклинова је инсистирала да за то нема никаквих доказа и у једном тренутку је устала са своје столице бесна због његових претпоставки и снисходљивости. Вотсон је касније говорио да се плашио да ће га ударити.
Пре напуштања лабораторије Вотсон је свратио да види Морис Вилкинса. После мало убеђивања Вилкинс је дао Вотсону да погледа најбољи снимак Б форме ДНК који је направила Френклинова. На слици се могао јасно видети образац познат као малтешки крст. Узбуђен, пожурио је на воз кући, а током пута је скицирао слику на основу виђеног снимка. Чим је видео цртеж, Крик се сложио да у питању мора бити спирала, али нису знали каква, нити како би хемијски елементи могли направити такву структуру.
Наставиће се…
