Николай Викторович Лучник

Невидимый современник

Присказка: квадратное уравнение

— Нет бога, кроме аллаха! Радуйся, о рыбак!

— Чем же ты меня порадуешь? — спросил рыбак.

И ифрит ответил:

— Тем, что убью тебя сию же минуту злейшей смертью.

Книга тысячи и одной ночи.

Третья ночь. Сказка о рыбаке

На горлышке кувшина был оттиск печати Сулеймана ибн Дауда (он же Соломон, сын Давидов)…

Чего уж яснее. Под печатью с величайшим из девяноста девяти имен аллаха не могло скрываться ничего и никого, кроме одного из ифритов (они же джинны, они же мариды, а попросту — духи, обладающие огромной силой и не сулящие ничего хорошего). Рыбак — не советский школьник Волька из «Старика Хоттабыча», не подозревавший о существовании ифритов до тех пор, пока не раскрыл кувшин. Рыбак — человек темный, отсталый, отлично знал, что могло скрываться под Сулеймановой печатью. Но он был Человеком.

В «Аксиоматике истории науки» когда-нибудь напишут:

«Аксиома № 1. Если Человек может совершить нечто, он это обязательно сделает».

Итак, рыбак был человеком и не смог противостоять соблазну.

Ева, вкушающая от запретного плода; Пандора, открывающая запретную шкатулку; ребенок, делающий именно то, что запрещено матерью; неодолимое свойство Человека (первая аксиома), источник его несчастий и его побед!

Любопытство ребенка, любознательность взрослого…

Пока же дадим слово Шехерезаде:

«А потом из кувшина пошел дым, который поднялся до облаков небесных и пополз по лицу земли, и когда дым вышел целиком, то собрался и сжался, и затрепетал, и сделался ифритом с головой в облаках и ногами на земле».

И тут происходит диалог, который вынесен в эпиграф. Рыбак оказывается в крайне затруднительном положении, так как перспектива умереть злейшей смертью его явно не устраивает.

Задача: Человек выпустил на волю злого духа, который угрожает его жизни и благополучию. Что делать?

Видимо, в основе решения лежит квадратное уравнение, так как задача имеет два и только два ответа.

Ответ 1: Обезвредить джинна, например загнать обратно в кувшин.

Ответ 2: Сделать так, чтобы джинн изменил свои намерения, например заставить служить себе.

Здесь в отличие от многих школьных задач оба корня уравнения имеют смысл. И других решений нет. Из многочисленных сказок нам известно, что их герои с успехом применяли оба решения. В «Сказке о рыбаке», например, герой с помощью хитрости заставил джинна влезть обратно и тут же наложил Сулейманову печать.

Это сказки. Но в наше время воплощается в жизнь большинство сказок и фантазий. Писателям-фантастам становится просто трудно выдумать что-нибудь действительно оригинальное. И в этой книге, далекой от фантастики, будет рассказано, как на свободу выпустили могучего и злонамеренного духа (не в сказке, а уже на самом деле) и что делали герои нашей правдивой истории (реальные люди в сюртуках и теннисках, в пиджаках и ковбойках), чтобы решить задачу, о которой уже шла речь и которая, как мы знаем, имеет два и только два ответа.

Глава I

Черт немецкой национальности

Пусть Гамлета к помосту отнесут,

Как воина, четыре капитана.

Будь он в живых, он стал бы королем

Заслуженно…

Шекспир, «Гамлет»

Апокриф о Гамлете

Тучи собрались с вечера. А когда на Эльсинор упала ночь, наступила такая тьма, что Бернардо, стоявший на посту, не видел не только помоста, но и эфеса собственной шпаги.

Когда же молния распорола непроглядный покров мрака и сокрушительный раскат грома потряс стены замка, Бернардо успел заметить человеческую фигуру, с ног до головы закутанную в плащ.

— Кто идет?

— А, это ты, Бернардо? Тогда все гораздо проще.

Бернардо узнал голос Горацио, самого верного из друзей Гамлета. Нет, не на последнее прощание с другом пришел он. Весь день в его мозгу звучали слова Фортинбраса: «Будь он в живых, он стал бы королем…» «Гамлет должен стать королем», — говорил себе Горацио. Быть может, душа еще не покинула тело принца. А если так, его можно спасти. Гамлету были известны все тайны целебных трав и кореньев, и многими из них он поделился со своим другом. И сейчас Горацио шел, чтобы попытаться вдохнуть жизнь в уже охладевшее тело.

Он приложил к посиневшим губам губку, намоченную в уксусе, настоянном на корневищах папоротника, и начал растирать грудь порошком бодяги. Бернардо, покинув пост, стал помогать ему. Долго трудились они, тщетно испытывая то одно, то другое средство, и уже начали терять надежду. Но, наконец, — о чудо! — за несколько минут до того, как прокричал петух, веки Гамлета дрогнули и губы слегка приоткрылись. Вскоре и румянец появился на уже побелевших щеках.

— Спасен, — облегченно вздохнули оба…

Гамлет стал королем и дожил до глубокой старости. Дания расцвела под его справедливым правлением. А сам Гамлет все свободное от дел государственных время тратил на занятия медициной, в которой добился изрядных успехов.

………………………………………………………

Почему бы и нет? Трагедии Шекспира далеко не всегда отличаются документальной точностью. И я берусь доказать, что именно так могла закончиться история с Гамлетом, принцем датским. Докажу это не менее логично, чем иные ученые доказывают какую-нибудь ахинею, делая это в отличие от меня вполне серьезно.

Когда у детей бывает бронхит, им нередко прописывают нашатырно-анисовые капли с добавлением глюкозы. Еще совсем недавно их называли каплями датского короля. И мне в детстве их давали.

Но при чем тут датский король? В том-то и штука. Очевидно, какой-то датский король (заметьте, именно король, а не принц) был видным медиком. Я не знаю таковых, кроме принца Гамлета. Доказательство? Пожалуйста. Вспомните, что говорит Гамлет в четвертой сцене третьего акта, обращаясь к Гертруде:

Ни с места! Сядьте. Я вас не пущу.

Я зеркало поставлю перед вами.

Где вы себя увидите насквозь.

Что это за зеркало, с помощью которого можно видеть насквозь? Ну конечно же, рентгеновский экран. Значит, Гамлет действительно был врачом. А поскольку капли не принца датского, а короля, значит, Гамлет не погиб от отравленной шпаги, а стал королем. Все совершенно логично, и попробуйте со мною спорить.

Ничто не мешает продолжить логическую цепь рассуждений и прийти к выводу, что историю открытия проникающей радиации и ее применения в медицине и биологии следует начинать с Гамлета — принца датского, позже — датского короля.

Опасное легкомыслие

Написанное выше, разумеется, не более, чем шутка, и на самом деле все началось гораздо позже и совсем по-другому. Если стремиться к документальной точности, нашу историю можно начинать с 3 апреля 1901 года, с того рокового дня, когда известный французский химик Анри Беккерель пришел в гости к своим друзьям Пьеру и Марии Кюри.

Незадолго до этого супруги Кюри получили новый химический элемент, которому дали имя радий. Интерес Беккереля к новому веществу был вполне понятен. Ведь Беккерель открыл недавно радиоактивность — свойство некоторых элементов испускать невидимые лучи. А радий по степени радиоактивности превосходил все дотоле известные вещества. Как же удержаться от желания «поиграть» с радием: поставить с ним несколько опытов!

В те дни единственным местом на Земле, где имелся чистый радий, была лаборатория супругов Кюри. Когда Беккерель пришел к ним со своей просьбой (запомним, что это было 3 апреля!), трубочку с драгоценными крупинками бережно завернули в бумагу и упаковали в картонную коробочку. Беккерель осторожно положил ее в жилетный карман…

Профессор был в восторге от новой «игрушки». Еще бы: как только он зашел в свою лабораторию, то увидел, что экран, по свечению которого обнаруживают радиоактивность, вовсю сияет. А ведь ученый не успел даже снять пальто и стоял на большом расстоянии от экрана.

Беккерель с увлечением принялся за опыты, которые в течение нескольких дней следовали один за другим. Но потом работа пошла более вяло: ученый почувствовал недомогание. А 13 апреля, то есть десять дней спустя, он обнаружил у себя на груди красное пятнышко. Довольно болезненное, оно — удивительное дело! — образовалось как раз под тем жилетным карманом, в который Беккерель положил коробочку с ампулой, полученной от Кюри. Пятнышко превратилось в язвочку, которая упорно не хотела заживать. Профессор обратился к врачу.

Долго лечился Беккерель, в конце концов и краснота и болезненные ощущения исчезли. Однако не навсегда. Через два года он опять почувствовал боль в том же самом месте и снова был вынужден обратиться к врачам…

Ампула с радиоактивным веществом и пятнышко на груди Беккереля не случайное совпадение. У всех ученых, которые начинали исследования радиоактивных веществ (а также рентгеновых лучей), наблюдались различные болезненные явления из-за неосторожного обращения с новыми лучами. Но кто в те времена думал об осторожности?!

Беккерель отделался сравнительно легко. А для многих других ученых и врачей, начинавших исследования рентгеновых лучей и радиоактивности, лучевые поражения закончились в конце концов смертью…

В Гамбурге, возле здания одного из институтов, воздвигнут обелиск в память о жертвах науки, погибших в результате исследования новых лучей. Когда в 1936 году этот обелиск установили, на нем было высечено 110 имен. За последующие годы число их утроилось.

Медленно собирала радиация свою зловещую жатву. И знали об этом лишь немногие: те, кто исследовал биологическое действие лучей, да те, кто был связан с ними по роду занятий и должен был принимать необходимые меры предосторожности. Нужно заметить, что со временем несчастные случаи происходили все реже и реже. Большинство исследователей облучились в самые первые годы, когда о биологическом действии радиации не было ничего известно. Как только пришло знание, опасность стала сходить на нет.

И вдруг в 1945 году радиация, с которой раньше имели дело лишь единицы, вторглась в жизнь всего человечества. Атомная бомба, сброшенная на Хиросиму, в один день унесла во много раз больше жизней, чем погибло от действия радиации за полвека…

Позже началось мирное применение атомной энергии. С новым фактором стали соприкасаться большие массы людей. Наступил атомный век. Проникающая радиация стала невидимым современником граждан атомного века…

Мог ли кто-нибудь во времена Рентгена и Беккереля предвидеть, какая могущественная сила выпущена человеком из недр вещества?! Сила, могущественная и в зле и в добре: ведь она способна разрушать города и вращать роторы электростанций, вызывать тяжелую болезнь и исцелять. Но как ни удивительно, уже тогда были люди, которые не только догадывались об огромных силах, дремлющих в атомах, но даже предсказывали создание атомной бомбы.

В то же самое время, когда Беккерель лечил свою лучевую язву, на естественном факультете Московского университета учился худощавый студент — Борис Бугаев. Он горячо и глубоко увлекался и физикой, и музыкой, и философией. Начинал печатать стихи, которые подписывал псевдонимом Андрей Белый.

Позже (но не слишком поздно, чтобы иметь возможность приписать себе задним числом пророческую дальновидность), в 1921 году (за четверть века до начала атомной эры!), он вспоминал в поэме «Первое свидание» студенческие годы, свои впечатления, мысли и чувства тех времен. Вот профессор Николай Алексеевич Умов рассказывает на лекции по физике о том,

Что взрывы, полные игры,

Таят томпсоновые вихри

И что огромные миры

В атомных силах не утихли.

Студент Борис Бугаев слушал лекцию по физике, а для поэта Андрея Белого

Мир рвался в опытах Кюри

Атомной, лопнувшею бомбой

На электронные струи

Невоплощенной гекатомбой.

Не правда ли, удивительно?! Но ничего удивительного нет. Некоторые недалекие люди пытаются противопоставлять «физиков» и «лириков». А ведь Борис Николаевич Бугаев долго колебался, стать ему ученым или поэтом. И без глубокого проникновения в мир физики не унеслась бы его фантазия в атомный век. А разве не нужно быть поэтом для того, чтобы создавать в своем уме новые миры, которых никто не видел и которые так не похожи на окружающее, но тем не менее существуют в глубинах вещества и в необъятных просторах вселенной!

Теперь электрон кажется чуть ли не предметом ширпотреба. А еще в начале этого века он был загадкой, над которой бились величайшие умы. Понадобилась не одна «безумная» идея для того, чтобы электрон стал простым и понятным…

Какого цвета электрон?

Этот вопрос возник в головенке моего сына, когда ему было пять лет. Нет, он отнюдь не вундеркинд. Просто совещание происходило на открытом воздухе, и Андрюшка заинтересовался, что такое слушают мама, папа и другие дяди и тети. Он сел под кустиком рядом со своим старым другом Павлом Зыряновым, физиком-теоретиком, доктором физико-математических наук.

Итак, вопрос о цвете электрона, возникший потому, что в докладе этот самый электрон был упомянут несколько раз, адресовался как раз тому, кому нужно. Павел Степанович вполне серьезно ответил:

— Электрон цвета не имеет.

Самое замечательное в этой истории (ради чего, собственно, я ее и рассказывал) — то, что дальнейших вопросов не последовало. Детский ум не отягощен грузом стереотипных представлений. Для него вовсе не обязательно, чтобы каждый предмет имел какой-то цвет. И то, что возмутило бы ум взрослого, детский воспринял как новую информацию: бывают «вещи», не имеющие цвета.

Я не знал об этом разговоре, и, когда подошел к сыну, Андрей первым делом заявил:

— Папа, а я знаю, какого цвета электрон.

— Какого же?

— Электрон цвета не имеет.

Трудность восприятия некоторых представлений современной науки для неспециалистов состоит в том, что она вступила в области, где действуют законы, отличающиеся от тех, с которыми нам приходится иметь дело в повседневной жизни. Но и эти законы помаленьку переходят со страниц заумных статей в нашу повседневность. И то, что мы понимали с трудом, а отцы наши вообще не могли уяснить, для детей становится привычным.

Мой сын с детства слышал об электроне и даже знает, что он не имеет цвета. А крупнейший физик Вильгельм Конрад Рентген долго не хотел верить в существование электронов.

Когда я учился в школе, электрон уже казался понятным и привычным, но то, что это и частица и волна, не укладывалось в голове. Не только моей, но и ученых-философов. А прошли годы, и мне пришлось работать с электронным микроскопом, где используются волновые свойства электронов, постигать законы электронной оптики.

Не так давно многие смотрели на гениальное уравнение Эйнштейна E = mc^2 как на формальный математический трюк, в лучшем случае, считали: да, это правильно, но какое это имеет значение? Так, что-то из области «четвертого измерения». А теперь этим уравнением начинены атомные бомбы и атомные реакторы, и оно же поведет космические корабли к другим звездным системам…

И хотя эта книга о радиобиологии, нам тоже придется соприкоснуться со странным миром мельчайших частиц вещества и энергии. Ведь в основе биологического действия радиации лежит взаимодействие электронов и прочих частиц микромира с атомами и молекулами живого вещества.

Нет, мы не будем говорить ни о таинственных «кварках», про которые никто не знает, существуют они или нет, ни про антигипероны, ни даже про мезоны, но соприкоснуться с этим миром необходимо.

Если бы Андрюша спросил доктора наук Зырянова не о цвете электрона, а сколько сейчас известно элементарных частиц, тот, вероятно, ответил бы более уклончиво, что-нибудь вроде «около тридцати», ведь в наше время новые частицы появляются одна за другой. И кто знает, может быть, вчера вышел в свет свежий номер журнала, где описано открытие следующей.

Первой элементарной частицей, с которой познакомились физики, оказался электрон. Открыл его знаменитый «Джи-Джи» — профессор Джозеф Джон Томпсон. Электрон сразу поставил физиков перед новыми трудностями (не потому ли мудрый Рентген не желал его признавать?!). Тотчас же стало ясно, что электроны присутствуют в огромном числе во всех телах. Между тем электроны заряжены отрицательно — это одно из их основных свойств. А наш мир электрически нейтрален. Явный парадокс!

Этот парадокс было дано разрешить талантливейшему из учеников «Джи-Джи», сыну новозеландского фермера Эрнсту Резерфорду — одному из первых и наиболее выдающихся исследователей радиоактивности. Он изучал рассеяние альфа-лучей при прохождении их через тонкую золотую фольгу. Альфа-лучи возникают при радиоактивном распаде и представляют собой поток довольно тяжелых (во всяком случае, по сравнению с электронами) частиц, заряженных положительно. Альфа-частицы прошивали тоненький золотой лепесток, как пуля лист бумаги. Некоторые слегка отклонялись от первоначального пути. Но отдельные, очень немногие вели себя крайне удивительно. Они летели назад! Пуля отскакивает от листка бумаги?

Слово «атом» было придумано Демокритом из Абдеры. Больше двух тысячелетий жил этот термин, не облеченный ни в какие физические одежды. Шарики? Песчинки? Но ведь это не физическая модель «мельчайшего неделимого».

Редкие частички, отражавшиеся от золотого лепестка, позволили различить первые физические черты атома. После долгих раздумий и неизбежных ошибок Резерфорд пришел к выводу: атом состоит из тяжелого, положительно заряженного ядра, вокруг которого вращаются легкие отрицательные электроны (как планеты вокруг Солнца). От этих тяжелых ядер и отражались частицы в опытах с золотой фольгой.

Удивительно наглядная гипотеза. Микромир устроен так же, как мир звезд и планет! Сколько раз потом атом менял свое обличье, но большинство людей до сих пор именно так его и представляют, потому что их вполне устраивает подобная наглядность.

Но что устраивало большинство, не удовлетворяло физиков, и в первую очередь, вероятно, самого Резерфорда. Физическая модель атома, описанная Резерфордом в мае 1911 года, противоречила законам физики. Та самая модель, что осела в умах большинства людей.

Согласно законам классической электродинамики, заряженная частица, вращающаяся по круговой орбите, должна непрерывно излучать энергию, теряя ее при этом. И в конце концов (а именно: очень быстро) упасть на ядро. Если бы атом был устроен так, как полагал Резерфорд, наш мир вообще не существовал бы. Но тем не менее ученый был прав, хотя и возник парадокс, который вскоре разрешил один из величайших физиков, датчанин Нильс Бор — ученик Резерфорда.

Классической электродинамике противоречило не только поведение электронов. Давно уже ученых смущали спектры излучений (не тех проникающих излучений, о которых пойдет речь в этой книге, а самых обыкновенных лучей света), испускаемых атомами. Вместо «радуги» атомы дают спектры, состоящие из отдельных полос. Они выглядят так, словно на обычный непрерывный спектр наложили черную бумагу с узкими прорезями. И это противоречило тогдашней физике.

В голове Бора родилась «безумная» гипотеза. Он предположил, что законы классической термодинамики не распространяются на мир электронов и атомов. Им управляют свои, особые законы.

Существуют определенные орбиты, по которым электрон движется, не излучая, утверждал Бор. При падении на более низкую орбиту электрон излучает вполне определенное количество энергии и, поглощая ее, переходит на более высокую орбиту. Таким образом, объяснялись и устойчивость атомов и линейчатая природа атомных спектров. От применения классической физики к явлениям микромира пришлось отказаться. Таким образом, Резерфорд оказался прав. И хотя модель атома все еще продолжает изменяться и уточняться, в ее основе лежат модели Резерфорда и Бора.

Черт немецкой национальности

Вюрцбург — средневековый германский город. Поздний осенний вечер… Собственно, даже не вечер, а ночь. Сквозь туман и слякоть неуверенно бредет к себе домой старый бондарь Курт Мюллер — лодырь и забулдыга, личность настолько ничем не замечательная, что автор в своем совершенно правдивом повествовании вправе его и выдумать. Он может быть не Куртом, а Фрицем, не Мюллером, а Майером, не бондарем, а колесным мастером — безразлично. Бондарь, пожалуй, лучше, потому что в Вюрцбурге крупный пивной завод, а где варят пиво, там нужны бочки. Но и это несущественно…

Важно, что Мюллер ежедневно покидает пивную последним. Его путь лежит через Пляйхер-Ринг, мимо большого серого дома, где все последние ночи в одном из окон цокольного этажа горит свет. Как-то Мюллер заглянул в окно и увидел, что вся комната заставлена какими-то чудными машинами, среди которых бродит мрачный господин. Не понравился он Мюллеру. Хотя и сюртук на нем такой, как носят вполне добропорядочные господа, но волосы как смола, курчавые (не разберешь, что под этими волосами!), бородища длинная, густая, а глаза так и горят, так и горят: ни дать ни взять нечистый (не помянуть бы его имя к полуночи).

Вот и сегодня подходит Курт к зловещему дому. В окне темно. Странно… Впрочем, что-то слабо светится. Набравшись смелости, Курт заглядывает в окно и спустя несколько мгновений опрометью несется по Пляйхер-Ринг (куда весь хмель девался!), будя истошным криком почтенных бюргеров и их дородных супруг, спящих мирным сном:

— Черт! Черт!

А следующим вечером Курт рассказывал собутыльникам вещи, совершенно невероятные. Поверить ему было просто невозможно, и все поняли, что старина Мюллер нализался вчера больше обычного.

Курт клялся и божился, что не где-нибудь, а в их городе видел самого дьявола, который сначала забавлялся тем, что пускал искры по всей комнате или наполнял ее мерцающим сиянием. А потом Мюллер увидел руку. Мертвую руку. Не рука и не скелет. Вроде бы и рука, а все косточки просвечивают. И живая — шевелится. А кроме руки, ничего и не было. Ну кто же этому поверит!

Автор не берется утверждать, что такой случай действительно произошел, но ручается, что вполне мог произойти, и притом не когда-нибудь, а именно в ноябре месяце.

С полной определенностью можно говорить лишь о том, что 28 декабря господин, которого мог видеть в окно пьяница Мюллер, передал другому господину какие-то бумаги. И, поднявшись на второй этаж, хитро подмигнул своей супруге и тихо сказал:

— So, nun kann der Teufel losgehen!

В переводе на русский язык эта немецкая поговорка звучит примерно так: «Ну вот, теперь можно и выпустить черта из бутылки».

И черта выпустили. Это был черт немецкой национальности, ибо дело происходило в средневековом немецком городе Вюрцбурге, впрочем, отнюдь не в средние века, а в году одна тысяча восемьсот девяносто пятом — в канун нашего трезвого века…

Герой без ореола

Нетрудно догадаться, что пьяница Мюллер торчал в ту страшную ночь под окнами великого физика профессора Вильгельма Конрада Рентгена, когда он открыл новые невидимые лучи, названные им «икс-лучами» и которые теперь во всем мире называют рентгеновыми. Поэтому, оставив навсегда Курта Мюллера, познакомимся уже всерьез с профессором Рентгеном.

Хорошо, если об ученом известно, что ему свойственна какая-то обычная человеческая слабость. Он может быть заядлым футбольным болельщиком, или филателистом, или скрипачом-любителем, или холостяком… Это делает его понятным, человечным. Приятно писать и приятно читать. Вот он — живой человек, такой же, как и мы с вами, сделал великое открытие. Проникаешься гордостью за Человека вообще, за самого себя!

Увы, у Рентгена не было «безумных» идей, как не было и нормальных человеческих слабостей. Словом — черт, столь характерных и для героев научно-фантастических романов и для героев научно-популярных книг. Но что делать, я здесь пишу только правду и не могу наделять своего героя чертами, которых у него и в помине не было.

Он был блестящим физиком. Может, даже самым лучшим физиком-экспериментатором конца прошлого века. Но он твердо верил, что дело ученого — собирать факты, а отнюдь не объяснять их.

Отлично известно, что лозунгом Ньютона было: «Я не измышляю гипотез!» Но Ньютон создал классическую физику. В его лозунге речь шла лишь об общей методологии создания теорий. Он считал, что нужно идти не от предположений к их проверке, а от сбора фактов к их обобщению. Но если Ньютон имел в руках достаточно фактов, то смелости у него хватало для «безумной» — не гипотезы, а уже теории, даже принципа!

Не таков был Рентген. Для него работа начиналась со сбора фактов и кончалась описанием полученных фактов.

Долгое время сотрудником Рентгена был Абрам Федорович Иоффе — выдающийся советский физик. Он вспоминает, как, получив неожиданные результаты, поставил серию опытов, приводящих к интересным выводам. Он написал об этом Рентгену, который тогда был в другом городе. В ответ пришла открытка, где Рентген писал: «Я жду от Вас солидной научной работы, а не сенсационных открытий», и рекомендовал вернуться к прерванным исследованиям.

Иоффе рассказывает о судьбе одной из совместных работ с Рентгеном. Была проведена обширнейшая серия исследований. Результаты укладывались в рамки простой и ясной теории. Рентген и слышать о ней не хотел. Абрам Федорович изложил ее на нескольких страничках. Рентген ничего не мог возразить, но настаивал, чтобы были описаны только факты — двести страниц описания фактов! Дело дошло до крупного конфликта между учителем и учеником.

Да о чем говорить, если до 1906–1907 годов в физическом институте Мюнхенского университета, которым тогда заведовал Рентген, просто-напросто запрещалось произносить слово «электрон». Рентген упорно продолжал считать его «недоказанной и ненужной гипотезой», и это в начале нашего века! А ведь электроны — те самые частицы, торможение которых рождает рентгеновы лучи, открытые им самим целым десятилетием раньше!

Таков научный стиль Рентгена. Не такими мы обычно представляем себе крупных ученых. Но тем не менее Рентген был крупнейшим физиком, и открытие его отнюдь не случайно. Такой стиль работы имел в своей основе исключительную требовательность к себе и другим, исключительное, сказал бы я, уважение к Науке.

Рентген никогда не публиковал незаконченных работ. Только когда он был абсолютно уверен в правильности полученных результатов, только когда было ясно, что действительно поставлена последняя точка, он решался направить свою работу в печать.

Его крайне раздражали «предварительные сообщения». Бушующий ныне поток кратких предварительных заявочных сообщений, в которых зачастую ничего нет и за которыми ничего не следует, начинался в виде постепенно расширявшегося ручейка уже в те времена. И чем больше появлялось подобных сообщений, тем фундаментальнее, солиднее, обстоятельнее становились работы Рентгена. Его последняя статья занимает целый выпуск «Физических анналов».

Рентген завещал после смерти сжечь все свои незаконченные работы. Его волю исполнили. Заодно бросили в огонь и работы его учеников и сотрудников; некоторые были вполне законченными. Таков Рентген-ученый.

Таким был и Рентген-человек. И в науке и в личной жизни его поступками руководило чувство долга. Он был принципиален до странности.

В свое время Рентген был состоятельным человеком. Лауреат Нобелевской премии (кстати, первая премия по физике присуждена именно ему), он при скромном образе жизни постепенно стал довольно богатым. Свои сбережения он хранил за границей, в голландском банке.

Когда началась первая мировая война, немецкие газеты стали публиковать воззвания к населению о максимальной экономии, о том, что долг каждого истинного немца — отдать свои сбережения родине. Рентген так и сделал: отдал все, что было им скоплено за долгие годы, до последнего пфеннига. Конечно, он мог бы этого и не делать, деньги-то хранились в надежном месте.

Но если вы из этого сделаете вывод, что Рентген относился к кайзеру Вильгельму со слепым благоговением, то ошибетесь. Долг немца — отдать сбережения, Рентген и отдал. А благоговения никакого не было.

Однажды Вильгельм II посетил Германский музей в Мюнхене. При осмотре физического отдела пояснения давал Рентген, и давал блестяще, с полным знанием дела. Когда очередь дошла до отдела артиллерии, то объяснения стал давать кайзер, считавший себя великим полководцем и знатоком военных наук. Но не смог сказать ничего, кроме общих фраз и общеизвестных вещей. И хотя перед ним стоял Вильгельм, Рентген не выдержал:

— Простите, ваше величество, но вы говорите совершенно тривиальные вещи.

Вряд ли кто другой отважился бы сказать такое. Но если вы решите, что Рентген ненавидел кайзера, то ошибетесь. Он сказал ему это так же, как сказал бы кому угодно другому.

Как известно, жертва Рентгена была совершенно ненужной — Германия проиграла войну. Наступил страшный для немцев 1917 год — год голода, разрухи, продовольственных карточек, по которым почти ничего не давали. Многочисленные друзья Рентгена, особенно из Голландии, зная об этом, непрерывно посылали ему посылки с продовольствием. Он их аккуратно получал и… аккуратно сдавал государству. Он считал, что не имеет права на большее, чем остальные. За год он похудел больше чем на 20 килограммов и стоял на краю смерти. Только после настойчивого убеждения врачей, что так он не выживет, Рентген согласился на усиленный больничный паек.

Нобелевская премия — чуть ли не единственная почесть, которую Рентген согласился принять. Он отказался от дворянского звания, звания академика, отказывался от орденов, от почетного занятия профессорских кафедр…

В последние годы Рентген жил более чем скромно и во многом себе отказывал. Лишь раз в неделю ел мясное блюдо. Незадолго до смерти он захотел посетить Швейцарию, где раньше бывал с женой… Ради этого он целый год не пил натурального кофе, к которому так привык.

С чего все началось

Гамлет — принц датский, конечно, ни при чем. Невидимые лучи, проникающие сквозь любые преграды, открыл Вильгельм Конрад Рентген, и никто больше. И смешно пытаться оспаривать его приоритет. Однако один претендент нашелся. Это был профессор Ленард — средней руки физик и человек с нечистой душой. Основой для его приоритетных претензий было то, что Ленард мог в своих опытах обнаружить новые лучи (кстати, Рентген сам упоминает об этом в своей статье). Мог сделать открытие, но не сделал… Во времена Гитлера Ленард стал одним из создателей «немецкой» физики. Как-то мне попал в руки немецкий школьный учебник, изданный в годы Третьего рейха. В нем вместо рентгеновых лучей говорится о «лучах Ленарда». Но теперь и в Германии, конечно, говорят только о лучах Рентгена.

Рентген сделал свое открытие, изучая катодные лучи, которые несколько раньше исследовал Ленард. И даже работал на приборе конструкции Ленарда. Впрочем, сами катодные лучи открыл тоже не Ленард, они были известны физикам по крайней, мере уже сорок лет. Поэтому всякий, кто работал с катодными лучами, мог сделать открытие.

Христофору Колумбу приписывают слова «гений тем отличается от посредственности, что гений делает то, что любой другой мог бы сделать». Правильно сказано!

Катодная трубка представляет собой стеклянную трубку, наполненную сильно разреженным газом. В ее стенки впаяны два электрода: катод (на него подается отрицательный заряд) и положительный анод. Если трубка заполнена газом при обычном давлении, ток через нее не идет. Разреженный газ проводит ток, начиная при этом светиться. Если газ еще более разрежен, то светится не он, а стенки трубки. Лучи, вызывающие это свечение, и получили название катодных.

Природа катодных лучей во времена Рентгена была загадкой. Теперь известно, что они представляют собой поток срывающихся с раскаленного катода электронов, которые к тому времени уже открыл «Джи-Джи» и в существование которых отказывался верить Рентген.

Если к работающей катодной трубке поднести лист бумаги, покрытый платиносинеродистым барием, бумага начинает светиться. Рентген заключил катодную трубку в чехол из черного картона — свечение не прекращалось. Похоже, что на светящееся вещество действуют какие-то невидимые лучи, способные проходить через непрозрачный картон. Физике такие лучи были неизвестны.

Открытие? Может быть. Рентген жил в казенной квартире, в доме, где находилась его лаборатория. Через несколько дней после первых наблюдений он перестал ходить обедать домой: еду ему приносили в лабораторию.

Ошибки быть не может. Это не катодные лучи и не какое-нибудь постороннее излучение, возникающее где-то вне трубки. Рентген уже точно может сказать, что невидимые лучи возникают в стекле катодной трубки — в том самом месте, где можно заметить зеленоватое светящееся пятнышко. Рентген никогда не выступает с незаконченными работами. Своему другу Теодору Бовери, профессору зоологии, он проговаривается: «Я открыл кое-что интересное, но еще не уверен, достаточно ли корректны мои наблюдения». Большего ученый не сказал даже лучшему другу.

Рентген велел лабораторному служителю перенести в лабораторию постель и теперь проводил здесь круглые сутки. Он уже знает, что новые лучи проходят через любые преграды, кроме свинца, все другие вещества только в большей или меньшей степени могут их ослаблять (на самом деле они проникают и через свинец, только слабее, чем через другие вещества), знает, что они очень плохо отражаются и преломляются. Узнает и многое другое, но считает нужным молча продолжать исследование.

Лишь 28 декабря Рентген говорит своей жене роковые слова о том, что, дескать, можно выпускать черта из бутылки, и передает небольшую рукопись профессору Леману, председателю «Вюрцбургского физико-медицинского общества», для опубликования в трудах этого общества. Тогда же Рентген пишет несколько писем ученым коллегам в разных странах, где сообщает о сделанном открытии и прилагает фотографии, полученные с помощью открытых им лучей. (Обратите внимание на этот факт: одному из писем суждено сыграть в нашей истории важную роль.)

23 января 1896 года на специальном заседании «Вюрцбургского общества» Рентген делает доклад о своем открытии с демонстрацией. Знаменитый анатом Кёлликер позволяет сфотографировать в новых лучах свою руку. Негатив тут же проявляется и оказывается превосходным. Фотография обошла почти все учебники физики, но мало кому известно, что это не просто рентгеновский снимок руки, а «портрет» известного анатома.

Нечего и говорить, доклад имел шумный успех. Кто-то тут же предлагает назвать новые лучи лучами Рентгена, но осторожное и завистливое большинство находит это преждевременным.

Новые лучи нужно как-то окрестить. В алгебре неизвестное чаще всего обозначают буквой «X» (икс). В первой же статье Рентген назвал неизвестные лучи икс-лучами и так и продолжал называть их до самой своей кончины (а умер он 10 февраля 1923 года в возрасте 78 лет).

Рентген продолжает исследования и публикует еще два сообщения об открытых им лучах — в марте 1896 и в мае 1897 года. Эти три работы, быстро ставшие классическими и переведенные на многие языки, многократно переиздавались. Передо мной перевод их на русский язык, изданный под редакцией Абрама Федоровича Иоффе — одного из учеников Рентгена. В книжке небольшого формата все три статьи вместе составляют около 60 страниц…

Открытие Рентгена вызвало исключительный интерес среди ученых. В течение одного лишь 1896 года вышло больше тысячи статей об X-лучах! Стало модным открывать новые лучи. Лучи Гретца… Лучи Блондло… F-лучи… Все они, как и многие другие, оказались результатом ошибок или недоразумений. Поток статей не ослабевает. Но интересно отметить: в течение 12 лет не появляется ничего принципиально нового об X-лучах (которые теперь почти все называют рентгеновыми), чего не было бы в трех небольших статьях самого Рентгена.

Две счастливые ошибки

20 января 1896 года заседание Парижской академии было особенно многолюдным. Пришли не только те, кому полагалось, но и падкие до сенсаций газетные корреспонденты и просто образованная публика.

Статья Рентгена еще не была опубликована в трудах «Вюрцбургского общества», но слух об открытии новых таинственных лучей распространился с поразительной быстротой, и сообщения о нем уже успели попасть в некоторые газеты. Поэтому известие о том, что на заседании академии ее президент, известный математик Анри Пуанкаре огласит письмо, полученное им лично от профессора Рентгена, привлекло широкое внимание.

Письмо прочли, продемонстрировали фотографии, полученные с помощью X-лучей, началось обсуждение, посыпались вопросы…

Понятно, что разных слушателей интересовали разные вещи. Профессора химии Анри Беккереля, например, больше всего волновал вопрос: из какого именно места катодной трубки выходят X-лучи, где они образуется. (Мы-то с вами помним, конечно, что лучи исходили из светящегося пятнышка на стеклянной стенке, примерно напротив раскаленного катода.)

Интерес профессора Беккереля был не случаен. Он занимался флюоресценцией — свойством некоторых веществ светиться под действием лучей света. Чаще всего свечение бывает зеленоватым, то есть таким же, что и пятнышко на стекле катодной трубки. Конечно, это может быть и случайным совпадением, но вдруг тут кроется новое открытие?

Вероятно, катодные лучи вызывают флюоресценцию стекла, думал Беккерель, а при флюоресценции образуются не только видимые зеленоватые лучи, но и те невидимые, которые открыл немецкий ученый. Но ведь это нетрудно проверить. И особенно легко Беккерелю, он уже несколько лет занимается изучением флюоресценции, и у него в шкафу целая коллекция веществ, которые на солнце сами начинают светиться.

Исследователь не стал откладывать дела в долгий ящик и сразу же приступил к опытам, благо ставить их просто. Беккерель взял фотографическую пластинку и завернул ее в черную бумагу, не пропускающую света. Теперь оставалось только положить на бумагу кусок флюоресцирующего вещества и выставить на солнце.

Какое вещество взять? Немного поколебавшись, Беккерель берет лепешку из уранил-сульфата — вещества, флюоресценция которого особенно интенсивна. Подержав свою нехитрую установку на солнце, ученый удаляется в темную комнату, разворачивает пластинку и кладет в проявитель. И — о чудо! — на пластинке ясно видно пятно такой же формы, как и лепешка из уранила. Выходит, предположение правильно.

Нужно продолжать опыты. Прежде всего повторить уже сделанный, чтобы исключить любые случайности, а потом начать исследовать невидимые лучи, скажем, проверить, через какие вещества они проходят, а через какие — нет.

Но Беккерелю катастрофически не везет. Чтобы вещество флюоресцировало, на него должны падать прямые солнечные лучи. А погода пасмурная. Беккерель заворачивает пластинки в черную бумагу, кладет на них лепешки уранила и ждет тех коротких минут, когда солнце, наконец, покажется из-за туч. Особенно неудачная погода стоит в конце февраля.

Первого марта (этот день вошел в историю!) Беккерель проявляет пластинки. Профессор смотрит на результат. И вдруг — что такое? На одной из пластинок особенно темное пятно, каких до сих пор не бывало. А посреди пятна — светлый крестик. Беккерель смотрит на номер пластинки, сверяет со своими записями, и оказывается, что пластинка вообще не выставлялась на солнце. 26 февраля он положил на завернутую пластинку медный крестик, на него — уранил-сульфат… Но солнце упорно не хотело показываться. Пришлось пластинку убрать в шкаф. И там она (в темноте!) пролежала до первого марта. А проявили ее по ошибке.

Поистине счастливая ошибка! Выходит, чтобы пластинка потемнела, вовсе не нужен солнечный свет. Неужели флюоресцирующее вещество испускает невидимые лучи и в темноте? Беккерель продолжает опыты. Он испытывает не только уранил-сульфат, но и другие вещества. Все правильно: пластинки темнеют и без освещения, но не от всех флюоресцирующих веществ. А от тех, которые не действуют в темноте, ничего не получается и на свету. Значит, флюоресценция тут ни при чем?

Да, ни при чем. Беккерель начал свои опыты, исходя из совершенно неправильных представлений, и это была вторая ошибка. Но две ошибки, взятые вместе, привели к успеху! Так в алгебре минус, умноженный на минус, дает плюс.

Причиной почернения пластинок оказалась не флюоресценция, а уран (название это слишком хорошо известно современному человеку!), входящий в состав уранил-сульфата. Желаемый эффект давали только те флюоресцирующие вещества, в которые входит уран. А самый большой эффект — чистый уран, который вообще не флюоресцирует.

Значит, уран обладает новым, до сих пор неизвестным свойством самопроизвольно испускать невидимые лучи, напоминающие X-лучи, открытые Рентгеном. Это свойство было названо радиоактивностью.

Поистине удивительно, что два столь похожих открытия были сделаны почти одновременно. Действительно, рентгеновы лучи и излучения радиоактивных веществ — близкие родственники.

Атомный бильярд

Итак, быстрые электроны, ударяясь о стеклянные стенки катодной трубки, рождают рентгеновы лучи. Почему? С поведением быстрых заряженных частиц мы уже встречались в опытах Резерфорда. Там частицы либо проходили через лепесток золота, либо отражались от него. Но стекло — такая преграда, которую они пробить не в силах, а отразиться могут. И некоторые электроны действительно отражаются от стекла, так же как бильярдный шар, ударившийся о твердую преграду. Шар с той же скоростью летит назад, то же происходит и с электронами.

Однако бильярдный шар может не только отразиться, но и затормозиться, встретившись с неупругой преградой. И электроны способны (физики так и говорят) «претерпеть неупругое столкновение» и затормозиться. Раз электрон остановился, значит потерял энергию. Но она не исчезает, а передается атому, с которым столкнулся электрон. Однако у атомов свои законы: каждому положен определенный запас энергии, и та, что он получил от быстрого электрона, оказывается лишней. Атом ее выбрасывает в виде лучей, которые по своей природе не отличаются от лучей света или радиоволн: такие же электромагнитные колебания, только энергия их значительно выше, что и обусловливает иные свойства. Ведь свет и радиоволны тоже обладают разными свойствами. Лучи, которые испускают атомы при бомбардировке их быстрыми электронами в катодной трубке, и есть рентгеновы лучи.

Вот, пожалуй, и все самое основное о природе и происхождении рентгеновых лучей. К этому можно добавить только, что современные рентгеновские трубки устроены несколько иначе, чем катодные трубки, с которыми работал Рентген. Степень торможения электронов зависит от атомного веса вещества, о которое они тормозятся. И уже Рентген догадался сделать «мишень» (ее называют антикатод) из металла. В принципе так же устроены и современные рентгеновские трубки. Остальное — технические детали, подчас очень важные, но не принципиальные.

Некоторые установки для получения рентгеновых лучей настолько своеобразны, что их даже не называют рентгеновскими аппаратами. Таков, например, бетатрон — устройство, дающее электроны с энергиями в десятки миллионов электрон-вольт. Для этого электроны разгоняют по спирали с помощью переменного магнитного поля. При торможении возникает рентгеновское излучение очень высокой энергии. Но хотя машина совсем не похожа на рентгеновский аппарат в районной поликлинике, принцип остается тем же: быстрые электроны тормозятся металлической преградой.

Насквозь и даже глубже

Выстрелом из винтовки нетрудно пробить доску. Но если ту же пулю бросить рукой или даже метнуть из рогатки, с доской ничего не произойдет. Это и понятно: рогатка не может дать пуле такой большой энергии, как заряд пороха.

Хотя физическая природа рентгеновых и световых лучей одинакова, первые свободно проходят через преграды, совершенно непрозрачные для вторых. Ведь энергия рентгеновых лучей во много тысяч раз больше энергии лучей света. Именно это свойство рентгеновых лучей и используется для «просвечивания»: в медицине — для рентгенодиагностики, в технике — для дефектоскопии.

Это очень важное свойство, но не оно нас сейчас интересует. Рентгеновы лучи проходят насквозь не на сто процентов. Если бы они все проходили насквозь, то и для просвечивания не годились бы. Никакого рентгеновского изображения не получалось: экран светился бы равномерно, а фотографическая пластинка равномерно темнела. Но воздух поглощает рентгеновы лучи очень слабо, мягкие ткани — сильнее, кости еще сильнее. Потому-то снимок дает и контуры тела, и очертания органов, и изображение скелета.

Действие на вещество может оказать не та часть лучей, что прошла насквозь, а та, которая в нем поглотилась. Значит, нужно посмотреть, что происходит при поглощении рентгеновых лучей веществом.

Любая волна обладает свойствами частицы, а любая частица — свойствами волны. При поглощении рентгеновых лучей веществом удобнее рассматривать их как частицы (кванты). С этой точки зрения рентгеновы лучи — поток частиц энергии (не имеющих массы покоя), несущихся со скоростью света. Большинство этих частиц свободно пронизывает вещество, пролетая мимо атомов. Но немногие (а чем плотнее вещество, тем, естественно, таких частиц больше) поглощаются атомами.

При поглощении квантов атомами происходит процесс, обратный тому, что мы видели в рентгеновской трубке при рождении лучей. Атом получает большую энергию, которая является лишней, и освобождается от нее. Энергия передается электрону, который отрывается от атома и начинает собственное путешествие в недрах вещества. Такой электрон носит название фотоэлектрона.

Описанный процесс характерен для рентгеновых лучей со сравнительно невысокой энергией квантов. Если же энергия больше, электрон уже не способен принять ее всю, и избыток снова излучается в виде кванта с соответственно меньшей энергией, который ведет себя так же, как и его «родитель»: летит сквозь вещество, пока не поглотится каким-нибудь атомом. Такой электрон, несущий не всю энергию, полученную атомом, а только часть ее, называют комптоновским (по имени английского ученого, сотрудника Резерфорда, изучившего этот процесс), или просто комптон-электрон. Фото- и комптон-электроны объединяют под общим названием вторичных электронов. По своему поведению в веществе они ничем не отличаются.

При взаимодействии рентгеновых квантов с веществом идут и некоторые другие процессы. Но они существенного значения для радиобиологии не представляют. Например, при взаимодействии рентгеновых квантов очень высокой энергии с тяжелыми атомами (которых в живом веществе почти нет) наблюдается презанятнейший процесс рождения пар. Его трудно понять: ничего подобного в нашем макромире мы не наблюдаем, но процесс идет в полном соответствии с законами физики — законом сохранения и с законом эквивалентности энергии и массы. Невесомый квант при торможении порождает две частицы, обладающие массой: электрон и позитрон (позитрон — частица во всем подобная электрону, но имеющая не отрицательный, а положительный заряд). Энергия превратилась в вещество.

Путешествие электрона

Рождением вторичных электронов процесс поглощения энергии не заканчивается, так как они несут значительную энергию и движутся внутри вещества.

Их путь гораздо короче, чем у рентгеновских квантов, но богаче происшествиями. Это и естественно, электрон отягощен массой и движется значительно медленнее. Ему гораздо труднее продираться через скопище атомов. Но дело не только в скорости. Электрон в отличие от кванта заряжен, заряжены и частицы вещества, через которые он путешествует. А электрические заряды энергично взаимодействуют друг с другом.

Итак, вторичный электрон проходит через вещество. При этом он взаимодействует с атомами, встречающимися на его пути. Каждому он отдает часть своей энергии, а отдав, начинает двигаться медленнее и несколько изменяет направление полета. Чем меньше энергия электрона, тем чаще взаимодействия. Израсходовав весь излишек энергии, электрон останавливается, соединившись с каким-нибудь атомом.

Что же происходит с атомами, которым вторичный электрон отдал часть энергии?

Если энергия, отданная вторичным электроном атому, невелика, она идет на то, чтобы поднять один из электронов на более высокую орбиту. Чем выше полученная энергия, тем дальше электрон уходит от ядра (на одну из разрешенных орбит!). Такой атом называется возбужденным. Он гораздо легче вступает в химические реакции, чем не возбужденный.

Свойством возбуждать атомы обладают не только электроны, рождающиеся при облучении вещества рентгеновыми лучами, но и ультрафиолетовые лучи и даже (хотя и в гораздо меньшей степени) видимый свет.

Но, отдавая энергию атомам, электроны не только возбуждают их. Часто энергия, переданная атому, настолько велика, и его электрон так далеко уходит от ядра, что вообще теряет с ним связь. Атом, потеряв электрон, становится заряженным положительно. Образуется, как говорят физики, пара ионов: отрицательный (ушедший электрон) и положительный (атом, лишенный электрона). Ионы обладают еще более высокой химической активностью, чем возбужденные атомы. Процесс отрыва электрона от атома носит название ионизации. (Наконец-то! До сих пор мне приходилось довольно трудно, потому что часто было нужно слово, которого я не мог употреблять, не объяснив, а теперь смогу это делать.)

Ни свет, ни ультрафиолетовые лучи, ни инфракрасные, ни радиоволны не способны вызывать ионизацию. Для этого им не хватает энергии. А лучи высоких энергий могут. Поэтому их называют ионизирующими.

Радиобиология как раз и занимается биологическим действием ионизирующих излучений.

Следы-невидимки

Электрон невозможно увидеть под микроскопом. И никогда не удастся как раз потому, что он не имеет цвета. Поскольку диаметр электрона во много раз меньше длины световой волны, его принципиально невозможно обнаружить оптическими методами.

Но хотя электрон нельзя разглядеть и под микроскопом, следы его мы можем отлично видеть невооруженным глазом. Если камеру заполнить перенасыщенным паром, а затем быстро изменить ее объем, она наполнится туманом. Если же перед этим внутри камеры пробегал электрон, мы увидим туманный след. Частицы тумана осели на ионизированных (электрически заряженных) атомах воздуха. Каждая капелька воды вдоль следа (такие следы называют треками) соответствует ионизированному атому. Как следы человека-невидимки из романа Герберта Уэллса выдавала налипшая к ногам грязь, так и следы электрона можно обнаружить по капелькам тумана.

Этот прибор есть в любой лаборатории, занимающейся изучением заряженных частиц. Он называется камерой Вильсона — по имени ученого, который ее изобрел. На фотографиях, полученных с помощью камеры Вильсона, видно, что след электрона в начале его пути состоит из ясно различимых капелек и кажется совершенно прямым. Дальше вдоль трека капельки располагаются все чаще, путь все больше искривляется, а в конце его мы видим плотный «хвост» из совершенно сливающихся частиц тумана.

Все это понятно. Ведь по мере движения электрон теряет энергию и постепенно замедляется, а чем медленнее он движется, тем с большим числом атомов успевает провзаимодействовать.

Рассматривая снимок более внимательно, мы замечаем, что трек электрона не вполне гладкий: то здесь, то там от него отходят коротенькие веточки. Они образовались в тех местах, где отрицательный ион (такой же электрон) получал достаточно большую энергию, чтобы, в свою очередь, произвести несколько ионизаций. Это так называемые дельта-лучи.

Итак, в камере Вильсона следы электрона обнаруживаются благодаря тому, что он производит ионизации, то есть создает электрический заряд. И, нужно заметить, большинство способов обнаружения и измерения ионизирующих частиц так или иначе используют электрические методы.

Правда, электрические методы не единственная возможность. Излучение можно обнаружить и с помощью фотографической пластинки и по свечению флюоресцирующего экрана. Но в обоих случаях ионизация не обязательна. И свечение экрана и почернение пластинки вызывается и с помощью простых возбуждений. Потому-то и существует обычная фотография!

Много важных работ в первую пору исследования ионизирующих излучений выполнено с помощью простейшего прибора — электроскопа, который при желании ничего не стоит изготовить собственными руками. В сосуде на металлическом стержне висят два тоненьких листочка фольги. Если к стержню прикоснуться заряженным предметом, листочки, получив одноименный заряд, разойдутся. Но если на электроскоп направить поток ионизирующих лучей, листочки вновь спадут. Это потому, что лучи ионизируют окружающий воздух.

Гораздо более тонкий прибор — счетная трубка: она регистрирует каждый проход ионизирующей частицы. Благодаря ионизации газа трубка на один миг начинает проводить ток, что и обнаруживается прибором: стрелка передвигается на одно деление или вспыхивает сигнальная лампочка.

Очень часто важно определить дозу радиации, то есть количество энергии, поглощенной веществом во время облучения. Определение дозы особенно важно при изучении биологического действия излучений, при использовании их в медицине и в сельском хозяйстве. Для измерения дозы рентгеновых лучей служит международная единица рентген. Она определяется как доза, создающая в одном кубическом сантиметре воздуха одну единицу электрического заряда.

И совершенно естественно, что наиболее ходовой метод дозиметрии заключается в измерении заряда, создаваемого в воздухе при облучении. Конечно при том же облучении доза, получаемая живой тканью, будет значительно больше: примерно в тысячу раз, так как ткань примерно в тысячу раз плотнее воздуха. Но, зная это, нетрудно, измерив дозу в воздухе, рассчитать, какая энергия будет поглощена в облучаемом веществе.

Такой пересчет не всегда бывает достаточно точным. Но теперь существует много методов дозиметрии. Есть дозиметры, меряющие дозу в веществе той же плотности, что и живая ткань, даже имеющем тот же атомарный состав. Разработаны и методы непосредственного измерения дозы в облучаемом объекте.

Родственники «икса»

Был ли рад Вильгельм Конрад Рентген своему открытию? Трудно сказать. Во всяком случае, к потоку работ об X-лучах, о поисках других невидимых лучей он относился очень скептически. В какой-то мере он был прав. Большинство сообщений о новых лучах оказывалось ошибочным. Поэтому и к радиоактивности Рентген вначале отнесся весьма холодно и осторожно. Однако работа Беккереля открыла в науке целую эпоху.

Радиоактивности повезло. За ее изучение взялись крупнейшие ученые. Сам Беккерель был первоклассным ученым. Но на первых же страницах истории радиоактивности мы встречаем сразу несколько титанов. Пьер Кюри… Чаще всего говорят о «супругах Кюри» и говорят в связи с открытием радия. Но если бы Пьер вообще не занимался радиоактивностью, имя его навсегда сохранилось бы в истории физики. Сенсационность открытия радия заслонила для широкой публики его блестящие работы по магнетизму и другим проблемам. Мария Склодовская-Кюри… Эрнст Резерфорд…

В такой компании радиоактивность очень быстро стала раскрывать свои тайны. Оказалось, что радиоактивен не только уран, но и торий, а также несколько других элементов, ранее неизвестных химикам.

Вскоре Резерфорд в простых и убедительных опытах показал, что излучение, открытое Беккерелем, неоднородно. При помещении в магнитное поле пучок расщеплялся на три части. Одна из них отклонялась к северному полюсу, другая — к южному, на третью магнит не действовал. Так родились три брата рентгеновых лучей: альфа-, бета- и гамма-лучи. Забегая несколько вперед, скажем, что все интересующие нас лучи представляют собой поток быстро летящих частиц, которые могут быть заряженными или нейтральными, иметь или не иметь массу.

Долгое время к четырем упомянутым типам лучей ничего не добавлялось. Только незадолго до войны обнаружили нейтроны. Но послевоенное развитие ядерной физики прорвало плотину. Были открыты десятки элементарных частиц, созданы могучие ускорители, с помощью которых можно ускорить, по крайней мере в принципе, частицы любого вещества.

После того как мы подробно разобрались в происхождении рентгеновых лучей и их взаимодействии с веществом, обо всех остальных ионизирующих лучах остается сказать лишь несколько слов, так как в их свойствах очень много общего.

Начнем с радиоактивности, с альфа-, бета- и гамма-лучей. Все эти лучи образуются при самопроизвольном превращении одних элементов в другие, и местом их рождения является атомное ядро.

Гамма-лучи по своей физической природе абсолютно ничем не отличаются от уже знакомых нам рентгеновых лучей. Разнятся они лишь названием и происхождением: гамма-лучи возникают при ядерных реакциях, а рентгеновы получают искусственно. Раньше иногда еще говорили, что гамма-лучи обладают большей энергией, чем рентгеновы. Но теперь это было бы неверно. С помощью ускорителей можно получать рентгеновы лучи с большей энергией квантов, чем у гамма-лучей, а при некоторых ядерных реакциях возникают гамма-лучи с довольно низкими энергиями.

Лучи с более высокой энергией (жесткие) лучше проникают в вещество, чем с более низкой (мягкие). Соответственно и средняя энергия вторичных электронов и длина их пробега у жестких лучей оказывается выше. Ионизации вдоль треков таких электронов расположены гораздо реже. А для очень мягких лучей весь трек состоит из весьма короткого, но густого «хвоста».

С бета-лучами еще проще, потому что это поток электронов. А как взаимодействуют электроны с веществом, уже говорилось в связи с рентгеновыми лучами. Кстати, и катодные лучи, работа с которыми привела Рентгена к его открытию, не что иное, как поток электронов. При желании их можно называть искусственными бета-лучами (хотя это и не принято). Конечно, и катодные лучи относятся к семейству ионизирующих и по своему действию на вещество ничем не отличаются от бета-лучей или вторичных электронов, образующихся в веществе при облучении рентгеновыми или гамма-лучами.

Альфа-лучи, так же как и бета-лучи, представляют собой поток заряженных частиц. Следовательно, они также производят ионизацию сами, а не с помощью вторичных частиц, как рентгеновы и гамма-лучи. В отличие от бета-частиц заряжены они не отрицательно, а положительно, и масса их примерно в восемь тысяч раз больше. Альфа-частицы — это заряженные ядра гелия — одного из легких элементов, который образуется при радиоактивном распаде. А раз масса альфа-частиц велика, значит движутся они через вещество медленно. Длина пробега их совсем мала, но зато ионизации вдоль трека расположены так часто, что создают почти сплошной столб.

Как видите, с естественными радиоактивными излучениями разобраться не сложно. Но в нашу атомную эпоху создали еще и искусственную радиоактивность, построили установки, где можно получать новые виды лучей, открыли множество элементарных частиц…

Дети атомного века

Мы не будем сколько-нибудь подробно разбирать свойства всех возможных ионизирующих излучений, не станем их даже перечислять. И не только потому, что механизм их действия на вещество в общем-то одинаков, но и потому, что более или менее широко в радиобиологии применяются лишь немногие из них. Но о чем нам обязательно нужно рассказать, о нейтронах. Своеобразен не только механизм их взаимодействия с веществом, но и их биологическое действие.

Нейтроны — тоже тяжелые частицы, они лишь в четыре раза легче альфа-частиц, но в отличие от альфа- и бета-частиц, не несут никакого электрического заряда. Следовательно, сами по себе нейтроны ионизацию производить не могут. С другой стороны, из-за отсутствия заряда они очень глубоко проникают внутрь вещества. Для них, как для электромагнитных излучений (рентгеновы и гамма-лучи), тоже не имеющих заряда, теоретически нет никаких преград: любой слой любого вещества может только в большей или меньшей степени ослабить их поток.

Нейтроны различаются по энергии. Но если для других излучений энергия определяла лишь количественные различия (большая длина пути, менее густая ионизация), то в случае нейтронов различия в энергии принципиальны.

Если подбирать сравнения из далекого детства, из тех времен, когда главное удовольствие для мальчишки заключается в том, чтобы стрелять, швырять, попадать, то быстрые нейтроны (нейтроны высоких энергий) можно сравнить с камнями, а медленные — со снежками. Если первые бьют по цели, то вторые чаще всего прилипают к ней.

Быстрые нейтроны, проходя через вещество, время от времени сталкиваются с атомными ядрами. Большинство ядер значительно тяжелее нейтронов. В результате столкновения ядро лишь слегка вздрагивает, а нейтрон отскакивает и летит в другом направлении. Но совершенно особый случай — ядро водорода. Масса его почти такая же, как и у нейтрона. Поэтому, если быстрый нейтрон сталкивается с ядром водорода, то для последнего удар оказывается весьма чувствительным. Оно не может удержаться на месте и отлетает на довольно большое расстояние. Впрочем, лучше говорить не «оно», то есть ядро, а «он» — протон, так как ядро водорода состоит из одного-единственного протона.

Такие протоны, выбиваемые быстрыми нейтронами, называют протонами отдачи. Протон — заряженная частица, и вдоль своего пути он создает ионизации. Густота ионизаций оказывается хотя и не такой большой, как у альфа-частиц, но гораздо более высокой, чем у всех остальных излучений, с которыми мы успели познакомиться.

Медленные нейтроны, которые я попробовал сравнить со снежками, во время своего путешествия в недрах вещества захватываются атомными ядрами, как бы прилипают к ним. В результате, как правило, образуются неустойчивые ядра, что приводит к ядерным реакциям, сопровождаемым излучением. Реакции идут разные, поэтому и излучение оказывается смешанным.

Глава II

Потомок великого Моурави

Где начало того конца, которым оканчивается начало?

Козьма Прутков. «Плоды раздумья»

По следам Дюма-отца

В 1858 году в гостинице «Три императора», в Париже на Луврской площади, знаменитый французский писатель Александр Дюма-отец встретился (довольно случайно) с видным русским вельможей графом Кушелевым-Безбородко…

Нет, я не собираюсь писать о Дюма. Это действительно совсем-совсем другая история, которая уже многократно была рассказана и в большей или меньшей мере читателю известна. Хочу только напомнить об исключительном интересе обоих Дюма (отца и сына) к России. Дело не только в несчастной любви сына к графине Нессельроде и в счастливой и продолжительной к Надежде Нарышкиной, а и в том, что плодовитому перу отца принадлежал роман о русских декабристах: «Записки учителя фехтования» (разумеется, запрещенный в России и сделавший Николая I смертельным врагом Дюма).

Дюма-отец мечтал о путешествии по России — стране, в те времена еще совершенно экзотической для иностранцев. И вот — знакомство с русским вельможей, приглашающим в гости. Да и на престоле сидит уже не Николай I, а Александр II, не питающий столь «личных» чувств к Дюма. Короче, визу удается получить, и Дюма-отец отправляется путешествовать по России.

Описывать путешествия я тоже не буду. Не буду даже рассказывать о том, как писатель встретился в Нижнем Новгороде с графом Иваном Александровичем Анненковым, бывшим декабристом, и его очаровательной женой-француженкой, урожденной Полиной Гебль, добровольно поехавшей с мужем в сибирскую ссылку. А эта встреча особенно примечательна: ведь главными героями «Учителя фехтования», написанного 18 годами раньше, были именно супруги Анненковы.

Перенесемся в Закавказье, в Нуху — уездный город Елизаветпольской губернии. Пребывание Дюма в Нухе меньше всего занимает историков литературы, а для нас с вами интересно как раз оно.

Во время путешествия по России Дюма гостил у людей именитых, для которых пригласить к себе прославленного писателя было делом чести. В Нухе Дюма оказался гостем начальника Нухинского края Романа Тархнишвили. В Закавказье Дюма получил полную дозу романтики и гастрономии, которых искал в своем путешествии. Ущелья, джигиты, древние замки, легенды, южные красавицы, шашлыки, сациви, кахетинские вина…

Насыщенная программа трудоемких развлечений не помешала писателю обратить внимание на одиннадцатилетнего Вано — сына его гостеприимного хозяина. А мальчик действительно стоил этого. Он был не только ловок и смел, этот истинный сын гор, но и на редкость смышлен и любознателен. Несмотря на юный возраст, он вполне свободно владел и русским и французским языками.

Вано не только слушал увлекательные истории автора «Трех мушкетеров», который был блестящим рассказчиком, особенно за столом, после нескольких бокалов доброго вина. Вано и сам многое мог рассказать предмету своего обожания.

— Да, вы правы, монсеньер, наша фамилия действительно грузинская — это ясно по окончанию. Но она не простая. В России любят шутить, что если у грузина есть две овцы, то он уже и князь. Но наш род действительно, один из самых знатных. Вам знакомо имя Георгия Саакадзе? Он был великим полководцем и выдающимся государственным деятелем. Мы зовем его «диди-моурави», что значит великий правитель, le grand régent, хотя и по-русски и по-французски это не совсем передает значение слова «моурави». Он жил в конце XVI — начале XVII века и много сил положил на борьбу за независимость и за объединение Грузии. Именно он возглавил народные восстания в Картли и Кахетии против персидских шахов, захотевших поработить наш народ. И я горжусь тем, что мой отец и я — прямые потомки Георгия Саакадзе.

— Но почему же ваша фамилия не Саакадзе? — спрашивает заинтересовавшийся писатель.

— А дело как раз в том, что Саакадзе получил тарханство, то есть освобождение от «тархана» — феодальных пошлин, les impôts féodales. Отсюда и пошло прозвище моих предков Тархан-Моурави, которое потом превратилось в Тархнишвили.

Недолго пробыл французский писатель в Нухе, но след от этой встречи надолго остался в душе юного Вано. Позже он признавался, что именно это краткое знакомство пробудило в нем страсть к путешествиям и жажду знаний.

Отец, видя способности мальчика, отправил его учиться в столицу — в далекий Санкт-Петербург. В 16 лет Вано, которого теперь звали Ваней, получил аттестат зрелости и поступил на физико-математический факультет Санкт-Петербургского университета. Мальчик из далекой Нухи стал ученым и одним из первых занялся серьезным изучением действия радиации на живые организмы.

И кто знает, если бы Дюма-отец не встретился с графом Кушелевым-Безбородко и не оказался в Пухе, может, не пробудилась бы в грузинском мальчике жажда к знаниям и стал бы он офицером или священником и, уж во всяком случае, не одним из героев нашей книги, где теперь ему по праву принадлежит самое достойное место.

Академик Тарханов

Если вы поедете в Ленинград, то обязательно зайдете в Русский музей. Сюда, как и в Эрмитаж, нельзя не зайти. А в Русском музее вы почти наверняка осмотрите картины Репина. В одном из залов рядом с портретами Бородина, Глазунова и Римского-Корсакова висит портрет интересного брюнета с буйной шевелюрой и дремучей бородой. На нем форменный сюртук, рядом — кафедра. Суровые и пытливые глаза смотрят на изумленного посетителя. Кто бы это мог быть? На этикетке надпись. «И. Е. Репин. Портрет И. Р. Тарханова».

Многие из наших современников, привыкших видеть в форменной одежде преимущественно военных, скажут: «Офицер какой-то» (эти слова и я слышал возле портрета, невольно останавливающего многих).

Нет, товарищи, это не офицер, а крупный ученый, действительный член Российской Академии наук Иван Романович Тарханов, семья которого, кстати сказать, была в близкой дружбе с семьей Репина. Илье Ефимовичу позировал не кто иной, как Вано Тархнишвили, которого во время его жизни в Санкт-Петербурге стали называть на русский манер.

Не ищите в серии «Жизнь замечательных людей» томика «Тарханов». Жизнь Ивана Романовича нигде еще не рассказана во всех подробностях. Он был довольно известен при жизни. Многие писали о нем вскоре после смерти, а потом все реже и реже, да и совсем перестали. Как-то его имя вспомнили в связи с изданием писем Репина.

В 40-х годах нашего века начала бурно развиваться радиобиология. Это был как раз тот период, когда шла борьба с «космополитизмом» и «низкопоклонничеством», когда всюду искали русские приоритеты. Тогда снова появилось имя Тарханова как основоположника отечественной и мировой радиобиологии.

Я горжусь успехами русской науки (благо есть чем гордиться), и меня возмущает, когда иностранные коллеги замалчивают важные работы советских ученых — либо умышленно, либо по незнанию русского языка. Но когда старые добрые и чисто русские «французские» булки вдруг переименовывают в городские («горбулки»), то, простите, мне смешно и обидно. Тем более что другие хлебобулочные изделия, называвшиеся истинно по-французски — батоны, так батонами и остались.

Мне как-то попалась в руки немецкая поваренная книга. Я был поражен, когда в перечне изделий из теста увидел: Bliny, Blintschiki, Oladji, Watruschki, Prianiki, Pliuschki, Pontschiki, Kowrischki, Chworost, Kulebiaka, Rasstegai, Pelmieni, Warieniki и т. д. и т. п. Почти подряд я читал русские слова, написанные на немецкий манер! А раз мы, как видно, стоим на первом месте по «тестяному», стоило ли бороться с французскими булками!

Точно так же и в науке. Мы достаточно богаты, и нет нужды из соображений ложной национальной гордости что-то или кого-то притягивать за волосы.

Каюсь, когда мне стали попадаться ссылки на радиобиологические работы Тарханова, о которых я ничего не слышал и которые нигде раньше не цитировались, я решил, что это именно выдуманный, искусственный приоритет. Но когда значительно позже я познакомился с самими работами, больше узнал о жизни и деятельности Тарханова, мне пришлось изменить свое мнение.

Впрочем, судите сами: выходец из глухой провинции, да к тому же «инородец» (как в те времена шовинисты называли нерусских жителей Российской империи), в 46 лет становится действительным членом Академии наук — для этого, конечно, нужно иметь вполне определенные научные заслуги. Но дело даже не в этом. Достаточно познакомиться с научными трудами Тарханова (что, однако, не так легко — статьи Тарханова напечатаны давно, в редких, подчас малоизвестных изданиях), чтобы убедиться: он действительно был выдающимся ученым. А что теперь снова приходится «открывать» Тарханова, не удивительно — такие случаи достаточно часты.

Но прежде чем говорить о работах Ивана Романовича по исследованию действия рентгеновых лучей и радиоактивности на живые организмы, вернемся к его жизни. Мы его оставили в то время, когда, получив аттестат зрелости, он поступил на физико-математический факультет Санкт-Петербургского университета. Во времена Тарханова «физмат» университета был не таким, как теперь, — факультетом, где специализируются в физико-математических науках. Теперь, в эпоху узкой специализации, в некоторых университетах «физматы» даже делят на физический факультет и механико-математический. А в те времена физико-математический факультет объединял вообще все естественные науки. Разумеется, существовали разные отделения, кафедры, и факультет выпускал довольно разнообразных специалистов.

Тарханова с самого начала привлекали науки о жизни. Ему повезло. Лекции по физиологии он слушал у Ивана Михайловича Сеченова, а в особенно интересовавшей его гистологии им руководил Филипп Васильевич Овсянников. Но Тарханову не суждено было закончить университет.

9 апреля 1864 года его вместе с Николаем Николаевичем Миклухо-Маклаем и несколькими другими студентами исключают из университета за выступления на студенческих сходках. Тарханову удалось поступить в Медико-хирургическую академию, которую он успешно окончил. К этому времени молодой ученый уже имел четыре печатных труда.

Затем — защита диссертации, смерть отца, в связи с которой ему приходится уехать на некоторое время в Тифлис, потом подготовка к профессорской деятельности. В течение двух с небольшим лет Тарханов работает в лучших европейских лабораториях. Он посещает Вену, Берлин, Лондон, Оксфорд, Брюссель, Женеву, Цюрих, Турин…

И успешная работа в Медико-хирургической академии. Очень успешная. Слишком успешная! Блестящими лекциями он завоевывает популярность студентов, ученые труды создают ему известность в научном мире. Все это становится источником зависти для бездарных, но крепко сидящих на своих местах коллег. К тому же профессор Тарханов придерживается слишком прогрессивных убеждений… И происходит невероятное.

В 1895 году отмечается 25-летний юбилей научной деятельности академика Тарханова. Произносятся речи, преподносятся адреса…

Торжество продолжалось несколько дней. А когда оно закончилось, Тарханова уволили из академии. Формальный повод — выслуга лет, хотя в то время ему нет еще и пятидесяти.

Это был сильный удар, от которого Иван Романович, вероятно, не смог оправиться до конца своих дней. Он начал читать в Санкт-Петербургском университете необязательный курс физиологии животных, работал в Санкт-Петербургской биологической лаборатории. Но это уже не та деятельность, которой он желал.

В августе 1908 года Тарханов скончался.

Первые опыты

Построить рентгеновский аппарат нетрудно. Это, конечно, не значит, что его может соорудить любой член кружка «Умелые руки». Но в физической лаборатории его собрать несложно. Главное — иметь высоковольтное оборудование и вакуумную установку. А в любой физической лаборатории они есть.

Поэтому, когда ученые узнали об удивительном открытии Рентгена, то сразу же в десятках лабораторий стали пытаться повторить результаты немецкого коллеги и провести какие-то дополнительные исследования. И почти всем желающим это удавалось.

Русские ученые не отставали от других. Как только пришло первое сообщение о новых невидимых лучах, наши физики стали собирать необходимые установки. Один из первых рентгеновских аппаратов был сделан академиком князем Борисом Борисовичем Голицыным в Санкт-Петербурге. Именно этой установке выпало на долю сыграть важную роль в рождении радиобиологии.

Иван Романович Тарханов интересовался всем новым. Поэтому, узнав о новых лучах, да к тому же свободно проникающих в глубь организма, он, естественно, захотел проверить их возможное физиологическое действие. Сказано — сделано. И Тарханов уговаривает Голицына уступить ему на время «приспособление для добывания X-лучей».

Поскольку Тарханов изучал тогда работу центральной нервной системы, его в первую очередь заинтересовала возможность действия новых лучей на головной мозг. Объектом опытов Тарханов избрал лягушку, у которой исследовал кислотные рефлексы. На заднюю лапку действовали кислотой и отмечали время, когда начнут сокращаться мышцы. Обычно рефлекс появлялся через 5–7 ударов метронома. Если же лягушку перед исследованием облучали в течение 15–20 минут рентгеновыми лучами, рефлекс наблюдался лишь через 30–50 ударов, а у некоторых облученных лягушек не проявлялся совсем.

Но хотя движения мышцы находятся под контролем головного мозга, эти опыты еще не доказывают, что рентгеновы лучи действительно тормозят деятельность «произвольно-двигательных центров мозговых полушарий», как говорят физиологи. Постановка четкого опыта, а тем более однозначное объяснение его результатов, дело не простое. Ведь облучался не только головной мозг, но и периферические нервы, и мышцы, и многое другое.

Есть анекдот, который особенно любят рассказывать люди, далекие от науки. Ученый решил установить, где находится орган слуха у таракана. Посадил на стол и свистнул — таракан побежал. Оторвал ноги, свистнул — таракан не убегает. Значит, орган слуха у таракана в ногах.

Среди ученых эта шутка не слишком популярна: больно уж неправдоподобна. Бывают, конечно, случаи неграмотной постановки опытов или неправильного их объяснения. Но существуют определенные правила проведения опытов, и большинство ученых достаточно строго им следует.

Академик Тарханов ставил свои опыты так, чтобы из них можно было сделать вполне определенные выводы. И, конечно, он не ограничился облучением целой лягушки. Он провел и другие, более специальные опыты. Например, всю лягушку закрывали свинцовым экраном, практически не пропускавшим рентгеновых лучей, открытой оставалась лишь одна лапка, которую предстояло раздражать кислотой. При таком изолированном облучении лапки даже более высокой дозой никакого изменения рефлекса не наблюдалось. Значит, дело не в местном действии лучей на лапку. Дальнейшие опыты не оставляют сомнений: да, рентгеновы лучи действительно оказывают влияние на работу центральной нервной системы.

Разумеется, Тарханов исследовал не только кислотный рефлекс и ставил опыты не только на лягушках. Особенно интересны, по-моему, опыты с икрой миноги, которые намного опередили свое время. Тарханов установил, что облученная икра теряет способность к развитию. Мальков из нее не получается.

Увы, рентгеновы лучи были открыты, когда Тарханова уже «ушли» из Медико-хирургической академии. Ни в университете, ни в биологической лаборатории не было возможностей для широкой экспериментальной работы. К сожалению, ученому не пришлось много экспериментировать с рентгеновыми лучами. Но он продолжает следить за всей литературой, выступать со статьями о новом виде лучей, об их значении в биологии и медицине. По-видимому, Тарханов был первым, кто указал на возможность применения ионизирующих излучений для лечения рака и других злокачественных новообразований.

Лучи, да не те

Не зная их физических свойств, в те ранние годы многие ученые смотрели на новые лучи как на что-то близкое к световым. Природа рентгеновых и гамма-лучей, видимого, ультрафиолетового и инфракрасного света и радиоволн действительно одна: все они относятся к электромагнитным излучениям. Но из-за гораздо более высокой энергии квантов ионизирующие лучи способны вызывать большие химические изменения и оказывать совершенно иное действие на живые организмы.

Тогда ученые ничего этого не знали. Немецкий ботаник Шобер, например, тем и занимался, что сравнивал действие рентгеновых лучей и лучей света. Надземные части растений обладают положительным фототропизмом, тянутся к свету. Если, скажем, семена овса прорастить и выращивать в темноте, а потом осветить через узкую щель, то уже через час проростки искривятся по направлению к свету. Именно такие опыты и ставил Шобер.

С обычным светом все шло хорошо. Но Шобер думал, что растения так же будут реагировать и на рентгеновы лучи. Он поднес к стенке ящика с проростками трубку и заставил ее работать в течение целого часа. Конечно, никакого искривления проростков по направлению к трубке не было. Исследователь был искренне удивлен.

Не только Шобер проводил далеко идущие параллели между ионизирующими лучами и лучами света. Некоторые ученые шли еще дальше. Ведь свет необходим для жизни. Причем необходимы не только видимые, но и невидимые лучи. Ультрафиолетовые лучи тоже невидимы, а и они необходимы для жизни. Недаром летом, в отпускное время, все горожане стремятся на солнце. Может, и лучи, испускаемые радиоактивными веществами, тоже необходимы для жизни?

Так думал, в частности, немецкий физиолог Цваардемакер. Когда стали заниматься радиоактивностью, то узнали, что этим свойством обладают не только тяжелые элементы, большинство которых совсем еще недавно вообще не было известно науке, но и такой обычный элемент, как калий. Почти все элементы существуют в виде нескольких разновидностей, так называемых изотопов, обладающих совершенно одинаковыми химическими свойствами, но отличающихся строением ядра. И вот оказалось, что один из естественных изотопов калия, который в определенной доле содержится в обычном калии, — радиоактивен.

Но ведь калий — один из элементов, всегда присутствующих в живых организмах, в частности в крови. Он необходим для нормального сокращения сердечных мышц. Без него сердце останавливается. Вот какой важный элемент калий!

Цваардемакер подумал: что, если здесь важны не химические свойства калия, а его радиоактивность? Он поставил опыты, чтобы проверить это предположение, и подробно рассказал о них на страницах XIX тома ученейшего немецкого журнала «Эргебнисе дер Физиологи». Перелистаем страницы журнала, и перед нами ясно предстанут эти опыты.

Вот Цваардемакер препарирует лягушку. Перерезаны сосуды, идущие к сердцу, к ним присоединяются трубочки, по которым вместо крови течет физиологический раствор. Сердце продолжает ритмически сокращаться. А вот по трубочкам пошел совершенно такой же раствор, но без калия. Сердце остановилось. Добавляется калий, сердце начинает биться. Впрочем, все это знали раньше. Такие опыты и сейчас ставят студенты на физиологическом практикуме…

Но вот снова идет раствор без калия. Сердце не бьется. Ученый добавляет в него вместо калия другое радиоактивное вещество. Сердце забилось. Значит, дело не в калии как таковом. Правда, может быть, и это вещество действует на сердце химически? Нужно проверить. По трубочкам снова течет раствор без калия. Кусочек радиоактивного вещества кладется рядом с сердцем. Те же самые лучи оно получает не с раствором, поступающим в сердце, а извне: они летят по воздуху. И — о чудо! — сердце снова начинает биться.

Так все описано в статье Цваардемакера. Его вывод, что для сокращения сердечной мышцы необходимо радиоактивное излучение, вошел в некоторые старые учебники…

Увы, то, что выглядело так убедительно в статье Цваардемакера, не соответствовало действительности. Многие ученые повторяли его опыты и получали только отрицательные результаты. Шло время, открыли искусственную радиоактивность. Стало возможно получать радиоактивные изотопы любого элемента. И тогда ученые смогли поставить еще более ясные опыты. В физиологический раствор вместо калия добавляли радиоактивный натрий, радиоактивный фосфор — вещества, которые всегда есть в крови, но в нерадиоактивной форме. Сердце не билось. Добавляли искусственный радиоактивный изотоп калия, радиоактивность которого в несколько миллионов раз выше, чем у обычного калия. Сердце билось точно так же, как и в норме.

Но почему-то время от времени находились люди, продолжавшие верить, что для жизни необходимо именно радиоактивное излучение калия. Пришлось поставить последний и решающий опыт. Его не так давно провел академик Александр Павлович Виноградов. Он получил калий, совершенно свободный от радиоактивной примеси. И что же: он вполне заменял естественный, слабо радиоактивный калий.

Новая болезнь

Итак, ионизирующие лучи не оказались «лучами жизни».

А ведь еще Тарханов в одной из первых радиобиологических статей в мировой литературе описал свои опыты с икрой миноги. Как будто ничего особенного с этой икрой после облучения не происходило, но мальков не было.

Как мы помним, нечто похожее случилось с Беккерелем и многими другими исследователями новых невидимых лучей. Во время работы ученые ничего не чувствовали, а через некоторое время у них появились те или иные болезненные симптомы. Но то, конечно, были отдельные случайные наблюдения.

В точных исследованиях ряд авторов подтвердил результаты, полученные Тархановым. Такие же опыты, какие он провел на икре миноги, другие ставили на спермиях жаб и кроликов, на семенах растений… Во всех случаях после облучения потомства не получалось. Следовательно, облученные зародышевые клетки теряли жизнеспособность. Правда, сразу после облучения клетки всегда казались совершенно нормальными.

Но клетки есть клетки. И видно-то их только под микроскопом. Много ли им надо?! Ученые знали, что достаточно лишь слабого изменения температуры или кислотности среды, небольшой примеси постороннего вещества, наконец, просто не совсем обычных условий, чтобы убить живую клетку.

Однако в 1903 году Хейнеке сообщил ученому миру о результатах своих опытов, которые казались поистине удивительными. Он облучал рентгеновыми лучами взрослых животных: мышей и морских свинок. Все животные, получившие достаточно большую дозу, погибли через несколько дней. Вскрытие показало, что у них изменены многие внутренние органы, особенно селезенка, костный мозг, лимфатические железы. Селезенка была в несколько раз меньше, чем у нормальных животных, и более темного цвета, а микроскоп показал, что во всех этих органах осталось очень мало живых клеток.

Опыты Хейнеке произвели на современников очень большое впечатление. Теперь, после того как на два мирных города были сброшены атомные бомбы, о смертоносных свойствах радиации знают не только радиобиологи, а вообще все жители нашей планеты, и мое сообщение, что ионизирующие лучи вызывают смерть живых организмов, вероятно, никого не удивит.

Более существенно — рассказать, что представляет собой новая болезнь. Мы не будем рассматривать лучевую болезнь у человека, это область радиационной медицины, а не радиобиологии. Впрочем, у всех млекопитающих лучевая болезнь протекает сходно и имеющиеся различия не принципиальны. Кроме того, на животных она гораздо лучше изучена. Ведь на них можно проводить специальные опыты, собрать большой и вполне достаточный материал.

Давайте и мы с вами поставим опыт. Возьмем несколько белых мышей, скажем несколько десятков, и попросим знакомого радиолога облучить их рентгеновыми или гамма-лучами. Чтобы опыт был проведен по всем правилам, отберем животных более или менее одинакового внешнего вида, возраста и упитанности. Взвесим каждую мышку. Чтобы следить за их здоровьем, исследуем кровь; подсчитаем хотя бы общее число белых и красных кровяных шариков на единицу объема крови.

Для первого опыта выберем дозу, которая вызвала бы смерть большей части животных, что-нибудь около 600 рентген.

Дело сделано. Мы получили мышей обратно. Все они облучены смертельной дозой, но вначале это внешне никак не проявляется. Однако если через несколько часов мы исследуем у них кровь, то увидим, что, хотя не прошло и суток, число лейкоцитов (белых кровяных клеток) уменьшилось в 2–4 раза. Число эритроцитов (красных клеток) практически не изменилось. Но внешних признаков болезни нет.

На следующий день внешних изменений тоже незаметно. Разве что животные стали более вялыми, чем обычно. Но число лейкоцитов упало еще ниже. Несколько уменьшился вес.

Через двое суток животные выглядят больными. Они сидят неподвижно. Обычно гладкая и блестящая шерстка стала грязной, торчит клочьями. Животные перестали следить за своей внешностью. Они отказываются от пищи. У некоторых начался кровавый понос. Заметно уменьшился вес. Но резкое падение числа лейкоцитов прекратилось (впрочем, дальше падать почти некуда!). У некоторых мышек число их даже несколько возросло.

На третий день картина мало отличается от той, что мы видели накануне. А на четвертый, придя в виварий, мы находим несколько мертвых мышей. Число их невелико. Одна-две из каждого десятка, вряд ли больше.

На пятый и шестой день все оставшиеся животные живы. В среднем они как будто чувствуют себя лучше. Но далеко не одинаково. У одних кровь восстанавливается, у других нет. Вес у одних держится почти на постоянном уровне, у других — падает…

На восьмой-девятый день погибает довольно много животных. Причем как раз те, у которых падал вес и сохранялся низкий уровень лейкоцитов. В последующие дни умирает меньшее число животных. А после двадцатого дня смертность прекращается, причем почти половина облученных животных остается в живых.

Попробуем вскрыть погибших животных. Мы не специалисты и особенно тонких изменений не заметим. Но кое-что сразу бросится в глаза. Особенно изменилась селезенка. Она уменьшилась в несколько раз, сморщилась и потемнела. В разных органах можно заметить внутренние кровоизлияния.

Но отчего погибли животные? Для этого отдадим их трупы патологу. И он скорее всего скажет, что большинство животных умерло… от воспаления легких. Странно. Может, ошибка? Нет, они действительно умерли от воспаления легких. Все объясняется просто. В организме животных уже были пневмококки — бактерии, вызывающие воспаление легких. Пока мыши были вполне здоровы, и пневмония не развивалась. А когда организм оказался ослабленным облучением, бактерии размножились и вызвали заболевание. Особенно существенным оказалось катастрофическое падение числа лейкоцитов — надежных санитаров нашего тела.

Если бы после облучения мы вводили мышам пенициллин, многие из них остались бы живы. Но не все, так как инфекция — далеко не единственная причина гибели при лучевой болезни. Более того, при других дозах облучения она почти не играет роли.

Время идет, а животные, пережившие роковой двадцатый день, остаются живыми. Они выглядят все более и более нормальными. Но опыт не закончен.

Мнимое благополучие

При исследовании острой лучевой болезни опыт обычно ограничивают тридцатью днями. Нетрудно догадаться, так поступают потому, что, как мы видели, период массовой гибели облученных животных кончается раньше этого срока. Поэтому часто животных, которые остались в живых, через месяц убивают, чтобы зря не кормить и освободить клетки, нужные для других опытов. Это делают, когда, скажем, сравнивают влияние разных защитных веществ на смертность животных. Но мы продолжим опыт. Ведь наша задача — познакомиться с экспериментальной лучевой болезнью. А она не закончилась, лишь перешла в хроническую фазу.

Итак, животные выглядят нормально. Их вес восстановился, и кровь более или менее нормальна. Но животные больны. Их братья и сестры, которых мы не облучали, активно размножаются. А подопытные мышки не дают никакого потомства, хотя им созданы все необходимые условия. Животные стали стерильными. При меньших дозах плодовитость восстанавливается, при более высоких возникает постоянная стерильность.

Пожалуй, мы сделали ошибку, взяв для опыта белых мышей. У черных или коричневых результат облучения более резко бросался бы в глаза. Среди окрашенных волос мы увидели бы довольно большие пучки совершенно седых. У наших же мы можем заметить лишь то, что волосы стали более редкими.

Седина, облысение… Ведь это признаки старости. Да, мы действительно наблюдаем ускоренное старение. Это заметно и по состоянию внутренних органов. У облученных мышей естественная смерть («от старости») наступает раньше, чем у необлученных.

Но не все животные умирают просто «от старости». Довольно многие от рака. Особенно часто можно наблюдать лейкемию — злокачественное белокровие, рак крови.

Ускоренное старение, злокачественные опухоли называют отдаленными лучевыми поражениями. К ним относятся и некоторые другие, например поражение глаз. Нередкий результат облучения — помутнение хрусталика, или катаракта.

Но и это не все. Некоторые из наших животных в конце концов восстановят способность производить потомство, но мы увидим, что плодовитость их понижена, а часть детенышей рождается с теми или иными дефектами. Ионизирующие лучи не только вызывают лучевую болезнь у облученных особей, но вредно влияют и на наследственность.

Вниз и вверх

Когда мы ставили свой воображаемый опыт по облучению мышей, то избрали среднелетальную (среднесмертельную) дозу. Но ведь интересно посмотреть, что получится, если взять меньшие или большие дозы.

Снова возьмем белых мышей (ведь все млекопитающие реагируют на облучение сходным образом) и будем действовать на них разными дозами рентгеновых или гамма-лучей. По-прежнему, чтобы не осложнять опыты, будем давать всю дозу сразу и облучать все тело животного.

После облучения дозами ниже 100 рентген мы вообще не заметим ничего, если ограничимся лишь внешними наблюдениями. Конечно, биохимик или физиолог сможет найти много отклонений от нормы, но ни одно из них не является фатальным. Правда, такая доза далеко не безвредна. Нет только острой лучевой болезни. Однако в течение некоторого времени животные более подвержены инфекционным заболеваниям. Продолжительность жизни у них меньше, чем у необлученных (преждевременное старение). А такое-то количество мышей умрет от злокачественных опухолей. С потомством тоже не все благополучно. Малые дозы могут снизить или временно подавить способность к размножению, а среди потомков будут животные с наследственными дефектами.

Несколько более высокие дозы — от 100 и до 300–600 рентген вызовут острую лучевую болезнь, с теми же самыми симптомами, которые нам уже известны, но, как правило, без смертельного исхода.

Несколько выше говорилось о том, что доза 600 рентген вызывает гибель половины облученных мышей. Здесь же я пишу, что при этой дозе смертельных исходов может и не быть. В этом нет противоречия. Не только разные виды могут обладать разной чувствительностью к облучению, но и разные породы, линии и т. д.

В лабораторной работе используют мышей разных линий. И чувствительность их оказывается разной. Доза, вызывающая гибель 50 процентов животных, может колебаться. Для отдельных линий — в пределах по крайней мере от 400 до 800 рентген. Разная чувствительность может быть у самцов и самок, у животных разного возраста. Не случайно, когда я ставил с вами воображаемый опыт, то подчеркнул, что для этого мы подбираем одинаковых животных.

Где-то с 300 рентген или выше лучевая болезнь начинает приводить к смертельным исходам. Что при этом происходит, нам уже известно. С повышением дозы процент остающихся в живых будет, естественно, все меньше и меньше. Интересно отметить, что разница между дозой, не вызывающей смертности, и дозой, приводящей к стопроцентной гибели, невелика и составляет, как правило, не больше двухсот рентген.

Наименьшая доза, достаточная для того, чтобы отправить на тот свет любое животное, во всяком случае, не больше тысячи рентген. Это справедливо не только для мышей разных лабораторных линий, но и вообще для всех млекопитающих.

При минимальной дозе, вызывающей стопроцентную смертность, средняя продолжительность жизни мышей около 12 дней. Изменчивость этой средней величины довольно велика; 12 — это в среднем, но одни мышки погибнут через три дня, а другие проживут дольше двадцати. При дальнейшем повышении дозы средняя продолжительность жизни довольно быстро уменьшается и при дозе 1000–1200 рентген (для разных животных) составит три с половиной дня. Изменчивость этой цифры очень мала. Подавляющее большинство умрет в ночь с третьего на четвертый день, и лишь единицы — накануне или в течение следующего дня.

Три с половиной дня — удивительная цифра. При увеличении дозы от нуля до тысячи рентген мы наблюдали довольно пеструю смену событий. Но если мы дадим животным дозу 2000 рентген, увидим то же самое: животные погибнут через три с половиной дня. Можно продолжать повышать дозу. Картина не изменится: средняя продолжительность жизни будет составлять все те же три с половиной дня!

И так вплоть до почти астрономической дозы в 20 тысяч рентген! Только при еще более высоких дозах продолжительность жизни животных снова начинает уменьшаться. С увеличением дозы они умирают все раньше и раньше и при дозе около 100 тысяч рентген начинают гибнуть «под лучом», то есть непосредственно во время облучения.

Смерть через три с половиной дня связана с поражением тонкого кишечника. Это можно доказать в простых опытах. Если во время облучения закрывать брюшко свинцовым экраном, который почти не пропускает лучей, то животные даже при дозах в несколько тысяч рентген проживут около семи дней. Если же облучить один кишечник, то смерть наступит через три с половиной дня.

Еще более ранняя гибель при дозах выше 20 тысяч рентген связана, по-видимому, с поражением центральной нервной системы. Гибели животных предшествуют судороги, начинающиеся за несколько часов до смерти, а чтобы вызвать эту смерть, достаточно облучить только голову животного.

В рассрочку

Напрашивается вопрос: что, если смертельную дозу облучения дать не сразу, а разделить на большое число маленьких частей? Например, вместо того чтобы сразу облучить мышей дозой 1000 рентген, давать им ежедневно, скажем, в течение ста дней по десять рентген? Ведь с практической точки зрения это очень важно. Однократную смертельную дозу в мирное время получить мудрено, чаще можно столкнуться с повторными облучениями небольшими дозами. Насколько они опасны?

Вопрос не такой простой, и в двух словах на него ответить невозможно. Тем более что всего несколько лет назад казалось, что все уже понятно, а совсем недавно выяснились новые и неожиданные факты.

На вопрос о смертности облученных животных (при использовании обычных источников облучения) можно ответить довольно просто. Чем больше растягивать облучение, тем смертность ниже. Если, например, мышам давать каждый день дозу в 10 рентген, они живут в среднем около 150 дней, то есть успевают накопить дозу в 1500 рентген, которой при однократном применении более чем достаточно, чтобы убить их всех за три с половиной дня.

Уменьшение эффекта наблюдается не только при фракционировании (дроблении) дозы, но и при ее растягивании во времени. Если, например, облучить мышей с интенсивностью 2500 рентген в час, то для того, чтобы убить 50 процентов животных, понадобится 1000 рентген, а при интенсивности 5 рентген в час — 2700 рентген!

Все было бы очень просто, если бы так получалось всякий раз. Но фактор времени далеко не всегда изменяет эффект облучения. Иногда оказывается совершенно безразличным, дана ли большая доза за несколько минут, растянута ли во времени или разделена на несколько частей. Именно так обстоит дело с возникновением мутаций (наследственных изменений) в опытах с плодовой мушкой и с другими объектами. Есть указания на то, что фактор времени не играет роли при возникновении рака.

Но чаще всего при фракционировании и при облучении с меньшей интенсивностью эффект, вызываемый лучами, уменьшается. Выходит, что в одних случаях наблюдается полное суммирование общей дозы, тогда как в других оно неполное; по-видимому, в этих случаях живые организмы или их клетки способны восстанавливаться от последствий облучения.

Все это можно прочесть в любом более или менее старом руководстве по радиобиологии. Однако последние годы принесли в проблему фактора времени новые наблюдения, смысл которых еще не совсем ясен.

В конце 40-х годов лаборатория, где я работал, занималась изучением вопроса, как влияют на живые организмы радиоактивные «осколки» — продукты деления урана. То были годы бурного развития атомной техники, и понятно, что перед нашей лабораторией стояла важная задача. Нужно было, в частности, выяснить, что происходит в клетках гороха после намачивания его семян в растворах осколков разной концентрации.

Что получится, если взять более разбавленный раствор, но держать в нем семена дольше? На основании существовавшей литературы можно было ожидать одного из двух: либо эффект уменьшится, либо останется неизменным. Однако в наших опытах более разбавленный раствор (применяемый соответственно дольше) оказывал больший эффект! Конечно, это могло объясняться не чистой радиобиологией, а скорее физиологией. Ведь мы намачивали семена, и из-за разной скорости накопления радиоактивного изотопа они могли получить разные дозы.

Для проверки ставится «чистый» опыт. Семена облучают извне гамма-лучами, общие дозы в точности одинаковы, однако и здесь растянутое облучение дает больший эффект. В чем же дело? Почему наши результаты противоречат всей литературе? Но мы работали с другой шкалой времени, чем прежние авторы. Они варьировали время в течение минут, а мы — часов. Может, все дело именно в этом?

Ставятся еще опыты, и они подтверждают сделанный вывод. Действительно, с увеличением продолжительности облучения эффект вначале уменьшается, а затем растет. Но как объяснить обратный фактор времени? Убедительного ответа не было.

Через некоторое время, в 1951 году, в печати появилась работа англичанина Лэйна, где описывались аналогичные результаты. Она привлекла довольно широкое внимание ученых, потому что противоречила существовавшим взглядом. Начали проверять данные, полученные Лэйном. И… большинство авторов никакого обратного фактора времени не обнаружило. Ученый мир успокоился. Правда, кое-кто подтвердил Лэйна, но этих работ постарались «не заметить».

Шли годы… И нет-нет, да и получит кто-нибудь больший эффект при растянутом облучении. Такие результаты накапливались. И в самое последнее время пришлось всерьез заняться этим вопросом. Опять вспомнили Лэйна, вспомнили и мою старую статью. Но как объяснить обратный фактор времени, до сих пор неясно. Конечно, в гипотезах нет недостатка. Но ни об одной из них пока нельзя сказать, что она действительно верна.

С изучением фактора времени произошла характернейшая история. Изучали, разобрались и с благодарностью оставили (с благодарностью — потому, что проведенные исследования помогли кое в чем разобраться). А прошло несколько лет, и новые факты ставят старые представления с ног на голову, и приходится почти что все начинать сначала. Но это хорошо. То положительное, что дали старые работы, остается, а новые еще больше углубят и уточнят наши знания. Таков естественный путь развития науки.

Мягкие и жесткие

Еще больше, чем опыты по фактору времени, помогают понять механизм действия радиации исследования зависимости эффекта от жесткости лучей и от типа применяемых излучений.

До войны основными ионизирующими лучами, с которыми могли экспериментировать радиобиологи, были электромагнитные излучения: рентгеновы и гамма-лучи. Альфа- и бета-лучи имеют очень короткую длину пробега в ткани, и ими можно облучать только «мелочь»: бактерии, пыльцу растений и т. п. Нейтроны были открыты лишь недавно и оставались для биологов труднодоступной диковинкой, а о могучих ускорителях заряженных частиц никто и не думал.

Конечно, интересно было узнать, как зависит эффект от длины волны, или, другими словами, от жесткости излучения, так как рентгеновы лучи высокой энергии часто называют жесткими, а малой энергии — мягкими. Но странное дело: в большинстве опытов жесткость излучения на эффект не влияла. Только совсем-совсем мягкие лучи (с которыми тоже не так просто экспериментировать) давали больший эффект.

Биологам это казалось странным. Но физики объяснили, в чем дело. Ведь поглощение электромагнитных излучений может происходить по-разному. При фотоэффекте вторичный электрон получает всю энергию кванта, а при комптон-эффекте — только часть. Оказалось, что в довольно широком диапазоне энергий рентгеновых и гамма-лучей средняя энергия вторичных электронов остается примерно одинаковой, так как по мере возрастания энергии квантов увеличивается удельный вес комптон-эффекта. Но ведь для биологического эффекта важно не то, что вышло из рентгеновской трубки, а лишь то, что поглотилось в облучаемом объекте.

Быстрые нейтроны (при облучении которыми ионизируют, как мы помним, не они сами, а протоны отдачи) вызывали, как правило, значительно больший эффект, чем рентгеновы или гамма-лучи. Бета-лучи давали примерно то же, что рентгеновы. А альфа-лучи занимали промежуточное положение между рентгеновыми лучами и быстрыми нейтронами. На разных объектах и для разных изучаемых эффектов наблюдались, конечно, некоторые различия, но в общем картина была примерно такая, как я только что сказал.

С началом атомной эры арсенал радиобиологов очень сильно расширился. И стали наблюдаться на первый взгляд странные явления. Например, протоны в некоторых опытах, вместо того чтобы давать в несколько раз больший эффект, вели себя, как и обычные рентгеновы лучи… Но раньше единственные протоны, с которыми экспериментировали биологи, получались при нейтронном облучении, и притом вполне определенными нейтронами. А теперь протоны, которые применялись в опытах, были разными. Собственно, протоны были, конечно, одинаковыми, разнилась их энергия.

А когда накопился достаточный материал, выяснилась презанятнейшая закономерность. Название лучей никакой роли не играет. И дело не в названии, конечно. Но оказалось, что дело и не в массе частицы и не в ее заряде. Эффект зависит только от густоты ионизации вдоль пути частиц. Если энергии гамма-лучей и протонов подобрать так, что в облучаемом веществе они будут создавать треки одинаковой густоты, то и эффект окажется одинаковым. Потому-то в наше время, сравнивая эффективность разных излучений, ученые, как правило, пишут не о жесткости лучей, а о линейном переносе энергии, той энергии, которую оставляет частица на единицу своего пути в облучаемом веществе.

Зависимость биологического эффекта от линейного переноса энергии довольно проста. С возрастанием плотности ионизации эффект, как правило, растет, достигает максимума, а затем начинает падать. Для разных случаев максимум приходится на разные значения линейного переноса энергии. Диапазон различий тоже неодинаков. Но общий характер зависимости один и тот же для большинства достаточно подробно исследованных случаев.

Обреченные до рождения

Среди людей, находившихся в Нагасаки неподалеку от эпицентра взрыва атомной бомбы и оставшихся в живых, были, конечно, и беременные женщины. Около ста таких женщин взяли под наблюдение. А чтобы выводы сделать бесспорными, одновременно с ними наблюдали такое же число беременных женщин, находившихся в роковой день 6 августа вдалеке от места взрыва. Результаты оказались поистине трагическими.

Среди жительниц Нагасаки в 28 процентах случаев зародыш умирал до рождения. В контрольной группе процент был меньше трех. А в большинстве случаев, когда дети родились живыми, их развитие шло ненормально. Многие из новорожденных умерли в раннем возрасте, только половина их дожила до шести лет. Дети отставали в росте, у многих был недоразвит мозг: окружность черепа их была на целый дюйм меньше. Некоторые к пятилетнему возрасту еще не умели говорить.

Да, радиация поражает живые организмы еще до рождения, причем действие на плод оказывается гораздо более сильным и драматичным, чем на взрослый организм. Это и понятно. За 9 месяцев (если говорить о человеке) из одной-единственной клетки, около десятой доли миллиметра диаметром, вырастает ребенок весом в несколько килограммов со всеми органами, присущими взрослому человеку. Ни одна раковая опухоль не растет с такой скоростью. Причем опухоль только растет, а у зародыша в это время закладывается и развивается вся сложнейшая система органов. Столь быстрый и сложный процесс повредить крайне легко.

Развитие зародыша можно разделить на четыре стадии. В течение первых десяти дней происходит интенсивное дробление яйца, одна клетка превращается в несколько тысяч. В конце этой стадии совершенно недифференцированный зародыш прикрепляется к стенке матки. Затем примерно до конца третьего месяца проходят основные процессы дифференцировки: закладываются все важнейшие органы и системы будущего организма. На третьей стадии, которая тянется до седьмого месяца, возникают более тонкие детали органов. В течение последних двух месяцев идет общий рост и созревание плода.

Особенно чувствительны к облучению две первые стадии. Облучение на первой стадии приводит к гибели зародыша. Опыты на животных показывают, что уже такая маленькая доза, как 25 рентген, вызывает гибель значительного числа эмбрионов. Облучение на второй стадии, как правило, не убивает зародышей. В это время радиация приводит к повышенной смертности после рождения и к возникновению уродств.

Можно было бы подробно описывать встречающиеся типы уродств, но достаточно сказать, что они бывают самыми разными. Очень часты, например, дефекты головного мозга, скелета, глаз.

Высокую чувствительность развивающегося зародыша к облучению используют в научных целях. Облучая животных на разных стадиях беременности и наблюдая возникающие уродства, стараются понять, как происходят процессы эмбрионального развития, когда закладываются и развиваются те или иные органы будущего организма.

А практические выводы ясны. Женщин, которые готовятся стать матерями, нужно оберегать от возможного действия радиации. В нашей стране особенно заботятся о здоровье народа. Недавно Министерство здравоохранения издало специальную инструкцию о запрещении проводить рентгенологическое исследование беременных женщин.

Силами энтузиастов

По перрону Октябрьского вокзала в Ленинграде, держа в руке пузатую стеклянную чернильницу, бежал человек без особых примет. Поезд должен был вот-вот отойти. Собственно, время отправления давно прошло… Но во время гражданской войны поезда ходили не слишком аккуратно. Только поэтому человек с чернильницей успел вскочить в один из вагонов правительственного поезда, отправляющегося в Москву.

Перед этим человек долго убеждал часового. Тот требовал пропуск. У человека пропуска не оказалось, но была бумага, которую срочно должен подписать народный комиссар просвещения, уезжавший в поезде. А от этой бумаги зависело очень многое. В конце концов часовой поверил и пропустил человека. Тот прихватил на всякий случай в кассе чернильницу (вдруг у Луначарского не найдется ручки) и бросился на перрон.

Анатолий Васильевич Луначарский бумагу подписал. Это было решение об организации в Петрограде нового научно-исследовательского института. Человек с бумагой поспешил в Политехнический институт, где в одном из кабинетов его ждали целый час несколько профессоров. Они не просто сидели и ждали. Нет, они обсуждали структуру будущего института, и делали это еще до того, как нарком дал свое согласие.

Впрочем, в согласии его трудно было сомневаться. Институт задумали давно. Еще до начала первой мировой войны профессор Михаил Исаевич Неменов, известный петербургский врач, пытался организовать рентгенологический институт. В то время из этого ничего не вышло. Сразу после Октябрьской революции Неменов снова возобновил попытки. Луначарский очень заинтересовался этой идеей и горячо поддержал ее. Поэтому Неменов не сомневался, что нарком подпишет решение. Человек, бежавший по перрону, был, конечно, сам Неменов — будущий директор института.

Новым институтом заинтересовался не только народный комиссар просвещения. Крайне важно и то, что идею нового института поддержал и профессор Абрам Федорович Иоффе. Вы помните это имя? Иоффе был одним из учеников и ближайших сотрудников Рентгена — ученого, стоявшего у колыбели ионизирующих излучений. Кроме того, Иоффе был первоклассным физиком и талантливым организатором. Он не только поддержал идею о создании нового института, но и дал согласие заведовать в нем физико-техническим отделом.

Новый институт начал свое существование осенью 1918 года. Его задача состояла в исследовании самих лучей, изучении их биологического действия, применении в медицине для диагностики и терапии, использовании для исследования атомов и молекул. Физико-технический отдел впоследствии выделился и превратился в крупнейший самостоятельный институт. А институт Неменова существует до сих пор. Сейчас он называется Центральный научно-исследовательский институт рентгенологии и радиологии Министерства здравоохранения СССР.

Михаилу Исаевичу Неменову удалось сколотить довольно сильный коллектив. В 1920 году начал выходить журнал «Вестник рентгенологии и радиологии», сразу ставший одним из ведущих радиологических журналов мира.

Но дело сейчас не в этом. Главное, на что я хочу обратить ваше внимание, это то, как был создан этот институт. Если бы не энтузиазм Неменова, не его инициатива, не знакомство с Иоффе, не интерес Луначарского, такой институт появился бы гораздо позже.

Я хочу вспомнить комичный случай, происшедший не когда-нибудь, а совсем недавно, в 1955 году. Сотрудники лаборатории (радиобиологической лаборатории), где я в то время работал, готовили к печати сборник своих статей. По существующим правилам научные статьи, а тем более книги, чтобы их можно было напечатать, должны получить положительный отзыв специалиста. Этим уменьшается вероятность выхода в свет недостаточно серьезных работ. Отзыв должен быть от ученого из другой лаборатории. Считают, что это обеспечивает большую объективность.

Но что делать? В городе, где мы работали, все радиобиологи собрались в стенах одной лаборатории. Пришлось дать на отзыв просто биологу — старшему научному сотруднику, опытному и потому не очень молодому. Отзыв был вполне положительным. Серьезные возражения рецензента встретило только одно слово «радиобиология», встречавшееся чуть ли не на каждой странице. Он нашел его не вполне удачным и советовал заменить каким-нибудь другим.

Рецензент полагал, что мы сами придумали слово «радиобиология». Между тем оно существовало уже несколько десятилетий. Однако ничего удивительного не было в том, что биолог с большим стажем не знал о существовании целой науки, ведь он сам работал в довольно далекой области.

Теперь слово «радиобиология» не только известно каждому студенту, он даже знаком с основами этой науки. И не обязательно студент-биолог, а и многие из студентов физиков и химиков. Но два последних десятилетия оказались чреватыми событиями, которые отвели радиобиологии совсем иное место, чем раньше.

А до середины 40-х годов радиобиология развивалась главным образом за счет инициативы энтузиастов вроде Тарханова, Неменова и других, с чьими именами мы еще встретимся в дальнейших главах. Чем привлекала их эта наука, жившая в те времена где-то на задворках биологии и физики? Трудно сказать. Но, судя по превосходным работам этих энтузиастов, видно, что это были в большинстве своем крупные ученые. Вероятно, они смотрели дальше других и предвидели будущее радиобиологии.

Вчера, сегодня и завтра

Зловещий гриб вырос до самого неба и, когда рухнул вниз, похоронил под своим пеплом город с сотней тысяч мирных жителей. Это было 6 августа 1945 года, рано утром. Именно так, разрушением Хиросимы, атомный век возвестил о своем приходе. Да, наше время действительно атомное. С этим нельзя не считаться. И это определяет очень многое. В том числе и развитие наук.

Если раньше биологическое действие лучей имело практическое значение лишь с точки зрения профессиональной вредности для рентгенологов и рентгенотехников да в плане нежелательных осложнений при радиотерапии, то теперь огромные группы людей стали жить бок о бок с радиацией. Речь идет не только о работниках атомной промышленности. Мирное применение ионизирующих лучей и радиоактивных изотопов проникает во все новые и новые области. А потенциально все жители нашей планеты могут столкнуться с радиацией. Даже не могут, а уже сталкиваются. Ведь естественный фон радиации на Земле за время ядерных испытаний повысился и до сих пор еще не вернулся к прежнему уровню.

Так почти сразу радиобиология из предмета увлечения горстки энтузиастов стала делом государственной важности. Возникла необходимость знать все о биологическом действии радиации. Начали открывать лаборатории, институты, потребовались тысячи специалистов-радиобиологов…

Прошло немного лет, и человек шагнул в космос. За первым шагом последовали другие. Люди надеются все дальше и все на более длительное время уходить от родной планеты.

Люди любят называть свое время «таким-то веком». И не успел родиться атомный век, как появился век космоса. Впрочем, чаще говорят не о веке, а о космической эре. Для этого есть все основания. Точно так же, как и для того, чтобы говорить: мы живем в век полупроводников, в век кибернетики, в век молекулярной биологии. А может, через год или через месяц начнется еще какой-нибудь век. В такое уж время мы живем, что на каждое столетие приходится по нескольку веков.

Космическая эра тоже предъявила свой счет радиобиологам. На поверхности Земли мы надежно защищены атмосферой от действия космических лучей. А оболочки скафандров и космических кораблей они прошивают насквозь, впрочем, как и тех, кто в них находится. Но космические лучи — такие же ионизирующие частицы, как и те, с которыми ученые познакомились еще на рубеже двух столетий, только с гораздо большей энергией. Возникают вопросы, ответы на которые должна дать радиобиология.

Ни один из университетов не готовил впрок радиобиологов, которые должны были пригодиться атомному веку космической эры. Но — удивительное дело! — возникший «вакуум» заполнился быстро.

В старину генералов не называли просто генералами. Были «генералы от инфантерии», «генералы от кавалерии», «генералы от артиллерии» и т. д. Когда я знакомлюсь с радиобиологом моего поколений, то иногда спрашиваю: «„От чего“ вы радиобиолог — от зоологии, от ботаники, от медицины, физики, химии или чего-нибудь еще?»

Да, именно так и заполнялись сотни вакантных должностей: их заняли люди разных специальностей, пришедшие в радиобиологию со стороны. И это хорошо. Потому что каждый принес знания, методы и подходы своей науки. А для такой пограничной науки, как радиобиология, именно это и нужно.

В связи с возросшим значением их науки совершенно изменились условия работы радиобиологов. Раньше, бывало, чтобы провести облучение, приходилось ехать на другой конец города, а то и в другой город, в больницу, где знакомый врач позволял поставить под рентгеновскую трубку коробку с десятком мышей или баночку с лягушачьей икрой.

Теперь же радиобиологам стали покупать дорогие приборы, сооружать уникальные установки, строить лаборатории, виварии и оранжереи. И если раньше радиобиологи могли завидовать большинству своих коллег из соседних лабораторий, теперь многие коллеги стали завидовать им.

Возможности для экспериментальной работы, так же как прилив новых кадров и лучшее финансирование, — несомненное благо. Но любая медаль имеет оборотную сторону. Так и здесь. В радиобиологию валом повалил народ, от которого нельзя было ожидать больших успехов.

Что их привлекало? Одних лучшие условия, других легкость получить работу, третьих — мода, четвертых — молодость науки, где еще много «неподнятой целины», пятых — возможность быстро сделать и защитить диссертацию и т. д. и т. п… А кое-кто и независимо от своей воли стал радиобиологом. Например, лаборатория, раньше занимавшаяся другими вопросами, получала новое задание. Или такой специалист, как военный врач, который не вполне волен распоряжаться своей судьбой, переводится на другое место работы.

Это вчерашний день радиобиологии, конец 40-х — начало 50-х годов.

Хотя вчерашний день сливается с сегодняшним и трудно провести между ними границу, но сейчас уже можно посмотреть назад. То, что было, — и хорошее и плохое — закономерно. Как и в любой другой модной области, проведено много опытов, опубликовано слишком много статей, в которые попало много шелухи. Но получено огромное количество фактов и цифр, которые до сих пор еще до конца не осмыслены и не обобщены.

Из-за спешки некогда было следить за работами коллег, сравнивать свои результаты и соображения с чужими. Одни двигались в одном направлении, другие в другом. А сейчас, встречаясь, зачастую не могут понять друг друга. Стали говорить на разных языках. Можно сказать, что это очень плохо. Исчезла единая радиобиология, которая существовала в середине 40-х годов. Но это и хорошо. Ведь когда мы снова найдем общий язык и приведем работы всех школ «к общему знаменателю», насколько более зрелой и многогранной станет наша наука!

Произошел отбор. Время воспитало большую группу специалистов-радиобиологов, которые знают свою науку, любят ее и собираются посвятить ей жизнь. Именно на их долю после периода «снимания пенок» выпадает тяжелая, но благодарная работа: заполнять «белые пятна» и искать «общий знаменатель», обобщать то, что сделано, поднимать науку на новый уровень, внедрять ее результаты в практику.

А любители «пенок» ушли в другие, более новые и более модные области, вроде молекулярной биологии, бионики, кибернетики, на которые теперь уже радиобиологи могут смотреть с завистью. Сделал человек кандидатскую диссертацию по радиобиологии, теперь пишет докторскую по молекулярной генетике. А через три года войдет в моду новая область, он перейдет в нее в надежде стать лауреатом или членом-корреспондентом. Что ж, и это тоже хорошо… для тех наук, из которых он ушел.

Глава III

Стрельба по мишеням

Коль скоро недочет в понятиях случится,

Их можно словом заменить.

Гёте, «Фауст»

Чудеса в решете

— Пшеница превращается в рожь!

— Береза в осину!

— Пеночка в кукушку!

— Вирусы — стадия развития бактерий!

— Клетки возникают из неклеточного живого вещества!

И так далее…

Увы, не в средние века, а в середине нашего века люди с научными дипломами выступали с подобными утверждениями. «Мода» была такая. Во всех областях биологии находились этакие доморощенные колумбы. Были они и в радиобиологии.

Например, один… действительный член двух академий выступил с сенсационным открытием, что растения способны разделять изотопы. Шутка ли! Ученые ломают головы, тратят миллионы для создания установок, разделяющих изотопы, а растения — пожалуйста! Причем речь шла не о тяжелой воде; атомы водорода как-никак, несмотря на те же химические свойства, вдвое тяжелее обычных. Нет, любые изотопы растения разделяют, и дело именно в том, что они предпочитают радиоактивные атомы тех же элементов обычным. Потому что те же результаты получались с радиоактивными изотопами разных элементов.

Приводилось описание опытов, цифры, фотографии… Чего уж больше? Почему я говорю об этих работах столь иронически? Ведь я не ставил опытов, чтобы проверить результаты. И никто не ставил специально таких опытов. Вы меня можете упрекнуть в консерватизме и даже кое в чем похуже. Разве можно, не имея в руках новых и более точных фактов, возражать против чьих-то результатов?!

Но здесь случай, прямо скажем, своеобразный. В самом деле, о чем идет речь? Растения умеют отличать радиоактивные изотопы от нерадиоактивных. А что такое радиоактивный атом? Это атом, который когда-то, один-единственный раз в своей жизни, выбросит радиоактивную частицу и… умрет, превратившись в другой атом. Вот, к примеру, радиоактивный фосфор. Атом как атом, только процента на три потяжелее обычного. Но из него вылетает электрон (бета-частица), и атом радиоактивного фосфора превращается в атом обыкновенной серы.

Что же означает приведенное выше утверждение? Ни больше, ни меньше как то, что растение знает, что данный атом распадется в будущем! Ведь именно это и определяет его радиоактивные свойства. Согласитесь, что утверждение относится к категории таких, которые не подлежат серьезному научному обсуждению.

Однако мало ли что? Может, дело не в этом, а в чем-нибудь другом, и стоит все-таки проверить. Вдруг здесь кроется великое открытие!

Не нужно проверять. Надобности нет потому, что хотя никто не проверял специально этих результатов, но тем не менее это сделано независимо в тысячах опытов. Давным-давно существует метод меченых атомов, основанный на том, что радиоактивные и нерадиоактивные атомы одного и того же элемента ведут себя совершенно одинаково (некоторое исключение составляет водород). И конечно, прежде чем метод вошел в практику, он был проверен в точнейших опытах. А каждый новый опыт приносит дополнительное подтверждение.

Так в чем же дело? — спросите вы. — Как появились такие статьи? Тут, уж увольте, следствия вести не собираюсь. Но ясно одно: утверждение не соответствует истине, так же как и приводимые результаты.

А бывает и иначе. В опытах все чисто, и результат вполне естественный, а считаться с ним нельзя. Странно? Но это азбука экспериментальной науки.

В конце 40-х годов радиобиологи открыли, что некоторые вещества, если их дать животным перед облучением смертельными дозами, снижают процент гибели. При введении после облучения эти вещества оказывались неэффективными. Но вот один французский ученый (довольно известный) опубликовал статью, в которой утверждал, что введение после облучения кроликам раствора цистеина и аскорбиновой кислоты снижает их смертность вдвое!

Я в то время начинал свой путь в науке и как раз занимался противолучевыми веществами. Ясное дело, нужно проверить. Беру белых мышей. Облучаю их, ввожу «французскую смесь» в том же количестве на единицу веса животного и жду… Ждать приходится недолго. Часть животных гибнет от «смеси» (концентрации обоих веществ в ней высоки), остальные мрут от лучевой болезни, но раньше, чем контрольные, которым ничего не вводилось.

Что-то не так! Повторяю опыт, меняю дозировку веществ, но в лучшем случае «французская смесь» не влияет на смертность. Может быть, мыши — исключение? Облучаю крыс — тот же результат, что и с мышами. Очевидно, нужно работать на кроликах, думаю я. Но кроликов в лаборатории нет, и я не ставлю дальнейших опытов. Подожду следующих статей. Конечно, многие должны обратить внимание на французскую работу и повторить опыты.

Однако время идет, а статей не появляется. Только через несколько лет вышел большой обзор работ по противолучевым веществам, написанный американцем Гарвеем Паттом. В этом обзоре я нашел ссылку и на французскую статью, доставившую мне столько хлопот. А после упоминания этой работы Патт пишет: «Я проверил это утверждение в опытах на большом числе крыс и кроликов и получил только отрицательные результаты». Теперь понятно, почему не было специальных публикаций о «французской смеси».

Чем же объяснить результат первой работы? Автор — честный человек и опытный экспериментатор. А ведь у него в контроле погибли все животные, а в опыте 50 процентов выжило! В те времена я делал первые шаги, и мне бросились в глаза именно проценты. Теперь я прежде всего задал бы вопрос: а что скрывается за этими процентами, насколько достоверен полученный результат?

В статье все написано честно. В каждой группе было по шесть кроликов. В одной погибли все шесть, в другой — только три. А нельзя ли получить такой результат чисто случайно, облучив две группы по шесть животных и никому ничего не вводя? Теория вероятностей может дать совершенно точный ответ. Беру карандаш и бумагу… В столь скудном опыте такой или даже большей разницы следует ожидать в одном случае из десяти! Значит, есть все основания считать, что разница в опыте была случайной, не связанной с введением «французской смеси»…

Лучевой яд

Из крыс можно сделать «сиамских близнецов»: взять двух животных и сшить их бок о бок. Ученые называют таких «двойных» животных парабионтами и используют в опытах. Экспериментировали с ними и радиобиологи. Оказалось, что, если облучить только одного из «близнецов», признаки лучевой болезни развиваются у обоих. Правда, у крысы, которая не была непосредственно облучена, болезнь проходит в более легкой форме. С другой стороны, и облученная крыса страдает меньше, если к ней «пришит» необлученный партнер. Они как бы делят поражение друг с другом. Сходная картина наблюдается даже, если операцию произвести сразу после облучения одного из животных.

На первый взгляд такие результаты могут показаться еще более неправдоподобными, чем утверждение о способности растений разделять изотопы. Но только что рассказанное — твердо установленный факт. Можно привести примеры и других опытов, говорящих о том, что радиация способна действовать на расстоянии, повреждать организмы и клетки, непосредственно не подвергавшиеся облучению.

Облучим животному, скажем, заднюю ногу и посмотрим, что происходит в совершенно другом месте, например в глазу. Окажется, что и в необлученном органе изменения есть. Глаз я выбрал потому, что клетки роговицы относятся к числу довольно быстро делящихся и изменения в них легко наблюдать. Мы увидим, что темп клеточного деления в роговице изменился, а в заметном проценте случаев оно происходит ненормально.

Еще пример, на этот раз с бактериями. Не будем их вообще облучать. Облучим только питательную среду, на которой разводят бактерий, и произведем посев. «Урожай» соберем неполный: часть бактерий погибнет под влиянием облученной среды.

Можно было бы продолжать приводить примеры, но и этих достаточно, чтобы показать: под влиянием радиации образуются вещества, которые иначе, как лучевые яды, и не назовешь. Ученые употребляют те же слова, но нерусского происхождения и говорят: радиотоксины. Что они собой представляют? Заранее можно сказать, что скорее всего это не какое-то определенное соединение, ведь клетки содержат огромное количество разных химических веществ, а радиация способна видоизменить любую молекулу.

Особенно много для изучения радиотоксинов сделали советские ученые. Они показали, что существуют именно радиотоксины, а не радиотоксин. Так, изменения жировых веществ в облученных организмах в течение нескольких лет исследует со своими сотрудниками Борис Николаевич Тарусов. Им удалось показать, что под влиянием облучения увеличивается содержание окисленных жирных кислот, которые обладают свойствами радиотоксинов. Совершенно другие вещества, относящиеся к группе хинонов, привлекли внимание Александра Михайловича Кузина и его сотрудников. С их выводом об образовании этих веществ в облученных тканях и токсическом действии также не приходится спорить. Что же получается: противоречие? Ничего подобного, обе группы работ дополняют одна другую.

Для ответа на вопрос о механизме биологического действия радиации прежде всего нужны факты, причем факты вполне достоверные.

Гипотезы, гипотезы…

Что может быть заманчивее для ученого, чем создать теорию или, на худой конец, хотя бы предложить гипотезу? В радиобиологии, особенно в течение ее младенческого периода, недостатка в гипотезах не ощущалось.

Вначале почти каждый новый факт приводил к рождению гипотезы. И, совершенно естественно, биохимики предлагали биохимические гипотезы, физиологи — физиологические, физики — физические (впрочем, последних почти не было).

…Под влиянием радиации нарушается естественное равновесие между ферментами, распад начинает преобладать над синтезом и происходит автолиз, то есть, образно выражаясь, клетки начинают сами себя переваривать…

…Лецитин (вещество жировой природы, присутствующее в клетках) при облучении превращается в холин, который является ядом. И опыты действительно показывают, что лецитин разлагается при облучении и что продукты его распада, так же как и холин, вызывают поражения, похожие на лучевые.

…Один из наиболее известных эффектов облучения — эритема (покраснение кожи). Эритема возникает при выходе из клеток гистамина… Значит, «вся сила в гистамине». Ставятся опыты, которые в какой-то степени подтверждают гипотезу…

…Облучение нарушает водно-солевое равновесие, значит, все дело именно в этом…

…Причина биологического действия радиации — денатурация (изменение) белковых молекул…

…Лучевая болезнь связана с поражением системы гипофиз — кора надпочечников…

Стоит ли продолжать? Нет, не стоит. Потому что, перелистывая комплекты старых радиологических журналов, можно продолжать список почти сколько угодно. Об этих старых работах давно забыли. Забыли настолько, что время от времени новый ученый совершенно независимо пять, десять, а то и сорок лет спустя высказывает точно такую же гипотезу (с теми же последствиями).

Эти и многие-многие другие гипотезы умерли по двум причинам. Первое: вопрос о том, что причина и что следствие. В больном организме можно найти какие угодно изменения, но это вовсе не значит, что они являются причиной болезни. Второе: под влиянием облучения могут произойти практически любые изменения, если применить достаточно высокую дозу. Вот в этом все дело! Если говорить о том, что, скажем, под действием облучения может возникнуть определенное токсическое вещество, то нужно прежде всего доказать, что оно образуется в достаточном количестве при не слишком высоких дозах. К сожалению, авторы большинства гипотез не очень-то считались с этими двумя обстоятельствами.

«Прошу поднять руки»

На международном съезде химиков в немецком городе Карлсруэ разгорелись страсти. Одни настаивали на том, что все вещества состоят из атомов, другие кричали, что атомы — чистейшая выдумка (как нетрудно догадаться, дело происходило в прошлом веке). Ни одна из сторон не могла убедить другую, и в конце концов председатель поставил вопрос на голосование.

— Кто за то, что атомы существуют, прошу поднять руки.

Поднялся лес рук.

— А кто за то, что атомов не существует?

Поднялось примерно столько же рук. Пришлось пересчитывать. В итоге признали существование атомов, но с очень небольшим перевесом.

Можно в шутку фантазировать на тему, а что, если бы несколько сторонников атомов не явились на заседание и верх взяли бы их противники? Ведь тогда не было бы ни атомных бомб, ни многого другого.

Но, конечно, научная истина выясняется не голосованием. А также и не административными мерами. Хотя, увы, порой находятся сторонники утверждения научной истины с помощью средств, не имеющих никакого отношения к научным методам исследования. Бывает, что они в силу тех или иных причин «получают большинство голосов». Но этого хватает ненадолго. Поэтому, если бы на памятном голосовании в Карлсруэ большинство получили противники существования атомов, на истории науки это не сказалось бы. Могли бы лишь незначительно сместиться во времени даты некоторых открытий.

Бывало такое и в радиобиологии. Печальный период, когда с помощью административных мер «упразднили» генетику, а всю физиологию и медицину пытались выводить из реактивности центральной нервной системы, не прошел безболезненно и для нашей молодой науки.

Проблема механизма биологического действия радиации и сейчас еще не до конца ясна. Лет пятнадцать-двадцать назад неясностей было еще больше. А может, решить проблему запросто, с помощью голосования? Так и сделали.

На расширенной сессии двух крупных институтов провели дискуссию и приняли решение. Оно начиналось словами: «Лучевая болезнь есть нервно-дистрофический процесс, развивающийся при воздействии достаточно больших доз проникающего излучения…»

Если вы внимательно читали предыдущую главу, вас такое определение, несомненно, удивит. Да, скажете вы, при облучении во время внутриутробного развития, когда закладывается и формируется нервная система будущего организма, она очень чувствительна, но у взрослых организмов (да не только у взрослых, вообще после рождения) нервная ткань относится к числу наименее чувствительных к радиации.

Но что делать… В те годы великий физиолог Иван Петрович Павлов переворачивался бы в гробу, если бы это было возможно. Ведь тогда абсолютно все стремились свести к «учению Павлова о высшей нервной деятельности». А если факты говорили против большого значения центральной нервной системы, тем хуже для фактов. Десятки и сотни работ можно обвинить в идеализме, механицизме, вирховианстве и т. д. и т. п.

Вспоминаю, как я сидел в зале заседаний Первой всесоюзной конференции по медицинской радиологии. Дело происходило в 1955 году — через несколько лет после «решения» о лучевой болезни. На пленарном заседании делал доклад академик Леон Абгарович Орбели (ныне покойный), крупнейший физиолог, талантливейший ученик и продолжатель дела Ивана Петровича Павлова. Он говорил о действии радиации на живые организмы. И, будучи честным и принципиальным человеком, отвел в своем докладе центральной нервной системе место, которого она заслуживала, то есть довольно скромное.

И, конечно же, получил записку с просьбой поставить точки над «и» и высказаться ясно и определенно, что он думает о ведущей роли центральной нервной системы при лучевой болезни. Леон Абгарович был не только принципиальным, но и остроумным. Он ответил:

— Конечно же, я признаю ведущую роль центральной нервной системы при лучевой болезни. Если человек заболел, то центральная нервная система должна вести его к врачу. А центральная нервная система врача должна ему говорить, что делать с больным.

Зал ответил громом аплодисментов.

Леон Абгарович был против пустых слов. Он говорил о необходимости создания такой теории, которая дала бы, наконец, ответ на два основных вопроса радиобиологии. Пора и нам заняться теорией, а для этого прежде всего уяснить, на какие вопросы должна эта теория ответить. Что в конечном счете нуждается в объяснении?

Возьмем карандаши

Мы уже знаем, как действуют разные дозы ионизирующих излучений на млекопитающих. Нам, в частности, известно, что доза в тысячу рентген для них, безусловно, смертельна. Но что такое «тысяча рентген»? Много это или мало? По определению, один рентген — это такое количество лучей, которое в одном кубическом сантиметре нормального воздуха (при нормальном давлении и при температуре 0 градусов) образует одну электростатическую единицу заряда каждого знака.

Значит, 1000 рентген — это 1000 электростатических единиц на кубический сантиметр воздуха. А так как живая ткань примерно в тысячу раз плотнее воздуха, то при ее облучении будет образовываться примерно по миллиону электростатических единиц на каждый кубический сантиметр (или на грамм, так как удельный вес животных близок к единице). Чтобы получить энергию, поглощенную всем организмом, нужно этот миллион умножить на вес в граммах. Так что одна и та же доза 1000 рентген оставит в теле мыши меньшую энергию, а в теле слона гораздо большую. Но во всех случаях получаются как будто очень большие цифры — по крайней мере миллионы. Но так ли это много?

Мы знаем, что все виды энергии переходят друг в друга. Тепловую энергию угля или механическую падающей воды превращают на электростанциях в электрическую, а потребители переводят электрическую энергию снова в тепло или в свет. Физики точно знают, какое количество энергии одного рода соответствует определенному количеству другого, например, сколько калорий даст один киловатт, если его перевести в тепло. Поскольку рентген тоже единица энергии, можно дозу вместо непривычных рентген выразить в эквивалентных количествах любой другой энергии, чтобы иметь дело со знакомыми единицами.

Для этого я и попросил вас взять карандаши. Конечно, просьба моя чисто символическая. Перед тем как писать эту главу, я сам взял карандаш, бумагу, физический справочник и произвел необходимые расчеты. Вам остается только познакомиться с их результатами.

Итак, рассмотрим дозу в 1000 рентген. Она, безусловно, смертельна для всех млекопитающих. Как мы уже видели, энергия, поглощенная организмом при облучении этой дозой, будет зависеть от его размеров, так что нужно остановиться на чем-то определенном. Самое естественное — провести расчеты для человека среднего веса, около 70 килограммов.

Самая распространенная и самая понятная энергия — тепловая. Поэтому прежде всего посмотрим, на что годится тепло, которое мы получили бы, превратив в калории ту энергию, которую человек получит при заведомо смертельном облучении дозой в 1000 рентген. Сразу поставим себе задачу поскромнее. Не будем двигать паровозы или заставлять работать крупную теплоцентраль. Согреем чай. Увы, даже это невозможно. Энергия, которую мы получили, сможет поднять температуру стакана воды всего лишь на один градус! Маловато…

Но, может быть, превращение в тепло невыгодно? Хорошо, переведем ту же энергию в электричество. Причем, как и во всех прочих случаях, будем это делать «на бумаге», чисто теоретически, без учета потерь, которые совершенно неизбежны на практике. Итак, превращаем рентгены в киловатт-часы! Увы, мы не получим ни одного киловатт-часа. Наша энергия сможет питать слабенькую 25-свечовую лампочку в течение полуминуты.

Правда, живой организм не машина. Энергии, которые используются в живых клетках, несравненно меньше тех, что вращают роторы электромоторов. Хорошо, сделаем предпоследний расчет: определим, на какое время хватит нашей энергии, чтобы поддерживать жизнь человека (конечно, если полностью превратить ее в «полезную» энергию). Ответ: на шесть секунд.

И наконец самый последний расчет, поскольку, кто знает, может быть, лучистая энергия имеет какие-то особенности. Переведем энергию гамма-лучей в солнечную (причем будем учитывать не только видимые лучи, но и невидимые — ультрафиолетовые и инфракрасные). Представьте себе, что вы лежите на пляже и загораете. За какое время ваше тело получит энергию, эквивалентную 1000 рентген? Всего за две секунды. А иные любители лежат на солнце часами!

Итак, как ни рассчитывай, энергия получается мизерная. Мегатонны тротила, которым эквивалентен атомный взрыв, к делу не относятся. За счет этой энергии в непосредственной близости от эпицентра все стирается с лица земли.

Значит, дело в особенностях биологического действия ионизирующих лучей. Именно поэтому и существует радиобиология в виде отдельной науки. И одна из главных ее задач — объяснить, почему столь малые дозы ионизирующей радиации приводят к столь драматическим биологическим эффектам.

Давайте сравнивать

Чтобы убить человека (или мышь, или слона — любое млекопитающее), достаточно нескольких сотен рентген. Но ведь от стакана чая наш организм получает в несколько раз большее количество энергии.

А не так давно во многих журналах и даже в некоторых газетах появилось сообщение, что внутри атомного реактора живут бактерии. Живут и благоденствуют. Этот новый для науки вид получил название «Микрококкус радиодуранс», что значит радиоустойчивый.

Чувствительность к ионизирующим лучам очень различна. Отличаются друг от друга по чувствительности не только разные виды, но и разные органы, разные клетки одного и того же организма.

Еще в 1905 году два французских ученых сформулировали правило: клетка тем чувствительнее к облучению, чем выше ее способность к размножению, чем дольше она находится на стадии деления и чем меньше специализирована. Французов звали Бергонье и Трибондо. Часто их имена упоминали в радиобиологической литературе. Многие возводили правило в ранг закона и писали о «законе Бергонье и Трибондо». Другие находили исключения и говорили о «так называемом законе Бергонье и Трибондо», или о «пресловутом законе Бергонье и Трибондо».

Но правил без исключения не бывает. Есть они и у правила Бергонье и Трибондо. Однако прошло уже более полувека, и сейчас можно этому правилу (а ежели хотите — закону) дать объективную оценку. Много делалось попыток найти общие закономерности изменения радиочувствительности. Некоторые правила оказались справедливыми, о многих забыли, потому что они вполне стоили этого, но правило Бергонье и Трибондо остается в силе.

Действительно, посмотрим, как отличаются по радиочувствительности разные клетки человека. Если мы попытаемся расположить ткани и органы человека в порядке возрастания их чувствительности к облучению, то получим следующий ряд:

Нервная ткань

Хрящевая и костная ткань

Мышечная ткань

Соединительная ткань и сосуды

Щитовидная железа

Пищеварительные железы

Легкие

Сердечная оболочка

Эпидермис (то есть кожные покровы)

Потовые и сальные железы

Волосяные сосочки

Слюнные железы

Слизистые оболочки

Яичники, семенники

Лимфоидная ткань, костный мозг, зобная железа.

Бросается в глаза, что в начале списка стоят ткани, взрослые клетки у которых вообще не делятся, в конце — с особенно быстро делящимися клетками. Вначале стоят более специализированные ткани, в конце — менее специализированные.

Рассмотрение списка делает понятной картину, которую мы наблюдали в опыте по изучению лучевой болезни. Наиболее чувствительны кроветворные органы; и действительно, их поражение оказывается самым важным при действии небольших доз. Очень чувствительны также половые железы и зобная железа. Но их поражение не может вызвать смерти или даже существенно изменить общее состояние организма. Дальше идут слизистые оболочки. И при несколько более высоких дозах решающее значение приобретает как раз поражение слизистых оболочек тонкого кишечника. И так далее.

Разная чувствительность клеток имеет большое практическое значение. Ведь применение радиации для лечения злокачественных опухолей на том и основано, что раковые клетки относятся к числу радиочувствительных. Впрочем, это и следовало ожидать на основании правила Бергонье — Трибондо. Эти клетки характеризуются повышенной способностью к размножению и слабой степенью специализации.

Еще большие различия в радиочувствительности обнаружатся, если сравнивать не разные клетки одного и того же организма, а разные организмы. Ученые ставили опыты со многими сотнями, если не тысячами, разных видов животных, растений и микроорганизмов. Вот некоторые примеры среднелетальных доз:

Вирус табачной мозаики 250 000 рентген

Бактериофаг кишечной палочки 420 000

Бактериальные споры 120 000

Кишечная бактерия 7500

Хлорелла (водоросль) 18 000

Дрожжевые грибки 30 000

Кукуруза 4000

Очиток 75 000

Традесканция 750

Амеба 100 000

Инфузория 35 000

Улитка 20 000

Плодовая мушка, взрослая 95 000

Плодовая мушка, личинки 130

Плодовая мушка, яйца 150

Золотая рыбка 670

Лягушка 700

Черепаха 1500

Змея 82 000

Курица 1000

Мышь 600

Собака 300

Обезьяна 500

Интересный перечень, не правда ли? Прежде всего ясно видно, что смертельные дозы для разных организмов варьируют в исключительно широких пределах: от сотни рентген почти до миллиона! Можно заметить также, что чем сложнее организм, тем, как правило, он оказывается более чувствительным. Но это лишь тенденция, не больше. Так, среди высших растений мы находим очень устойчивый очиток, способный выдержать бóльшие дозы, чем бактерия, и традесканцию, которая по чувствительности стоит рядом с млекопитающими.

Кроме того, нужно обратить внимание на сильную зависимость чувствительности от стадии развития. Споры значительно устойчивее самих бактерий, а яйца насекомых, наоборот, гораздо чувствительнее взрослых особей. Это отнюдь не противоречие. Ведь яйца насекомых — стадия, где происходит очень быстрое размножение клеток, а спора — состояние глубокого покоя.

Может вызвать удивление, что в таблице нет человека. Но он не составляет исключения среди прочих млекопитающих. Да и для него смертельная доза известна не особенно точно. Если человек случайно подвергался смертельному облучению и даже была довольно точно известна доза, никто не смотрел, когда больной скончается, а делалось все возможное, чтобы спасти ему жизнь. Обычно считают, что среднелетальная доза для человека — около 500 рентген.

Столь большие различия в радиочувствительности разных организмов, органов, стадий развития требуют своего объяснения. И причины резкой радиочувствительности — второй из основных вопросов радиобиологии, на которые должна дать ответ теория. Он очень важен и с практической стороны. Ведь если бы удалось по своему желанию изменять радиочувствительность живых организмов и их клеток в той же степени, как это имеет место в природе, это значило бы, с одной стороны, сильное уменьшение опасности радиации для человека, с другой — почти фантастические успехи в борьбе с некоторыми заболеваниями…

Сорок сороков

Итак, нужно найти ответ на два вопроса: почему при облучении живых организмов столь малые количества энергии дают столь большой эффект и почему чувствительность живых клеток к облучению может так сильно варьировать? Казалось бы, естественный путь для поисков ответа на оба вопроса состоит в изучении биохимических и физиологических процессов в облученных организмах. Исследуя их, найдем изменения, вызванные радиацией, и задача тем самым будет решена. Увы, все не так просто, как может показаться на первый взгляд.

Ведь для ионизирующих лучей нет преград: они проникают в любое вещество и на любую глубину. Значит, оставляют свою энергию во всех органах животного, во всех клетках, во всех частях клетки. Радиация отдает свою энергию веществу путем ионизаций, причем ионизируются любые атомы. Стало быть, под влиянием облучения должны измениться разнообразнейшие химические вещества, входящие в состав всех клеток живых организмов.

Это общие соображения. Но так оно оказывается и в действительности. Радиация вызывает массу изменений и в физиологических и в биохимических процессах. Практически она влияет на все, была бы взята лишь достаточно большая доза.

При сравнительно невысоких дозах нарушается основной обмен (потребление кислорода и др.), усиливается водный обмен, снижается кровяное давление, угнетается деятельность желез внутренней секреции… Уменьшается вес отдельных органов и всего организма. Выделение различных веществ из организма нарушается. Изменяется проницаемость тканевых барьеров. Животные становятся более чувствительными как к повышенным, так и к пониженным температурам, к изменению барометрического давления, к физической нагрузке… Все, что написано в этом абзаце, приведено лишь для примера. Следует добавить: и т. д. и т. п., может быть для внушительности даже повторив несколько раз.

Не менее многообразны и биохимические изменения. Достаточно сказать: облучение затрагивает абсолютно все стороны обмена веществ. И это действительно так. Но нужно подчеркнуть, что некоторые из биохимических изменений играют очень важную роль в возникновении и судьбе первичных лучевых повреждений. Во-первых, обмен нуклеиновых кислот — веществ, ответственных за передачу всех наследственных свойств и признаков от клетки к клетке и от организма к организму, а также лежащих в основе процессов синтеза всех биологически важных веществ. Но о нуклеиновых кислотах мы будем говорить при рассмотрении явлений наследственности и влияния на нее ионизирующих лучей. Там же уместно рассказать и о действии радиации на нуклеиновые кислоты. Во-вторых, биоэнергетические процессы. Но и о них нам придется сказать несколько слов специально в связи с действием радиации на живые клетки.

К этому можно было бы приложить перечень: а кроме того, под действием облучения нарушается углеводный и жировой обмен, изменяется химический состав крови… Но кому будет интересно такое перечисление, когда уже сказано, что радиация влияет на все биохимические процессы.

В заключение нужно отметить еще, что радиация сильно влияет на такую важную сторону жизнедеятельности, как иммунитет. После облучения образование антител сильно подавлено. Это очень интересная и важная область, но она лежит несколько в стороне от того, чем нам предстоит заниматься.

Изменения, изменения… Сотни, тысячи разнообразнейших изменений. Можно ли во всем этом разобраться? Да, и не так уж сложно. Дело в том, что из всех возможных нарушений существенными оказываются лишь немногие. Причин тому две. Во-первых, для некоторых изменений нужны очень большие дозы облучения. А какое значение имеет изменение молекул или структур, требующее дозы в миллион рентген, если уже тысяча является абсолютно смертельной дозой?!

И при небольших дозах облучения можно обнаружить сотни изменений. Но если получше разобраться, станет ясно, что из них очень многие несущественны. Чтобы пояснить это, проще всего обратиться к радиационной биохимии.

Трудно назвать биологически возможное вещество или биохимический процесс, на которые не пробовали бы влиять радиацией. И в большинстве случаев наблюдали какие-нибудь изменения. Однако почти всегда их обнаруживали далеко не сразу после облучения. Обычно они появлялись незадолго до смерти животного. Частенько, увы, увлекшиеся авторы делали вывод, что, мол, дескать, если это изменение наблюдается перед смертью, оно и является ее причиной. А не наоборот ли? Животное умирает… Какова бы ни была исходная причина смерти, ясно, что под влиянием общего плохого состояния организм начинает работать ненормально, выходят из строя все его физиологические и биохимические системы. Нет, изменения, которые можно заметить только перед смертью, не причина, а следствие лучевой болезни.

Бывают и обратные случаи. Какое-то изменение наблюдается сразу после облучения, вызывается небольшой дозой, но… быстро проходит. И скорее всего оно относится к категории таких, которые организм может без труда ликвидировать.

Выходит, проблема не в том, чтобы заметить изменения, вызываемые радиацией в живых организмах, а в том, чтобы из невообразимого хаоса суметь выделить действительно существенные. Нужно не только найти элементарное изменение, но и проследить звено за звеном путь от этого изменения к наблюдаемому эффекту: болезни или смерти. Такая работа ведется, и сейчас она близка к завершению. А разгадка биологической эффективности ионизирующих лучей найдена довольно давно. Отыскался путь, который раньше привел к цели.

Доктор богословия

Ионизирующие лучи — физический фактор. В основе любых биологических эффектов радиации лежит физический процесс передачи энергии облучаемому веществу. Поэтому, чтобы создать теорию биологического действия радиации, чистой биологии недостаточно. Недаром возникла уже в нашем веке новая наука — биофизика.

Теперь биофизиков готовят во многих вузах. Студентам, избравшим биофизику своей специальностью, читают лекции и по биологическим наукам, и по физике, и по высшей математике, причем физико-математические науки преподают всерьез, не так, как будущим зоологам или ботаникам. До войны никто и нигде таких специалистов не готовил. А для разгадки биологической эффективности радиации нужно знать и биологию и физику. Потому-то успех выпал на долю тех коллективов, где сложилось настоящее творческое содружество биологов и физиков, тех немногих ученых, которые в равной мере сумели постичь и биологические и физико-математические науки.

Один такой ученый жил в начале 20-х годов во Франкфурте-на-Майне. Он был профессором университета. Имя его Фридрих Дессауер.

Это был интересный человек. В поисках биографических сведений о нем я наводил справки в каталогах Всесоюзной государственной библиотеки имени В. И. Ленина — крупнейшего книгохранилища нашей страны. И вдруг — о счастье! — нахожу целую диссертацию о взглядах Фридриха Дессауера, написанную недавно каким-то западногерманским докторантом. Заказываю ее и с нетерпением жду…

Увы, это диссертация о философских и богословских взглядах Дессауера. Однофамилец? Совершенно очевидно. Но перелистываю страницы и вижу: в одной из сносок сообщается, что Дессауер занимался и радиобиологией. Неужели хорошо известный мне биолог и физик то же лицо, что и этот богослов?

Да, Фридрих Дессауер был доктором естественной философии (то есть естественных наук), почетным доктором медицины, почетным доктором богословия и доктором инженерных наук. Многовато для одного человека! Но он не был дилетантом. Ведь во всех областях он был удостоен докторской степени.

Родился Дессауер 19 июля 1881 года в городе Ашаффенбурге-на-Майне. Где он учился и где работал в начале своей деятельности, узнать не удалось, да я и не очень старался (так ли это важно?). Существенно, что в 1920 году он стал профессором университета во Франкфурте. Именно этот период его жизни для нас особенно интересен. В 1933 году он организовал при университете Институт физических основ медицины — первый биофизический институт при высшем учебном заведении — и стал его директором. Тут бы и развернуть работу, но увы…

Помимо многочисленных наук, Дессауер интересовался еще и политикой. Настолько серьезно, что с 1924 по 1933 год был членом рейхстага. Приход Гитлера к власти ученый воспринял крайне неодобрительно, причем не скрывал своих взглядов. Начались преследования со стороны нацистов, перешедшие в настоящую травлю, и профессор был вынужден покинуть родину.

В 1934 году он уезжает в Турцию и занимает кафедру в Стамбульском университете. В 1937 году становится директором физического института во Фрейбурге в Швейцарии. Лишь в 1946 году ученый вернулся во Франкфуртский университет, где и работал до своей смерти. Умер Дессауер 16 февраля 1963 года. Его имя тоже высекли на обелиске в Гамбурге, потому что и Дессауер оказался одной из жертв ионизирующих лучей. К концу жизни лицо и руки его были покрыты многочисленными шрамами — результат операций, которые пришлось перенести в связи с лучевыми поражениями.

Именно Дессауер предложил гипотезу, которая пыталась ответить на вопрос: почему при действии ионизирующих излучений на живые объекты столь малая энергия вызывает столь большой эффект? Его гипотеза тоже не была верной, но содержала, как любят выражаться философы, рациональное зерно. Оно и вошло в современную теорию биологического действия излучений.

Горячие точки

В отличие от других биологов и врачей, занимавшихся изучением биологического действия радиации, Дессауер совершенно ясно представлял себе, каким образом ионизирующие излучения отдают свою энергию веществу. Он знал, что она передается в виде отдельных порций — ионизаций. Кроме того, ему был ясен и количественный парадокс, о котором мы уже говорили: ничтожная энергия — большой эффект.

Дессауер попытался объяснить этот парадокс, подойдя к нему как физик. Он рассуждал примерно следующим образом.

Смертельной дозы радиации недостаточно, чтобы нагреть стакан воды… Но ведь и спичкой не нагреешь. А если к горящей спичке поднести палец, его сильно обожжет. Да так, что не только палец, но и сам человек будет себя неважно чувствовать. А если дело плохо пойдет, то палец, обожженный спичкой, может оказаться и причиной смерти. А в чем разница?

В первом случае тепло, даваемое спичкой, распространяется на весь объем воды, а во втором концентрируется в небольшом участке.

Дессауер вспомнил трюк, который он как-то в детстве видел на Лейпцигской ярмарке. Худенькая девица ложилась на спину, тело ее покрывали матрасиком и ставили на него тяжелую наковальню. А потом два здоровенных парня брали молоты и что есть мочи начинали бить по наковальне. Вызывали и желающих из публики. Таковые находились во множестве и изо всех сил дубасили по наковальне. Казалось, девушка должна погибнуть, превратиться в отбивную котлету… Но ничего подобного: наковальню снимали, девушка вскакивала и с очаровательной улыбкой отвешивала поклоны изумленным зрителям.

Тогда это потрясло мальчика. Но ученому-физику все понятно.

Сила удара распределяется по всей наковальне, и девушка почти ничего не чувствует. Именно наковальня ее и спасает, не будь этой наковальни, от первого хорошего удара девушка отправилась бы на тот свет.

А при биологическом действии радиации дело, вероятно, обстоит как раз наоборот. Средняя энергия на весь облучаемый объект мала, но в отдельных точках она может быть огромной. А что происходит в этих точках? Известно, что любая энергия превращается в тепло. Очевидно, и здесь в отдельных точках происходит сильное разогревание, белки свертываются, что и служит причиной всех дальнейших неприятностей.

Так в 1922 году родилась теория точечной теплоты. Но Дессауер не ограничился только высказыванием общих соображений. Любая теория должна быть проверена числом. В случае правильности теории точечной теплоты зависимость эффекта от дозы должна иметь довольно своеобразную форму.

Дессауер поручает двум своим молодым сотрудникам, Блау и Альтенбургеру, провести небольшую теоретическую работу: рассчитать, какую форму должны иметь кривые зависимости эффекта от дозы, соответствующие его теории. Зная математику, это сделать не трудно, а сотрудники, которым была поручена работа, математику знали. Не прошло и нескольких дней, как теоретические кривые вытянули свои лебединые шеи на листках миллиметровой бумаги.

И — удивительное дело — форма кривых была именно такой, какая получалась в реальных опытах. Теория доказана?! Как бы не так!

Попадание в цель

На всякого мудреца довольно простоты… Дессауер пытался разрешить количественный парадокс, считаясь с физикой лучей. Но как раз в физике и не разобрался до конца и количественный парадокс не разрешил, а только подсказал его решение.

Поглощенная энергия очень быстро рассеивается, настолько быстро, что сколько-нибудь заметного нагревания отдельных точек быть не должно. Но даже если бы такое нагревание и происходило, это не могло бы привести к существенному биологическому эффекту. Дессауер полагал, что происходит свертывание белков. Пусть так, но при дозах, которыми пользуются в биологических опытах, процент измененных молекул будет ничтожным, подавляющее большинство их останется нормальным. Чего же тут можно ждать?

Значит, от теории точечной теплоты приходится отказаться. Но она дает отличное соответствие между теорией и экспериментом! Однако это ничего не значит, ведь при выводе формул предположения о точечном разогревании вовсе не требовалось. Блау и Альтенбургер исходили из неравномерностей распределения энергии в облучаемом веществе, и только. А что с этой энергией происходит дальше: превращается ли она в тепло, изменяются ли под влиянием этого тепла белковые молекулы, сотрудников не касалось. Поэтому, хотя теория точечной теплоты и оказалась неверной, неравномерность поглощения энергии играет, очевидно, в биологическом эффекте существенную роль. Так в конечном счете и оказалось.

Года через два после Дессауера выступил со своей теорией биологического действия лучей англичанин Кроузер. Он исходил из тех же соображений о неравномерности поглощения энергии, но ничего не говорил ни о тепле, ни об изменяющихся молекулах. Его теория была гораздо более формальна. Он говорил просто об ударах. Статья Кроузера была напечатана по-английски, и то, о чем он писал, он назвал словом «хит», которое можно переводить по-разному. Это и удар, и толчок, и попадание, и успех, и удача, и даже сатирический выпад. В русской радиобиологической литературе это слово чаще всего переводят как удар, хотя, как мы увидим, точнее говорить — попадание.

Кроузер анализировал кривые и говорил: чтобы инфузория погибла сразу, она должна получить 49 ударов, а чтобы она погибла через час после облучения, достаточно 42. Но что это за удары? Очевидно, ионизации. Однако если подсчитать, сколько ионизаций получает инфузория при облучении смертельной дозой, получатся цифры в сотни и тысячи раз большие, чем дает анализ кривых. Выходит, из тысяч ионизаций большинство оказываются совершенно лишними, и только полсотни «идет в дело». Почему?

Кроузер думает и приходит к выводу, что те полсотни ионизаций, которые вызывают гибель инфузории, «попадают» куда нужно, а остальные происходят в нечувствительных частях клетки. В том-то и дело, что надо не просто «ударить» инфузорию определенное число раз, а «попасть» в уязвимое место. Именно поэтому правильнее говорить не «удар», а «попадание», так как для повреждения клетки важны не все ионизации, а те немногие, которые попали в чувствительный объем.

Но что это за чувствительный объем? Кроузер человек достаточно осторожный. Он ничего не говорит об этом, называя чувствительный объем самым общим словом «мишень». А что представляет собой мишень — догадывайтесь сами.

Именно потому, что Кроузер выразил свои мысли в самых общих словах, ничего не говоря ни о тепле, ни о белковых молекулах, против его теории трудно что-нибудь возразить.

Статистический микроскоп

Но если хладнокровный сын Альбиона старался быть как можно более осторожным, то его французский коллега Хольвек подошел к проблеме со всем жаром галльского темперамента. Вот уж кто действительно дал полную волю своей фантазии.

Что такое мишень? Совершенно ясно: чувствительный объем, необходимый для жизни клетки орган, который нужно поразить, чтобы клетка погибла. Исходя из результатов радиобиологического опыта, можно вычислить размеры этого чувствительного объема. Это нетрудно, подобные расчеты делал еще Кроузер. Но Кроузер не вкладывал в это особого смысла, а Хольвек…

Хольвек верил, что объем, который дают математические расчеты, представляет собой вполне реальный объем какого-то органа, особенно необходимого для жизни клетки. Причем именно того органа, поражение которого лучами и вызывает гибель клетки. Но что это за орган?

Казалось бы, чего проще — посмотреть клетку под микроскопом и установить, какой из ее органоидов имеет объем, в точности равный вычисленному. Ученые смотрели в микроскопы и нужного объема не находили. Значит, либо расчеты неверны, либо в них вкладывался неправильный смысл? Как бы не так! Наоборот, Хольвеку это даже понравилось.

Раз цитологи нужного объема не находят, значит не могут, не имеют необходимых средств. А чувствительный объем существует, он обнаруживается статистическими расчетами. Поэтому, говорит Хольвек, количественный анализ радиобиологических кривых может стать важным средством исследования.

Так родилась теория мишени, согласно которой биологический эффект связан с поражением чувствительных объемов. Крайнее выражение этой теории — взгляды Хольвека. Он придавал результатам расчетов абсолютное значение и называл теорию мишени «статистическим ультрамикроскопом».

Хольвек был не прав. Он исходил из очень упрощенных представлений, полагая, что в каждом объекте есть одна мишень, что она имеет совершенно четкие границы и что попадание в мишень всегда оказывается эффективным. На самом деле обычно ни одно из этих условий не выполняется, следовательно, теория мишени из статистического сверхмикроскопа превращается в кривое зеркало.

Впрочем, судите сами. Облучают рентгеновыми лучами проростки бобов. Получают кривую, обрабатывают ее математически. Оказывается, что число попаданий равно 18, а мишень — нескольким микронам. Но ведь проростки состоят из большого числа более или менее одинаковых клеток и совершенно очевидно, корешок погибнет, если убит определенный процент клеток. А расчет дает лишь одну мишень.

Абсурдность такого результата была ясна и самым горячим сторонникам теории мишени. И они попытались подойти к вопросу несколько иначе. В таком случае, как корешки, конечно, дело сводится к поражению не одной, а многих мишеней (клеток). Следовательно, нужно рассмотреть другую «математическую модель», как говорят ученые. Например: чтобы вызвать эффект, нужно попасть по одному разу в каждую из мишеней, находящихся в объекте. При этом анализ даст уже не количество попаданий, а число мишеней.

Конечно, эта «модель» не единственно возможная. Может быть, в каждую мишень необходимо попасть не один раз или для достижения эффекта достаточно поразить не все мишени и т. д. Особенно увлекались подобными моделями трудолюбивые немцы — Глокер, Зиммермайер, Денцер и другие.

Результат всех этих упражнений был неутешительным, но очень важным. Оказалось, что при разных предположениях могут получаться совершенно одинаковые кривые. Например, реакция пяти попаданий в каждую из четырех мишеней дает кривую, которую невозможно отличить от кривой двенадцати попаданий в одну мишень; кривую двадцати двух попаданий в одну мишень — от пяти попаданий в шестнадцать мишеней и т. д. Выходит, анализ кривых не может привести к однозначным выводам о числе попаданий и количестве мишеней.

Значит ли это, что теория мишени — абсурд? Не будем спешить, чтобы «с грязной водой не выплеснуть ребенка». Хотя выводы и не однозначны, но кривые отлично соответствуют результатам опытов. В основе кривых лежит представление, что лучистая энергия поглощается веществом в виде отдельных порций — ионизаций. Это достоверный физический факт. И если мы откажемся от теории мишени, то есть от предположения, что биологический эффект всегда есть результат поражения определенных мишеней, останется еще принцип попадания, в основу которого кладется представление о прерывистом характере поглощения лучистой энергии.

Если против первой можно очень горячо спорить, то против второго трудно что-либо возразить. Но, к сожалению, слишком часто путают теорию мишени и принцип попадания. И не мудрено. В немецком языке для теории мишени вообще нет названия, и одно и то же слово до недавнего времени применяли в двух смыслах. А сейчас, говоря о теории мишени, немцы пишут ее название по-английски. В английском же языке, хотя и существует термин для принципа попаданий, но он совершенно неупотребителен. Из-за этого оказывалось, что доводы против теории мишени распространяли и на принцип попадания.

Здесь я должен сделать очень существенную оговорку. Может показаться, что принцип попадания — хорошо, а теория мишени — плохо. Это далеко не так. И с применением принципа попадания можно понаделать невероятнейших глупостей. И теорией мишени можно пользоваться разумно. Только область применения принципа попадания шире. Вот и все. Более того, скажу по секрету, что теорию мишени можно успешно и вполне грамотно использовать с целью статистической ультрамикрометрии, совершенно так, как об этом говорил Хольвек. Только в особых случаях и с рядом предосторожностей.

Физик становится биологом

В конце 20-х годов была опубликована одна очень странная работа. Автор ее развивал теорию, из которой вытекало, что при нулевой дозе облучения (то есть вообще без всякого облучения) должно погибать 50 процентов индивидуумов. Абсурд? Безусловно. А произошло следующее. Биологу (он написал статью) пришла в голову мысль. Мысль разумная, но требовался математический анализ, нужно было вывести формулу. Биолог этого не умел делать. Он обратился в математическую фирму (есть и такие!), где ему по сходной цене сделали то, что он просил, и сделали вполне добросовестно. Но, видимо, биолог не сумел изложить свою мысль достаточно понятно для математика, и математик вывел формулу, оказавшуюся абсурдной. Чтобы понять ее абсурдность, нужно знать и биологию (ее не знал математик) и математику (ее не знал биолог).

Все большее и большее число биологических проблем требует для своего разрешения солидного знания физики, химии, математики. Простейший выход: работать вместе разным специалистам. Но они должны хорошо понимать друг друга, иначе неизбежны анекдотические случаи, вроде только что рассказанного. А лучше всего, если ученый сам хорошо знает несколько наук, как Дессауер. Ведь никого человек так хорошо не понимает, как самого себя!

Совершенно закономерно, что логически завершить идею Дессауера удалось одному из таких ученых. Этот человек, блестящий физик, переквалифицировался в самого настоящего биолога. Хотя прожил он лишь 37 лет и погиб в 1947 году, но в радиобиологии оставил такой глубокий след, что до сих пор не только нельзя написать книгу по радиобиологии без упоминания его имени, но и в повседневной работе теперь, через 20 лет после его смерти, нельзя обойтись без его трудов.

Имя этого ученого — Дуглас Эдвард Ли. Жизнь его небогата внешними событиями. Родился он в 1910 году в Ливерпуле, учился в школе, поступил в Кембриджский университет, который окончил с отличием в 1931 году. А в Кембридже существует традиция: наиболее способные выпускники-физики направляются в Кевендишевскую лабораторию, которая особенно знаменита была именно в те годы, потому что заведовал ею один из величайших физиков, Эрнст Резерфорд. И не только поэтому. В списке сотрудников лаборатории числились тогда такие ученые, как Капица, Лейпунский, Чэдвик, Кокрофт, Блеккет, и другие звезды первой величины. Вот в какую компанию попал молодой Ли. В те же годы работал там другой молодой физик, некий Сноу. Он не стал великим физиком, но весь мир знает писателя Чарлза Перси Сноу. В романе «Поиски» он описывает Кевендишевскую лабораторию.

Ли тоже не стал великим физиком. Но не потому, что у него не было способностей, и не потому, что ему не повезло. Нет, за короткое время он выполнил отличные работы о взаимодействии нейтронов с протонами, не потерявшие своего значения даже в наш атомный век. В жизни Ли роковую роль сыграла… библиотека.

Однажды на страницах физического журнала ему попалось несколько необычных для такого журнала статей — о воздействии на бактерии ионизирующими лучами. Хотя работы не имели абсолютно никакого отношения к тому, чем занимался в то время Ли, он прочел их и заинтересовался.

— Занятно, — сказал он себе, — ведь, применив в подобных опытах чуть больше физики, можно выяснить некоторые интересные вещи. Почему бы не посвятить одну-две недели бактериям?

Недели сменялись неделями, результаты, полученные в очередном опыте, требовали постановки следующего, и Ли с головой ушел в радиобиологию. Первые радиобиологические статьи попались ему в 1934 году, а уже в конце 1935 года он перешел на постоянную работу в биологическую Стренджуэевскую лабораторию (там же, в Кембридже), навсегда связав свою жизнь с радиобиологией.

Ли был талантлив и трудолюбив. Но при всем таланте и трудолюбии ему удалось бы сделать немного, если бы он работал в одиночку и оставался при этом чистым физиком. Понимая, что не только физическая, но и биологическая часть его работ должна быть на высоте, Ли обращался за помощью к биологам. По-видимому, он умел увлекать людей, потому что в числе соавторов (а большинство работ Ли — совместные) крупные биологи: ботаник Кечесайд, генетик Тодей, вирусологи Саламан и Маркхэм, микробиологи Хэйнс и Коулсон. Ли учил их современной физике, а они его — биологии. Ли постигал биологию не только по книжкам. Он понимал: чтобы ставить полноценные опыты и делать правильные выводы из получаемых результатов, нужно самому стать биологом. И он, ученик Резерфорда, сам смотрит в микроскоп, сам сортирует дрозофил, сам подсчитывает бактериальные колонии на агаровых дисках…

Именно поэтому Ли стал блестящим биофизиком — ученым, который профессионально знает и физику и биологию. В те годы такие ученые насчитывались единицами. Но это самый верный путь. В наши дни физиков, ставших почти биологами, или биологов, ставших почти физиками, много. И именно они стоят на переднем крае науки о жизни.

В 1946 году вышла в свет книга Ли «Действие радиации на живые клетки», в которой он подводил итоги своим исследованиям. До сих пор это настольная книга каждого радиобиолога. Как хорошо, что он успел ее написать!

16 июня 1947 года Ли пришел в библиотеку, где когда-то нашел статьи, так изменившие его жизнь. Как и тринадцать лет назад, он перелистывал журналы. Снова ему попалась на глаза интересная статья. Увлекшись (Ли читал ее стоя), он на что-то облокотился… Это было большое, до пола, окно. Оно оказалось незапертым…

Дуглас Эдвард Ли умер, когда ему было 37 лет. Если бы не несчастный случай — кто знает! — может, современная радиобиология выглядела бы несколько иначе.

Не так просто

Если задача имеет несколько неизвестных, для ее решения необходимо составить систему из нескольких уравнений. Когда задача берется не из задачника, а решается с помощью опытов, нужно получить достаточное количество данных, чтобы можно было составить необходимое число уравнений. Это совершенно ясно.

Но то, что в алгебре ясно и школьникам, в радиобиологии поначалу не было ясно многим ученым. Сложные закономерности биологического действия радиации они пытались постичь, анализируя лишь кривые зависимости эффекта от дозы. А ведь это примерно то же самое, что решать одно уравнение со многими неизвестными. И вполне естественно, что результаты анализа были неоднозначны. Ведь, кроме дозовых кривых, нужно было привлечь какую-то дополнительную информацию. Или, образно выражаясь, решать не одно уравнение, а систему.

Именно к этому и сводится новый подход, который Ли внес в радиобиологию. Он в своих опытах исследовал зависимость эффекта не только от дозы, но и от фактора времени, от типа излучений, от их жесткости. И благодаря этому раскрывались сложные закономерности, а выводы становились вполне однозначными.

Что же сделал Ли? Рассказать об этом не просто. Ведь его написанная лаконичным научным языком книга, в которую включены лишь наиболее существенные результаты его работ, по объему вдвое больше, чем эта. Ограничимся несколькими примерами.

Ли начал с бактерий. Это и естественно, потому что работы, которые привлекли его внимание в 1934 году и с которых все началось, были выполнены тоже на бактериях. Как и его предшественники, Ли изучил зависимость эффекта от дозы. Почти во всех случаях получались кривые одного попадания. А там, где они не получались, это можно было объяснить, например, тем, что облучались не отдельные клетки, а комочки, состоящие из нескольких клеток. Форма кривых говорила о том, что гибель бактерий связана с проходом через клетку лишь одной ионизирующей частицы.

Чтобы окончательно в этом убедиться, Ли ставит дальнейшие опыты, где применяет облучение с разной интенсивностью и исследует дополнительное влияние температуры. Оказывается, ни растягивание общей дозы во времени, ни сопутствующее воздействие температурой не влияют на процент погибающих бактерий. А независимость от фактора времени и от температуры свидетельствует о том, что бактерия убивается проходом одной ионизирующей частицы.

Но проход проходу рознь. «Один проход частицы» — это еще ничего не говорит об энергии, которая требуется для вызывания эффекта, так как при проходе частицы через клетку в ней может поглотиться разное количество энергии. Для ответа на этот вопрос Ли решил выяснить зависимость эффекта от типа и жесткости лучей.

Он рассуждал так. Допустим, для умерщвления бактерии нужна сравнительно большая энергия, скажем, энергия нескольких десятков ионизаций. В таком случае достаточную энергию может дать только очень густо ионизирующая частица. Например, альфа-частица, создающая вдоль своего пути сплошную ионизационную «колонну», всегда будет убивать бактерию. А при проходе электронов, образующихся при облучении рентгеновыми и гамма-лучами, ионизации возникают, как правило, на значительном расстоянии друг от друга. Только в самом конце пути, при торможении электрона, образуется очень короткий, густо ионизирующий «хвост», отдающий на единицу своего пути энергию, сравнимую с той, что оставляет альфа-частица. Изредка еще боковые «веточки», так называемые дельта-лучи, создают довольно густую ионизацию. Следовательно, большинство проходов электрона через клетку останутся неэффективными. Поэтому при той же дозе облучения альфа-лучи должны вызывать значительно большую смертность бактерий, чем рентгеновы или гамма-лучи, а нейтроны — занимать промежуточное положение.

Совершенно иная картина должна наблюдаться, если, для того чтобы убить бактерию, достаточно небольшой энергии, скажем, одной ионизации. В таком случае любой проход редко ионизирующего электрона оставит в клетке ровно столько энергии, сколько нужно, а от альфа-частицы клетка получит много ионизаций, большая часть которых окажется избыточной. Но при определении дозы учитывается вся энергия. Поэтому при альфа-облучении, где большая часть энергии тратится «зря», эффект при той же дозе должен быть меньше, чем при использовании рентгеновых лучей.

Опыты показали, что при облучении бактерий наиболее эффективны жесткие (то есть особенно редко ионизирующие) рентгеновы лучи, затем идут мягкие рентгеновы лучи, нейтроны, альфа-частицы. Поэтому можно сказать, что смерть бактерии вызывается небольшой энергией. А более точные расчеты, проведенные Ли, показали, что для этого достаточно энергии одной ионизации.

Видите, сколько опытов понадобилось только для того, чтобы получить какие-то сведения о механизме действия радиации — не на слона, не на кукурузу, а на микроскопическую бактериальную клетку! А ведь многие пытались даже при облучении многоклеточных организмов ограничиваться анализом кривых доза — эффект.

Умерла ли бактерия?

Что значит убить бактерию? Хотя мы только что довольно много говорили о смерти бактерий, вызываемой облучением, ответить на этот вопрос не так просто. Дохлую лошадь или собаку нетрудно отличить от живой. Слишком много признаков помогают нам сделать это. А как отличить живую бактериальную или, скажем, дрожжевую клетку от «дохлой»?

В опытах Ли, о которых мы только что рассказывали, применяли методику, обычную для микробиологических опытов. Определенное число бактерий сеяли на стерильную питательную среду и ставили в термостат, где поддерживается благоприятная для развития температура. Через некоторое время подсчитывали число колоний, которые видны простым глазом. Каждая из них, представляющая собой округлое пятно, состоит из потомков одной клетки. Вычитая из числа посеянных клеток число колоний, получим число погибших клеток.

Но разве погибли те клетки, которые не дали колоний? Ведь мерина или мула не считают дохлыми только потому, что они не дают потомства. А если мы облучим бактерий дозой радиации, вызывающей практически полную потерю способности к образованию колоний, и изучим биохимическими методами, то увидим, что эти клетки почти полностью сохранили способность дышать и усваивать питательные вещества. Чтобы лишить бактерию этих свойств, необходимы гораздо большие дозы. А исследовав бактерий под микроскопом, мы увидим, что они не потеряли даже способности к росту. Клетки вытягиваются в длинные нити.

Можно подойти к вопросу и иначе. Облучить клетки, пересчитать их и поместить в условия, где они могут жить, не размножаясь. Подсчитав число клеток через некоторое время, мы увидим, что их стало меньше. Часть клеток лизировалась, или, попросту говоря, растворилась. Причем это не просто влияние среды. Ведь число контрольных не облучавшихся бактерий не изменилось. Лизис — это, конечно, смерть бактерии, но чтобы его вызвать, нужны колоссальные дозы, совершенно не сравнимые с теми, которые подавляют способность к размножению.

Вопрос этот не новый, и сталкиваться с ним приходится вне всякой связи с лучами. С ним, в частности, имеют дело при борьбе с болезнетворными микробами. Есть средства, вполне надежно уничтожающие бактерий, например огонь, которым широко пользуются при стерилизации. Наиболее распространенные дезинфекционные средства, вроде карболовой кислоты, тоже убивают бактерий. Но подобные сильные средства нельзя применять для лечения людей. Медицине известно сейчас большое количество противобактериальных средств, в первую очередь антибиотики и сульфамиды. Но известно ли вам, что они бактерий не убивают? Они только лишают бактерий способности размножаться. А с теми, которые уже есть, организм обычно легко и сам справляется.

Что для нас более интересно: лизис или потеря способности к размножению? Конечно, второе. Ведь для лизиса требуются столь высокие дозы, что для радиобиолога они почти не представляют интереса. Они изменяют заметный процент молекул, и ничего необычного в такой гибели, так же как и в вызываемой огнем или кипятком, нет. А гибель, под которой мы понимаем потерю способности к размножению, действительно интересна. Ведь она вызывается совершенно ничтожной энергией — одной ионизацией, что даже для микроскопической бактерии является очень малой величиной.

То обстоятельство, что «гибель» бактерии — следствие одной-единственной ионизации, представляется действительно удивительным. Уж не в том ли здесь дело, что внутри бактерии есть какая-то особо важная мишень, о которой писал Хольвек?

Колебания маятника

Бактерии интересовали Ли не сами по себе. Ставя на них опыты, он хотел постичь общие законы действия ионизирующей радиации на живые организмы. И поэтому работал не только на бактериях. Таким образом, можно было выяснить, какие закономерности носят общий характер, а какие нет. Кроме того, сравнивая, скорее можно найти истину.

Ли ставил опыты и с вирусами, с бактериофагами, и с мухами, и с пыльцой растений, даже с растворами химически чистых веществ. Он интересовался экспериментами с яйцами морских ежей и с культурами тканей.

Закономерности, приводящие к потере способности размножаться и к гибели, оказались одинаковыми независимо от происхождения клеток. Растения, животные и микроорганизмы, одноклеточные и клетки, входящие в состав сложных организмов, реагируют на облучение очень сходным образом. Следовательно, механизм действия лучей во всех случаях одинаков.

Но к чему он сводится? Ли пришел к выводу, что в основе наблюдаемого эффекта лежит «попадание» в наследственный аппарат клетки. При этом вовсе не нужно, чтобы в клетке была одна мишень. Облучение может произвести в бактериальной клетке любое из многих сотен наследственных изменений, которое сделает ее потомство нежизнеспособным. Чтобы прийти к такому выводу, Ли потребовалось использовать факты, накопленные радиационной генетикой, которая ко времени работ Ли уже была неплохо развита и с которой скоро познакомимся и мы.

А пока придется сделать отступление и поговорить не о биологии, а о химии. У радиобиологии есть «сестра» — радиационная химия, наука о химических превращениях, вызываемых ионизирующими лучами. В наше время эта наука очень важна. Не зная, как радиация действует на те или иные материалы, нельзя построить ни атомного реактора, ни атомного ледокола. Однако этой наукой занимались и раньше. Очень часто так бывает: исследуют ученые что-то интересующее их с теоретической точки зрения, а потом оказывается, что они закладывали научный фундамент для решения важнейших практических проблем.

Еще в середине 20-х годов немецкий ученый Фрике (в начале 30-х годов, как и многие другие, покинувший Германию) изучал действие радиации на водные растворы различных веществ. Он получил результаты, которые было трудно объяснить. Чего, например, следует ожидать при изменении концентрации облучаемого раствора? Казалось бы, при облучении постоянной дозой процент измененных молекул меняться не должен, а общее число их будет возрастать пропорционально концентрации. Ничего подобного: число измененных молекул оставалось постоянным, а их процент с повышением концентрации падал!

В чем дело? Фрике подсчитывает, сколько молекул растворенного вещества может быть ионизировано при данной дозе, и получает парадоксальный результат: количество измененных молекул во много раз больше возможного числа попаданий в них. Создается впечатление, что эффект оказывают попадания не только в растворенные молекулы, но в молекулы растворителя, воды. Странно…

А почему, спрашивается, странно? Может, под влиянием облучения молекулы воды как-то активизируются и реагируют с молекулами растворенного вещества. Именно такое предположение и сделал Фрике. Он выдвинул гипотезу, согласно которой под влиянием облучения образуется активированная вода (что это такое — неизвестно), которая и изменяет растворенные молекулы. Эта гипотеза хорошо объясняла и концентрационную зависимость и другие непонятные результаты.

Тогда же Фрике предположил, что тот же механизм может играть роль и в радиобиологии. Ведь все живые ткани содержат огромное количество воды. Может быть, и при облучении живых организмов наблюдаемый эффект вызывается активированной водой. Такой механизм стали называть непрямым действием радиации в отличие от прямого, вызываемого непосредственным попаданием.

Не так давно в одной из обзорных статей по радиобиологии мне попались на глаза слова: «За последних два-три года маятник снова качнулся в сторону признания ведущей роли прямого эффекта радиации». До чего метко сказано! В течение нескольких десятилетий этот маятник все время колебался то в одну, то в другую сторону, причем амплитуда была огромна — от полного отрицания прямого эффекта до полного отрицания непрямого.

Крайние точки зрения редко бывают справедливыми, и, конечно, истина лежит где-то между ними. Следует прежде всего сказать, что гипотеза Фрике полностью подтвердилась: непрямое действие существует, так же как и активированная вода. Природа активированной воды выяснилась уже в послевоенные годы, главным образом в работах английского химика Джозефа Вейса. Оказалось, что под влиянием облучения молекулы воды распадаются на гидроксильный радикал и водородный атом (именно атом, а не молекулу водорода). Оба эти продукта химически высокоактивны; первый из них — окислитель, а второй — восстановитель. Ясно, что они могут вызывать великое множество реакций. Но какую роль эти реакции могут играть при облучении новых клеток — другой вопрос.

На этот вопрос умозрительно ответить нельзя. Нужны факты. А факты говорили то одно, то другое. Поэтому маятник и качался то в одну, то в другую сторону. Но теперь уже ясно, что прямое действие, непосредственное попадание, играет в биологическом эффекте облучения очень большую роль. С этим вряд ли можно спорить. Ясно, что и непрямое действие тоже играет роль. Но какова она, соизмерима с ролью прямых эффектов или пренебрежимо мала, какое конкретное место занимают эти эффекты в общей картине лучевого поражения — об этом ученые еще спорят.

Глава IV

До седьмого колена

В наследственность верит не всякий,

Но белая, бывшая в браке

С одним из цветных,

Родила шестерых —

И белых, и черных, и хаки.

С. Маршак

Дети отвечают за родителей

— Кровь его на нас и на детях наших! — кричала разъяренная толпа, требуя казни и принимая на себя (а также возлагая на своих потомков) ответственность за нее.

— Да будете прокляты вы и дети ваши до седьмого колена! — визжали бесноватые пророки.

Ох и любили в древности заставлять потомков (чаще всего именно до седьмого колена) отвечать за грехи предков. В наше время существует юридическая формула: «Дети за родителей не отвечают». Так говорит закон. Но так ли на самом деле?

Человек женился на двоюродной сестре. Оба были вполне нормальными людьми, а ребенок родился уродом. Врачи сказали, что это наследственное заболевание, пока еще неизлечимое. Но ведь оба супруга нормальны?! Их родители, бабушки и дедушки, тоже были нормальными людьми. Вина на каком-то одном непутевом прапрадеде, гены которого попали в обоих супругов. Находясь в единичном числе у каждого из родителей, они «дремали», а встретившись в ребенке, сделали свое черное дело.

Но ведь дети не должны отвечать за родителей! Да, не должны. И потому правительства не должны нарушать закона о неприменении ядерного оружия. А простые люди не должны нарушать кодекса законов о браке, запрещающего браки между близкими родственниками.

В мире животных и растений мудрая природа кропотливо исправляет ошибки наследственности. Великий естественный отбор, значение которого было открыто Чарлзом Дарвином более столетия назад, уничтожает уродов, больных, даже просто менее приспособленных.

У человека этого нет. Человек не треска, которая мечет миллион икринок, чтобы из миллиона мальков выжила лишь пара наиболее полноценных. А теперь врачи спасают и таких детей, которые не смогли бы выжить, если бы родились несколько десятилетий назад.

…Два события ознаменовали V Международный генетический конгресс, происходивший в 1927 году в Берлине. Русский ученый Сергей Сергеевич Четвериков сделал доклад «О некоторых моментах эволюционного процесса с точки зрения современной генетики». Эта работа накрепко связала воедино генетику и эволюционное учение. Брак оказался счастливым. До сих пор ученые в разных уголках мира успешно работают в направлении, основы которого заложил доклад Четверикова.

Если в докладе Четверикова заключался союз между генетикой и эволюционным учением, то в докладе американского генетика Германа Меллера состоялось сватовство между генетикой и физикой. Меллер рассказал, что ему удалось искусственно изменить наследственность. Опыты ставились на плодовой мушке дрозофиле, которую облучали рентгеновыми лучами. Число наследственных изменений после этого возросло в десятки раз.

Почти одновременно с Меллером и независимо от него такие же результаты получил его соотечественник Стадлер. Но в отличие от Меллера он экспериментировал с культурными растениями.

Открытие Меллера имело не менее далекие последствия, чем открытие Четверикова. Ведь безуспешных попыток искусственно воздействовать на наследственность было столько, что кое-кто уже считал это невозможным. А применение ионизирующей радиации открыло дверь за семью печатями, которая вела в святая святых живых организмов.

Минули годы, ионизирующие лучи вошли в жизнь людей. С их влиянием на наследственность человечеству нужно считаться.

Грядка в монастырском дворе

Профессор Дрелинкур тщательно перечислил и обсудил в своем научном трактате все известные ему теории, пытавшиеся ответить на простейший, казалось бы, вопрос: почему дети похожи на родителей? Дрелинкур был весьма трудолюбив: число рассмотренных им генетических теорий составило ни много ни мало двести шестьдесят две. Итог был неутешительным: все они неверны, единственно правильная — двести шестьдесят третья теория, разработанная самим Дрелинкуром. Однако и она оказалась столь же неверной, как и все остальные, а имя автора ныне забыто всеми, кроме историков.

Это случилось не в античное время и не в средние века, а всего лишь в XVII столетии. Много было генетических теорий, которые ныне могут вызвать только улыбку. Как часто, например, находились люди, не согласные с мудрым правилом «что посеешь, то и пожнешь». Они считали, что соответствующие условия или надлежащее воспитание могут превратить рожь в пшеницу, а пшеницу в ячмень. Такие сказки рассказывал в середине XIII века Альберт Великий. Но, увы, то же пытались утверждать в середине нашего, XX века некоторые обладатели ученых дипломов и даже носители почетных званий. Эти люди живы, и я не буду называть их имен, так как, честно говоря, не знаю, кто продолжает придерживаться таких взглядов, а кто их оставил под воздействием изменившихся условий…

И сейчас, особенно среди не имеющих отношения к науке, есть люди, придерживающиеся абсурдных взглядов на наследственность. А сто лет назад вообще не было людей, которые бы на наследственность смотрели правильно. Впрочем, я не совсем точен, один человек был. Один-единственный. Но одна ласточка не делает весны.

Все ученые еще сто лет тому назад смотрели на наследственность как на смешение. От тех времен до наших дней дошли выражения: чистокровный, полукровка, кровосмешение… Некоторые сохранились не только в обыденной речи, но и в научной литературе.

Такие представления казались вполне естественными. Действительно, проще всего предположить, что потомки представляют собой что-то среднее по сравнению с родителями. Да и повседневные наблюдения как будто подтверждают это: ведь дети в равной степени походят и на мать и на отца. Но на самом деле наследственность — вовсе не смешение.

Законы генетики говорят, что наследование признаков родителей идет по совсем другим правилам. А законы эти стали известны лишь в самом начале нашего века. Как раз в 1900 году трое ученых независимо друг от друга опубликовали три очень похожие статьи, в которых описывались закономерности появления признаков у гибридных потомков. Имена этих ученых: Де Фриз, Корренс и Чермак. Их открытие сразу стало известно ученому миру, потому что большинство биологов ждали ответа на волновавший их вопрос. Но тогда же выяснилось одно прелюбопытнейшее обстоятельство: кроме этих троих ученых, опубликовавших свои труды почти одновременно, был еще и четвертый…

Этот четвертый напечатал свою статью далеко не одновременно с остальными. Он сделал это на 35 лет раньше! И что самое удивительное, он не был профессиональным ученым. Он был монахом…

Многие, вероятно, догадались, что речь идет о Грегоре Менделе. Когда генетику называли лженаукой, то любили писать о том, что ее основы заложил «австрийский монах Мендель» или даже «немецкий поп Мендель». Теперь пишут о «чешском ученом Менделе». Как ни странно, и то и другое соответствует истине. Иоганн Мендель (Грегором он стал после пострижения) родился в чешской семье. Но ведь Чехия входила в те времена в состав Австро-Венгерской империи Габсбургов. Он был прирожденным ученым, с детства хотел посвятить себя науке, много занимался и добился выдающихся успехов. Но (теперь это может показаться странным) для Менделя единственный путь в науку лежал через монастырь.

Сын крестьянина, он не имел средств для завершения высшего образования. Став монахом, смог и учиться, и учить, и заниматься научными исследованиями. Нельзя забывать, как стремительно развивается человеческое общество и как изменяется в нем роль науки. Это сейчас, да и то далеко не во всех странах, молодой человек, желающий посвятить себя науке, может поступить в университет, потом в аспирантуру, и в течение всего этого времени государство будет платить ему, чтобы он мог заниматься только учебой.

А ведь были времена (правда, тогда и Мендель еще не родился), когда «миряне» вообще не имели права заниматься наукой. Для этого нужно было стать монахом. Ведь и Ньютон был монахом. Но почему-то никогда не писали, что законы механики открыты «английским монахом». А вот про Грегора Менделя пишут, как и про Бертольда Шварца — изобретателя пороха.

Итак, первый человек, пришедший к научным представлениям о наследственности, был Грегор Мендель (в миру Ян, или, на немецкий манер, Иоганн). Чех, родившийся в Австро-Венгрии. Ученый, работавший в монастыре. Видимо, он был гением, если, получив довольно скромное образование и располагая неважными условиями для работы, смог открыть законы наследственности, опередив свое время на 35 лет. Да, он был гением. Он пришел к своему открытию отнюдь не случайно, а методика его опытов и анализ результатов настолько совершенны, что и теперь, спустя столетие, их можно ставить в пример.

Мендель сеял на грядках в монастырском дворе разные сорта гороха, скрещивал их и смотрел, как выглядят гибридные потомки. Многие ставили похожие опыты и раньше, но никто не открыл законов наследственности. В отличие от своих предшественников Мендель изучал наследование не «общего облика», а отдельных признаков. Настолько простым это кажется теперь, и насколько необычным был такой подход сто лет назад. Для скрещиваний ученый брал растения, отличающиеся только одним признаком: формой горошины, ее цветом, длиной стебля, окраской цветка…

Вторая особенность опытов Менделя состояла в том, что он ставил количественные опыты, а не ограничивался, как многие другие, рассмотрением потомков одной пары растений. Например, скрещивая растения с морщинистыми и с гладкими семенами, он получил от 253 гибридов 7324 горошины и каждую внимательно рассмотрел. И так было с каждым признаком, который изучался. Подобных опытов тогда никто не ставил.

И трудолюбие Менделя было вознаграждено. При исследовании столь обширного материала сразу обнаружилась закономерность. Так, при скрещивании растений с морщинистыми и гладкими семенами все потомки дали гладкие семена. Уже это показывало, что нет никакого смешения, а один признак явно доминирует над другим. Если же гибриды первого поколения скрещивались друг с другом, то во втором поколении наблюдались и гладкие и морщинистые семена, причем первых было втрое больше.

Такая же картина получалась и с другими парами признаков: полное доминирование одного над другим в первом поколении и расщепление признаков во втором в соотношении 3:1. Эти опыты позволили сформулировать два закона: закон доминирования и закон расщепления. Эти законы, справедливые не только для гороха, но и для всех живых существ на нашей планете, теперь во всем мире называют законами Менделя: первым и вторым. А всего законов Менделя три.

Третий касается скрещиваний между формами, отличающимися более чем одной парой признаков. Закон независимого расщепления (так его называют) гласит, что отдельные признаки наследуются независимо друг от друга.

К таким выводам пришел Мендель в результате своей многолетней почти каторжной работы. Ведь помощников у него не было. Даже грядки он вскапывал собственными руками. К тем же выводам пришли три других ученых спустя 35 лет. А потом десятки и сотни ученых поставили опыты на разнообразнейших растениях и животных, изучили наследование признаков у человека и подтвердили универсальность «гороховых законов». Но не это самое главное.

Самое главное

Если бы Мендель только открыл законы Менделя, и тогда его имя навсегда осталось бы в науке. Однако он сделал гораздо больше. Он разработал гипотезу, которая объясняла, почему при скрещиваниях признаки наследуются именно так, а не иначе. Причем гипотеза оказалась совершенно правильной, хотя Мендель пришел к ней в то время, когда живая клетка была почти не изучена. Ведь и открыли-то клетки незадолго до этого.

Гипотеза Менделя сводилась к тому, что каждый признак определяется специальным материальным наследственным зачатком («фактором», как их назвал сам Мендель) и что в каждой клетке находится по два экземпляра факторов каждого сорта. При скрещивании зародыш получает по одному фактору каждого сорта от отца и по одному от матери.

Эти простые предположения объясняли все результаты, полученные Менделем в его многочисленных опытах. Гипотеза, предложенная Менделем, оказалась справедливой, превратилась в теорию. Теперь менделевские факторы называют генами (это имя они получили в начале XX века), и ученые довольно хорошо знают их строение и химический состав.

Человеку, незнакомому с историей науки, вероятно, трудно себе представить совершенную удивительность работы Менделя. Дело не только в том, что гены — тончайшие структуры живой клетки, в которой и гораздо более грубые детали не были еще известны, но и в том, что Мендель применил в своей работе математический анализ — подход, совершенно неслыханный для биологов прошлого века.

Не удивительно, что в 1865 году, когда Мендель обнародовал свою работу, на нее никто не обратил внимания и она пылилась на библиотечных полках до конца века.

В последнее время популярны фантазии о «пришельцах» с других планет или из других времен, оставляющих какие-то следы. Чем работа Менделя не тема для любителей таких фантазий? Ведь ничего не стоит доказать, что без посторонней помощи подобную работу в середине прошлого века по целому ряду причин выполнить было невозможно.

Но гипотеза о «пришельцах» не нужна. Достаточно лишь верить в безграничную силу человеческого разума и воздавать должное наиболее выдающимся его носителям. Они этого заслужили.

Атомы жизни

Знаете ли вы, что такое папиллярные линии? Эти линии, покрывающие тончайшим узором подушечки наших пальцев, у всех людей различны, что очень помогает криминалистам. Расстояние между линиями настолько мало, меньше половины миллиметра, что они едва различимы невооруженным глазом.

Что живые организмы состоят из клеток, нет надобности повторять, это все знают. Но мало кто, даже из видевших клетки под микроскопом, представляет себе, насколько они малы. Между двумя папиллярными линиями умещается примерно от 20 до 50 клеток! Причем клетки, покрывающие поверхность нашего тела, относятся к числу крупных.

Нам трудно осознать величину больших чисел. Как часто мы говорим слово «миллион». А помните, когда Остап Бендер получил, наконец, миллион рублей, к которому так стремился, то просто не смог его истратить. Если увеличить в миллион раз человека, то, распластавшись на земле, он протянется от Крыма до берегов Финского залива! А миллиард — тысяча миллионов…

И я боюсь, что если скажу: человеческий мозг состоит из 15 миллиардов клеток, мало кто сможет ясно осознать, как это много или, с другой стороны, насколько мелки клетки. Должен признаться, что и я вполне ясно, зрительно, не очень-то представляю эти величины. Приходится сравнивать. Но и это не просто. Можно сказать, что клеток в мозгу примерно раз в пять больше, чем людей на Земле. Но вы представляете себе население нашей планеты?

А понять, что клетки малы — очень важно. Пусть даже останется не совсем ясным, насколько они малы, достаточно помнить, что они очень-очень малы, меньше всего того, с чем нам приходится иметь дело.

Это нужно, чтобы представить себе всю тонкость сложной клеточной организации. Организм человека достаточно сложен. Во всяком случае, мы им очень гордимся, считая почти верхом совершенства. Но ведь человек, как любое другое живое существо, вырастает из одной-единственной клетки — оплодотворенного яйца. И все наследственные признаки организма, вся информация о его строении, свойствах, развитии заложена в этой клетке, точнее, в небольшой ее части.

Живая клетка — мешочек, заполненный вязкой жидкостью. В этой жидкости, протоплазме, плавают мелкие частички — митохондрии и микросомы (в них-то и происходит большая часть процессов, которые называют обменом веществ). Среди них, окруженное тончайшей оболочкой, находится ядро клетки, также заполненное жидкостью, похожей на протоплазму. А в этой жидкости, кариоплазме, плавают тончайшие нити. Их называют хромосомами, и с ними нам частенько придется встречаться в дальнейшем.

Число хромосом в клетках разных видов организмов может быть очень различным. Так, в клетках лошадиной аскариды лишь по одной паре хромосом, у растения Гаплопапус грацилис — две пары, а у некоторых птиц или бабочек число их может достигать нескольких сотен. В клетках человека содержится по 23 пары хромосом.

Двадцать три пары, то есть сорок шесть штук. Но их действительно 23 пары, потому что в каждой клетке содержится по две хромосомы каждого сорта. Не ассоциируется ли это с менделевскими гипотетическими факторами (теперешними генами)? Пожалуй. И это не случайно, хотя хромосомы и гены — далеко не одно и то же.

Итак, каждая клетка содержит удвоенный набор хромосом. Но это не совсем так, потому что есть одно исключение из общего правила. Это исключение — зародышевые клетки. Клетки размножаются путем деления. Делению предшествует удвоение числа хромосом. Поэтому в каждой новой клетке оказывается то же самое, всегда постоянное число хромосом. Но при созревании половых клеток одно из делений происходит довольно своеобразно, в результате чего в зрелую клетку попадает только половинный, точнее — одиночный набор хромосом.

Оплодотворение, предпосылка для возникновения нового организма, состоит в слиянии двух половых клеток: мужской и женской. Поэтому в оплодотворенном яйце — зиготе, зачатке будущего организма, восстанавливается нормальное, парное число хромосом. Естественно, что один из членов пары всегда оказывается полученным от матери, другой — от отца. И снова мы видим, что хромосомы ведут себя точно так же, как гипотетические менделевские факторы (гены).

Но, конечно, ставить знак равенства между генами и хромосомами нельзя. Ген определяет один признак. У человека 23 пары хромосом. Но разве все наши свойства можно свести к 23 признакам? Вот если мы скажем, что все гены (а их несколько тысяч) находятся в хромосомах, то будем гораздо ближе к истине. Действительно, ген — это небольшой участок хромосомы.

Клетки, мельчайшие частицы живого, атомы жизни, хотя и состоят из многих миллиардов атомов, все же очень малы. И тем не менее эта крупинка, этот микроскопический мешочек, наполненный вязкой жидкостью, — хранилище полной информации о наследственных свойствах взрослого организма!

Атомы наследственности

Только что мы говорили о малой величине живых клеток. Но среди этих микроскопических пузырьков встречаются и исключения. Например, иногда я на завтрак съедаю две клетки и бываю сыт до обеда. Вы, конечно, догадались: это яйцеклетки курицы, куриные яйца. Яйцеклетки, женские половые клетки, вообще отличаются гигантскими размерами. Мужские же клетки, сперматозоиды, наоборот, относятся к числу самых мелких. У человека яйцо по сравнению с куриным невелико, оно составляет в поперечнике всего лишь около десятой доли миллиметра. Однако по своему объему превышает мужскую клетку в 80 тысяч раз. У курицы это соотношение — около триллиона, у страуса — еще больше…

Но как же согласовать такое несоответствие в размерах с тем общеизвестным фактом, что потомки в равной мере похожи на обоих родителей? Действительно, если бы наследственными свойствами обладало все вещество клетки, то все люди и другие животные практически были похожи только на своих матерей.

Если сравнивать объем не клеток, а клеточных ядер, то разница между мужскими и женскими половыми клетками окажется гораздо меньше. А вот объем, занимаемый в этих клетках хромосомами, в точности одинаков! И это обстоятельство (наряду со многими другими) служит одним из веских доводов в пользу того, что гены, материальные носители наследственности, находятся действительно в хромосомах.

Но что же представляют собой гены, эти удивительные атомы наследственности?

В рассказах о приключениях Шерлока Холмса и его многочисленных подражателей нас привлекает не то, что злодея он находит. Ведь если бы он просто застал виновного на месте преступления, результат был бы тот же, но об этом не стоило бы писать. Нас восхищает в этих рассказах то, что Холмс приходит к правильным выводам на основании анализа косвенных улик, иногда даже очень косвенных.

Это же влечет многих людей в науку. У кого из нас в детстве не вызывал зависти и восторга рассказ о том, что Леверрье открыл Нептун, не глядя в телескоп, сидя в своем кабинете? И не только открыл новую планету, но и точно указал место на небосводе, где ее следует искать.

История изучения гена полна подобных подвигов. Так, американский биолог Томас Гент Морган вместе со своими немногочисленными сотрудниками, не видя генов, не зная, что они представляют собой с химической точки зрения, смог сказать, как именно расположены они в хромосомах, где именно находится определенный ген, ответственный, например, за цвет тела или форму глаз.

Крылатая «морская свинка»

«Когда мы раскупорили одну из бутылок, то в первом стакане обнаружили трех утонувших мух, — так начал свой рассказ Вениамин Франклин, известный ученый и политический деятель. — Я когда-то слышал о том, что утонувшие мухи оживают под лучами солнца, и потому предложил поставить с ними опыт. Мы выставили их на солнце, на том же ситечке, с помощью которого выловили их из стакана, и стали наблюдать. Меньше чем через три часа две из них стали постепенно возвращаться к жизни».

Мухи, о которых шла речь, вне всякого сомнения, те самые мушки, которые способствуют превращению виноградного сока в вино, занося в него винные дрожжи. Правда, та же мушка и портит вино, помогая ему превратиться в уксус. Ее именуют плодовой, или уксусной. А научное название этой мушки — дрозофила, что по-гречески означает «любящая росу».

Так, еще в позапрошлом веке дрозофила была впервые использована в качестве «морской свинки» — объекта для проведения биологических опытов. В начале этого века Томас Гент Морган избрал дрозофилу в качестве объекта для генетических исследований, причем выбор оказался исключительно удачным.

Морган начал ставить на ней генетические опыты около 1910 года, и до сих пор дрозофила остается одной из любимейших «морских свинок» генетиков. Почему? Эта мушка мала, но не слишком мала, чтобы ее нужно было рассматривать в микроскоп, — достаточно простой лупы. Она неприхотлива, легко размножается в лаборатории. Но самое ценное — скорость размножения. Поколения у дрозофилы могут чередоваться каждые две недели, а одна пара мух дает по нескольку сотен потомков. Конечно, на таком объекте можно быстро получить очень большой материал. А объем материала — это точность выводов.

Морган делал в общем то же, что и Мендель; ставил скрещивания и исследовал гибридное потомство. Но если Менделя интересовали наиболее общие законы, то Морган искал отклонений от них. Стоит заметить, что Морган, ставший уже известным ученым к тому времени, когда заинтересовался генетикой, вначале был ее недоброжелателем. Он не разделял восторга окружавшей его молодежи в связи с переоткрытием законов Менделя. И опыты начал в какой-то мере для того, чтобы опровергнуть эти законы.

Но он был хорошим экспериментатором и честным ученым. В результате своих работ он не только убедился в полной правоте Менделя, но, кроме того, смог сделать и значительный шаг вперед. Этот шаг — создание хромосомной теории наследственности.

Морган вместе со своими талантливыми сотрудниками — Меллером, Стертевантом и Бриджесом доказали, что гены действительно находятся в хромосомах. Мало того: они выяснили, что гены в хромосомах расположены линейно, то есть следуют один за другим. Иногда хромосому предлагают рассматривать как бусы: нить, на которую нанизаны шарики. Каждый шарик — ген. Это, конечно, не совсем точно, но не так уж далеко от истины.

Но и этого мало. «Четыре разбойника», как назвали генетики Моргана и его друзей, продолжая опыты с дрозофилой, смогли разработать методы нахождения тех точек, где расположены определенные гены. Например, ген, ответственный за цвет глаз, находится на самом конце первой хромосомы дрозофилы. Неподалеку от него — ген, ведающий окраской тела, а ген, контролирующий форму глаз, — почти что на противоположном конце. Ген, от которого зависит нормальное образование поперечной жилки на крыльях, находится в маленькой, еле заметной в сильный микроскоп четвертой хромосоме. И так далее. Ученые локализировали сотни генов плодовой мушки. Излишне говорить, что те же методы применимы и к другим организмам.

Итак, исследователи научились находить то место, где расположен любой заинтересовавший их ген. Но в те времена никто не видел гена, никто ничего не знал о его физической и химической природе. Подобно тому как Леверрье, не видя Нептуна, определил, где он должен располагаться на небосводе, так и Морган, не видя генов, точно указывал их место в хромосомах. И заметим, совершенно правильно.

Вы присутствуете при открытии

Следующая задача, вставшая перед учеными: научиться изменять гены. Хотя это долго не удавалось, особых оснований считать гены неизменными не было. Большинство генов известны в нескольких разновидностях. И у растений гороха, которые скрещивал Мендель, гены несколько различались: у одного растения ген обусловливал гладкую поверхность семян, у другого — он же — морщинистую. Наследственные изменения генов, или, как их называют, мутации, широко распространены в природе. Время от времени они возникают у всех живых организмов без каких-либо внешних воздействий. Но хотя появляются они и крайне редко, значение их велико. Если бы не существовало естественных мутаций, не было бы и генетики — науки о наследственности. Все представители одного вида походили бы друг на друга больше, чем близнецы. А не было бы различий, нечего и сравнивать. Если бы не было мутаций, не существовало бы и высоко развитой жизни на нашей планете, так как именно мутации дают материал для эволюции организмов.

И вот, наконец, в 1927 году ученый мир узнал, что мутации можно вызывать и искусственно. Однако теперь, когда пишут об открытии действия ионизирующих лучей на наследственность, упоминают, что на два года раньше то же открытие сделали двое ленинградских ученых — Георгий Адамович Надсон и Григорий Семенович Филиппов. В 1925 году они, как известно, опубликовали первые работы о возникновении наследственных изменений у дрожжей под влиянием излучений радия.

Перед тем как начать писать эту главу, я решил просмотреть статьи Надсона. Вот самая старая из его радиобиологических работ, «О действии радия на дрожжевые грибы в связи с общей проблемой влияния радия на живое вещество». Она напечатана в самом первом номере журнала «Вестник рентгенологии и радиологии», основанного Неменовым. На журнале дата: 1920. Статья занимает почти сто страниц большого формата. Много места уделено подробнейшему обзору литературы, которая теперь безнадежно устарела. Говорится и об опытах по радиобиологии дрожжей, начатых Надсоном и его сотрудниками. Должен сознаться, раньше я эту статью не читал. Зачем? Ведь существуют более лаконичные последующие публикации того же автора, основанные на большем материале. Впрочем, статью, видно, почти никто внимательно не читал. Сейчас мне это совершенно ясно.

На странице 122 черным по белому написано: «Полученный от радия импульс может передаваться клеткой наследственно (это выделено и в журнале. — Н. Л.). Иногда клетка, непосредственно радиированная, не обнаруживает никаких заметных изменений, которые выявляются лишь у ее потомков». Это опубликовано в 1920 году, в самом первом номере журнала. Но чтобы напечатать статью, ее нужно сначала написать, а чтобы написать статью, провести опыты. Совершенно ясно, что опыты были поставлены не позже чем в 1918–1919 годах.

Выходит, Надсон опередил американских ученых не на два года, как обычно считают, а почти на целое десятилетие! Почему же честь открытия обычно приписывают Меллеру, почему именно он, а не кто-нибудь другой стал лауреатом Нобелевской премии за открытие действия ионизирующих излучений на наследственность?

В том, что открытие было сделано раньше 1920 года, а первая специальная статья по этому поводу вышла в свет в 1925 году, нет ничего удивительного. Низшие грибы, в частности дрожжи, относятся к числу трудных объектов для генетического исследования, даже сейчас с ними еще не все ясно. А в начале 20-х годов ясности было гораздо меньше. Правда, Надсон был одним из крупнейших в мире специалистов по дрожжам, именно это и позволило ему провести такие опыты.

Самым главным в этих опытах было доказать, что наблюдаемые изменения наследственны. Дрожжевые клетки обычно размножаются бесполым способом — простым делением. При этом даже ненаследственное изменение может наблюдаться в обеих дочерних клетках. Правда, по мере деления клеток ненаследственное изменение будет «разбавляться» и постепенно сойдет на нет. Поэтому в опытах с дрожжами требовалось наблюдать изменения в течение многих поколений, для чего нужно больше времени. И в опытах Надсона некоторые изменения прослеживались в течение более чем сотни поколений.

Но, несмотря на это, полной уверенности, что здесь действительно произошли настоящие изменения генетического аппарата, быть не могло. Нужны дополнительные сложные исследования. Надсон осторожен и не спешит с публикацией. Даже когда он стал печатать статьи об облучении дрожжей, то предпочитал называть наблюдаемые изменения не мутациями, как принято называть наследственные изменения, а «радиорасами».

Большая часть экспериментов велась молодым сотрудником Надсона — Григорием Филипповым. Работы, как правило, публиковались совместно. После выхода в свет первой работы стало ясно, что Надсон и Филиппов открыли широкое наступление. Они ставили опыты с разными группами дрожжей и с плесневыми грибками, работали с радием и рентгеновыми лучами, исследовали не только внешние, но и биохимические признаки, имея в виду возможное практическое использование «радиорас»…

Увы, этим опытам не суждено было завершиться. Филиппов умер от туберкулеза в 1933 году, в возрасте 35 лет. Ненадолго пережил его учитель. Он погиб во второй половине 30-х годов.

Меллер для своих опытов избрал плодовую мушку — дрозофилу, бывшую в те годы самым удобным, самым изученным генетическим объектом. К тому же к середине 20-х годов уже существовало большое число специальных культур для быстрого, простого и вполне однозначного обнаружения разных типов наследственных изменений. Большой популярностью пользуется, например, культура «Си-Эль-Би», которую применяют, когда надо выявить так называемые рецессивные леталии (то есть мутации, вызывающие гибель организмов, но при возникновении находящиеся в скрытом состоянии). С помощью этой культуры можно обнаруживать изменение не какого-нибудь одного, а всех генов, находящихся в так называемой половой хромосоме, что составляет около 20 процентов генов дрозофилы.

И методика работы с культурой «Си-Эль-Би» предельно проста. Исследуемых самцов скрещивают с самками из этой культуры и смотрят, есть ли во втором поколении самцы. Если у «дедушки» в соответствующей хромосоме была мутация, то при таком скрещивании наблюдаются только «внучки» и ни одного «внука». Не правда ли, просто? Мало того, такие эксперименты в отличие, например, от опытов с дрожжами совершенно ясно говорят о том, что в хромосоме произошло наследственное изменение.

Герман Меллер применил именно культуру «Си-Эль-Би» (кстати, он же и был ее автором). Не приходится удивляться, что хотя он начал опыты значительно позже Надсона и Филиппова, но довел их до победного конца раньше. Ведь даже сам Надсон не был вполне уверен, что у него получались истинные наследственные изменения. А данные Меллера не оставляли в этом никакого сомнения.

Генные, хромосомные и геномные

Мутации бывают разные. Все они изменяют наследственность, но в их основе лежат разные изменения хромосом. Во-первых, может измениться число хромосом. В нормальных клетках по две хромосомы каждого сорта. Но хромосомный набор может удвоиться, и в клетке окажется по четыре хромосомы каждого сорта. Такие случаи бывают. Организмы, содержащие увеличенное число хромосомных наборов, называют полиплоидами. Они вполне жизнеспособны, более того — полиплоиды обычно развиты лучше нормальных форм, обладают повышенной продуктивностью. Ясно, что они могут иметь важное хозяйственное значение. И многие селекционеры занимаются искусственным получением полиплоидов у сельскохозяйственных растений.

Бывают и другие случаи, когда большинство хромосом содержатся в клетках в нормальном двойном числе, а одна какая-нибудь в ненормальном, скажем, в единичном или тройном. Такие организмы называют анеуплоидами, и они в отличие от полиплоидов, как правило, характеризуются теми или иными дефектами. Полиплоиды и анеуплоиды объединяют под общим названием «геномные мутации».

Второй тип мутаций носит название хромосомных. О них говорят, когда количество хромосомного материала остается прежним, но меняется его расположение. Возможностей здесь много: две хромосомы обменяются своими частями, внутри хромосомы какой-то участок перевернется на 180 градусов, бывают и гораздо более сложные перестройки хромосом. Но чаще всего наблюдается их фрагментация: хромосома распадается на две или большее число частей.

Наконец, бывают случаи, когда микроскоп не обнаруживает в клетках никаких изменений хромосомного набора, но наследственное изменение тем не менее произошло и проявляет себя. Например, в потомстве нормальных красноглазых дрозофил появляется муха с белыми глазами. Это не просто уродство, потому что потомки такой мухи также белоглазые. Изменение налицо, однако микроскоп ничего не обнаруживает. Следовательно, заключили генетики, в основе мутации лежит внутреннее изменение самого гена, и назвали это явление генными мутациями. И оказались правы. В настоящее время научились исследовать тонкую химическую структуру гена, и выяснилось, что генные мутации сопровождаются небольшими изменениями в химическом строении отдельных генов. Понятно, что под микроскопом этого не заметишь.

Итак, мутации делятся на генные, хромосомные и геномные. Все эти типы встречаются в природе и возникают (хотя и крайне редко!) в лабораторных условиях, без всякого вмешательства человека.

Когда ученые узнали, что после облучения наблюдается большое число мутаций, многие стали говорить, что радиация просто-напросто ускоряет естественный мутационный процесс. Однако это не так. Если бы речь шла лишь об ускорении, то число мутаций всех типов должно было бы возрастать одинаково. Но уже Меллер обнаружил, что под воздействием проникающих лучей особенно увеличивается число хромосомных мутаций, как раз того типа, который в природе встречается особенно редко. Отсюда следует, что радиация не просто ускоряет возникновение мутаций, а способна их вызывать.

Теперь известно, что на образование геномных мутаций облучение влияет слабо. Что же касается генных и хромосомных мутаций, то они появляются в большом числе. И особенность действия лучей не сводится только к тому, что они вызывают большее число хромосомных мутаций по сравнению с генными. Если мы сравним «спектр» генных мутаций, возникающих самопроизвольно (как говорят генетики — спонтанно) и под влиянием радиации, то заметим большую разницу. Генные мутации бывают разными. Некоторые вызывают гибель будущего организма (летальные мутации), другие понижают жизнеспособность, что может сопровождаться или не сопровождаться внешними изменениями (мутации жизнеспособности), наконец, могут только меняться внешние признаки. Очень существенно, что под влиянием облучения особенно велик процент летальных мутаций: он гораздо выше, чем среди мутаций, возникающих спонтанно.

Мы гордимся тем, что действие ионизирующих излучений на наследственность впервые открыто нашими соотечественниками Георгием Надсоном и Григорием Филипповым. Их приоритет бесспорен. Но не приходится удивляться, что «отцом» радиационной генетики стал не Надсон, а Меллер. Это связано с тремя причинами.

Во-первых, Меллер избрал особенно удобный генетический объект — дрозофилу, — на котором можно быстро получать вполне однозначные результаты. Что же касается главного объекта Надсона и Филиппова — дрожжей, то он как раз относится к числу наиболее трудных. Заранее можно сказать, что десятки генетиков возьмутся продолжать работы Меллера, в то время как генетические опыты с дрожжами тогда мало кого могли вдохновить.

Во-вторых, Надсон и Филиппов успели только начать свои исследования. Смерть обоих ученых не дала возможности довести их до конца. А Меллер до сих пор жив и продолжает заниматься радиационной генетикой.

В-третьих, и это тоже имеет известное значение, Надсон и Филиппов публиковали большинство своих работ на русском языке, который был доступен лишь небольшому числу их коллег. А Меллер печатал почти все свои статьи на английском языке, который наиболее распространен в научном мире.

Можно, конечно, досадовать, что, хотя приоритет открытия принадлежит русским, Нобелевская премия за открытие и изучение мутагенного действия радиации присуждена американцу Меллеру. Однако и Меллер получил эту премию вполне заслуженно.

Ну и что?

А много ли мутаций возникает под влиянием облучения? В первой работе Меллера ответа на этот вопрос не было. Он не измерял величину дозы, и в его статье указана только продолжительность облучения в минутах. Однако в большинстве последующих работ (в том числе, конечно, и в работах самого Меллера) производится точное измерение доз.

Возьмем какую-нибудь из работ с дрозофилой (все равно какую, так как разные авторы получают очень близкие результаты). Мы увидим, что после облучения дозой 1000 рентген около трех процентов мух имеют в X-хромосоме мутации. X-хромосома составляет пятую часть хромосомного материала, следовательно, мутации будут наблюдаться приблизительно у 15 процентов потомков. Речь идет здесь о рецессивных деталях — наиболее распространенном классе мутаций из тех, которые можно обнаруживать с помощью простых генетических методов.

Ведь это не так много! Для человека, например, доза 1000 рентген — абсолютно смертельна, так не все ли равно, что при этом произойдет с хромосомами?! При меньших дозах мутаций соответственно меньше. Их число возрастает с дозой линейно. Значит, при дозе 100 рентген будет около полутора процентов мутаций. Стоит ли с этим считаться? А при больших дозах возникает временная стерильность; к тому моменту, как плодовитость восстановится, «испорченных» хромосом в клетках почти не останется…

После подобных рассуждений возникает роковой вопрос: ну и что? Что из того, что радиация влияет на наследственность? Так ли это важно для человека? Так ли это существенно в общей картине лучевого поражения? Может показаться, что все это почти никакого значения иметь не может. Однако такой ответ — грубейшая ошибка!

Если вероятность, что у кого-то родится ребенок с наследственным дефектом, да к тому же в скрытой форме, равна одной сотой, это, как может показаться, не так уж важно. Ведь дозы облучения, которые дают такую вероятность, получают на нашей планете единицы.

Конечно, радиация — далеко не единственная причина наследственных аномалий. Без всяких атомных испытаний каждый год на нашей планете рождается около 1 миллиона 500 тысяч детей с тяжелыми наследственными недугами. 15 тысяч — всего лишь один процент от этой цифры. К результатам таких расчетов можно при желании относиться по-разному. Но совершенно ясно, что ничего хорошего в действии радиации на потомство нет и что даже небольшое повышение радиоактивного фона на нашей планете, которое уже существует, оказывается с этой точки зрения вредным.

Но вредное действие радиации на наследственность касается далеко не только грядущих поколений. Наследственность — это не просто передача признаков и свойств от одного индивидуума к другому. Это также передача тех или иных особенностей от клетки к клетке. Ведь в основе явлений наследственности среди организмов лежит клеточная наследственность.

Под действием радиации больше всего возникает хромосомных мутаций, а среди них наиболее часто встречается фрагментация («поломка») хромосом. Эти поломки, как правило, приводят к гибели клеток. Но ведь причиной лучевой болезни является поражение различных органов и систем (кишечник, кроветворные органы и так далее), а оно связано с гибелью клеток. Конечно, гибель клеток не единственная причина лучевой болезни. Так, поражение центральной нервной системы, вызывающее «смерть под лучом» при воздействии очень высокими дозами, вряд ли можно связать с гибелью клеток. Но, так или иначе, гибель клеток играет при острой лучевой болезни исключительно важную роль. А основная причина гибели облученных клеток (хотя тоже не единственная) — хромосомные мутации.

А как обстоит дело с отдаленными последствиями облучения? Самое серьезное из них — лучевой рак. А что такое рак вообще? Заболевание, при котором клетки начинают бесконтрольно делиться, передавая это свойство дочерним клеткам. Что же это, как не наследственное изменение? Следовательно, и лучевой рак — тоже результат действия радиации на наследственные свойства клеток.

Причины других отдаленных последствий облучения, таких, как преждевременное старение, худшая приспособляемость к окружающим условиям, до недавнего времени казались менее понятными. Однако и здесь, как выясняется, генетическим повреждениям принадлежит ведущая роль.

Это может показаться на первый взгляд странным. Ведь мы знаем, что вредная мутация чаще всего либо приводит к гибели ту клетку, в которой возникла, либо находится в скрытом состоянии, ничем себя не проявляя. Такие скрытые мутации (генетик выразился бы более точно, но совсем непонятно: «гетерозиготные рецессивные летали») проявляются только в результате скрещиваний, когда две одинаковые мутации встречаются вместе. Но так ли это? Может быть, мутации, которые называют скрытыми, в действительности как-то действуют на организм?

Самуил Наумович Александров, известный радиобиолог, занимающийся вопросами отдаленной лучевой патологии и работающий, кстати, в том же институте, где Надсон и Филиппов сделали свое историческое открытие, получил недавно поистине удивительные результаты. Он изучал способность клеток к свечению под действием ультрафиолетовых лучей. Нормальные клетки светятся, но если их предварительно облучить ионизирующими лучами, начинают светиться сильнее. Впрочем, удивительно не это. Способность сильнее светиться передается облученными клетками по наследству. Значит, она связана с возникновением рецессивных мутаций, которые, как думали, находясь в скрытой форме, не влияют на свойства клеток.

А раз меняется способность клеток к свечению, может быть, меняются и другие ее свойства, незаметные на первый взгляд? Ставятся дальнейшие опыты, и выясняется, что и преждевременное старение и пониженная приспособляемость организмов в первую очередь обусловлены рецессивными мутациями, находящимися в скрытой форме.

К этому нужно еще добавить, что генетические действия радиации играют особенно важную роль при низких дозах облучения. Для всех остальных биологических эффектов радиации есть порог: существует доза облучения, ниже которой нет вообще никакого эффекта. А для генетических эффектов порога не существует. Любая, самая малая доза способна изменить хромосомы. Правда, при низких дозах вероятность такого изменения очень мала. Но если это несущественно для любого отдельного человека, то очень важно для человечества в целом.

Итак, действие радиации на хромосомы играет очень важную роль:

во-первых, при острой лучевой болезни;

во-вторых, при отдаленных лучевых поражениях;

и в-третьих, при облучении очень малыми дозами, где все прочие эффекты оказываются несущественными.

Это все относится к организмам, которые были непосредственно облучены. А для потомства роль повреждения наследственности очевидна.

Прямолинейность

Что стоит в центре любой экспериментальной научной работы? По моему, рисование кривых линий. Опыты ставят, чтобы найти закономерность, которая изображается какой-нибудь кривой. А анализ полученных результатов сводится к тому, чтобы объяснить, почему кривая пошла не так, а эдак.

Кривые, получаемые в опытах, не слишком разнообразны: прямая линия (мы ее тоже называем кривой, правда, прямолинейная кривая — бессмыслица, но мы как-то привыкли к этому); кривая, загнутая вверх; кривая, загнутая вниз; эс-образная кривая (то есть в виде латинской буквы «S»), кривая с максимумом, которая сначала идет вверх, а потом загибается вниз. Вот, пожалуй, и все. Встречаются, конечно, и более хитрые кривые, но с ними ученые стараются меньше иметь дела: слишком это сложно. И когда получают такую сложную кривую, то или из нее делают целую науку, либо просто приводят без всяких комментариев.

Сколько я типов кривых перечислил? Пять. Как будто маловато. И человек, который никогда не имел дела с экспериментальными кривыми, может подумать, что, во-первых, это, должно быть, очень скучное и однообразное занятие, а во-вторых, что в этих пяти типах кривых разобраться очень просто. Однако простота и однообразие только кажущиеся. Можно всю жизнь прожить, получая и анализируя кривые, и считать это самым увлекательным делом. А любая новая зависимость, даже и самая простая — прямая линия, — заставляет поломать голову, но она же часто щедро вознаграждает за вложенный в нее труд.

При изучении мутаций самый главный вопрос — тоже получение кривых и их объяснение. Начнем с генных мутаций.

Главный результат сводится к тому, что зависимость числа мутаций от дозы выражается самой простой из возможных зависимостей — прямой линией. Прямая линия получается всегда: при действии рентгеновыми лучами и нейтронами; при облучении, заканчивающемся за несколько секунд, и при растягивании его на несколько дней, при высокой и низкой температуре, в опытах на излюбленной генетиками дрозофиле и на любых других организмах.

Но мало того, что почти все опыты дают прямые линии. Ведь и прямые линии могут идти по-разному, иметь разный наклон. Однако если поставить опыты по облучению дрозофил разными дозами рентгеновых, бета- и гамма-лучей разной жесткости, то для зависимости числа мутаций от дозы вовсе не получится пучка прямых линий, расходящихся веером. Нет, все экспериментальные точки (разумеется, в пределах точности опыта) лягут на одну прямую. Единственное серьезное исключение — быстрые нейтроны. Довоенные опыты показывают, что нейтроны менее эффективны, чем другие виды лучей. После войны некоторые авторы получили прямо противоположные результаты: нейтроны в несколько раз более эффективны. Теперь же пришли к выводу, что нейтроны оказывают ненамного больший эффект, чем рентгеновы лучи. В чем тут дело? Ни нейтроны, ни мухи не могли за это время стать другими. Генетики ставили опыты совершенно одинаково… Дело в физиках. Дозиметрия нейтронов дело не простое. Нетрудно подсчитать, сколько нейтронов «попало» в облучаемый объект. Но ведь для биологического эффекта важна энергия, которая поглотилась живыми клетками. А поглощенную энергию определить было нелегко.

Из этих простых фактов можно сделать важные выводы. Прямолинейная зависимость эффекта от дозы говорит о том, что возникновение генной мутации — реакция одного попадания, другими словами, для возникновения мутации необходимо и достаточно, чтобы через хромосому прошла всего одна ионизирующая частица.

Но проход частицы может оставить в хромосоме разную энергию. Какая же энергия необходима для возникновения мутации? Если бы для этого нужна была большая энергия, больше энергии одной ионизации, то редко ионизирующие (жесткие) лучи не при всяком проходе оставляли бы нужную энергию и потому должны были быть менее эффективными. Однако в опытах такого не наблюдается. Следовательно, для возникновения мутации достаточно энергии одной ионизации.

Итак, наследственное изменение, генная мутация, вызывается всего лишь одной ионизацией. А много ли может сделать одна ионизация? Не так много: произвести одно изменение в одной какой-нибудь молекуле. То есть может либо отщепиться, либо присоединиться, либо измениться какая-нибудь химическая группа. Значит, мутация — не что иное, как небольшое химическое изменение внутри гена. Такой вывод и как раз на основе анализа результатов опытов по вызыванию мутаций облучением смогли сделать уже в 1935 году Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский, Карл Гюнтер Циммер и Макс Дельбрюк. Недавно с помощью более прямых методов молекулярной генетики удалось подтвердить правильность этого вывода.

Поломанные хромосомы

Многие слышали древнюю притчу о группе слепых, захотевших узнать, что такое слон. Пощупав его, один сказал: это колонна; другой: змея; третий: гора. Ясно, что один ощупывал ногу, другой — хобот, третий — туловище. Нечто подобное произошло в первые годы с исследованием хромосомных мутаций, вызываемых облучением.

За дело взялись две группы ученых. Прежде всего те же дрозофильные генетики. Они обнаруживали хромосомные мутации в опытах по скрещиванию. По распределению признаков среди потомства делали вывод о том, что произошла либо транслокация (обмен частями между двумя хромосомами), либо инверсия (внутренний участок хромосомы перевернулся на 180 градусов), либо делеция (небольшой участок вообще выпал и потерялся), либо еще какое-нибудь более сложное изменение. Во всех случаях речь шла об обменах частями между хромосомами или внутри хромосом.

Но ведь что-то очень похожее было знакомо генетикам давным-давно. Созревание зародышевых клеток сопровождается процессом, который называют кроссинговер, или перекрест хромосом. Хромосомы каждой пары сближаются, приходят в тесный контакт и обмениваются частями. Внешне хромосомы выглядят так же, как и до кроссинговера, но произошла перекомбинация отцовских и материнских генов. Это один из способов, с помощью которых природа увеличивает наследственное разнообразие живых организмов. Кстати сказать, именно кроссинговер помог «четырем разбойникам» определять расположение генов в хромосомах.

Хромосомные перестройки напоминали результат кроссинговера с той только разницей, что обмен происходит не в гомологичных точках хромосом. Это позволило профессору А. С. Серебровскому предложить контактную, или кроссинговерную, гипотезу, которая была им детально разработана совместно с молодым в ту пору генетиком, ныне академиком Николаем Петровичем Дубининым. Согласно этой гипотезе, хромосомы под влиянием облучения приходят в контакт, как бы слипаются, а потом разъединяются, причем части их оказываются соединенными иначе, чем в исходных хромосомах.

Хромосомные мутации заинтересовали не только генетиков, но и цитологов. Они в отличие от генетиков не пользовались скрещиваниями, позволяющими наблюдать только отдаленный результат облучения, а изучали сами облученные клетки. При этом бросалось в глаза, что наиболее частое изменение, наблюдающееся после облучения, — фрагментация хромосом. Отдельные хромосомы оказываются разломанными на две или большее число частей. Кроме того, встречались и перестройки, описанные генетиками, но их было значительно меньше. Исходя из этого, Михаил Сергеевич Навашин предложил фрагментационную гипотезу, согласно которой хромосомы под действием облучения ломаются, а получившиеся фрагменты могут соединиться друг с другом неправильно. Генетики и цитологи наблюдали две разные стороны медали и соответственно предложили разные гипотезы.

Но кто прав? Долгое время шли споры между сторонниками обеих гипотез, и мир был внесен только тогда, когда, наконец, получили точные кривые зависимости эффекта от дозы. Опыты были проведены разными авторами и на разных объектах. Николай Петрович Дубинин в Москве облучал дрозофил, то же самое делал в Германии Ганс Бауэр, а в США Карл Сакс облучал растение традесканцию. Результаты оказались похожими и сводились к тому, что число фрагментов растет с дозой линейно (так же, как и число генных мутаций), а число перестроек увеличивается пропорционально квадрату дозы. Отсюда следовал вывод, что первично возникают фрагменты, а перестройки — результат нескольких (по крайней мере двух) элементарных событий. Фрагментационная гипотеза взяла верх.

Итак, поломки хромосом, подобно генным мутациям, дают для зависимости эффекта от дозы прямые линии. Но на этом сходство кончается. Если выход генных мутаций почти не зависит от жесткости лучей, то с хромосомными мутациями наблюдается вполне четкая зависимость: жесткие лучи оказываются менее эффективными. Чем более густую ионизацию вдоль своего пути создают частицы, тем при той же общей дозе больше получается хромосомных мутаций. Значит, чтобы поломать хромосому, недостаточно одной ионизации и нужна большая энергия.

Этим вопросом подробно занимался английский ученый Ли. Поставив совместно с ботаником Кечесайдом и с генетиком Тодеем ряд специальных опытов и проанализировав полученные результаты математически, Ли пришел к выводу: чтобы разломать хромосому, проходящая через нее частица должна оставить в ней около 15 ионизаций.

Таким образом, к середине 40-х годов вопрос о механизме образования как генных, так и хромосомных мутаций прояснился. Правда, что представляет собой с физико-химической точки зрения разлом хромосомы, или генная мутация, оставалось неизвестным.

Впрочем, подобный вопрос и ставить-то в те времена нельзя было. Как можно говорить о химической природе мутаций, когда неизвестна химическая природа гена? Как можно говорить о природе хромосомного разрыва, когда неизвестно, как построена хромосома?

Только в наши дни, после рождения новой науки — молекулярной биологии, радиационная генетика начинает искать ответы на эти вопросы.

Глава V

Волшебные лекарства

Кончиком пальца Маргарита выложила небольшой мазочек крема на ладонь, причем сильнее запахло болотными травами и лесом, и затем ладонью начала втирать крем в лоб и щеки… Брови сгустились и ровными черными дугами легли над зазеленевшими глазами. Тонкая вертикальная морщинка, перерезавшая переносицу, появившаяся тогда, в октябре, когда пропал мастер, бесследно исчезла.

М. Булгаков, «Мастер и Маргарита»

Солнца Ван-Гога

Страшные черные птицы кружат над желтым полем, на краю поля стоят зловещие черные кипарисы, а над всем вращаются безумные красно-желтые солнца… Эти полотна писал уже полубезумный мастер в последние свои годы — в Арле, Сен-Реми и Овере… Невозможно пройти равнодушно мимо этих солнц, хотя они — это всего лишь мазки желтой и красной краски на полотне.

Каждое утро я прохожу по коридору, где со многих дверей смотрят на меня красно-желтые круги: шесть секторов, закрашенных попеременно красной и желтой краской. И хотя я вижу их ежедневно, они, как неправдоподобные солнца на картинах Ван-Гога, останавливают взгляд, не дают пройти мимо. Эти круги я вижу не только здесь. Все больше лабораторий с такими знаками. Их все чаще и чаще встречаешь на заводе, в клинике, в аэропорту — на дверях, приборах, контейнерах, клетках с животными…

Красно-желтые круги короче и выразительнее любых слов говорят случайному посетителю и еще раз напоминают постоянному сотруднику: ОСТОРОЖНО — РАДИАЦИЯ!

Защита от радиации организована серьезно. В любых случаях для работы с источниками излучений или с изотопами необходимо специальное разрешение, которое выдают лишь после того, как убедятся, что помещение вполне пригодно для таких работ, установлены средства защиты, а персонал прошел медицинский осмотр и специальный инструктаж. Точно установлены предельные нормы для контакта с радиацией: в течение дня, недели, года, всей жизни.

Предельно допустимые нормы берутся не с потолка. Именно для этого и проведена огромная работа, о которой писалось в предыдущих главах, по выяснению влияния разных доз облучения во всех возможных условиях на различные клетки, органы, системы и функции живых организмов. И сейчас тысячи радиобиологов продолжают подобные исследования. Чем больше мы будем знать, тем надежнее сможем организовать защиту от нового и коварного фактора, с которым встретилось человечество.

А какую дозу я получил сегодня? Это тоже определяют не на глазок, не по формуле «трех П» (пол — потолок — палец). Всюду, где человек встречается с радиацией, на ее пути стоит заслон из врачей-гигиенистов и инженеров-физиков со строгой системой радиационного контроля.

У всех людей, находящихся поблизости от красно-желтых солнц, вы видите какую-то общую деталь туалета. Или торчат из карманов золотистые трубочки, напоминающие размером и формой авторучки, или приколоты к груди не то брошки, не то значки, на которых, однако, ничего не изображено. Такую же «безделушку» настойчиво вручают вместе с белым халатом и случайному гостю. Это индивидуальные дозиметры, которые по потемнению фотопленки или по разрядке электрометра совершенно точно покажут, сколько миллирентген получил сегодня каждый из нас.

Много ли людей на нашей планете страдают от лучевой болезни? Очень немного. Многие ли умирают от облучения? Единицы. Автомобильные катастрофы в тысячи, а может быть, и в сотни тысяч раз более частая причина смерти или увечья. Нужны ли тогда такие предосторожности в отношении радиации? Несомненно. И лишь потому, что злому джинну, выпущенному из кувшина, отведены только вполне определенные «дома» и «дороги», он остается почти безвредным для человека.

Однако бывают случаи, когда человеку приходится вступить в более тесное соприкосновение со «злым духом» — облучиться дозой, во много раз превышающей предельно допустимую.

Но когда это может случиться? — спросите вы. Атомная война? Да, и атомная тоже. Разумное большинство человечества борется за ее предотвращение, но быть к ней готовым необходимо. Однако поговорим о мирном времени. И в мирное время облучение человека дозами, во много раз превышающими абсолютно безвредные, отнюдь не редкость.

Неужели так часты аварии? Нет, они редки. Настолько редки, что международная статистика не располагает достаточным материалом для уверенного суждения о величине доз, смертельных для людей. Но нам дороги жизнь и здоровье каждого человека. А жертвой злого джинна оказываются как раз чаще всего люди, наиболее ценные для общества. Вспомните хотя бы Гусева из фильма «Девять дней одного года».

Мечты о волшебной пуле

Чтобы вылечить больного, нужно уничтожить болезнетворное начало. Убить находящихся в организме вредных бактерий или вирусов, уничтожить неизлечимо больные клетки тела, например раковые. Но часто приходится слышать, что наука не знает средств, убивающих вирусов, средств, надежно уничтожающих раковые клетки.

Нет ничего более неправильного, чем это утверждение. Потому что убивать, например, вирусы очень просто. И это касается любого болезнетворного начала. Есть простые и дешевые средства, во много раз более эффективные, чем все антибиотики, вместе взятые.

На огне стоит блестящая коробочка. В ней шприц и иглы. Медсестра собирается вводить больному чудодейственное лекарство. Но не лекарство привлекает наше внимание, а пламя спиртовки. Почему для укола берут всегда «вареный шприц», известно любому ребенку. Его стерилизуют, чтобы не ввести вместе с лекарством новую болезнь.

Стерилизация — дело простое. Все возбудители болезней построены из органических веществ, в первую очередь из белков. Это очень нежные вещества. Они не выдерживают ни нагревания, ни кислот, ни щелочей, ни многого другого. Надежнейшими средствами дезинфекции и стерилизации служат такие вещества, как карболовая кислота, хлорная известь, спирт.

Но одно дело шприц или зараженное помещение, а другое — живой человек.

Вы знаете, конечно, как произошло выражение «медвежья услуга». Подружился медведь с человеком. Человек уснул, на лоб ему села муха и стала его беспокоить. Услужливый медведь взял большой камень и убил муху, а вместе с ней и человека.

То же самое получилось бы, если бы попытались лечить человека огнем или кислотой. Наше тело тоже построено из органических веществ. Дело не в том, чтобы «убить болезнь», — это легко, а в том, чтобы при этом не повредить организм больного.

Лет семьдесят назад один немец с богатым воображением придумал сказку о волшебной пуле: о пуле, которая сама ищет цель и без промаха разит микробов, не вредя клеткам человека, о химическом веществе, которое в отличие от карболки портит не любой белок, а только убивает болезнетворных бактерий.

Эта сказка из тех, что быстро осуществляются. Воплотить ее в жизнь удалось самому автору сказки, Паулю Эрлиху — тому самому Эрлиху, который открыл первое эффективное средство для лечения сифилиса — сальварсан, или препарат «606». Последнее название говорит о том, что успех пришел после 605 неудач.

Одно из основных понятий современной фармакологии — науки о лекарствах — терапевтический индекс. Он показывает, во сколько раз самая малая доза, вредная для микробов, больше самой большой, безвредной для человека. Чем выше это число, тем лучше. А если оно меньше единицы, лекарство никуда не годится: оно будет убивать человека, не вредя бактериям.

Ионизирующие лучи применяют с лечебной целью, особенно для лечения рака. Это оказывается возможным как раз потому, что на раковые клетки радиация действует сильнее, чем на нормальные, здоровые. Но разница не велика. Если бы она была больше, все формы рака стали бы легкоизлечимыми.

Врач-онколог (онкология — наука о злокачественных опухолях) вынужден держаться на лезвии бритвы, потому что ему приходится облучать больного такими дозами, которые, с одной стороны, безусловно вредны для пациента, а с другой — заведомо не убивают все раковые клетки. Приходится идти на хитрости, например облучать несколько раз. Больной оправился от первого облучения, можно добивать злокачественные клетки. Или организовать лечение таким образом, чтобы раковым клеткам досталось побольше, а здоровым — поменьше. Для этого, например, можно крутить источник излучения вокруг больного так, чтобы луч все время был направлен на опухоль. В результате она облучается непрерывно, а здоровые ткани попеременно. А можно подобрать такую жесткость лучей, что они сконцентрируют максимум своей энергии на вполне определенной глубине.

Но всего этого мало. Вот если бы удалось увеличить терапевтический индекс: сделать раковые клетки более чувствительными к лучам или нормальные — менее чувствительными! Это как раз та область, где люди постоянно (и совершенно сознательно!) облучаются довольно высокими дозами радиации.

Значит, необходимо, не обязательно на случай атомной войны, но и ради самых мирных дел научиться уменьшать вред, наносимый злыми лучами, не только с помощью бетонных стен, свинцовых стекол и предельно допустимых норм. Научиться делать это и когда человек получает дозу, которая способна нанести вред.

Но возможно ли это?

«Рентгеновское похмелье»

Когда человека облучают, он ничего не чувствует. Но спустя некоторое время начинаются неприятности, у разных людей по-разному выраженные: общее недомогание, тошнота, рвота, кишечные расстройства… Врач обнаруживает нарушения водно-солевого равновесия, падение числа лейкоцитов, повышение содержания сахара в крови…

Кто-то из немецких врачей-рентгенологов, видимо вспомнив, как у него после очень приятно проведенного вечера наутро трещала голова, дал этому состоянию довольно хлесткое название: «рентгенкатер», в буквальном переводе — «рентгеновское похмелье». В других языках этот термин не привился. По-русски болезненные симптомы, наступающие через некоторое время после облучения, чаще всего называют общей реакцией.

В общей реакции нет ничего хорошего. Она ухудшает самочувствие больного, мешает дальнейшему проведению лечения. Пытались ли лечить общую реакцию? Конечно. Находили ли эффективные средства? О да.

Однажды я заинтересовался, какие средства рекомендовались для лечения лучевого «похмелья». Взял полтора десятка карточек, на которые записывают интересующие статьи, пошел в библиотеку и обложился грудой старых комплектов радиологических журналов. Карточки удивительно быстро заполнились, пришлось идти за новыми. А когда число эффективных средств перевалило за сотню, я бросил это занятие.

Плохо, когда предлагают слишком много средств. Это значит, что ни одно из них не действует достаточно хорошо. Чем же пытались лечить общую реакцию?

Лечебные средства бывают двух сортов. Одни действуют на причину болезни (например, убивают болезнетворных бактерий), их называют каузальными (причинными). Другие — на симптомы болезни (успокаивают головную боль, понижают температуру и т. п.). Их называют симптоматическими. Ясно, что первые лучше. Они действительно лечат, а вторые влияют в основном на самочувствие больного.

Что касается средств против «рентгеновского похмелья», то все они без исключения были симптоматическими. Поэтому не приходится удивляться, что их было слишком много.

Но можно ли повлиять на самые глубинные изменения живого вещества, лежащие в основе лучевой болезни? Ведь ее причина — изменение молекул, вызванное ионизирующими частицами. Разве может быть какое-нибудь другое средство, кроме как отгородиться от лучей, поставив свинцовый экран на их пути, или вообще уйти от греха подальше?

Перед учеными встала задача: уменьшить вредное действие радиации даже в том случае, если она добирается до живых клеток.

Затаите дыхание!

Как важно сделать открытие вовремя! Когда никому не известный инженер Бернского патентного бюро Альберт Эйнштейн выступил со специальной теорией относительности, она сразу привлекла к себе внимание физиков, а сам Эйнштейн стал знаменитостью. Когда же несколько лет спустя знаменитый физик Альберт Эйнштейн предложил общую теорию относительности, на нее долго никто не обращал внимания. Это произошло потому, что специальная теория отвечала на вопросы, волновавшие физиков, и почва для открытия была готова. А общая теория стояла в стороне от их интересов, она слишком опередила развитие науки.

С этой точки зрения двум англичанам — Тодею и Риду — определенно повезло. Шла вторая половина 40-х годов. Уже разрушена Хиросима, и ученые лихорадочно ищут средства, снижающие лучевое поражение живых организмов.

Но дело не только в этом. Бурно развивается изучение действия радиации на водные растворы. Выяснено, что большая часть эффекта связана не с прямыми попаданиями в молекулы растворенного вещества, а с активацией воды.

Тодей и Рид облучали корешки конских бобов рентгеновыми лучами, а затем измеряли их рост и исследовали под микроскопом повреждения хромосом в их клетках. Подобные опыты ставили в то время многие радиобиологи. Но в отличие от других Тодей и Рид половину корешков облучали в присутствии кислорода, а другую — в его отсутствие. И получились удивительные результаты: при облучении в отсутствие кислорода поражение оказывалось в два-три раза меньшим. Статья об этом была напечатана в 1947 году и, хотя по объему была меньше страницы, привлекла внимание очень многих ученых.

Но Тодей и Рид этим не ограничились. Через два года они напечатали следующее сообщение. Оно было помещено в том же журнале и было столь же лаконичным, как и первое. Описывались результаты точно таких же опытов. Единственное отличие состояло в том, что облучение вели не рентгеновыми, а альфа-лучами. А результаты получились совершенно другими: при облучении альфа-лучами кислород не оказывал никакого влияния на биологическое повреждение. Сказать, что работа привлекла внимание, было бы слишком слабо. Потому что после этой статейки кислородный эффект сразу оказался в самом центре внимания радиобиологов и продолжает занимать его до сих пор.

Мало того, что в этих опытах наблюдалось заметное снижение вредного эффекта, вызываемого облучением; казалось, новые факты сразу получают красивое теоретическое объяснение. Все было очень похоже на то, что происходит при облучении воды. Образуется перекись водорода. Эту реакцию к тому времени хорошо изучили, и было известно, что при облучении воды рентгеновыми лучами выход перекиси резко падает в отсутствие кислорода, а в опытах с альфа-лучами он не влияет на результаты.

Не правда ли, как хорошо все получается! Дело, видимо, в перекиси водорода, образующейся из облученной воды (а все живые ткани содержат очень много воды!). Перекись химически очень активна. Вот она-то и повреждает биологические структуры. Казалось, остается выяснить некоторые второстепенные детали, и механизм влияния кислорода, а заодно и биологического действия радиации вообще станет вполне ясным.

Увы, надежды оказались обманчивыми. Сейчас, спустя почти двадцать лет, механизм кислородного эффекта, как назвали результат, полученный Тодеем и Ридом, менее ясен, чем в 1949 году.

Им действительно сильно повезло. Помните разговор о колебаниях маятника? О том, что мнение большинства радиобиологов несколько раз колебалось от признания исключительной роли непрямого действия (то есть действия радиации через активацию воды) до его полного отрицания? Тодей и Рид опубликовали свои работы, когда маятник делал взмах в сторону непрямого действия. Еще бы: как раз тогда Вейсс расшифровал химическую природу активированной воды. Естественно, что на работы двух англичан сразу обратили внимание. Мало того, их статьи так подтолкнули маятник, что он сделал самый сильный за всю историю радиобиологии взмах в сторону непрямого механизма.

Но, интересное дело, когда кислородный эффект оказался в центре внимания, обнаружили, что он открыт давным-давно. Еще на самой заре радиобиологии, в 1905 году, некто Шварц заметил, что, если подавить циркуляцию крови в облучаемой ткани, лучевое поражение оказывается меньше. Но ведь кровь разносит по телу кислород! Именно отсутствием кислорода и объяснил Шварц открытое им явление. Правда, это было лишь случайное наблюдение. Но в начале 20-х годов Холтгузен специально изучал кислородный эффект. Причем опубликовал не коротенькую заметку, как Шварц (или Тодей и Рид!). Его статья имеет объем около ста страниц. И еще и еще находили старые работы, где описан кислородный эффект… Но эти сообщения не привлекли к себе большого внимания во время публикации, так как с практической стороны оказались неинтересными, а с теоретической — непонятными.

Поэтому, если бы Тодей и Рид сделали свою работу на несколько лет раньше, ее постигла бы та же судьба, что и работы Шварца, Холтгузена и многих других. Даже если бы то же самое они сделали позже, когда вопрос о роли непрямого действия (следовательно, и кислородного эффекта) казался далеко не столь ясным, они не произвели бы такой сенсации, как в середине 40-х годов. Везет же людям!

Если с механизмом кислородного эффекта вопрос до сих пор не ясен, то само существование кислородного эффекта никакому сомнению не подлежит. Десятки ученых поставили сотни опытов и за ничтожным числом исключений (а где их не бывает!) получили один и тот же результат: при облучении рентгеновыми и гамма-лучами отсутствие кислорода значительно снижает поражение; при облучении нейтронами и альфа-частицами кислородного эффекта нет или почти нет. Один и тот же результат наблюдали на любых организмах, начиная от бактерий и кончая млекопитающими.

Эффект есть, и немалый. Но как лабораторные результаты применить на практике? Сказать облучаемому пациенту: «Затаите дыхание»? Ничего не выйдет. Облучать в герметическом контейнере без кислорода? Этого никто не выдержит. Редко бывает, чтобы дорогу от первого экспериментального результата до практического применения можно было изобразить коротким отрезком прямой линии. Но открытие кислородного эффекта имело далеко идущие практические последствия.

Норберт Винер, крестный отец кибернетики, писал в связи с секретом атомной бомбы, что самый главный секрет, связанный с бомбой, был добровольно раскрыт ее первыми хозяевами. Этот секрет — сообщение о том, что бомба существует. «Раз ученый работает над проблемой, которая, как он знает, разрешима, то изменяется все его поведение».

Раз стало известно, что лучевое поражение может быть уменьшено, хотя бы принципиально, вполне реально рассчитывать добиться этого не только «удушением», но и с помощью каких-нибудь уколов или таблеток.

Самоотверженные молекулы

Нужно, однако, заметить, что первые противолучевые таблетки были найдены вне связи с кислородным эффектом, хотя и в связи с опытами по облучению водных растворов.

В том же 1949 году, когда Тодей и Рид опубликовали результаты своих опытов с альфа-лучами, в другом журнале и в другой стране появилась интересная статья. Гузман Бэйрон — биохимик латиноамериканского происхождения, работавший в то время в США, опубликовал вместе с группой сотрудников статью, где было рассказано об удивительных свойствах органического вещества с маловразумительным названием «глютатион». Оказалось, что если раствор белка облучать в присутствии глютатиона, белок поражается значительно меньше, чем при облучении в чистой воде. Создалось впечатление, что глютатион самоотверженно принимает лучевой удар на себя, защищая тем самым остальные молекулы, находящиеся в растворе.

По-видимому, так оно и есть на самом деле. Глютатион очень-легко окисляется под действием продуктов активации воды, имея к ним гораздо большее сродство, чем другие вещества. В результате на долю этих других молекул остается гораздо меньше вредных продуктов.

От этих опытов дорога к предупреждению лучевой болезни была явно более короткой, чем от кислородного эффекта. Буквально напрашивался опыт, где животным перед облучением вводили бы глютатион. И не мудрено, что более или менее одновременно разные ученые в разных странах начали ставить очень похожие опыты.

В то время я уже занимался радиобиологией, делал первые шаги в этой новой науке. Мне тоже попалась на глаза статья Бэйрона, тоже захотелось ввести глютатион мышам и облучить их. Но должен честно признаться, что я очень мало знал в то время. Глютатион был для меня пустым звуком. Что он собой представляет, где его добывают, насколько он вреден для живых организмов — ничего этого я не знал. Но узнать это нетрудно, нужно только познакомиться с соответствующей литературой.

Глютатион оказался довольно простым белковоподобным веществом. В основе строения всех белков лежат длинные цепи, составленные из гораздо более простых веществ — аминокислот. Цепи состоят, как правило, из многих десятков звеньев, в молекулу белка входит часто по нескольку таких цепей. И глютатион представляют собой такую же цепочку, только совсем короткую — всего из трех аминокислот. Вот их названия: цистеин, глицин и глютаминовая кислота.

И еще я узнал, что глютатион относится к числу широко распространенных веществ. Он содержится почти во всех клетках; особенно много его в эритроцитах, в печени и в надпочечниках. Но не все, что широко распространено в природе, столь же широко представлено в лабораторных химических шкафах. Химическая промышленность глютатион в те годы не производила. Я стал приставать к знакомым химикам, чтобы они сделали для меня чудесное вещество. Я просил, умолял, убеждал, что этой работой мы можем спасти человечество (в молодости почти все каждой своей работой собираются спасать человечество). Наконец один из химиков сжалился надо мной. Но он тоже не стал делать глютатион. Вместо этого он стал думать вместе со мной.

— Я думаю, — завершил он свои рассуждения, — что глютатион тебе не нужен. Его защитные свойства в опытах Бэйрона наверняка связаны с присутствием цистеина. Ведь именно цистеин составляет легкоокисляемую часть молекулы. Правда, цистеина у нас тоже нет, но его приготовить гораздо проще, чем глютатион. Я попробую.

Через три дня после этого разговора я с благодарностью прижимал к груди запаянные ампулы с белым кристаллическим порошком, а еще через час впрыскивал раствор белым крысам и нес их под рентгеновскую трубку. Как жаль, что пройдет еще несколько дней, прежде чем будут какие-то результаты!

Прошло четыре дня… Контрольные животные почти все погибли, осталось в живых только 8 процентов. А из тех, кому перед облучением той же дозой был введен раствор цистеина, больше половины жили. Первый же опыт по поискам лекарства от облучения оказался удачным! Правда, подопытные животные хотя и жили, но выглядели явно больными. И следующие дни принесли разочарование. Через полторы недели не осталось ни одной крысы — ни контрольной, ни опытной.

Но лиха беда начало. Вначале мы не знали, сколько цистеина можно вводить животным, и были слишком осторожны. В дальнейших опытах дозировка цистеина была увеличена в десять раз. Мы также не знали, как лучше применять цистеин: вводить под кожу, или в кровь, или еще как-нибудь. Не знали, в какое время его следует вводить. Приходилось действовать наугад. Очень скоро результаты удалось сильно улучшить. При дозах, убивавших 70–80 процентов животных, с помощью цистеина удавалось спасти около половины, причем эффект не был временным, животные вообще оставались живы.

Как я уже говорил, мысль применить глютатион или цистеин в опытах по облучению животных напрашивалась сама собой. И естественно, что такие опыты более или менее одновременно поставили разные ученые в разных странах. В печати же раньше других появилось сообщение об опытах американца Гарвея Патта.

Вскоре попробовали вводить цистеин людям перед их облучением в клинике. Как и ожидалось, цистеин снимал у большинства пациентов общую реакцию.

От глицерина до цианида

Когда одного студента-двоечника спросили, чем дышит кузнечик, то он задумчиво втянул в себя воздух и радостно ответил: «ноздрей», за что и получил свою обычную оценку. А действительно, чем мы дышим? На этот вопрос ответить не так-то просто. Можно сказать — легкими, а можно сказать — кислородом. Но ведь смысл дыхания не в том, чтобы наполнять легкие воздухом и вновь выпускать его. Кислород нужен, чтобы окислять («сжигать») питательные вещества в клетках нашего тела. За счет этого наш организм получает энергию. Кислород разносится по всему телу гемоглобином, красящим веществом крови, а в клетках целая серия биологически активных веществ — ферментов использует кислород для окисления органических веществ. Поэтому лишить клетки кислорода можно по-разному: можно заткнуть ноздри (и студент был по-своему прав), можно подавить работу легких, а можно и помешать гемоглобину переносить кислород от легких к клеткам.

Вероятно, именно так и думал известный бельгийский фармаколог, иностранный член Академии наук СССР Зенон Бак, когда размышлял о возможности использования кислородного эффекта. Ведь вовсе не обязательно для получения кислородного эффекта помещать облучаемый организм в безвоздушное пространство. Достаточно лишить его клетки кислорода. А сделать это можно по-разному.

Некоторые яды, и притом очень опасные, такие, как синильная кислота и угарный газ, как раз отравляют дыхание. Они обладают свойством соединяться с гемоглобином прочнее, чем кислород. Гемоглобин оказывается занят, кислород не может к нему присоединиться, и клетки задыхаются. А что, если животным ввести такой яд перед облучением? Можно подобрать дозировку, которая не будет их убивать, но сильно подавит дыхание. По прошествии некоторого времени яд все-таки уйдет из крови, не оставив вредных последствий.

Бак ввел мышам перед облучением соль синильной кислоты — цианистый натрий. Результат получился примерно такой же, как и от введения цистеина.

Ученые стали испытывать другие вещества, связывающие гемоглобин, средства, блокирующие внутриклеточные дыхательные ферменты, подавляющие дыхательный центр в головном мозгу. Все они оказывали больший или меньший эффект.

Пробовали применять вещества, как будто и не имеющие отношения к дыханию и даже совсем индифферентные, вроде глицерина, — многие из них также оказывали защитный эффект.

Прошло несколько лет. Ленинградский фармаколог и радиобиолог Всеволод Петрович Парибок, сам много занимавшийся противолучевой защитой, решил вместе со своими сотрудниками собрать воедино материал, который накоплен учеными всех стран по противолучевой защите. Они стали составлять таблицу, где по каждому средству приводились основные данные, причем в самом телеграфном стиле. Таблица была опубликована и заняла ни много ни мало целых две книги большого формата. Оказалось, что очень многие вещества обладают противолучевыми свойствами.

Но не слишком ли их много? Может быть, ученые продолжали свои поиски потому, что ни одно из уже найденных веществ не удовлетворяло? В какой-то мере — да. Большинство средств обладало двумя недостатками. По своему эффекту они были равны цистеину — самому первому из открытых средств, или даже уступали ему. Кроме того, чтобы вещество оказало эффект, его нужно вводить животным за несколько минут до облучения. Поэтому найти применение они могли только там, где заранее известно время облучения.

После более подробного исследования обнаружились и другие недостатки этих веществ: они далеко не всегда защищали даже при введении за вполне определенное время перед облучением. Так они защищали при облучении рентгеновыми и гамма-лучами, но не давали эффекта при облучении нейтронами и альфа-лучами. Эффективные при однократном облучении высокой дозой, они не защищали или даже повышали смертность, если общая доза делилась на несколько частей, или когда животные подвергались хроническому облучению.

Именно поэтому приходилось продолжать поиски. То, что было достаточно хорошим для одних случаев, оказывалось совершенно негодным для других.

Ученые ищут закономерности

Капитан-командор Витус Беринг открыл во время своего знаменитого плавания новые острова. В честь славного командора их назвали Командорскими. Совсем недавно исполнилось 225 лет со дня их открытия, по этому случаю выпустили памятные значки. На значках изображен морской котик, причем незадачливый художник нарисовал его с огромным пушистым хвостом. А на самом деле у морских котиков хвостов нет в отличие от котов сибирских, ангорских, сиамских и прочих. Об этом случае писали даже в журнале «Крокодил».

Случай очень характерный для человеческой психологии. Мы все, часто бессознательно, ищем закономерности там, где они есть и где их нет. Ребенок в возрасте «от двух до пяти», познакомившись с молоком и манной кашей, с одной стороны, и с папиросами и портфелем с другой, пытается все слова на «М» связывать с мамой, а на «П» — с папой. Взрослый человек, попав под дождь, на следующий день часто берет с собой дождевик, несмотря на ясное небо… А художник приделывает хвост морскому котику.

Если вы думаете, что ученый не способен на столь же необоснованные обобщения, то ошибаетесь. Ведь он такой же человек, как и все. А к тому же одно из его основных занятий — искать закономерности. Вот он и ищет их там, где они есть и где их нет. Кроме того, каждый ученый мечтает открыть какой-нибудь очень важный и очень общий закон. Поэтому нередко бывает, что никакой ошибки нет и закономерность найдена, но автор старается распространить ее на гораздо более широкий круг явлений, чем следует.

Когда открыли достаточно большое число противолучевых средств, ученые стали искать закономерности. Но, увы, слишком часто они пытались приделывать хвосты морским котикам.

Помните соображения, которые руководили радиобиологами, начавшими применять глютатион и цистеин? Эти вещества особенно энергично реагируют с продуктами радиолиза воды и, связывая их, предохраняют молекулы белка от повреждения. Для защитного эффекта глютатиона важно, что в его состав входит цистеин. А для защитного эффекта цистеина важно, что в его состав входит сульфгидрильная группа. Страшные слова «сульфгидрильная группа» обозначают всего-навсего серу, соединенную с водородом.

Было естественным попробовать другие вещества, в состав которых входит эта неудобопроизносимая группа. Почти все они оказались более или менее эффективными. Попробовали вещества, содержащие другие химические группы, которые предположительно должны связывать активированную воду, получили похожие результаты. Закономерность налицо: все защитные вещества (более осторожные ученые говорили — большинство их) помогают, связывая продукты радиолиза воды.

А потом оказалось, что сульфгидрильные группы оказывают защиту и при облучении сухих белков, то есть в условиях, где никаких продуктов радиолиза воды появиться не могло.

Механизм кислородного эффекта казался особенно ясным. Ясным казался и механизм действия цианистого калия, который, конечно, сводится к кислородному эффекту. А как с другими защитными веществами? Стали рыться в справочниках и обнаружили, что почти все они как-нибудь да влияют на дыхание. Снова все ясно: химическая защита сводится к кислородному эффекту. А кислородный эффект связан с продуктами радиолиза воды.

А потом оказалось, что иногда и отсутствие кислорода после облучения снижает лучевое поражение. Облучают на воздухе и только после облучения замещают его азотом. А поскольку продукты радиолиза воды, которым приписывается такая большая роль, живут лишь ничтожные доли секунды, то как увязать эти результаты с теорией? Кроме того, обнаружили, что отсутствие кислорода защищает от лучевого поражения и совершенно высушенные клетки и белки в виде сухого порошка, где продуктам радиолиза воды вообще неоткуда взяться.

Не все привлекали для своих теорий химию и физику. В годы увлечения «нервизмом» кое-кто утверждал, что все противолучевые средства оказывают свой эффект путем действия на центральную нервную систему. Доказать это нетрудно, ведь все, что угодно, прямо или косвенно может влиять на центральную нервную систему. Однако те же самые «нервные» препараты защищают от лучевого поражения растения, у которых нет никакой центральной нервной системы. Больше того, те же средства защищают, например, растворы метиленовой синьки от обесцвечивания при облучении.

Этот скорбный список теорий, умерших, не достигнув даже зрелости, можно продолжать очень долго…

Что же получается? Выходит, что все теории неправильны и во всех опытах исходили из неправильных предпосылок? Однако это не так. Скорее наоборот: все были правы. Или лучше сказать, что в каждой теории содержалась доля правды.

Ошибка многих «теоретиков» состояла в том, что они хотели объяснить действие всех веществ одним общим механизмом. А это неправильно. И если механизм действия разных веществ различен, то это гораздо интереснее для теории и дает больше перспектив для практики.

Пики смертности

Сколько надежд и разочарований связано с любой экспериментальной работой! А при поисках противолучевых средств испытываешь их особенно часто.

Чем большей дозой облучены животные, тем меньше в среднем они живут после облучения. Естественно, разные дозы применяют при изучении защитных веществ. И каждый, кто ими занимался, пережил одно и то же. Ввели животным лекарство, облучили… В контроле животные прожили в среднем по девять дней, а из подопытных больше половины «проскочили» через контрольный месячный срок и продолжают жить. Ставится следующий опыт, с несколько большей дозой облучения, и после радости и надежд — горькое разочарование. Контрольные мыши прожили в среднем по три с половиной дня. А подопытные погибли. И мало того, в среднем через три с половиной дня… Цифра эта не придумана для примера. Именно три с половиной дня — сакраментальное число, которое, увы, так часто приносит разочарование радиобиологу.

А бывает и наоборот. Контрольные животные погибают через три-четыре дня, а часть подопытных продолжает жить. Проходит благополучно пятый, шестой, седьмой день. Но на восьмой животные становятся вялыми, отказываются от пищи, а на девятый все подыхают. Защитный эффект, увы, оказался временным.

Но все это еще ничего. Бывает и так. Поставлен опыт, получены блестящие результаты. Чтобы окончательно убедиться в сделанном выводе, опыт повторяют, и, хотя это просто повторение и ничто не менялось, все получается как раз наоборот.

Причина таких случаев — особенность биологических процессов. Иногда противопоставляют биологию так называемым точным наукам. Это неправильно. Биология не менее точна, чем, скажем, физика. Только сам характер точности иной. И математика нужна биологам не меньше, а даже больше, чем представителям других наук. Причем и математика не совсем та, что физикам.

Я беру две книжки — учебник физики и определитель растений. В первой написано: «Ампер — такая сила постоянного тока, который при прохождении через раствор азотнокислого серебра выделяет 1,118 миллиграмма серебра за 1 секунду». А во второй читаю: «Седум пурпуреум — Заячья капуста пурпуровая. Ст. 25–50, красноватые». Это значит, что стебли имеют длину от 25 до 50 сантиметров и красноватый цвет. Поразительная разница в точности определений — не правда ли? И действительно, сколько бы раз физик ни ставил опыт, при достаточной точности приборов он всегда будет получать 1,118 миллиграмма серебра. А биолог, с какой бы точностью ни измерял разные экземпляры растений, — все равно не добьется одинаковых цифр. И дело здесь не в точности измерений (значит, не в точности науки), а в изменчивости объектов.

Биологические объекты изменчивы, но это вовсе не значит, что их нельзя точно изучать и точно описывать. Только это посложнее, чем в физике. Физикам, чтобы характеризовать какую-то величину, обычно достаточно одного числа (например, 1,118 миллиграмма). А биологу, чтобы точно описать, скажем, длину стебля определенного вида растений, нужно указать, как часто встречаются растения каждой данной длины.

У изменчивости свои законы. Наиболее часто встречаются растения со средней длиной стебля. Чем больше отклонения от средней, тем реже. Если этот закон изобразить в виде столбиков разной высоты, отражающих частоту встречаемости, получится что-то вроде холма или колокола: вершина, и от нее идет плавный спуск в обе стороны. Разумеется, для получения плавной кривой нужно сделать много измерений.

Биологи, к сожалению, не всегда достаточно подробно изучают изменчивость исследуемых ими явлений. Поэтому и радиобиологи вначале лишь удивлялись тем «чудесам», которые получаются в опытах по облучению лабораторных животных.

В нашей лаборатории существовал закон: любой опыт должен быть грамотно обработан статистически. Поэтому и я, как только накопился некоторый материал, начал обращать внимание на закон распределения смертности животных во времени. Однако ожидаемого холма не получилось. Вместо него был горный хребет с пиками и с долинами между ними. Может быть, это результат случайных колебаний в связи с недостаточным материалом? Такое нередко случается. Опыты продолжаются и повторяются — та же картина. Причем одно и то же получается на мышах разных линий, на белых крысах. На протяжении первых двадцати дней после облучения, периода, за который погибает большая часть животных, если им вообще суждено умереть от острой лучевой болезни, можно различить пять пиков смертности: сроков, когда наблюдается особенно массовая гибель животных. Иногда их видно невооруженным глазом, иногда для этого требуется математическая обработка, но всегда они налицо.

Особенно интересно, что пики занимают постоянное место. У мышей разных линий, у самцов и самок, у молодых и старых они падают на одни и те же дни, только относительная высота их оказывается различной. На положение пиков не влияет даже доза облучения. С увеличением дозы продолжительность жизни вовсе не уменьшается постепенно, как казалось раньше; просто меняется относительная высота пиков.

В чем же тут дело? Первая мысль, которая приходит в голову: разные пики отражают разные причины гибели. Как ее проверить? Можно ввести мышам различные противолучевые средства и посмотреть, как они повлияют на разные пики. Опыты проведены, и гипотеза полностью подтвердилась. Есть вещества, которые равномерно снижают все пики (значит, они влияют на самые первичные поражения), другие — лишь какой-нибудь один пик или группу пиков. Таким образом, доказана рабочая гипотеза, что пики — отражение разных причин смерти. А попутно те же результаты свидетельствуют, что механизм действия разных защитных средств различен.

Дело было в 1949 году. А через некоторое время я узнал, что пики смертности уже давно известны. Попался американский рентгенологический журнал за 1945 год, где я увидел статью о пиках. Правда, ее автор обнаружил не все пять пиков, а только два. И опыты он ставил по-другому. Он не применял защитных веществ. Вместо этого облучал разные части тела животных. Например, чтобы вызвать смерть через три-четыре дня, нужно облучить тонкий кишечник, для гибели через девять дней — костный мозг…

Имя автора заинтересовавшей меня статьи было Генри Квастлер. Я запомнил и стал обращать внимание на все его работы. Через некоторое время, в 1951 году, он вернулся к изучению пиков и на этот раз пришел к более полным выводам, которые совпадали с моими.

Позже имя Квастлера встречалось мне нередко. Он интересовался довольно разнообразными вопросами. И — забавное совпадение! — очень часто это были вопросы, которые увлекали и меня. Я надеялся, что рано или поздно мы встретимся и нам о многом придется поговорить. Увы, мы успели обменяться лишь парой деловых писем.

Конечно, я хотел больше узнать о Квастлере, прочесть все его статьи. Работ, напечатанных до 1945 года, оказалось всего три, но они были малоинтересны. Значит, в это время он только делал первые шаги в науке. Вероятно, он моложе меня. Интересно, какой он — высокий или низкорослый, полный или худощавый.

Попались мне в немецких медицинских журналах 30-х годов несколько статей Квастлера, но явно другого. Этот был не Генри, а Генрих, и работал не в США, а… в Албании. Может, то был его отец?

Трудно быть Шерлоком Холмсом: все мои предположения оказались неверными. Потом дошел слух о смерти Квастлера. Не знаю, правда это или нет, но рассказывали, будто умер он потому, что не смог пережить гибели горячо любимой жены. Редкий случай в XX веке! Но я воспринял это как что-то естественное, ибо все очень хорошо вязалось и с его научным творчеством. Квастлер в науке был романтиком, хотел большего, чем его коллеги. Видно, что он был человеком глубоких чувств не только в науке, но и в жизни…

А потом вышла, уже посмертно, его последняя книга. В ней на полутора страничках биография. Мало о чем говорит она. Перечисляются институты, где работал Квастлер, и направления исследований, которые его интересовали. Но это было известно из его статей. Так что и сейчас о многом приходится только догадываться.

Генри Квастлер родился в 1908 году в Вене. (Выходит, что он был не моложе меня, а значительно старше!) Окончив в 1932 году медицинский факультет в своем родном городе, он работал в течение пяти лет в Албании практикующим врачом и рентгенологом. (Значит, Генрих Квастлер — это он сам, а вовсе не его отец.) А потом переехал в США. Почему он покинул родной город, почему уехал из Европы — скупые строки биографии об этом не говорят. Но ведь в начале 1938 года гитлеровские войска вступили в Австрию. Вероятно, это и объясняет перелом в судьбе Генриха, превратившегося в Генри.

До переезда в Америку Генрих успел опубликовать семь научных статей. А Генри напечатал свою первую работу только в 1942 году. Вначале он работал в Нью-Рошеллской больнице. Видно, условия были тяжелыми, раз он не занимался научной работой. В 1942 году Генри как раз переехал в другой город. До 1949 года Квастлер нес полную нагрузку практикующего врача, но смог выполнить ряд первоклассных работ. Только в 1949 году (то есть когда ему был уже 41 год) он стал заниматься научной работой профессионально. Стало ясно, что у Квастлера биография не простая и путь в науку не был у него «зеленой» улицей. Для Квастлера особенно характерно, что он, не получив систематического физического и математического образования, сам достаточно овладел этими науками. А зная основательно биологию и медицину, он мог лучше, чем математик-профессионал, находить области, где математический подход целесообразен.

Говард Кэртис заканчивает биографический очерк о Квастлере следующими словами: «Его сотрудники также заразились его математическим энтузиазмом, и в этом, быть может, в конце концов и состоит главный вклад доктора Квастлера в науку. Его горячее сердце, дружеские и проницательные советы, его энтузиазм при встрече с новой идеей привлекали к нему симпатии всех, кто так или иначе соприкасался с ним».

Пусть простят меня те, кто сделал не меньше или даже больше, чем Квастлер, и кому я не уделил такого же места в этой книге. Но Квастлера уже нет среди нас, а добрую память он заслужил.

Случай в городе Эн

На днях у меня в кабинете зазвонил телефон. Сняв трубку, я услышал голос доктора Байсоголова:

— Поздравляю! Родился вполне нормальный ребенок.

— Спасибо, что сразу позвонил, — ответил я, — а то я, признаться, все-таки беспокоился. Ведь я генетик. Да, впрочем, меня-то поздравлять нечего, это тебя нужно поздравлять! Молодец! А сын или дочь?

— Не знаю. А не все ли равно?

— Да, конечно, все равно!

Странноватый разговор, не правда ли? Но дело в том, что ни я, ни Григорий не ждали прибавления семейства. Речь шла о женщине, которую я даже ни разу в глаза не видел, даже фамилии ее не знаю. А для доктора она — одна из очень старых пациенток.

Одна девушка (назовем ее Зоя Н.) в результате несчастного случая оказалась облученной большой дозой.

Зою удалось спасти. Но главное не в этом. Одно дело, когда это инженер средних лет, а совсем другое — молодая девушка, у которой вся жизнь впереди. К лучевой болезни присоединилась тяжкая психологическая травма. Больная не благодарила врачей, спасших ей жизнь:

— Ну кому я теперь нужна… такая?

Она думала, что пойдет в клуб после выписки из больницы и будет сидеть в углу, глядя, как знакомые парни пляшут с другими. Думала о том, что на старую работу ее, переоблученную, не возьмут и придется переквалифицироваться. Не хотела верить врачам, что все будет хорошо. Да и врачи не очень-то верили в это.

Но они говорили правду. Скоро Зоя стала мало отличаться от своих сверстниц. А сейчас у нее лишь один изъян: небольшие катаракты на глазах. Но они не прогрессируют, зрению не мешают, а главное — не сильно заметны. Зоя обрела новую специальность, стала медиком. И, наконец, вышла замуж. У нее своя семья! Но оставался последний больной вопрос: сможет ли она стать матерью? Облучение даже гораздо меньшими дозами вызывает временную стерильность. А после такой дозы? И вот самое главное: когда Григорий Давидович рассказывал об этой истории, Зоя была беременна.

— А тебе будет известно, чем кончится дело? — спросил я, зная, что Зоя по-прежнему живет в городе Эн, расположенном далеко от Москвы.

— Ну, разумеется, мне сразу сообщат, ведь я всех своих старых пациентов держу под наблюдением.

Я попросил Байсоголова, чтобы он сказал мне, благополучно ли пройдут роды и каков будет ребенок. Об этом-то он мне и звонил.

Глава VI

Мрак рассеивается

Исследовать — значит видеть то, что видели все, и думать так, как не думал никто.

А. Сент-Дьерди, «Биоэнергетика»

О женских ножках

— И за что я могла зацепить этот проклятый чулок, ума не приложу! — сетует огорченная жена. — Ты не трогал их? — спрашивает она, в тщетной надежде найти виновного.

Модные женские чулки обладают удивительным свойством быстро выходить из строя, и притом в самое неподходящее время. Как раз нужно собираться в гости, и выясняется, что нет ни одной целой пары. Надежда только на то, что галантерейные магазины по дороге еще не все закрыты.

Обыкновеннейшая история, которая, однако, достойна постоянного удивления. Ведь капрон — одно из прочнейших искусственных волокон. Рыбакам стало жить гораздо легче, когда появились капроновые сети, ведь они почти вечные. Беда, что на дамские чулки идет гораздо более тонкое волокно, которое ничего не стоит порвать.

Чулки бесповоротно испорчены потому, что их владелица за что-то слегка зацепилась. Она и сама этого не почувствовала. Если была бы без чулок, не заметила бы и ничтожной царапины на ноге. А если бы царапина была побольше — такая, от которой больно и из которой идет кровь? Даже самая завзятая модница не сокрушается, что испортила ноги. Она знает: через неделю от этой царапины не останется и следа. Вот это и есть самое удивительное, на что я хочу обратить ваше внимание. А вспомните детство. На что были похожи ваши коленки! Не только у мальчишек, у девочек тоже. Но прошло время, и от ссадин, царапин, начисто отодранных кусков кожи не осталось даже воспоминания. И если это ножки возлюбленной (бывшая сорвиголова!), можно писать стихи об их стройности и белизне!

С одной стороны капрон — один из прочнейших полимеров, изобретенных химиками, с другой — нежная женская ножка. Первый боится чуть ли не вздоха, а второй — ничего не страшно. Все дело в том, что любое, самое маленькое повреждение в прочнейшем полимере таким и остается, оно может только усилиться, а на нашем теле залечивается.

Но у человека по сравнению с другими живыми организмами способность к регенерации (восстановлению утраченных частей) развита очень слабо. Возьмите, например, пятилучевую морскую звезду и отрежьте один из лучей. Он отрастет заново (пятая часть тела!). А что будет с отрезанным лучом? От него отрастут четыре новых. Можно разрезать звезду на пять частей, и из каждой через некоторое время может вырасти по целому животному…

Но способны ли живые организмы восстанавливаться от нарушений, вызванных ионизирующими лучами? А почему бы и нет? Чем особенным отличаются эти повреждения от любых других?

Посмотрите на делянки с горохом, выросшим из семян, облученных разными дозами. Чем выше доза, тем меньше растений, хотя на каждую делянку высажено совершенно одинаковое число семян. Но что это? На делянке всего три растения, но каких! У каждого из них не по одному, а от трех до пяти стеблей, и они втроем покрывают своими побегами всю площадь, на которой могли бы расти полсотни нормальных необлученных растений. Еще больше мы удивимся, узнав, что семена, из которых выросли эти растения, были облучены очень высокой дозой.

Если разобраться, ничего удивительного нет. Доза была очень высокой: в большинстве семян зародыши погибли. Немногие оставшиеся живыми имели вначале жалкий вид, у них была полностью разрушена точка роста (она особенно чувствительна к радиации). Но из-за той замечательной способности живых существ восстанавливаться, о которой идет разговор, организм образовал новые точки роста, причем не одну, несколько, и каждая из них дала стебель. А так как большинство окружающих растений погибли, оставшиеся в живых оказались в лучших условиях и на просторе бурно разрослись.

Это восстановление организмов. Часть клеток гибнет, но оставшиеся в живых начинают усиленно делиться и восполняют потерю, иногда даже с избытком. А могут ли восстанавливаться сами клетки?

Да, могут. Большинство внутриклеточных повреждений, вызываемых радиацией, восстановимы. Одной из радиочувствительных систем клетки является так называемая система окислительного фосфорилирования. Она окисляет («сжигает») питательные вещества, попавшие в клетку, и превращает выделившуюся энергию в форму, удобную для дальнейшего использования. Эта система повреждается довольно низкими дозами, причем изменение наступает почти сразу после облучения. Но проходит совсем немного времени, и клетка снова начинает работать нормально. Впрочем, мы уже знаем, что биохимические повреждения довольно легко восстановимы.

Самое важное из повреждений живой клетки — изменение ее наследственных свойств. Восстановимы ли генетические повреждения? Как нарочно, этот вопрос оказался наиболее трудным. Исходя из того, что известно о механизме действия лучей на хромосомы, не было, казалось, никаких оснований ожидать, что их повреждения обратимы. О том же говорили и многочисленные опыты.

Но в 1949 году было сделано важное открытие, правда касавшееся не ионизирующих лучей. Как это нередко бывает, независимо друг от друга несколько ученых — Ковалев в Советском Союзе, Дюльбекко и Кельнер в Соединенных Штатах — установили, что если клетки, облученные ультрафиолетовыми лучами, осветить видимым светом, то большая часть их восстанавливается. Это явление назвали фотореактивацией. Генетические повреждения тоже реактивируются. Но при облучении ионизирующей радиацией никакой фотореактивации не было. Стали считать, что генетические повреждения, вызванные ионизирующими лучами, необратимы. И так было в течение целого десятилетия.

Восстановление?

Мы с Володей крупно разругались. И было из-за чего! Впрочем, судите сами. Что, я хуже него физику знаю или Эйнштейна не читал?

Володя оправдывался, как мог. Впрочем, нет, он не оправдывался. Он нападал на меня за неясные выражения, за то, что формула в статье дана без подробного вывода и ее можно с полным правом истолковать так, как это сделал Юра. Словом, валил все на меня.

В то время Володя опубликовал вместе с Юрой статью, где приписал мне то, чего я никогда не утверждал и не думал. Мало того, приписанное мне прямо противоречило тому, до чего мы вместе договорились еще в 1958 году. Правда, мы быстро пришли к общему знаменателю и помирились. Я вспомнил об этом случае только потому, что он показывает, насколько предмет нашего спора был непростой. Ведь спорили не противники, а единомышленники.

С Володей я познакомился очень давно, сначала заочно, а потом и очно. Однажды в наш институт приехал из Москвы известный биофизик Борис Николаевич Тарусов, профессор университета. Моей работой по пикам смертности он заинтересовался.

— А ведь знаете, — говорил он мне, — такая же картина наблюдается не только у млекопитающих. Один из моих аспирантов, Володя Корогодин, занимается облучением дрожжей, и у него получается, что дрожжи погибают тоже через вполне определенные сроки: либо вообще без деления, либо разделившись только один-два раза, либо дав колонии в несколько десятков клеток. А у Гены Поликарпова сходные результаты в опытах с гидрами.

Мне было очень интересно. Вот бы познакомиться с этими ребятами! С тех пор прошло очень много времени. И Владимир Иванович Корогодин и Геннадий Григорьевич Поликарпов теперь уже давно знакомые мне доктора наук, а Поликарпова даже избрали в члены-корреспонденты Украинской Академии наук.

С обоими я познакомился летом 1958 года на нашей биостанции. Геннадий к тому времени занялся уже другими, более далекими от моих интересов вопросами, а Володя продолжал облучать дрожжи. О многом нам нужно было поговорить. Это мы и делали, часами бродя по лесной дороге, ведущей на перевал, или лежа на берегу озера.

Я рассказывал о странных результатах, которые получались в опытах с семенами гороха. У меня (как и у некоторых других радиобиологов) уже давно начало закрадываться подозрение, что облученные клетки могут иногда восстанавливаться от повреждений, вызванных радиацией. В пользу этого свидетельствовали некоторые косвенные данные, полученные разными авторами в разных странах. Но, должен признаться, подозрение не очень-то крепкое, и я не спешил его проверять. Но… не было бы счастья, так несчастье помогло.

В 1955 году наша лаборатория переехала в другой город. Все пришлось организовывать заново. Вначале даже облучать нечем было. Но не сидеть же без дела. Случайно с нами оказался мешочек с облученными семенами гороха. Когда-то хотели ставить опыт, что-то помешало, а семена так и не выбросили. Пока идет организация лаборатории, можно попробовать проверить старую идею. Надежды на успех мало, тем более что семена облучены два года назад, но почему бы не поставить опыт, когда есть для этого время?

Старые семена разделили на три партии. Одну из них намочили в воде, а две другие — в растворах цистеина разной концентрации. Через сутки, как и полагается в опытах с горохом, семена переложили на влажный песок, а еще через двое суток стали изучать облученные клетки под микроскопом. Посмотрели в микроскоп и удивились: предположение, в которое сами не очень-то верили, подтверждалось. В семенах, намоченных в цистеине, процент делящихся клеток был значительно выше.

С этого началось. Когда установили излучатель, то первым делом мы решили посмотреть, что будет, если поставить такой же опыт, но выдерживать семена после облучения не два года, а более короткое время. Избрали срок двое суток. В этом опыте результат оказался еще более разительным. Не только восстанавливался нормальный темп клеточного деления, подавленный облучением, но и уменьшалось число хромосомных мутаций, причем очень значительно, примерно вдвое.

Это было настолько интересно и неожиданно, что прежние планы были отставлены и мы со Львом Царапкиным взялись за изучение нового явления. Об этих опытах я и рассказывал Володе Корогодину.

— Такие результаты, — говорил я, — можно объяснить, только если верить в способность хромосом к восстановлению повреждений, вызванных облучением. В покоящихся семенах, где все процессы, в том числе и развитие поражения, идут медленно, мы можем повлиять на судьбу первичных повреждений. Правда, хотя других объяснений я не вижу, как-то трудно в это поверить. Ведь во всех книгах написано, что мутации происходят непосредственно во время облучения и сразу в окончательной форме. А если восстановление существует, то всю радиобиологию придется переписывать заново.

— А ты знаешь, — отвечает Володя, — я сам не могу спать спокойно из-за тех же сомнений. Мы тоже получаем результаты, которые можно объяснить только пострадиационным восстановлением, хотя в него никто не верит.

Да, восстановление!

И Володя (он же Владимир Иванович Корогодин) рассказал следующее.

Он по-прежнему работал на дрожжевых клетках. Обычно клетки сразу после облучения сеют на твердую питательную среду и через некоторое время смотрят, сколько образовалось колоний. А Корогодин попробовал высевать облученные клетки не сразу, а через сутки. Чтобы клетки в течение этого времени не делились, их держали в воде. И во всех опытах получалось одно и то же: выдержанные клетки давали больше колоний, чем посеянные сразу. Напрашивалась мысль, что за время между облучением и посевом клетки успевают восстановиться от повреждений. Но это противоречило общепринятым взглядам. Потерю дрожжевыми клетками способности образовывать колонии связывают с возникновением мутаций. Следовательно, и опыты Корогодина свидетельствовали о том же самом: первичные генетические изменения обратимы.

С тех пор прошло десять лет. Изучение пострадиационного восстановления уже имеет историю. В течение всего этого времени оно стояло в центре наших интересов, теперь исследованием восстановления занимаются во множестве лабораторий.

Для меня и Володи наша встреча сыграла важную роль. Она прибавила каждому уверенности, и мы окончательно решили: пострадиационное восстановление существует. Нашли на озерном пляже большой гладкий камень и тут же написали статью, которая через некоторое время была напечатана в журнале «Биофизика».

Ученые коллеги отнеслись к новой идее по-разному. Через некоторое время мы узнали, что примерно тогда же такие или очень похожие мысли пришли в голову разным ученым, работавшим в разных странах и на разных объектах. Люнинг в Швеции, Кимбалл и Свенсон в США, Ауэрбах, Альпер и Тодей в Англии напечатали в конце 50-х годов (кто немного раньше, кто несколько позже) статьи, где объясняли полученные результаты пострадиационным восстановлением клеток от первичных генетических изменений. Так бывает часто. Сам ход развития науки обусловливает неизбежность открытия, и его делают, часто одновременно и независимо друг от друга, несколько человек.

А еще выяснилось, что многие авторы и гораздо раньше наблюдали пострадиационное восстановление, но давали ему иное объяснение. Все, кому приходилось облучать живые клетки и исследовать их через разное время, обращали внимание на то, что число клеток с хромосомными мутациями постепенно уменьшается. Если времени прошло столько, что клетки могли успеть разделиться несколько раз, ничего удивительного нет: поврежденные клетки погибают во время деления. Но как быть, если то же самое наблюдается и среди клеток, делящихся первый раз? Такую картину объясняли тем, что на разных стадиях жизненного цикла клетки имеют разную чувствительность. Теперь следовало считать, что уменьшение эффекта связано с восстановлением: чем дольше клетка не делится, тем у нее больше времени для залечивания повреждений.

Представление о существовании пострадиационного восстановления было настолько неожиданным и казалось настолько противоречившим общепринятым взглядам, что многие встретили его в штыки. Мы огорчались. Но скептическое отношение к нашим утверждениям имело и свою положительную сторону. Нужно было получить действительно безупречные доказательства эффекта восстановления.

И такие доказательства были найдены и мной, и Корогодиным, и другими авторами. Я не буду приводить своего доказательства, так как оно довольно сложно и требует математики. Расскажу о доказательстве, предложенном Корогодиным, оно наиболее наглядно, и ему нельзя отказать в простоте и изяществе.

Опыты с дрожжами вызвали два основных возражения. Ведь дело, может быть, вовсе не в восстановлении, а либо в том, что неповрежденные клетки за время их выдерживания делятся и к моменту посева здоровых клеток становится больше, либо в том, что поврежденные клетки лизируются, то есть, попросту говоря, умирают и растворяются и таким образом выпадают из учета. Чтобы доказать реальность эффекта восстановления, нужно было поставить опыты, которые исключали бы возможность таких объяснений.

Для опытов избрали очень высокую дозу гамма-лучей: 120 тысяч рентген. Если клетки, облученные такой дозой, сразу высевать на питательную среду, то лишь 0,2 процента их сохраняют способность образовывать колонии. Если же после облучения их в течение двух суток выдержать в воде, то колонии дают около 40 процентов клеток. Предстояло выяснить, связана ли разница с тем, что клетки при их выдерживании действительно восстанавливают способность к образованию колоний, или эффект объясняется тем, что во время выдерживания поврежденные клетки успевают погибнуть, а неповрежденные — размножиться. Как это проверить?

Дрожжевые клетки облучают в довольно густой суспензии, содержащей в одном кубическом сантиметре около миллиона клеток. Затем взвесь разбавляют водой в десять тысяч раз и на поверхность среды в каждой чашке наносят один кубический сантиметр смеси. Таким образом, в каждую чашку попадает около 100 клеток. Если эту процедуру провести сразу после облучения, то лишь в двух чашках из десяти появится после инкубации по одной колонии. Если через двое суток, то в каждой чашке будет примерно по 40 колоний. Однако, как уже сказано, этот эффект можно объяснять не только восстановлением, но и тем, что за время выдерживания размножились клетки, способные давать колонии.

Опыт, о котором идет речь, был поставлен несколько иначе. Взвесь клеток в воде сразу после облучения и разбавления разлили по отдельным пробиркам — по одному кубическому сантиметру в каждую, а через двое суток содержимое каждой пробирки перенесли в чашки с питательной средой. После инкубации во всех чашках выросло большое число колоний — в среднем по сорок на чашку, как и в обычных опытах. Если бы эффект выдерживания сводился только к размножению неповрежденных клеток, следовало бы ожидать совершенно иного результата: в большинстве чашек не должно было бы быть вообще колоний, а примерно в двух из десяти их должно было бы вырасти очень много.

Вряд ли полученные результаты можно объяснить иначе, чем восстановлением клеток от повреждений.

Вмешательство в природу

Повлиять на судьбу первичных лучевых поражений… Эта заманчивая задача оказалась вовсе не такой сложной. Ведь эффект пострадиационного восстановления был открыт в опытах, где под влиянием тех или иных условий наблюдаемое повреждение уменьшалось.

В первых экспериментах применялось намачивание после облучения в растворах цистеина. При этом уменьшался процент клеток с хромосомными мутациями, вызванными облучением. Казалось, что нам очень повезло: первое же вещество, которое мы испытали, дало желаемый эффект! Хотелось найти еще какое-нибудь вещество, обладающее сходным действием. Поставили опыт, где облученные семена намачивали в растворах разных аминокислот — веществ, родственных цистеину. Ничего подобного мы не ожидали. Все, абсолютно все аминокислоты дали такой же эффект, как и цистеин.

Разные аминокислоты уже испытывали раньше в качестве защитных веществ, то есть непосредственно перед облучением. Большинство не вызывало никакого эффекта, а остальные по степени защиты заметно уступали цистеину. А здесь все аминокислоты оказались равноценными. Как будто бы следовал вывод о том, что способность оказывать защиту свойственна лишь цистеину, а влияние на скорость пострадиационного восстановления — общее свойство аминокислот.

Для проверки этого вывода ставится новая серия опытов, где используются растворы представителей самых разнообразных классов химических веществ. И здесь результат оказывается неожиданным: снова все вещества дали примерно одинаковый эффект. Ускоряли восстановление такие непохожие друг на друга и простые вещества, как спирт и поваренная соль.

Это уже переставало быть интересным — искать вещества, ускоряющие восстановление. Слишком уж их много и вряд ли их сравнение поможет что-нибудь сказать о механизме восстановления. Теперь более заманчивым казалось найти вещества, которые бы замедляли восстановление либо ускоряли, но значительно больше, чем цистеин и его многочисленные собратья.

Поисками занялся Лев Сергеевич Царапкин, с которым мы ставили первые опыты по восстановлению. Он испытал десятки различных веществ и нашел все, о чем только можно мечтать. Есть средства, не влияющие на процесс восстановления, усиливающие его, подобно цистеину (таких больше всего), тормозящие восстановление, оказывающие значительно больший эффект, чем цистеин. Тут уже было над чем подумать.

Набор наиболее интересных веществ, и тормозивших восстановление и дававших «сверхзащиту», оказался не случайным. Обе группы связывала одна общая черта: все они имели то или иное отношение к клеточной энергетике. Отсюда следовал вывод: для восстановления нужна энергия, значит, восстановление — результат активной деятельности клетки. О том же самом говорили и данные совершенно других исследований — статистических. Такие несхожие науки, как биохимия и математика, дополняли друг друга.

В опытах по восстановлению хромосом обычно сравнивают либо процент клеток, имеющих мутации, либо среднее число мутаций на одну клетку. Оба эти показателя приводят, как правило, к совпадающим выводам. Мы попробовали, кроме того, использовать еще и третий показатель: среднее число повреждений на клетку. Результаты получились довольно неожиданные. Почти всегда, когда дополнительное воздействие изменяло число клеток с мутациями (и, конечно, общее число мутаций), степень повреждения отдельных клеток оставалась постоянной. Выходило, что при пострадиационном восстановлении уменьшается только число поврежденных клеток.

Этот тип восстановления назвали поклеточным. Он говорил о том же, что и сравнительный анализ влияния разных веществ: процесс восстановления связан с жизнедеятельностью всей клетки в целом.

Но как же конкретно происходит восстановление? К чему сводится его механизм? Вопрос очень непростой. Ведь даже предположить что-то о механизме восстановления можно, сначала узнав, что представляют собой первичные наследственные повреждения.

Химия гена

Первое слово о химической природе гена сказано очень давно, когда и самого слова «ген» не существовало. Мендель уже успел открыть свои законы, но они еще не были никому известны, так как дело происходило еще до их переоткрытия, зимой 1893/94 года в Москве.

Строение клетки к тому времени изучили уже довольно хорошо. Были известны хромосомы, их поведение при делении клеток, при оплодотворении. Даже не зная ничего о законах Менделя, можно было думать о том, что хромосомы играют важную роль в явлениях наследственности. И кое-кто из ученых именно так и думал.

Той же точки зрения придерживался и профессор зоологии Московского университета Михаил Александрович Мензбир. И этому он посвятил свой доклад на IX Всероссийском съезде естествоиспытателей и врачей. Он говорил о последних достижениях в исследовании живой клетки, о существующих в связи с этим гипотезах, о своих собственных взглядах…

По счастливой случайности на докладе присутствовали два человека, которых там могло бы и не оказаться. Один из них хотя и был ученым, но не имел никакого отношения к биологии. Он был профессором химии. Второй же, хотя и имел отношение к биологии, был в то время всего-навсего студентом.

Профессора химии звали Александр Андреевич Колли. Он сопоставил новейшие успехи биологии, о которых рассказывал Мензбир, с последними достижениями химии и пришел к парадоксальному выводу, которым тут же в прениях по докладу и поделился со слушателями. Размеры головки спермия (в котором, естественно, должны быть упакованы все наследственные задатки, достающиеся зародышу от отца) Колли сравнил с вычисленными им размерами белковых молекул. Получалось, что за все наследственные признаки ответственно относительно небольшое число молекул.

Это было настолько фантастично, настолько опережало свое время, что большинство биологов просто пропустили слова химика мимо ушей. Может, эта мысль оказалась бы и вообще забытой, погребенной в стенограммах заседаний съезда, если бы не один из студентов, присутствовавших на заседании. Он запомнил ее на всю жизнь, и она в значительной мере определила его собственное будущее.

Фамилия студента была Кольцов. Позже он стал крупнейшим ученым, академиком Николаем Константиновичем Кольцовым. Основным направлением его работ было изучение физико-химических основ строения и жизнедеятельности клетки. В 1927 году на III Всесоюзном съезде зоологов, анатомов и гистологов он выступил со своим знаменитым докладом: «Физико-химические основы морфологии». В нем он подводил итоги многолетних исследований и высказывал некоторые новые мысли.

Самым замечательным было то место доклада, где Кольцов высказал гипотезу о «размножающихся молекулах». Основа жизни — белковые вещества. Как они построены, в то время было известно очень плохо, знали только, что они очень сложны. Кольцов пришел к выводу, что молекулы такой степени разнообразия и сложности не могут образовываться иначе, чем путем самовоспроизведения.

В дополнение к известным принципам: «Все живое от живого», «Каждая клетка от клетки» и «Каждое ядро от ядра», он выдвинул новый: «Каждая молекула от молекулы» (имелась в виду белковая молекула). Нетрудно догадаться, что при этом речь шла одновременно и о химической природе генов и об их возникновении. Кольцов нарисовал довольно детальную картину того, как устроены гены, как они работают и как размножаются. Развитие науки показало, что он во многом оказался прав.

Ошибся Кольцов только в одном — в том, что ген имеет чисто белковую природу. Впрочем, иначе в те времена и думать было нельзя, так как других веществ, достаточно сложных, чтобы они могли играть роль генов, не знали.

Но теперь, наверно, уже никому не нужно объяснять смысла сокращений ДНК и РНК, казавшихся еще недавно такими таинственными. Все знают, что так обозначают две разновидности нуклеиновых кислот — веществ, играющих важнейшую роль в явлениях наследственности.

Еще недавно считали, что нуклеиновые кислоты устроены очень просто, и думали, что они играют в жизни клетки какую-то весьма второстепенную роль. Но к началу 50-х годов стало накапливаться все больше данных, говоривших о том, что именно нуклеиновым кислотам принадлежит в явлениях наследственности живых организмов ведущая роль.

Так, довольно давно было известно, что вытяжка из убитых бактерий одного штамма вызывает направленные наследственные изменения в потомках другого штамма, если ее добавлять к среде, на которой разводят бактерий. Теперь установили, что активным началом этих экстрактов является нуклеиновая кислота.

Примерно тогда же был изучен механизм заражения бактерий фагами (бактериальными вирусами). Фаг устроен очень просто: он состоит из белка и нуклеиновой кислоты. Оказалось, что при заражении внутрь бактериальной клетки проникает только нуклеиновая кислота. Белок остается снаружи. И тем не менее через некоторое время внутри бактерии появляются новые фаги, в состав которых входит и специфический фаговый белок.

Еще более ясные результаты получились с чистой нуклеиновой кислотой, выделенной из вируса мозаичной болезни табака. Втерли это вещество в листья здоровых растений, и они заболели. Внутри их клеток появились болезнетворные вирусы…

Примеров достаточно, чтобы задуматься. Но как же быть с тем, что нуклеиновые кислоты так просто устроены? Однако и на химию нуклеиновых кислот к тому времени стали смотреть несколько иначе, чем раньше. Раньше считали, что существует лишь две разновидности нуклеиновой кислоты: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), находящаяся в хромосомах, и рибонуклеиновая кислота (РНК), находящаяся преимущественно в рибосомах — мельчайших цитоплазматических гранулах, в которых идет синтез белка. Но это мнение пришлось изменить. Московский биохимик, ныне академик, Андрей Николаевич Белозерский доказал, что нуклеиновые кислоты обладают видовой специфичностью: у всех живых существ нуклеиновые кислоты различны. К тому же выводу пришел и американец Эрвин Чаргаф.

Кроме того, стало известно, что неповрежденные нуклеиновые кислоты достигают огромных размеров и строение их таково, что они могут обеспечить не меньшее разнообразие, чем белки.

Словом, к началу 50-х годов и биологические и химические данные о нуклеиновых кислотах были таковы, что оставалось ждать решающего открытия.

Магическая спираль

Решающее открытие произошло в 1953 году. Сделали его двое ученых — англичанин Френсис Крик и американец Джемс Уотсон, работавшие тогда вместе. Открытие касалось строения молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), той самой, что является составной частью хромосом.

Анализируя данные рентгеноструктурного анализа, Крик и Уотсон пришли к выводу, что молекула ДНК состоит из двух параллельных нитей, завитых в спираль. Самым замечательным было то, что порядок нуклеотидов («кирпичиков», из которых сложены гигантские молекулы нуклеиновых кислот) в одной нити полностью определяет их порядок в другой. Поэтому, если нити разойдутся, то к каждой из них могут пристроиться только такие же нуклеотиды, какие составляли отошедшую нить. Получатся две одинаковые молекулы, в точности подобные исходной.

Да ведь это размножающиеся молекулы, которые, согласно Кольцову, должны лежать в основе жизненных явлений! Правда, оказалось, что этим свойством обладают не белки, как можно было думать в середине 20-х годов. Но как же с белками? Ведь они лежат в основе жизненных явлений.

Через несколько месяцев в том же самом английском журнале «Природа», где была напечатана статья Крика и Уотсона, появилась заметка русского физика, живущего в США, Георгия Антоновича Гамова. Анализируя модель ДНК, предложенную Криком и Уотсоном, он делал вывод, что эта молекула может не только размножаться, но и определять строение белков.

Итак, появились две работы, как будто намечавшие путь, на котором можно найти решение величайшей загадки жизни. Хотя обе статьи были очень небольшими (каждая из них занимала меньше страницы), они сразу стали в центре внимания ученых.

И способность молекул ДНК к размножению и способность их определять строение белков были в 1953 году всего лишь гипотезами. Основанием для такого предположения послужили данные о довольно своеобразном строении молекулы ДНК и общие соображения о ее генетической роли. Поэтому первая задача состояла в том, чтобы проверить смелые гипотезы Крика и Гамова. Но вскоре обе гипотезы подтвердили экспериментально.

Тогда возникли вопросы: а как именно нуклеиновые кислоты определяют специфичность белков? Какую роль в белковом синтезе играют нуклеиновые кислоты? Ждать пришлось недолго. Сейчас на оба эти вопроса есть достаточно ясные и подробные ответы.

Настоящий штурм гена начался в 1961 году. В Москве собрался V Международный биохимический конгресс. На одном из заседаний молодой и тогда мало кому известный американский биохимик Маршалл Ниренберг сообщил, что ему удалось осуществить синтез белка в пробирке, вне живой клетки.

Чтобы получить белок, Ниренбергу пришлось взять смесь аминокислот — строительных «кирпичей», из которых состоят белки, кое-какие биологически активные вещества и… нуклеиновую кислоту.

Нуклеиновая кислота была трех сортов: рибосомная, та РНК, что содержится в частицах, где происходит сборка белковой молекулы; транспортная РНК, молекулы которой присоединяются к «кирпичам» и тащат их туда, куда нужно; и, наконец, информационная РНК, определяющая порядок, в каком нужно складывать «кирпичи». Все три типа РНК образуются в хромосомах под влиянием находящейся там ДНК. Собственно говоря, они представляют собой слегка измененные копии отдельных участков хромосомной ДНК.

Самое замечательное в опытах Ниренберга было то, что белок синтезировался и тогда, когда брали искусственную информационную РНК, такую РНК, которая не похожа ни на одну из ее природных разновидностей. Конечно, и белок при этом получался непохожий ни на один белок, знакомый биохимикам.

Эти опыты положили начало расшифровке генетического кода — алфавита наследственности. Белки содержат до 20 разных аминокислот. В постройке же нуклеиновых кислот участвует всего четыре нуклеотида. Это не должно нас удивлять. Ведь с помощью азбуки Морзе можно зашифровать любые буквы любого языка, и в придачу к ним цифры и знаки препинания. А ведь азбука Морзе состоит всего лишь из двух знаков — точки и тире. Но, конечно, из-за этого приходится, как правило, на каждую букву брать по нескольку знаков телеграфной азбуки.

Расшифровать генетический код — значит узнать, какие группы нуклеотидов соответствуют каждой из 20 аминокислот. Первая такая группа была найдена Ниренбергом в работе, о которой он докладывал в Москве.

Теперь генетический код уже расшифрован. А одной из наиболее быстро развивающихся наук стала молекулярная генетика, изучающая физико-химические основы наследственности.

Одним словом

Если бы нужно было выбрать одно слово, наиболее характерное для современной биологии, то этим словом оказалось бы прилагательное «молекулярный». Зайдите в книжный магазин, и вам бросятся в глаза с переплетов и корешков новых книг заглавия: молекулярная биология, молекулярная генетика, молекулярная биофизика, молекулярная биохимия, молекулярная эволюция, молекулярная патология… Молекулярная, молекулярная, молекулярная… Конечно, отчасти это дань моде, так как некоторые из этих книг по своему содержанию ничем существенным не отличаются от выходивших десять и двадцать лет назад, под совсем другими, скромными названиями. Но дело, конечно, не только в моде, или лучше сказать, что мода эта не случайная. Биология теперь, впервые за несколько веков своего существования, подошла к изучению молекулярных основ жизненных процессов. Поэтому вполне понятно стремление биологов связать изучаемые ими явления с тем, что происходит на молекулярном уровне.

Особенно естественно такое стремление для радиобиологии. Ведь в основе всех биологических эффектов радиации лежит взаимодействие ионизирующих частиц с молекулами живого вещества, даже не с молекулами, а с отдельными составляющими их атомами.

Наше путешествие по радиобиологии подходит к концу. Мы не только узнали, какие изменения производит ионизирующая радиация в живых организмах, но даже почему они происходят. Пора бы, казалось, поговорить и о молекулярных нарушениях, которые лежат в основе радиобиологических эффектов.

Но, увы, хотя это кажется вполне уместным, многого мы сказать не можем. Исследование молекулярных основ радиобиологии только начинается.

Как ни странно, но до сих пор наша наука еще не имеет прямых указаний на то, какие именно молекулярные повреждения наиболее существенны для биологических эффектов. Догадываться можно о многом, но прямых доказательств пока нет. Действительно, если ведущая роль в лучевом поражении принадлежит изменениям наследственного аппарата клеток, а «веществом наследственности» является нуклеиновая кислота, то очевидно, что наиболее важными должны быть нарушения, производимые облучением в молекулах ДНК.

Но хотя роль поражений молекул ДНК кажется довольно очевидной, прямых доказательств почти нет. И это несмотря на то, что нуклеиновая кислота находится под сильным подозрением уже по крайней мере лет двадцать.

До самого недавнего времени все попытки вызвать в молекулах ДНК какие-нибудь изменения с помощью ионизирующих лучей приводили к одному и тому же результату: чтобы вызвать сколько-нибудь установимые изменения, нужны очень высокие дозы радиации — сотни тысяч, миллионы, редко десятки тысяч рентген, то есть во много раз превосходящие «биологические» дозы.

Но живой организм гораздо более чувствительная система, чем любые лабораторные приборы. А методы изучения молекул были недостаточно чувствительны, чтобы обнаружить происходящие в них изменения. В последние годы положение существенно изменилось, и ученые могут определять в молекулах нуклеиновых кислот и нуклеопротеидов (комплексов нуклеиновых кислот с белками) изменения при облучении их дозами порядка тысяч, а иногда даже сотен или десятков рентген. Такие возможности открылись совсем недавно, и, хотя исследования ведутся широким фронтом, точки над «и» еще не поставлены. Но нужно надеяться, что произойдет это довольно скоро.

Я расскажу в качестве примера лишь об одном направлении работ. Выбор мой определяется тем, что наиболее хорошо знакомо, так как большая часть работ, о которых пойдет речь, проведена в нашей лаборатории.

Самое первое, что ученые обнаружили при облучении растворов ДНК, было изменение их вязкости. ДНК представляет собой длинные нитевидные молекулы, и потому растворы ее отличаются очень высокой вязкостью. Чем длиннее нити, тем выше вязкость раствора. После облучения вязкость уменьшается, причем тем больше, чем выше примененная доза. Совершенно ясно, что в основе падения вязкости лежит фрагментация молекул.

Как хорошо, можете подумать вы, фрагментация молекул, фрагментация хромосом… А хромосомы как раз состоят из этих молекул. Все ясно! Подождите радоваться. Все было бы действительно хорошо, если бы дозы, вызывающие первое заметное падение вязкости, были в тысячу или хотя бы в сто раз меньше. А так получается слишком большая неувязка.

Но молекулы ДНК построены довольно своеобразно. Каждая молекула представляет собой двойную нить, закрученную в спираль. Стало быть, чтобы разорвать молекулу, нужно порвать две нити, и падение вязкости связано с двойными разрывами. Возможно, одиночные разрывы возникают при значительно меньших дозах? Может быть… Но как это проверить? Ведь одиночный разрыв никак не сказывается на свойствах молекулы. Вот если бы раскрутить двойные спирали, поместить в раствор отдельные ниточки и померить его вязкость! Тогда все стало бы ясно.

Идея далеко не такая фантастическая, как может показаться на первый взгляд. Если раствор нагреть, молекулы ДНК сами по себе разделяются на отдельные нити. Правда, при остывании они снова соединяются. Однако, если раствор охладить очень быстро, то нити так и остаются разъединенными. Эта методика была использована в радиобиологических опытах московским биофизиком Павлом Иосифовичем Цейтлиным и молодым сотрудником нашей лаборатории Николаем Рябченко.

В этих опытах получалась совершенно иная картина, чем в прежних. Вязкость растворов падала при значительно меньших дозах. Не буду приводить многочисленных цифр, скажу только, что в пересчете на одно клеточное ядро облучение дозой всего в один рентген должно создавать около десяти одиночных разрывов. Здорово? Пока еще нет, потому что два важных вопроса остаются открытыми. Во-первых, опыты ставились на водных растворах ДНК, и что происходит при ее облучении в составе живой клетки — неизвестно. А во-вторых, неясно, какую биологическую роль могут играть одиночные разрывы, если они не сказываются ни на химических, ни на физико-химических свойствах молекул.

На первый из этих вопросов уже получен достаточно четкий ответ. В то время, когда я пишу эти строки, Борис Иванник собирается защищать кандидатскую диссертацию, посвященную сравнительному анализу действия радиации на нуклеиновые кислоты в водном растворе и при облучении целостного организма. Главное внимание в этой работе уделено одиночным разрывам. Много получено ответов на важные вопросы, но нас сейчас волнует ответ лишь на один из них: между первичным действием лучей на ДНК в растворе и в составе живых клеток нет никаких существенных различий.

Что же касается второго вопроса, то прямых опытов для ответа на него поставить еще не удалось. Но ответ напрашивается занятный. Напомню, как в клетке появляются новые молекулы ДНК. Возле каждой из нитей двойной спирали строится новая; в результате получаются две молекулы, в состав каждой из них входит одна старая и одна новая нить. Представим себе, что получится, если молекула с одиночным разрывом начнет размножаться. Очевидно, что возле нити с разрывом построится также нить, имеющая разрыв, и из двух новых молекул одна будет вполне нормальной, а другая — с полным двойным разрывом. Следовательно, изменения, довольно несущественные сами по себе, могут привести к плачевным последствиям при самоудвоении молекул.

Нужно заметить, что возможны и другие предположения о природе молекулярных изменений, лежащих в основе радиобиологических эффектов. Есть основания ставить под подозрение и молекулярные сшивки, то есть соединение нитей друг с другом, и связи между нуклеиновой кислотой и белком, и еще кое-что. Все эти изменения вызываются ионизирующими лучами и могут быть увязаны с биологическими эффектами.

Эти исследования — передний край науки, и, как всегда на переднем крае, работа здесь идет быстро. Не исключено, что к тому времени, когда книжка появится на прилавках магазинов, ответ на вопрос о природе первичных молекулярных изменений будет уже найден.

Исправление ошибок

Открытие пострадиационного восстановления показало, что возникновение мутации не одномоментное событие, а результат сложной цепи событий, протекающих во времени. Иного, конечно, и быть не могло. Это во времена Ньютона считали возможным мгновенное действие. В XX веке мы знаем, что все процессы имеют длительность — это одно из следствий теории относительности. Правда, практически очень быстрые процессы (пусть даже идущие и гораздо более медленно, чем со скоростью света) мы, биологи, можем рассматривать как мгновенные. Но результаты опытов по восстановлению ясно указывали на то, что восстановление мутаций — процесс, с течением которого во времени нельзя не считаться.

Но что представляет собой восстановление? Изучая хромосомные мутации, ученые пришли к выводу, что первичный эффект облучения состоит в разрыве хромосом. А если так, то восстановление должно заключаться в срастании образовавшихся обломков. Такое предположение многие и делали. Ведь действительно, если результат облучения — образование разломов, то восстановление иначе и нельзя себе представить. Но кое-кому такой процесс представлялся совершенно невероятным, потому что он невозможен с физико-химической точки зрения. А раз так, то приходилось пересмотреть старый вопрос о природе первичных повреждений при образовании хромосомных мутаций.

Ученые начали ломать головы, и, как обычно бывает в подобных случаях, сразу появилось несколько гипотез. А потом, как тоже часто бывает, выяснилось, что сходные мысли высказывались уже давно.

Самым естественным было предположить, что во время облучения возникают не разломы, а лишь места, способные к разлому, — потенциальные разломы. Поскольку хромосома состоит из пучка молекул нуклеопротеида, потенциальный разлом можно себе представить как разрыв части молекул, составляющих этот пучок. В дальнейшем в зависимости от обстоятельств произойдет одно из двух: либо порвутся и остальные нити, либо порванные срастутся. В первом случае возникнет разлом, во втором произойдет восстановление. Такое предположение приходило в голову многим генетикам.

Английский ученый Ривелл выступил с другой гипотезой. Он обратил внимание на некоторые закономерности образования хромосомных обменов, которые можно было объяснить тем, что первичным событием является не разрыв, а обмен.

Но ни одна, ни другая гипотеза не могли объяснить тот удивительный факт, что при облучении хромосом в делящихся клетках никаких изменений, которые можно было бы сразу же заметить, не возникает. Можно направить на отдельную хромосому микропучок ионизирующих лучей (микропучок необходим для того, чтобы не убить клетку) и дать очень большую дозу. Но даже совершенно фантастическая доза в миллион рентген хромосому не ломает. А в самых обычных опытах при облучении клеток незадолго до деления эффективность воздействия сильно падает. Анализ кривых зависимости эффекта от стадии, на которой происходит облучение, показывал, что переход первичных изменений в окончательную форму приурочен к определенному периоду в жизни клетки. Он соответствовал окончанию удвоения содержания ДНК в ядре, то есть совпадал со временем образования новых хромосом.

Эти факты приводили к мысли о том, что раз переход первичных повреждений в наблюдаемую форму происходит при образовании новых хромосом, значит именно дочерние структуры и являются носителями наблюдаемых изменений. Так родилась матричная гипотеза хромосомных мутаций. Первичное повреждение состоит, согласно этой гипотезе, в подавлении или изменении аутокаталитических (матричных) свойств облученной хромосомы. В результате дочерние хромосомы строятся ненормально, с ошибками. Если же ко времени образования новых структур повреждение восстановится, то синтез произойдет нормально и никаких изменений мы не заметим.

Перечисленные гипотезы родились в конце 50-х — начале 60-х годов. Однако, как выяснилось через некоторое время, весьма похожие взгляды высказывались и гораздо раньше. Еще в конце 30-х годов немецкий цитолог Бауер подробно обсуждал гипотезы, совершенно подобные тем, которые теперь имеют хождение под названиями гипотезы потенциальных разломов и обменной гипотезы, а выдающийся русский биолог, академик Николай Константинович Кольцов тогда же высказывал соображения, очень близкие к нынешней матричной гипотезе. В том, что об этих работах забыли почти на тридцать лет, нет ничего удивительного: в них просто не было надобности. А когда появились факты, противоречившие фрагментационной гипотезе, их пришлось выдвинуть заново, а потом вспомнить и о старых работах. Итак, три гипотезы… Какая же верна? На этот вопрос я не смогу ответить, потому что как раз теперь в радиобиологии на повестке дня стоит решение этого вопроса. Можно только сказать, что гипотеза потенциальных разломов меньше соответствует фактам, чем две другие. Что же касается обменной и матричной гипотез, то они друг другу не противоречат. Скорее они — две стороны одной и той же медали. Обменная гипотеза говорит о связи между фрагментами и обменами, но совершенно не затрагивает вопроса о природе первичных изменений, который стоит в центре внимания матричной.

Вряд ли может быть случайным сходство выводов, к которым пришли ученые, исследуя молекулярные изменения ДНК и хромосомные мутации. Одиночные разрывы могут проявиться только во время удвоения молекул ДНК, которое предшествует делению клетки и приходится как раз на то самое время, когда, согласно матричной гипотезе, скрытые первичные изменения переходят в мутации.

Молекулярные механизмы образования мутаций и восстановления клеток от скрытых повреждений только сейчас проясняются, но уже можно смело делать два утверждения: образование мутаций не мгновенный акт, а процесс, идущий во времени; переход первичных повреждений в наблюдаемые изменения — результат нормальных процессов клеточного цикла, проходящих с участием поврежденных хромосом. Отсюда ясно, что облучение создает лишь предпосылку для возникновения мутации. Значит, можно рассчитывать на уменьшение лучевого поражения с помощью воздействий, применяемых после облучения, иными словами — «исправлять ошибки», в то время, пока они еще не реализовались в необратимые нарушения.

Биологический усилитель

Вот теперь-то мы можем, наконец, ответить на оба основных вопроса радиобиологии:

Почему ионизирующие лучи при дозах, оставляющих в облучаемых объектах совершенно ничтожную энергию, приводят к столь большим последствиям?

Почему разные клетки, разные органы, разные виды живых организмов так сильно отличаются по чувствительности к ионизирующей радиации?

Мы уже знаем, что при облучении живых организмов особенно важную роль играет повреждение генетического аппарата клетки. Ну и что? Ген — большая молекула. С точки зрения химика она ничем не хуже любой другой большой молекулы. И у нас нет никаких оснований думать, что радиация будет действовать на генные молекулы как-нибудь иначе, чем на любые другие молекулы таких же размеров. И о том же самом говорят результаты опытов. А раз так, значит, чтобы с более или менее реальной вероятностью попасть в какой-нибудь определенный ген, нужна доза порядка миллиона рентген. И действительно, попытка вызвать с помощью облучения какое-нибудь вполне определенное наследственное изменение — задача совершенно нереальная, если не использовать методов постановки опытов, при которых можно анализировать сотни тысяч или миллионы особей. На дрозофиле и то ставить такие опыты тяжело.

Но все дело в совершенно особом месте, которое занимают гены в клетках и в организмах. В нормальных клетках содержится по два экземпляра генов каждого сорта, а в зародышевых — по одному. В хромосомном наборе тысячи генов, но все они разные: один отвечает за одни свойства организма, другой — за другие. Если разрушить одну молекулу какого-нибудь фермента, совершенно необходимого для жизни клетки, она этого и не почувствует, потому что сохранились сотни или тысячи точно таких же молекул. А повредить один ген из двух — это уже существенно. Если оторвать одну ножку у сороконожки, она будет бегать с той же скоростью, что и раньше, но если прострелить одно крыло орлу, он рухнет наземь.

И самое главное: чтобы клетка перестала нормально работать, вовсе не обязательно попадать в какой-то вполне определенный ген. Для этого достаточно повредить любой ген. Вероятность изменить какой-нибудь вполне определенный ген, облучая клетку дозой в несколько сотен рентген, исчезающе мала. Но клетка содержит очень много разных генов, и поэтому вероятность изменить любой ген оказывается не такой уж маленькой величиной. Да, впрочем, мы уже знаем об этом: сравнительно невысокие дозы вызывают мутации во вполне заметном проценте клеток.

Благодаря тому, что каждый ген играет важную роль, а каждая клетка содержит очень большое число их и, самое главное, каждый ген присутствует в клетке, как правило, лишь в двух экземплярах, очень малые (с физической или химической точки зрения) дозы способны вызывать в клетке наследственные изменения. Если мутация произошла в одной из клеток тела, на свойствах организма она скорее всего не скажется. Но если она возникла в зародышевой клетке, из которой суждено развиться новому организму, то одно и то же изменение окажется во всех его клетках и весь организм будет работать ненормально, а может быть, и вообще окажется нежизнеспособным.

Но и мутации в остальных клетках не всегда безразличны для организма. Ведь некоторые из них приводят к тому, что клетка приобретает злокачественные свойства и дает начало раковой опухоли. А накопление в отдельных клетках разных мутаций, как думают, может служить причиной преждевременного старения. Во всех этих случаях из-за той роли, которую играют гены в живых организмах, мутации, то есть ничтожные изменения, молекул, усиливаются до изменения целого огромного организма. Именно поэтому энергия, которая нагреет стакан воды лишь на один градус, приводит к столь драматическим биологическим эффектам.

Живые клетки размножаются путем деления, а каждому делению предшествует удвоение числа хромосом. В дочерние клетки попадают совершенно одинаковые наборы хромосом. Процесс этот очень важный, и для его осуществления в клетке имеется тончайший прецизионный механизм. Во время деления клетки в ней образуется так называемое веретено деления. Это структура из сократимых нитей, действительно имеющая форму веретена. На определенной стадии все хромосомы, похожие в этот период на довольно короткие палочки (в результате сильной спирализации), располагаются в одной плоскости, перпендикулярной оси веретена. Каждая хромосома расщепляется вдоль. Генетический материал для обеих дочерних клеток готов. Но как правильно распределить его?

Для этого и существует веретено. В каждой хромосоме есть одна особая точка, так называемая центромера. Здесь и присоединяются тянущие нити веретена. Они сокращаются, растягивая хромосомы к двум полюсам клетки. В результате в каждую из дочерних клеток попадает нормальное число хромосом, что является необходимым условием ее существования. Отсюда ясно большое значение того факта, что у каждой хромосомы по одной и только одной центромере.

А теперь вспомним о хромосомных аберрациях. Простейший тип аберраций — фрагменты. Хромосома разваливается на два куска, и один из фрагментов (его называют ацентрическим) будет лишен центромеры. Следовательно, во время деления клетки к нему не сможет присоединиться нить веретена, и он не войдет ни в одно из формирующих ядер. Этот фрагмент обречен: довольно быстро он растворится в цитоплазме под действием ферментов. А клетка потеряет часть генетического материала, причем не один какой-нибудь ген, а большое число генов, которые были в ацентрическом фрагменте.

Фрагмент, сохранивший центромеру (центрический), благополучно попадает в ядро одной из дочерних клеток. Через некоторое время ей приходит время делиться. Расщепляются хромосомы, в том числе и этот фрагмент. Получается два центрических фрагмента. Но концы их не вполне нормальны и могут соединиться друг с другом. Получается хромосома с двумя центромерами. В этом тоже нет ничего хорошего. К одной и той же хромосоме присоединяются две нити и начинают растягивать ее к двум разным полюсам клетки. Получается мостик между двумя ядрами, препятствующий нормальному делению клетки. Чаще всего он рвется, и в каждое из дочерних ядер попадает по центрическому фрагменту. А в новом делении снова начинается тот же цикл. Разрывы моста происходят случайным образом, и с каждым делением все больше и больше нарушается генный баланс.

И фрагменты и мосты, как правило, гибельны для клетки. В обоих случаях меняется генный баланс: вместо того чтобы содержать по два экземпляра каждого гена, клетка имеет часть генов в одинарном или в тройном количестве. И то и другое, как правило, неблагоприятно сказывается на жизнеспособности клеток.

Но фрагментация — только один из многих типов хромосомных мутаций. Часть фрагментов вновь соединяется в иной последовательности, и получаются разнообразные обмены. Их можно разделить на три группы. Прежде всего в результате обмена могут получиться хромосомы, имеющие две центромеры или лишенные центромеры. Судьба их близка к той, что была только что описана. Могут в результате обмена получиться новые хромосомы, у которых с точки зрения микромеханики все в порядке: каждая имеет по одной центромере. Такие обмены могут быть двух типов: либо изменяется распределение генов внутри одной хромосомы, либо происходит перераспределение генов между хромосомами. В обоих случаях клетка сохраняет полную жизнеспособность, но такие мутации могут сказываться на потомстве. В первом случае при скрещивании с нормальными формами подавляется кроссинговер (что не так уж существенно), а во втором значительная часть потомства оказывается нежизнеспособной. Это происходит потому, что в зародыше часть генов оказывается в ненормальном числе. Таким образом, организмы с подобными хромосомными мутациями оказываются частично стерильными.

Правила получают объяснение

Итак, с биологической эффективностью радиации вопрос прояснился. Разгадка парадокса связана с уникальностью генетических структур клетки. Единственное, что к этому нужно добавить: генетические поражения, конечно, не единственная причина биологического действия радиации, хотя наиболее изученная и важная. Эту истину не мешает повторить несколько раз, ибо ничто так не вредно в науке, как чрезмерные крайности. Преувеличение значения генетики не менее опасно, чем ее отрицание.

Остается ответить на второй из главных вопросов радиобиологии: с чем связаны различия в радиочувствительности клеток и организмов? Строго говоря, это даже не один вопрос, так как причины различий по радиочувствительности между человеком и амебой, между твердой и мягкой пшеницей, между одинаковыми клетками на разных стадиях их жизненного цикла скорее всего не одни и те же.

Различия между живыми организмами, находящимися в очень далеком родстве, и между их клетками многообразны. Очень уж по-разному организованы неклеточные, одноклеточные и многоклеточные формы жизни, животные и растения. О причинах их различий по чувствительности высказывали разные соображения. И, вероятно, каждый был в какой-то степени прав, но никто не был прав до конца. Мы займемся более простыми вопросами: различиями в радиочувствительности у близких организмов и ее изменением под влиянием сопутствующих факторов и условий. В биологическом действии радиации очень большую роль играет поражение хромосом — наследственного аппарата клетки. Поэтому естественно искать причины различий радиочувствительности у близких организмов в различиях их хромосомного набора.

Природа сама дает объект для таких исследований. Этот объект — полиплоидия. Чаще всего клетки содержат по две хромосомы каждого сорта (то есть двойной, или диплоидный, набор), но среди растений встречаются виды, клетки которых содержат по четыре набора (тетраплоиды), по шесть наборов (гексаплоиды) и т. д. Полиплоидия широко распространена в растительном мире. Некоторые группы растений даже образуют так называемые полиплоидные ряды. Например, в роде пшениц встречаются виды с 14, 28 и 42 хромосомами. К диплоидам (с 14 хромосомами) относится ряд диких видов, а также культивируемая кое-где на Кавказе и в Испании пшеница-однозернянка. К тетраплоидам относятся твердые пшеницы, к гексаплоидам — мягкие. Полиплоидные ряды — замечательный объект для изучения влияние числа хромосом на радиочувствительность. И не удивительно, что многие экспериментаторы использовали это в своих опытах.

Опыты на полиплоидах давали результаты, на первый взгляд противоречивые. При вызывании генных мутаций более чувствительными оказывались виды с меньшим числом хромосом, при вызывании хромосомных — с большим. Но этого и следовало ожидать. Генная мутация — изменение свойств одного из генов. Даже у диплоидов далеко не все генные мутации обнаруживают свое действие: им противодействует оставшийся неповрежденным другой такой же ген. А у полиплоидов — три, пять или даже больше нормальных разновидностей того же гена, которые еще надежнее маскируют возникшую мутацию.

Другое дело — хромосомные мутации. Их можно наблюдать под микроскопом. И если возник фрагмент или обмен, он будет заметен независимо от того, сколько в клетке нормальных хромосом. То же касается и действия хромосомных мутаций. Они оказывают свое влияние на судьбу клеток вследствие механических трудностей, которые создают некоторые обмены для деления клеток, и нарушения генного равновесия при потере фрагментированных хромосом. Ни тому, ни другому присутствие нормальных хромосом не препятствует.

А в какой клетке легче вызвать изменение хромосом — с 14 или с 28 хромосомами? Конечно, в клетке с большим числом хромосом: чем крупнее мишень, тем легче в нее попасть. И здесь та же доза облучения вызывает большее число хромосомных мутаций. Поэтому и при наблюдении общих эффектов, таких, как выживание, скорость роста, полиплоиды обычно оказываются более чувствительными.

Это, кстати, один из доводов в пользу того, что хромосомные мутации играют важную роль в биологическом действии радиации вообще.

Несколько лет назад американский ботаник Сперроу провел большую работу по сравнению радиочувствительности разных видов растений. Влияние радиации на рост и выживание растений сопоставляли с особенностями их хромосомного набора. Сравнение с числом хромосом мало что дает, так как разные виды отличаются не только числом, но и величиной хромосом. Ученые взяли наиболее существенный показатель — содержание ДНК на клетку, то есть количество хромосомного материала. И что же: чем больший объем в клетке занимают хромосомы, тем чувствительнее, как правило, оказываются растения. Совершенно строгой зависимости не было, и если, например, у двух каких-то растений содержание ДНК различалось в два раза, то радиочувствительность вовсе не отличалась ровно вдвое. Значит, «объем мишени» не единственный фактор, определяющий радиочувствительность, но роль его настолько велика, что связь между чувствительностью и массой хромосом не могут затушевать все другие факторы.

А причины вариаций радиочувствительности у одного и того же вида помогло выяснить открытие эффекта восстановления. Разработан метод для количественного определения числа первично поврежденных клеток. Совершенно ясно, что, применяя этот метод, можно подразделить разницу в общем эффекте на различия в первичной поражаемости и в степени пострадиационного восстановления.

Эти исследования показали, что различия в степени восстановления — самая важная причина, определяющая различия в радиочувствительности у организмов одного вида в разных условиях. И здесь эта причина не единственная, но она, по-видимому, играет ведущую роль. При этом обнаружилось, что многие случаи вариаций радиочувствительности, которые раньше объясняли другими причинами, оказались связанными с восстановлением.

Ряд работ был посвящен анализу влияния химических веществ и других дополнительных воздействий на радиочувствительность. Когда соответствующий фактор применялся после облучения, как правило, оказывалось, что он изменяет эффект, влияя на степень пострадиационного восстановления. Если же фактор применялся перед облучением, то он изменял и степень первичного поражения и степень восстановления. Результат, конечно, разумный — именно этого и следовало ожидать.

Можно было бы приводить много примеров анализа причин разных случаев изменения радиочувствительности, но я ограничусь только одним: самым известным и до недавнего времени самым непонятным. Речь пойдет об уже знакомом нам кислородном эффекте. По этому поводу напечатаны сотни работ, но ясности о механизме кислородного эффекта до недавнего времени не было. Как вы, конечно, помните, кислородный эффект был переоткрыт в пору увлечения гипотезой непрямого действия. И в те времена кислородный эффект связывали с его влиянием на выход активированной воды. Поэтому считали, что разница в биологическом действии связана с разным числом первичных повреждений, возникающих в кислородных и бескислородных условиях. А когда маятник качнулся в противоположную сторону, появилась другая гипотеза — о том, что кислород влияет только на судьбу первичных повреждений.

За выяснение механизма кислородного эффекта взялся недавно молодой радиобиолог Константин Яковенко. В отличие от предыдущих исследователей он был вооружен методом для определения числа первично поврежденных клеток, и первая же его работа стала существенным вкладом в проблему, которая казалась уже исхоженной вдоль и поперек. Прежде всего он занялся так называемым кислородным последействием. Этим не совсем удачным термином называют уменьшение эффекта, если применить бескислородные условия после конца облучения. По поводу кислородного последействия в литературе были противоречия. Одни авторы утверждали, что лишение клеток кислорода на некоторое время после облучения уменьшает их повреждение, другие не обнаруживали никакого эффекта. Косте удалось найти причину этих разногласий и указать условия, которые нужно соблюдать для получения «последействия».

А затем началось исследование механизма. Как и следовало ожидать, он для действия кислорода во время и после облучения оказался неодинаковым. Влияние кислорода после облучения объясняется только изменением степени пострадиационного восстановления. При классическом кислородном эффекте картина оказалась более сложной. Кислород влияет как на выход первичных повреждений, так и на условия их восстановления.

Глава VII

Икс за работой

У науки есть две основные конечные цели: предвидение и польза.

Д. И. Менделеев

У нас в гостях

Помните, как профессор Неменов бежал по перрону с пузатой чернильницей в руках? Тогда, в самые первые годы Советской власти, в годы проведения в жизнь неосуществимых до этого планов, ему удалось организовать первый в мире научно-исследовательский институт по изучению рентгеновых лучей с физической, биологической и медицинской точек зрения. Идея себя вполне оправдала.

Но, как ни странно, таких учреждений, где велось бы многостороннее исследование ионизирующих лучей, до сих пор не так уж много. Если говорить о медицинских применениях радиации, то организовывали рентгеновские кабинеты, строили специальные клиники, но все они, как правило, преследовали лишь узкопрактические цели. Врач либо пользовался общепринятыми методами, либо на свой страх и риск занимался поисками вслепую. Дело, конечно, делалось, но нового появлялось не так много.

Немного нового дали и первые годы атомного века, когда арсенал радиолога вдруг колоссально возрос. Появились совершенно новые источники радиации: новые типы лучей, новые энергии, возможности совершенно новых режимов облучения. А как все это применять у постели больного? Необходимы были новые знания. Врачи искали ответы на нужные им вопросы в радиобиологической литературе и далеко не всегда их находили. Начинали экспериментировать сами, часто не имея для этого необходимого опыта и условий. Постепенно при наиболее крупных клиниках стали организовывать исследовательские лаборатории. К этому привела жизнь…

Прежде чем начать разговор о союзе между радиобиологией и медициной, я хочу познакомить вас с одним человеком. Имя его Георгий Артемьевич Зедгенидзе. Люди любят давать друг другу прозвища. Друзья и сотрудники Зедгенидзе, разговаривая о нем за глаза, укорачивают фамилию и называют его «Зед».

В алгебре буквами «икс», «игрек» и «зет» обозначаются неизвестные величины. Но наш «Зед» — величина, известная во всем мире. Сказать, что он доктор медицинских наук, профессор, действительный член Академии медицинских наук СССР, член многочисленных всесоюзных и международных комиссий, далеко не достаточно. К тому, что он крупнейшая величина в мире медицины, нужно добавить, что, кроме того, он является и радиобиологом и педагогом, воспитавшим целую армию рентгенологов и радиологов. А к тому, о чем пойдет речь, это имеет самое прямое отношение.

Как Неменов в начале века мечтал организовать специальный институт по всестороннему изучению рентгеновых лучей с целью их лучшего применения в медицине, так и у Зедгенидзе была мечта создать институт, где использовались бы с медицинской целью все достижения атомного века.

Институт не только применял бы на практике уже испытанные методы; в нем должны были работать экспериментаторы, изучающие свойства лучей и их биологическое действие, и инженеры, конструирующие новую медицинскую аппаратуру.

Георгий Артемьевич начал с того, что посетил все крупнейшие радиологические институты мира. В своих путешествиях он не расставался с записной книжкой, куда вносил сведения обо всем самом лучшем, самом современном в радиологии, чего бы оно ни касалось: новых приборов и аппаратов, научных проблем, строительства, организации труда… В этих книжках были и адреса фирм, выпускающих наиболее совершенные аппараты, и статистические данные о результатах применения различных методов лечения и диагностики, и схемы расположения кабинетов, и даже наброски фасонов халатов для медсестер.

Ученый путешествовал не зря. Теперь он мог, закрыв глаза, ясно представить себе будущий институт — институт, который воспримет все лучшее, что известно современной медицинской науке. Ученый продумал все, начиная с научной тематики и организационной структуры и кончая системой отопления и цветом стен в коридорах. Тогда Георгий Артемьевич обратился в ЦК нашей партии.

Коммунистическая партия и правительство нашей страны горячо поддерживают все, что сулит повышение благосостояния народа, проявляют неустанную заботу о народном здравоохранении. Поскольку строительство нового института отвечало этим задачам, Зедгенидзе получил «добро». 22 августа 1958 года ЦК КПСС принял решение о строительстве института.

Институт, который до тех пор существовал только в голове Зедгенидзе, перешел на бумагу — в чертежи проектировщиков и сметы экономистов. А еще через некоторое время воплотился в кирпич и бетон, стекло и металл.

И вот Институт медицинской радиологии Академии медицинских наук СССР существует.

Неподалеку от Москвы, на самом севере Калужской области стоит город, которого нет на старых картах. Он вырос там, где в 1956 году дала ток первая атомная электростанция. Имя города — Обнинск. Вокруг атомной электростанции начали строить другие научно-исследовательские институты, занимающиеся разными аспектами мирного применения атомной энергии, и появился еще один город-спутник, еще один научный городок, которых теперь немало в нашей стране. Там же находится и наш институт.

Институт настолько обширен, что расположен на двух разных площадках. На одной из них сооружена клиника, а на другой — экспериментальный сектор. В клинику мы с вами не пойдем. Это самостоятельная область, в которой я не специалист, и в своих объяснениях могу что-нибудь напутать.

А экспериментальный сектор — это десять отдельных зданий. В огромном пятиэтажном корпусе сосредоточены главные экспериментальные лаборатории. Почти такое же здание отведено для работ с радиоактивными изотопами. Еще такое же — физико-технический корпус — скрывает за бетонными стенами разнообразные источники излучений. Специальные здания для содержания подопытных животных, для экспериментальных мастерских…

Времена Тарханова, когда для радиобиологических открытий достаточно было взятого напрокат рентгеновского аппарата и простейших физиологических инструментов, давно прошли. В нашем секторе есть, например, электронная счетная машина, несколько электронных микроскопов, установки для поддержания высоких и низких температур и давлений, ультрацентрифуги… Многие приборы снабжены устройствами для автоматической записи результатов измерений. Бок о бок трудятся биологи и физики, врачи и инженеры…

А зачем все это нужно? После того, что уже сказано, вряд ли этот вопрос требует подробного ответа. Мы знаем, что ионизирующие лучи оказывают на живой организм, на все его клетки, сильный эффект, что радиочувствительность клеток различна, что радиация способна проникать внутрь вещества на любую глубину. На этом основаны многообразные применения ионизирующих лучей с целью лечения: убить больные клетки (в первую очередь раковые) — вот в чем задача. А чтобы усилить эффект облучения больных клеток и ослабить его действие на остальной организм, нужно знать все о лучах и об их действии на организм.

Это основа. А радиотерапия — целая наука, о которой можно либо лишь упомянуть, либо говорить специально. Но я не могу удержаться от того, чтобы не рассказать хотя бы об одном из новейших методов, разрабатываемых в нашем институте. Вопрос только в том, что выбрать.

Естественно взять последнее, о чем слышал. Как раз на последнем заседании ученого совета один из моих коллег — Юрий Сергеевич Рябухин, физик, ставший биологом, докладывал об успехах и перспективах своей лаборатории. С особым увлечением он говорил о нейтронно-захватной терапии. Попробую и я кратко рассказать об этом.

Нейтроны не имеют заряда и потому, проходя через вещество, ионизаций не производят. Ионизации при нейтронном облучении вызываются вторичными частицами. При облучении быстрыми нейтронами — это ядра отдачи (главным образом водородные, то есть протоны), при облучении медленными — продукты ядерных реакций, происходящих при захвате нейтронов ядрами. А разные вещества захватывают медленные нейтроны очень по-разному. Вероятность захвата зависит от особенности строения атомного ядра.

Ученым пришла в голову остроумная мысль: если, скажем, опухоль насытить атомами, которые особенно энергично захватывают нейтроны, и затем облучить, то нейтроны, проходя, почти не задерживаясь, через нормальные ткани, будут интенсивно поглощаться в опухоли, образуя там ионизирующие частицы. В результате можно дать на опухоль достаточно высокую дозу, почти не затрагивая окружающие ткани.

Эта звучащая довольно фантастично идея вполне осуществима, хотя достаточно трудна. Нужно найти (или синтезировать) соединения, которые усиленно накапливались бы в определенных органах и вместе с тем содержали элементы, активно захватывающие медленные нейтроны. Здесь требуется совместная работа физиологов, фармакологов, химиков, физиков-ядерников, физиков-дозиметристов и, конечно, врачей. Совершенно ясно, что рядовой лаборатории подобная работа не под силу. А для института вроде нашего, где под одной крышей собраны ученые самых разных специальностей, она вполне доступна.

Ионизирующие лучи применяются в медицине в двух направлениях: для лечения (о чем мы только что говорили) и для диагностики. Диагностика основана не на биологическом действии радиации, а на проникающей способности ионизирующих лучей и потому непосредственно не связана с радиобиологией — темой настоящей книги. Однако придется сказать несколько слов и о радиодиагностике, чтобы создать более полное представление о применении ионизирующих лучей в медицине.

Всем известное просвечивание с помощью рентгеновых лучей — только один из многих методов радиодиагностики. Когда-то он был единственным, теперь его дополняет целый ряд других. Расскажу о радиоизотопной диагностике, которая, подобно нейтроннозахватной терапии, доступна пока лишь немногим институтам.

В клинику поступает больной с подозрением на опухоль щитовидной железы. Прежде всего нужно узнать основное: есть опухоль или ее нет и причина болезни иная. Снаружи опухоль не видно, просвечивание тоже мало помогает, так как щитовидная железа состоит из мягкой ткани, плохо поглощающей лучи. Но здесь врачу приходит на помощь то, что щитовидная железа жадно поглощает йод. Больной получает небольшое количество радиоактивного йода, и через некоторое время его подводят к прибору, регистрирующему ионизирующие частицы. Чем больше размеры железы, тем больше она поглощает йода, тем больше частиц отсчитывает прибор. А опухоль практически не поглощает йода. Поэтому врачу все становится ясно: просто ли увеличилась железа или дело более серьезное. А процедура практически безопасна. Для нее требуется ничтожное количество йода, и из организма он исчезает довольно быстро.

Мало того, если опухоль есть, то специальные приборы помогают установить ее размеры, форму, расположение. Опухоль заслоняет от прибора здоровую ткань, и он в соответствующих местах регистрирует меньше радиоактивных сигналов. Такое исследование сильно облегчает дальнейшее лечение.

Радиодиагностика основана не на радиобиологии, но без данных радиобиологии и она обойтись не может. Ведь для применения диагностических методов нужно знать, какое действие оказывают на разные ткани те или иные лучи, чтобы подобрать безопасные дозировки и режимы.

Георгий Артемьевич родился на Кавказе, славящемся своим гостеприимством. Он поддерживает эту добрую славу и всегда рад гостям. Наши двери широко открыты и для студентов-дипломников, и для врачей, и для молодых ученых, желающих повысить квалификацию, овладеть новым методом, провести работу, для которой в других местах нет возможностей. Но среди наших гостей не только молодежь. Очень часто к нам приезжают и крупные ученые из всех стран мира. Они тоже находят для себя много нового.

Недавно наш институт посетила большая группа ученых из США. И институт, и его оборудование, и уровень ведущихся работ произвели на гостей большое впечатление. Естественно, что об этом речь шла и за накрытым столом. Отвечая на комплименты, Георгий Артемьевич упомянул о том, что бывший недавно у нас крупный немецкий радиолог сказал, что наш институт — крупнейший в Европе. Глава американской делегации вынужден был возразить:

— Я с большим уважением отношусь к нашему коллеге из Германии, но в данном случае я с ним не согласен. Я достаточно много ездил по свету и с полной уверенностью утверждаю: институт профессора Зедгенидзе — первый не только в Европе.

Хлеб наш насущный

Слово «стрихнин» вызывает у вас представление о страшном яде, которым травят волков. Да, это сильный яд. Но далеко не при всех дозах. Если принять слишком много стрихнина, то ничего особенно страшного не произойдет: вещество только вызовет рвоту и само уйдет из организма. А совсем малые дозы даже могут быть полезными. При общем упадке сил врачи прописывают больным тот же стрихнин, правда, в ничтожных количествах — тысячные доли грамма. И эти крупинки делают чудо. Все зависит от дозы.

Еще в прошлом веке два физиолога — Арндт и Шульце сформулировали правило: «Слабые раздражения возбуждают жизнедеятельность, раздражения средней величины подавляют ее, более сильные совсем приостанавливают». На заре радиобиологии ученые думали, что правило Арндта — Шульце распространяется и на биологическое действие радиации.

Они ставили опыты и получали результаты, которые как будто подтверждали общее правило. Вот ученый кладет под микроскоп лист растения, а неподалеку от него помещает кусочек радиоактивного вещества. Живые клетки, из которых построен лист, заполнены жидкой протоплазмой, находящейся в непрерывном движении. Под действием радиации она начинает двигаться быстрее. Радиоактивное вещество пододвигают ближе… клетки получают более высокую дозу… движение замедляется, при еще более высокой дозе совсем останавливается. Все идет по правилам.

Другой ученый облучает семена. Разные партии облучаются в течение разного времени, и оказывается, что семена, которые облучались совсем недолго, прорастают быстрее, чем необлученные. Облучавшиеся дольше — прорастают медленнее, а получившие самые большие дозы — вообще не прорастают. И эти опыты тоже подтверждают правило.

Заговорили о стимулирующем действии малых доз радиации. Но не все. Другие ученые ставили опыты и никакого возбуждения жизненных процессов не получали. Вопрос оставался спорным. Но были и очень горячие сторонники радиостимуляции.

Чешский ученый Стоклаза верил в стимулирующее действие радиации и ставил сотни опытов, чтобы доказать это. Трудно назвать растение, которое Стоклаза не облучал бы в своих опытах. Мало того, он вел наблюдения и в природе. Как раз в Чехословакии есть месторождения радиоактивных веществ. Стоклаза изучал животных и растения из районов с повышенной радиоактивностью и находил, что они лучше развиты, чем в других местах. Вспомнил он и о сказочных богатырях, которые, если верить народным легендам, когда-то жили в здешних горах. Ясное дело, решил Стоклаза, конечно, были богатыри, и появились они именно под влиянием радиоактивности!

Это было давно, в 20-х годах. А что произошло потом? Я стал заниматься радиобиологией в середине 40-х годов, в начале атомного века. Ни в одной из серьезных книг, изданных в то время, мне не пришлось ни слова прочесть о радиостимуляции. Только когда я рылся в запыленных комплектах старых журналов, мне нет-нет да и попадались странные заголовки: «О раздражающем действии икс-лучей», «О стимулирующем действии радиоактивности».

Ведь это так интересно, да и практически важно! Почему же этим теперь никто не занимается? Я стал обращаться с недоуменными вопросами к своим учителям, и они разъяснили, в чем дело. Причин оказалось две.

Во-первых, за это время уже достаточно изучили причины вредного действия радиации на живые клетки. Мы знаем, что главная причина — повреждение хромосом. Полагать, что слабая степень этого повреждения благотворно повлияет на жизненные процессы, не было ровно никаких оснований.

Во-вторых, опыты, проведенные сторонниками радиостимуляции, не выдерживают никакой критики. Взгляните на растения, растущие на одном поле. Они разные. И не потому, что одно получило больше удобрений, а другое — меньше. Изменчивость — общее свойство всех живых организмов. И если одно растение облучить очень слабой дозой, а другое оставить необлученным, то разница может оказаться и совершенно случайной, не связанной с облучением. А множество опытов ставилось на очень небольшом числе растений. Если бы Стоклаза вместо сотни разных опытов поставил один, но большой и точный, проку было бы больше.

Вот потому-то в 40-х годах почти никто из серьезных радиобиологов в радиостимуляцию не верил. Но сейчас уже 60-е годы, а за двадцать лет многое изменилось.

Атомный век настойчиво ставил новые задачи. Одна из них связана с тем, что среди отходов атомной промышленности есть вещества, которые можно использовать в качестве удобрения, но они слегка загрязнены радиоактивностью. Необходимо ли их «хоронить», что связано с дополнительными затратами, или, если они не вредят урожаю, можно вывозить их на поля? Нужно было узнать, как разные концентрации радиоактивных веществ влияют на прорастание семян, всхожесть и урожай. Такое задание получила лаборатория, где я в то время делал свои первые шаги в науке.

Начали опыты. И не поверили своим глазам. Потому что увидели, что семена, облученные слабыми дозами или намоченные в слаборадиоактивных растворах, прорастали лучше, чем контрольные. Это отнюдь не было повторением экспериментов Стоклазы. Опыты ставились на тысячах семян, во многих повторностях, все варианты находились в строго одинаковых условиях… Но факт оставался фактом: семена прорастали быстрее.

Время шло, и оказывалось, что под влиянием низких доз облучения не только улучшается прорастание, но также ускоряется рост и развитие, повышается урожай…

В чем же дело? Почему этого не знали раньше? Как это увязать с тем, что известно о действии радиации на живую клетку?

Тогда мы вновь обратились к литературе, и более внимательное ее изучение показало, что наряду с совершенно недостоверными опытами существуют и отличные работы, проведенные со всей возможной точностью и показавшие существование радиостимуляции. Причем за самыми убедительными работами не приходилось далеко ехать: они были выполнены у нас на Родине, в Москве и Подмосковье, Лидией Петровной Бреславец и ее сотрудниками. К сожалению, большое количество несолидных статей так скомпрометировало идею радиостимуляции, что на эти работы радиобиологи в свое время не обратили должного внимания.

Противоречий с теорией тоже не было. Ведь действие ионизирующих лучей на клетку не ограничивается повреждением хромосом. Исследование клеток, облученных в условиях радиостимуляции, показало, что малые дозы ускоряют деление клеток, что заметила еще Бреславец. А мне пришлось заниматься этим специально. В результате стало ясно, почему не всегда малые дозы радиации оказывают стимулирующий эффект на рост и развитие.

Ускорение клеточного деления и повреждение хромосом по-разному зависит от таких условий облучения, как жесткость лучей и распределение дозы во времени. Когда эти условия были найдены, стало возможным получить радиостимуляцию всегда, когда это нужно.

Примерно в то же время, когда мы неожиданно столкнулись с радиостимуляцией, ее изучением занялись также наши коллеги в других лабораториях — в Москве и Ленинграде, на Украине, в Белоруссии и Прибалтике. И всюду получили очень сходные результаты.

Но вот наступает 1955 год. В Женеве созывается I Международная конференция по мирному использованию атомной энергии. Советская делегация представила в числе прочих и доклад «Об использовании ионизирующих излучений в сельском хозяйстве». В нем был приведен огромный собранный советскими учеными материал о действии малых доз радиации на культурные растения, в том числе и результаты наших уральских опытов.

Иностранцы с интересом слушали. Они не верили в стимулирующее действие радиации и даже не пробовали ставить точных опытов… Но с нашими данными спорить трудно. Советские ученые оказались впереди. Кое-кто из иностранцев, вернувшись домой, занялся повторением опытов и, конечно, полностью подтвердил наши результаты.

Теперь явление радиостимуляции достаточно хорошо изучено и там, где нужно, применяется на практике. Однако радиостимуляция культурных растений — далеко не единственное применение ионизирующих излучений в сельском хозяйстве и даже не самое важное.

Если человеку, ничего не смыслящему в часовом деле, предложить изменить что-нибудь в часовом механизме, то часы скорее всего остановятся или, во всяком случае, станут работать хуже. Гораздо реже изменения будут безвредными. Однако совсем-совсем редко чисто случайные изменения могут улучшить конструкцию. Та же ситуация с возникновением наследственных изменений под действием радиации. Подавляющее большинство мутаций вредны или гибельны. Только с этой точки зрения мы до сих пор о них и говорили. Но изредка случайно возникшие наследственные изменения могут быть полезными для организма.

Несмотря на редкость полезных мутаций, значение их крайне велико. Ведь они — элементарный материал для естественного и искусственного отбора. Если бы их не было, не было бы и развитой жизни на нашей планете. Без них немыслима и селекция.

До рождения радиационной генетики селекционер работал только с теми изменениями, которые дает природа. Радиация позволила во много раз увеличить материал для отбора. Хотя ионизирующие лучи стали применяться в селекции недавно, но уже сейчас целый ряд радиационных мутантов внедрен в практику.

Ионизирующие лучи используют и для борьбы с вредителями, и для стерилизации продуктов, и для подавления прорастания в тех случаях, когда оно нежелательно…

Вездесущие свидетели

Вы, конечно, помните восторженно-наивные идеи Хольвека, пытавшегося использовать теорию мишени в качестве статистического ультрамикроскопа: облучить клетку, по форме кривой выживания вычислить формальный объем мишени и получить тем самым сведения об объеме управляющего центра живой клетки. Он не учитывал слишком многих обстоятельств, которые влияют на получаемый результат, но в принципе его идея была вполне здравой.

Иногда ионизирующие лучи действительно можно с успехом использовать для статистической ультрамикрометрии. Только поступают при этом далеко не так, как делал Хольвек. Прежде всего облучение проводят в таких условиях, когда полностью исключено и непрямое действие лучей и восстановление. Конечно, такое далеко не всегда возможно. Для этого пригодны крупные молекулы, вирусы, бактериальные споры — словом, объекты, которые выдерживают полное обезвоживание и достаточно просты. Лучи тоже годятся не всякие. Применяют либо очень редко ионизирующие лучи (например, электроны высоких энергий), которые при каждом проходе через облучаемый объект оставят в нем не больше одной ионизации, либо, наоборот, очень густо ионизирующие (например, протоны), каждый проход которых оставляет не меньше одной ионизации. В первом случае с помощью несложных расчетов можно вычислить объем облучаемого объекта, во втором — его среднее поперечное сечение. А сопоставляя обе величины, нетрудно определить и форму изучаемого объекта.

Если все возможные помехи устранены, то метод дает очень точные результаты. Ведь их можно проверить. Совпадение получается отличное. Правда, широкого применения метод не получил, так как появился могучий конкурент — электронный микроскоп, который дает все же более однозначные результаты и обычно применять его не трудно. Но и теперь иногда микрометрию с помощью ионизирующих лучей с успехом применяют на практике.

Впрочем, радиационная ультрамикрометрия отнюдь не единственный и далеко не самый важный путь использования радиобиологии в качестве средства для научных исследований. И это не удивительно. Ведь ионизирующие лучи не знают преград и проникают в любые объекты на любую глубину. И в отличие от химических веществ, вступающих «по дороге» в реакции и изменяющихся при этом, остаются всегда теми же самыми. Экспериментатор всегда точно знает, что проникло в изучаемый объект и на какую глубину. Как же радиация служит науке?

Хотя мы и не всегда отдаем себе в этом отчет, но научное исследование состоит в сравнении. Иногда мы делаем это совершенно бессознательно. Например, описывая собаку, мы скорее всего упомянем о том, что у нее четыре ноги. Но ведь мы это делаем потому, что существуют животные, имеющие другое число ног (человек, птица, сороконожка) или даже вообще безногие (змея, инфузория). Если бы все живые существа были четвероногими, информация о том, что у собаки четыре ноги, оказалась бы излишней…

Или возьмем науку, о которой нам довольно много пришлось говорить в этой книге, — генетику. Если бы все особи данного вида не отличались друг от друга, не ломали бы люди с древнейших времен голову над вопросами: почему дети похожи на своих родителей, почему они наследуют их признаки так, а не эдак. И можно ручаться, что, если бы не было наследственной изменчивости организмов, не существовало бы и генетики, во всяком случае в той форме, в какой она возникла. А к чему сводятся методы генетической науки? Все к тем же сравнениям. Сравнивают признаки родителей и детей, братьев и сестер и т. д.

Метод созерцания применяется в любой науке лишь в ее младенческом возрасте. Как только наука становится наукой, ученые начинают экспериментировать, то есть как-то изменять нормальные структуры, нормальный ход жизненных процессов. Изучая работу измененного организма, познают их законы в норме. Отсюда ясно, каким незаменимым средством для исследователя становятся ионизирующие лучи. Ведь это — тончайший скальпель, с помощью которого можно куда угодно проникнуть и что угодно изменить.

Кроме того, ионизирующие излучения широко применяются в качестве исследовательского средства и вне связи с их биологическим действием, то есть вне прямой связи с радиобиологией. Рентгенография, электронография, рентгеноструктурный анализ, метод меченых атомов… И хотя сами по себе эти методы не радиобиологические, но при использовании их на живых объектах, приходится привлекать и радиобиологию. Ведь нужно знать, как сами методы влияют на изучаемый объект.

О методе меченых атомов придется сказать несколько слов, хотя с радиобиологией он связан лишь косвенно.

Атомы любого элемента не вполне одинаковы. У каждого элемента они существуют в виде нескольких разновидностей, так называемых изотопов, отличающихся друг от друга числом нейтронов в ядрах. Химические свойства всех изотопов данного элемента совпадают, поэтому они и ведут себя совершенно одинаково и в химических реакциях и в биологических процессах. Между изотопами каждого элемента так мало различий, что это доставило ученым массу хлопот при работе над атомной бомбой. До открытия плутония единственным расщепляющимся материалом служил один из изотопов природного урана. Для получения цепной реакции его нужно было выделить в чистом виде. Все методы, ведущие к цели, оказались крайне трудными, сложными и невероятно дорогими. В конечном счете ни один из них себя не оправдал.

Физики умеют получать искусственные радиоактивные изотопы любых элементов. Из-за того, что они химически ведут себя точно так же, как любые другие атомы того же элемента, они дают ученому совершенно уникальное средство для исследований. Радиоактивные атомы время от времени распадаются и выбрасывают ионизирующие частицы, обнаруживаемые с помощью специальных приборов. Поэтому к обычному веществу подмешивают небольшое количество радиоактивного изотопа, который всюду сопровождает его, посылая ионизирующие сигналы. Всеми основными успехами в изучении обмена веществ, достигнутыми за последние десятилетия, мы обязаны методу меченых атомов.

Но не довольно ли общих слов? Я хочу рассказать в качестве примера о расшифровке одного тончайшего биологического механизма. Речь пойдет о том, как образуются перед делением клеток новые хромосомы. Удвоение числа хромосом происходит в то время, когда их в микроскоп не видно. Да, кроме того, выяснению таких деталей микроскоп вряд ли помог бы. Раньше думали, что размножение хромосом происходит примерно так же, как размножение простейших: хромосома утолщается, а достигнув определенного размера, расщепляется вдоль. Но так ли это?

Американский генетик Джон Герберт Тэйлор воспользовался для изучения механизма редупликации хромосом методом меченых атомов. Применить его оказалось не просто. Ведь нужно было метить не клетки, даже не хромосомы, а отдельные части хромосом! На одной из стадий деления хромосомы расщеплены вдоль и состоят из двух половинок, так называемых хроматид. Был использован меченый тимидин — вещество, которое, попав в клетку, поступает только в хромосомы. В качестве метки взяли тритий — радиоактивный изотоп водорода. Избрали его не случайно. Энергия бета-частиц, излучаемых тритием, очень низка, путь их, состоящий из немногих ионизаций, не длинные линии, а почти точки.

Проростки бобов на короткое время помещали в раствор, содержавший меченый тимидин. Через разное время готовили препараты для микроскопического исследования. Но их делали не обычным способом, а покрывали фотографической эмульсией и хранили в течение определенного времени в темноте, а затем проявляли, как обычные фотопластинки. Хромосомы, содержавшие радиоактивную метку, оставляли на пластинке свои «автографы». А раз для метки был взят очень мягкий бета-излучатель, то было видно, какая из сестринских хроматид содержит радиоактивные атомы.

И вот что получилось. В первом клеточном делении все хромосомы оказались равномерно помеченными изотопом. Иное наблюдалось при втором делении, перед которым корешки находились в нерадиоактивной среде; оставалась только радиоактивность, данная в самом начале. Теперь метка распределялась неравномерно. Во всех хромосомах одна хроматида оставляла радиоактивные следы, а другая нет. Как объяснить такой результат? Ответ может быть только один. Старые структуры в течение всего опыта оставались неприкосновенными и строили возле себя новые хроматиды из материала, который находился вокруг и был перед первым делением радиоактивным, а перед вторым — обычным.

Кроме того, из этих опытов следовало, что из двух хроматид каждой хромосомы одна всегда «старая», а другая «новая». Долгие годы цитологи говорили о «сестринских» хроматидах. Но они оказались вовсе не сестрами, а «матерью» и «дочерью».

Эти результаты имели большое значение, заставив совсем по-другому посмотреть на строение и функции хромосом.

Метод Тэйлора имеет к радиобиологии, конечно, лишь очень косвенное отношение. Но тот же самый вопрос можно было решить и с помощью чистой радиобиологии (метод, о котором пойдет речь, был разработан и применен в нашей лаборатории).

В результате облучения отдельные участки хромосом теряют способность к самовоспроизведению, что и является одной из причин образования мутаций. Представим себе, что произойдет, если обе хроматиды будут инактивированы в одной и той же точке. Если хромосомы строятся так, что одна из них состоит из двух старых, а другая — из двух новых хроматид, то мы будем наблюдать одну фрагментированную, а другую вполне нормальную хромосому. Если же каждая состоит из одной старой и одной новой, то обе будут иметь по неполному разлому, который проявится в виде более светлых мест — пробелов.

В действительности после облучения наблюдаются как полные разрывы, так и пробелы. Относительное число их при разных дозах неодинаково. Чем доза облучения выше, тем больше полных фрагментов и тем меньше пробелов. Если получающуюся в опыте кривую зависимости эффекта от дозы продолжить влево, то она как раз пройдет через начало координат. Значит, при дозе «ноль», то есть без облучения, должны образовываться только пробелы. Следовательно, в норме каждая хромосома состоит из одной старой и одной новой хроматиды. Тот же вывод, к которому пришел Тэйлор на основании своих опытов с радиоактивной меткой. А радиобиологический метод, кроме того, показал, что дополнительные воздействия (в данном случае радиация) повреждают нормальный ход процесса формирования хромосом.

Но довольно примеров. И тех, что приведены, достаточно, чтобы показать, что молодая наука уже теперь находит много важных применений и в медицине, и в сельском хозяйстве, и в качестве средства для научных исследований. Остается только пожелать, чтобы с течением времени этих мирных применений становилось все больше, а немирных, в основе которых тоже лежит в значительной мере биологическое действие радиации, не было вообще.

Оглавление

Присказка: Квадратное уравнение … 5

Глава I Черт немецкой национальности

Апокриф о Гамлете … 9

Опасное легкомыслие … 12

Какого цвета электрон? … 15

Черт немецкой национальности … 21

Герой без ореола … 22

С чего все началось … 26

Две счастливые ошибки … 30

Атомный бильярд … 33

Насквозь и даже глубже … 34

Путешествие электрона … 37

Следы-невидимки … 38

Родственники «Икса» … 41

Дети атомного века … 44

Глава II Потомок Великого Моурави

По следам Дюма-отца … 47

Академик Тарханов … 50

Первые опыты … 53

Лучи, да не те 57

Новая болезнь … 59

Мнимое благополучие … 64

Вниз и вверх … 66

В рассрочку … 69

Мягкие и жесткие … 72

Обреченные до рождения … 74

Силами энтузиастов … 75

Вчера, сегодня и завтра … 78

Глава III Стрельба по мишеням

Чудеса в решете … 85

Лучевой яд … 89

Гипотезы, гипотезы … 91

«Прошу поднять руки» … 92

Возьмем карандаши … 95

Давайте сравнивать … 97

Сорок сороков … 102

Доктор богословия … 105

Горячие точки … 108

Попадание в цель … 110

Статистический микроскоп … 111

Физик становится биологом … 114

Не так просто … 117

Умерла ли бактерия? … 121

Колебания маятника … 124

Глава IV До седьмого колена

Дети отвечают за родителей … 129

Грядка в монастырском дворе … 132

Самое главное … 137

Атомы жизни … 138

Атомы наследственности … 141

Крылатая «морская свинка» … 143

Вы присутствуете при открытии … 145

Генные, хромосомные и геномные … 149

Ну и что? … 151

Прямолинейность … 155

Поломанные хромосомы … 158

Глава V Волшебные лекарства

Солнца Ван-Гога … 163

Мечты о волшебной пуле … 166

«Рентгеновское похмелье» … 169

Затаите дыхание! … 170

Самоотверженные молекулы … 174

От глицерина до цианида … 177

Ученые ищут закономерности … 179

Пики смертности … 182

Случай в городе Эн … 189

Глава VI Мрак рассеивается

О женских ножках … 193

Восстановление? … 197

Да, восстановление! … 200

Вмешательство в природу … 203

Химия гена … 206

Магическая спираль … 210

Одним словом … 213

Исправление ошибок … 217

Биологический усилитель … 220

Правила получают объяснение … 225

Глава VII Икс за работой

У нас в гостях … 231

Хлеб наш насущный … 239

Вездесущие свидетели … 244

Николай Викторович Лучник

«Невидимый современник» — новая книга доктора биологических наук Николая Викторовича Лучника, написанная для широких кругов читателей. Первая — «Почему я похож на папу», опубликованная в 1966 году, получила на Всесоюзном конкурсе научно-популярных произведений в 1967 году вторую премию.

Николай Викторович — ученый, и это позволяет ему писать о вещах малоизвестных, о последних достижениях науки. И самое главное — из первых рук. Ведь исследованиями в области радиобиологии и генетики автор этой книги занимается с 1947 года. Его работы по радиационной цитогенетике, изучению противолучевых средств, расшифровке генетического кода известны ученым всего мира. Николай Викторович сейчас руководит отделением биофизики в Институте медицинской радиологии Академии медицинских наук СССР.

Content

Николай Викторович Лучник
Невидимый современник

Присказка: квадратное уравнение

Глава I Черт немецкой национальности

Глава II Потомок великого Моурави

Глава III Стрельба по мишеням

Глава IV До седьмого колена

Глава V Волшебные лекарства

Глава VI Мрак рассеивается

Глава VII Икс за работой