Семена диплоидной ржи Семена тетраплоидной ржи Дополнительно Закрыть Назад Обновить Далее Показать меню

История

Только в 1927 году генетики услышали об удачных опытах по искусственному вызыванию мутаций. О них рассказал на V Международном генетическом конгрессе известный американский генетик, будущий лауреат Нобелевской премии Герман Меллер. Ему удалось вызвать большое число мутаций у дрозофилы с помощью рентгеновых лучей. Долгожданное совершилось!

Внешний вид самца дрозофилы Внешний вид самки дрозофилы Хромосомный набор самца дрозофилы Хромосомный набор самки дрозофилы

Открытия часто делаются параллельно. В том же году, когда вышла в свет работа Меллера, была опубликована также и статья его соотечественника Л. Стадлера, получившего искусственные мутации у ячменя и кукурузы. Работал он независимо от Меллера и достиг успеха с помощью того же воздействия — рентгеновых лучей.
Однако еще за два года до Меллера удалось искусственно получить мутации двум ленинградским ученым — академику Георгию Адамовичу Надсону и его молодому сотруднику Григорию Семеновичу Филиппову, работавшим в Институте рентгенологии и радиологии. Они получили мутации под действием радиоактивных веществ. Объект, который они использовали в своих опытах, были дрожжи. Их первая статья об этих опытах была напечатана в трудах института, в котором они работали, в 1925 году. Тогда же они опубликовали статью о полученных ими результатах и во французском журнале.
Таким образом, в первых же опытах мутации были получены и у животных, и у растений, и у микроорганизмов. Во всех трех случаях мутации были вызваны с помощью радиации. С этого времени начала быстро развиваться новая наука — радиационная генетика.
Как это ни печально, но возникновение радиационной генетики обычно связывают с именами Меллера и Стадлера, преимущественно с именем Меллера. Особенно это печально потому, что в работе Надсона и Филиппова речь идет вовсе не о случайном наблюдении, которому авторы сами не придали значения, как это нередко бывает. Нет, ученые пришли к своим опытам вполне сознательно: ведь и работали-то они в рентгеновском институте. И они вполне оценили возможное значение своего открытия. В первой же публикации, даже в самом заглавии этой исторической статьи они писали о возможном практическом использовании радиационных мутантов. Вслед за первой работой последовал ряд других, где те же авторы планомерно получали мутации у всё новых и новых видов дрожжей. В чем же дело?
Работы Надсона и Филиппова печатались на русском языке (а по-русски иностранные ученые в те времена читали меньше, чем теперь) да к тому же в малораспространенном издании. И еще одно обстоятельство играет немаловажную роль. Ведь Меллер и Стадлер опубликовали свои работы одновременно в одном и том же журнале, а чаще говорят все же о Меллере. Почему? Большую роль сыграл здесь и объект работы. Меллер ставил свои опыты на дрозофиле. Тогда эта мушка была излюбленным генетическим объектом. Ее генетику изучили до мельчайших подробностей. Во всех лабораториях разводили множество чистых линий дрозофилы. Научились легко и быстро улавливать у нее мельчайшие наследственные изменения. Не мудрено, что и хромосомная теория наследственности была создана, прежде всего, в опытах на дрозофиле, и основы радиационной генетики были заложены главным образом на том же замечательном лабораторном объекте. Вот и оказалось, что большая часть классических работ по радиационной генетике оказалась наиболее тесно связанной именно с первыми работами Меллера, а не с работами Стадлера или Надсона и Филиппова. Что же касается дрожжей, того объекта, на котором ставили свои опыты ленинградские ученые, то их генетика сложна и трудна. Даже сейчас здесь много неясного.
Академик Надсон был крупнейшим специалистом по дрожжам. И в наше время опыты по вызыванию мутаций у дрожжей ставят по методике, разработанной Надсоном. А сорок лет назад вряд ли вообще были специалисты, которые могли бы продолжить работу с дрожжами на том уровне, на котором она была начата Надсоном и его талантливым учеником Филипповым.
Как мы видели, непрекращающиеся попытки получить наследственные изменения (или доказать невозможность этого) начались с работ Вейсмана еще в конце XIX века. Для этого использовали температуру, влажность, механические воздействия и так далее и тому подобное. Но все попытки оставались безуспешными. А когда в середине 20-х годов трем лабораториям удалось получить, наконец, искусственные мутации, во всех случаях это было достигнуто с помощью облучения.
Чтобы понять, почему именно радиация оказалась мутагенным фактором, обратимся к физике.
Физикам известны многие виды лучей, но далеко не все из них способны вызывать наследственные изменения. Ни видимый свет, ни тепловое излучение, ни радиоволны мутаций не вызывают. Лучи, испускаемые радиоактивными веществами, использованные Надсоном и Филипповым, и рентгеновые лучи, которые применяли американские ученые, физики объединяют в одну группу ионизирующих излучений, включая туда и некоторые другие виды лучей.

Спектр электромагнитных волн

Общим для всех этих лучей является то, что они, проходя через любое вещество, ионизируют его, откуда и происходит их название. Если не сами ионизации, то их результат нетрудно увидеть собственными глазами.
В любой современной физической лаборатории, занимающейся проблемами ядерной физики или изучением космических лучей, можно увидеть прибор, носящий имя его изобретателя, — камера Вильсона. В принципе он устроен просто. Это камера, насыщенная водяными парами, объем которой можно быстро изменять, что вызывает конденсацию паров. Если через камеру проходит ионизирующая частица, она оставляет в ней тонкий туманный след, состоящий из мельчайших капелек воды, осевших вдоль пути частицы.
Еще более просто можно обнаружить ионизации с помощью электроскопа — сосуда, в котором на металлическом стержне висят две полоски тонкой фольги. Прикоснитесь к стержню наэлектризованным предметом — листочки расходятся. Положите рядом с ним кусочек радиоактивного вещества — они быстро опадут. Есть много других способов обнаружить эти лучи, и большинство их связано с электрическими явлениями, которые они вызывают. Потому что ионизация — не что иное, как электризация атомов вещества. След в камере Вильсона получается потому, что капельки воды собираются на заряженных частицах воздуха. Листочки электроскопа опадают потому, что ионизированный воздух начинает проводить ток.
Как же происходит электризация атомов? Вы, конечно, знаете, что любой атом состоит из положительно заряженного ядра и вращающихся вокруг него отрицательных электронов. Число электронов соответствует заряду ядра, и в целом атом электрически нейтрален. Чтобы его электризовать, нужно разделить заряды — оторвать от атома электрон. Тогда возникнут два иона: атом, лишенный одного электрона и потому заряженный положительно, и отрицательно заряженный электрон.
Нетрудно себе представить: нужна большая энергия для того, чтобы оторвать от атома электрон. Поэтому далеко не все лучи способны производить ионизации. Лучи видимого света и даже более «энергичные» ультрафиолетовые лучи, поглощаясь частицами вещества, только временно приводят их в «возбужденное состояние»: электрон на очень короткое время немного отдаляется от ядра, а затем снова возвращается на свою обычную орбиту.
Ионизирующие лучи имеют ту же природу, что и видимый свет, и ультрафиолетовые, и инфракрасные лучи, и радиоволны. Все это электромагнитные излучения.
Ионизирующие лучи отличаются от остальных электромагнитных излучений только тем, что несут гораздо большую энергию. Отличие весьма существенное. Благодаря этому они способны ионизировать вещество. А ионизированное состояние очень неустойчиво. Ионизиованный атом стремится как можно скорее вступить в какую-нибудь химическую реакцию. Поэтому ионизирующие лучи способны вызывать химические изменения в любом веществе. Кроме того, благодаря той же энергии эти лучи способны проникать через любые преграды, на чем основано их использование в медицине и в технике для «просвечивания». Вещества, которое полностью задерживало бы эти лучи, вообще не существует. Любое вещество только ослабляет их поток. Воздух — совсем незначительно, стекло или дерево — сильнее, свинец — еще сильнее. Но (во всяком случае, теоретически) нет такого слоя свинца, который полностью поглотил бы излучение. Поэтому, например, при расчетах защиты от излучений говорят не о полной их задержке, а об ослаблении до безопасного уровня.

Схема действия некоторых типов ионизирующего излучения
Схема действия некоторых типов ионизирующего излучения, обозначенная до того, как стала известна их истинная природа, альфа-, бета- и гамма-лучами.
Ггамма-лучи формируют часть электромагнитного спектра и имеют ту же природу, что и тепло или свет. Они способны проникать глубоко в вещество или проходить сквозь толстые барьеры. Бета-лучи представляют поток электронов — мельчайших отрицательно заряженных частиц. Бета-лучи могут пройти сквозь руку человека, но если они не будут иметь очень высокую энергию, их может задержать барьер средней толщины. Альфа-лучи — относительно массивные положительно заряженные частицы. В действительности они представляют ядра гелия, состоящие из тесно соединенных двух нейтронов и двух протонов. Обычно альфа-лучи может задержать тонкий барьер, например лист картона.

А теперь вернемся к генетике. Чтобы вызвать мутацию, нужно, очевидно, изменить ген. Что собой представляет ген, в те времена не знали, но совершенно ясно, что ничем иным, кроме химического вещества, он не мог быть. Подействовать на гены химически? Это не так просто. Природа надежно защитила наследственность от случайных воздействий. Трудно химическому веществу добраться до таинственных генов, не изменившись по пути, не вступив в реакцию с чем-либо, что лежит ближе. Да и какое вещество применить, если неизвестно, из чего построен ген?
А вот ионизирующие лучи — как раз то, что нужно. Они проникают сквозь любые преграды, добираются до любого атома, а, кроме того, могут химически изменить любое вещество.
Вероятно, именно так и рассуждали первооткрыватели мутагенного действия радиации. И, как мы видели, их рассуждения оказались правильными.
Во всех опытах было получено большое количество новых стойких наследственных изменений. У Надсона и Филиппова вырастали колонии, отличавшиеся величиной, формой, окраской, дрожжевые клетки изменяли свои биохимические свойства. У Стадлера растения отличались ростом, окраской, формой листьев, у Меллера появились мухи с более темной или более светлой окраской тела, с иной окраской глаз, с другим расположением щетинок на поверхности тела, с закрученными крыльями, вообще без крыльев...
Другие ученые стали пытаться получать мутации у все новых и новых организмов и неизменно добивались успеха. И, что самое главное, новые признаки передавались по наследству.

Генетическая карта хромосом дрозофилы
Генетическая карта хромосом дрозофилы. Цифры указывают расстояние между генами и одним из концов хромосомы (в единицах перекреста). Мутации обозначены первыми буквами названия соответствующих генов (по М. Е. Лобашеву).

Подавляющее большинство мутаций носило отрицательный характер: они понижали жизнеспособность и даже вызывали гибель организмов. В опытах Меллера чаще всего получались «рецессивные летали». Этим термином называют мутации, которые в гетерозиготном состоянии не влияют на жизнеспособность носителя, а в гомозиготном вызывают его гибель, происходящую обычно на стадии зародыша. То, что такие мутации были обнаружены именно в опытах Меллера, связано с методикой проведения опытов, которая позволяла их учитывать. В ранних опытах с другими объектами такие мутации не бросались в глаза только по техническим причинам. При облучении любых организмов подавляющее большинство мутаций являются летальными, вызывают гибель их носителей. Во многих случаях летали бывают не только рецессивными, но и доминантными, то есть вызывают гибель, даже если присутствуют в клетке в единственном числе. И жизнеспособные мутации в подавляющем большинстве оказываются вредными и в той или иной степени снижают жизнеспособность. Только очень незначительная доля мутаций вносит в организм «улучшение».
Этому не приходится удивляться. Ведь все организмы, обитающие на нашей планете, — продукт длительного отбора, приспособления к условиям их жизни. Совершенно ясно, что случайные изменения в такой сложной системе, как живой организм, скорее всего, внесут в него непоправимые повреждения.
Способность радиации вызывать наследственные изменения Надсон и Филиппов открыли только в 1925 году. Но с ее действием на живые организмы человечество познакомилось гораздо раньше.
Ионизирующие лучи были открыты в конце прошлого века. В 1895 году немец Вильгельм Конрад Рентген обнаружил невидимые лучи, названные позже по его имени рентгеновыми (сам Рентген назвал их «X-лучи»), а в 1896 году француз Анри Беккерель открыл естественную радиоактивность. Новые лучи настолько привлекли всеобщее внимание, что многие ученые стали пытаться использовать их для самых разнообразных целей. Не удивительно, что в числе прочих свойств новых лучей быстро было открыто и их биологическое действие.
Самой первой работой о биологическом действии рентгеновых лучей была, по-видимому, статья нашего соотечественника академика И. Р. Тарханова «Опыт над действием рентгеновых X-лучей на животный организм», напечатанная в Известиях Санкт-Петербургской биологической лаборатории в 1896 году, всего лишь через несколько месяцев после того, как Рентген впервые сообщил ученому миру о своем открытии. Тарханов обнаружил, что у облученных лягушек изменяются некоторые физиологические реакции. Вскоре и ученые других стран — Шобер, Эткинсон, Лоприоре рассказали о своих экспериментах.
Однако в биологическом действии лучей пришлось убедиться и независимо от опытов биологов. Все ученые, имевшие в те времена дело с рентгеновыми лучами или с радиоактивными веществами, получили повреждения кожи. При облучении они ничего не чувствовали, но спустя некоторое время появлялась краснота, возникали долго не заживающие язвы. «Коварство» новых лучей этим не ограничилось. С течением времени стали обнаруживаться более тяжелые заболевания. Рано или поздно они заканчивались смертью исследователей.
Почти все пионеры исследования рентгеновых лучей и радиоактивных веществ стали жертвами науки. В 1936 году в Гамбурге был установлен обелиск в память ученых и врачей, которые погибли, исследуя новые лучи. В момент открытия на памятнике было высечено 110 имен. Сейчас их стало значительно больше.
Биологическое действие радиации поставило перед учеными трудную задачу: почему она вызывает столь сильное биологическое поражение? Современному человеку может показаться, что в биологическом действии ионизирующих лучей ничего удивительного нет. Ведь слово «радиация» связывается в нашем уме с атомной бомбой, с трагедией Хиросимы, с мегатонными взрывами... Чего же странного в том, что такая большая энергия вызывает столь большой эффект? — можете сказать вы. Ошибаетесь: значительный биологический эффект, даже смерть, наблюдается при облучении ничтожной энергией. В том, что дозы радиации являются смертельными поблизости от эпицентра взрыва, нет, конечно, ничего таинственного. Но над тем, что они смертельны и на расстоянии в десяток километров, призадуматься стоит, особенно если взять в руки карандаш и бумагу.
Мерой количества радиации, единицей ее дозы является рентген. Опыты, проведенные большим числом ученых, показывают одно и то же: для всех видов млекопитающих смертельные дозы радиации составляют несколько сотен рентген. Ни одно из млекопитающих, если не принимать специальных мер лечения, не перенесет дозы в 1000 рентген. Человек не составляет исключения.
Но что такое несколько сот рентген? Нам это само по себе ничего не говорит. Чтобы наглядно представить себе эту энергию, ее нужно выразить в других, более знакомых нам единицах.
Физикам известны разные виды энергии, каждый вид измеряют своими единицами: тепло — калориями, электричество — киловатт-часами и т. д. Но все виды энергии взаимопревращающиеся. Тепло можно превратить в электричество, а электричество — в тепло. И сколько, например, киловатт-часов соответствуют одной калории — отлично известно. Энергия ионизирующей радиации тоже может быть превращена в любой другой вид энергии. Подсчитаем, что можно сделать с энергией, поглощаемой в теле человека при облучении его безусловно смертельной дозой (1000 рентген), если ее без потерь превратить в тепло или электричество. Оказывается, что, если эту энергию затратить на нагревание стакана воды, ее температура поднимется всего лишь на один градус. А если ее превратить в электроэнергию и использовать для питания 25-ваттной электролампочки, то она будет гореть всего лишь полминуты. Наконец, если эту энергию использовать на поддержание жизненных процессов (а живые организмы непрерывно расходуют энергию), ее хватит только на 6 секунд.

Иллюстрация зависимости биологического эффекта излучения от размера фотона или размера «пачки» энергии

Иллюстрация зависимости биологического эффекта излучения не от количества поглощенной энергии, а от размера фотона или размера «пачки» энергии
А. Общее количество энергии, поглощенное в теле человека (масса тела 70 кг), получившего летальную дозу в 4 Гр, составляет всего 67 кал. Б. Это равно количеству энергии, поглощенной в теле при выпивании 1 чайной ложки горячего кофе. В. Это также равно потенциальной энергии, реализуемой при подъеме человека на высоту 0,41 м от пола.


Нужно подчеркнуть, что сказанное относится только к ионизирующим лучам. Те же дозы других лучей совершенно безвредны. Человек, принимающий солнечную ванну на пляже, тоже облучается. Ту же энергию, что при облучении дозой 1000 рентген, он получит (в виде других лучей — световых, тепловых и ультрафиолетовых) всего за две секунды. А люди лежат на пляже часами.
После этих небольших расчетов смертельные дозы радиации больше не вызовут у вас представления об огромных энергиях. Совершенно ясно, что дело здесь в какой-то специфике «коварных» лучей.
В чем же кроется их загадка?
Биологическое действие ионизирующих лучей было обнаружено сразу. Что же касается выяснения механизма их действия, то этого пришлось ждать очень долго.
Конечно, с самого начала не было недостатка в разнообразнейших теориях. Но мы не станем о них рассказывать, потому что все они оказались совершенно неправильными. Первая разумная теория появилась только в начале 20-х годов. Она тоже была неверной, но в ней все же было рациональное зерно, которое сохранилось и вошло в современные представления о механизме биологического действия радиации.
Во Франкфурте-на-Майне жил человек, который хорошо знал и медицину, и биологию, и физику. Имя его — Фридрих Дессауер. Он был очень энергичен. Хотя все лицо и руки его покрывали шрамы, он не прекращал ни научной, ни практической работы. А шрамы были результатом многочисленных операций, связанных с лучевым поражением. Он был одним из первых рентгенологов, и его имя теперь высечено на обелиске в Гамбурге.
Дессауер знал физику. Он знал, что рентгеновые лучи отдают веществу энергию в виде ионизации — в виде отдельных, довольно больших порций. Кроме того, он знал, что энергия, получаемая живыми организмами при облучении смертельными дозами, ничтожна. Ни того, ни другого его предшественники не знали, потому что не разбирались в физике и не любили математики или не придавали им серьезного значения.
Будучи физиком, Дессауер знал, что любая энергия, в конце концов, превращается в тепло. Ему пришла в голову счастливая мысль: хотя в среднем температура, в которую превращается энергия радиации, невелика, но в отдельных местах она может быть очень высокой. Ведь радиация отдает энергию отдельными порциями, концентрируется в отдельных точках. И в этих точках температура повышается очень сильно. Дессауер создает теорию точечной теплоты. Согласно этой теории радиация вызывает нагревание отдельных точек до очень высокой температуры, происходит свертывание белков, что и ведет в конечном счете к биологическому поражению.
Как мы уже говорили, Дессауер не создал правильной теории. Дело не только в точечном нагревании. Даже если бы свертывание белков в отдельных точках и происходило, это не вызывало бы больших неприятностей, так как процент измененных молекул был бы настолько мал, что это не могло бы привести к сколько-нибудь существенным биологическим последствиям. Кроме того, и с физическими расчетами на сей раз оказалось не все в порядке. Дессауер не учел скорость рассеяния энергии. Поэтому теорию точечной теплоты теперь вспоминают, только говоря об истории науки.
Но другая мысль Дессауера — о роли неравномерности распределения энергии в веществе — оказалась очень плодотворной. Действительно, если не считаться с распределением энергии, а рассуждать о том, что происходит «в среднем», биологического эффекта радиации не объяснишь: мы знаем, общая энергия ничтожна.
Теория точечной теплоты была отвергнута, от нее остался «принцип попадания». Лучистая энергия поглощается веществом в виде отдельных, немногочисленных, но довольно больших порций энергии — «попаданий». Другими словами, одни микроскопические участки вещества получают довольно большую порцию энергии, а другие — ничего. По известной поговорке: где густо, где пусто. «Принцип попадания» — это именно принцип, не гипотеза и не теория. Биофизики здесь ничего не придумывают, они только констатируют точно установленный физический факт.
Однако сам по себе факт неравномерного распределения энергии ничего не объясняет. Чтобы понять биологическую эффективность радиации, нужно было сделать какое-то дополнительное предположение. И изобретательные ученые не замедлили его сделать. Они создали «теорию мишени». Это было естественно: где есть «попадания», там должна быть и «мишень». Ведь если в человека попадает пуля, то далеко не безразлично куда: в левый мизинец или в сердце. Точно так же и при облучении клеток: «попадание» в разные ее части неравноценно. Возникло представление о том, что в клетке существует очень чувствительный «жизненный центр», «попадание» в который ведет к гибели всей клетки.
Когда Дессауер создавал теорию точечной теплоты, то подошел к этому делу всерьез. Он не ограничился общими рассуждениями, а попытался создать математическую теорию. Нужно сказать, что кривые зависимости биологического эффекта от дозы облучения имеют довольно своеобразную форму — они не похожи, например, на кривые, которые получаются при действии большинства ядов.
Дессауер поручил двум своим молодым сотрудникам — Блау и Альтенбургеру — рассчитать, каких кривых следует ожидать в случае правильности его теории. Они перевели теорию своего учителя на язык математических формул, а затем, положив перед собой лист миллиметровой бумаги, стали вычерчивать кривые, следовавшие из этих формул. И — интересное дело — перед их глазами изогнули свои лебединые шеи точь-в-точь такие же кривые, которые ученые получали в опытах. Случайностью это быть не могло!

Проблемы экстраполяции эффектов доз
Проблемы экстраполяции эффектов доз.
Большинство примеров, в которых показано, что облучение вызывает дополнительное увеличение частоты развития рака у человека, составляет несколько сотен случаев воздействия на организм больших доз радиации (несколько Гр). Данные обычно разрозненные и не дают представления о форме кривой, отражающей зависимость процесса. Чтобы экстраполировать на интересующую нас область низких доз облучения, надо принять одну из моделей зависимости. А. Прямолинейная экстраполяция. Простой метод, но, по-видимому, дает завышенные значения для рентгеновского облучения. Б. Линейно-квадратичная экстраполяция. Она, возможно, находится ближе к истине, но форму этой кривой трудно определить. В. Пороговый тип экстраполяции зависимости. Доказательств в его пользу для случаев раковых заболеваний нет. Все перечисленные модели могут быть построены по одним и тем же данным, касающимся высоких доз облучения, но результат оценки риска рака в области низких доз, как видим, получается различным.

Как же так? Ведь мы знаем теперь, что теория точечной теплоты оказалась неверной. Откуда же взялось такое хорошее соответствие? Не заставляет ли это усомниться в правомерности применения математики к исследованию явлений жизни?
Конечно, нет! Ни теплота, ни белковые молекулы к формулам Блау и Альтенбургера отношения не имели. В них устанавливалась связь между распределением ионизации и биологическим эффектом. А эта часть теорий Дессауера была правильной и перешла в «принцип попадания». Вошли сюда и старые формулы. А они довольно интересны. С их помощью можно по форме кривой, полученной в опыте, вычислить «объем мишени» и «число попаданий».
Это казалось заманчивым. Некоторые ученые сделали такие расчеты своей главной целью. Они облучали какие-нибудь объекты — растительные, животные или микробиологические — разными дозами, строили кривую, анализировали ее и говорили: для вызывания той или иной биологической реакции требуется столько-то «попаданий» в «мишень» такого-то объема. Выводы были довольно наивны. Например, в одной из работ того периода вы могли бы прочесть: чтобы убить проростки бобов, то есть прекратить их рост, нужно поразить «мишень» девятью «попаданиями». Но ведь мы знаем, что корешок состоит из большого числа более или менее одинаковых клеток. Очевидно, чтобы убить корешок, нужно убить в нем большое число клеток, и нам кажется сомнительным, чтобы в корешке была какая-то одна микроскопическая мишень — жизненный центр, поражение которого заставит все клетки прекратить деление.
Разные ученые относились к цифрам по-разному. Некоторые правильно считали, что они имеют только чисто формальное значение, и употребляли их для краткого описания формы кривых, чтобы было удобнее сопоставлять и сравнивать. Но некоторые шли гораздо дальше. Они считали, что формальные расчеты с точки зрения теории мишени имеют большое познавательное значение. Особенно рьяно эту точку зрения защищал французский физик Хольвек.
— Наши средства исследования живой клетки еще слишком ограничены, — говорил он, —некоторые ее важные части настолько малы, что мы их не можем увидеть ни в один микроскоп (в те времена электронного микроскопа еще не изобрели). Но здесь нам на помощь приходит теория мишени. Благодаря этой теории мы можем точно вычислять объемы жизненно важных клеточных структур. Теория мишени — самый чувствительный и тонкий метод исследования живой природы. Это поистине статистический ультрамикроскоп, который заставит природу открыть перед нами свои самые сокровенные тайны!
О том же мечтал и Хольвек. Он хотел с помощью статистического анализа предсказывать существование неизвестных жизненно важных биологических структур. А биологи пусть смотрят и находят их. Он вычислял. Биологи смотрели и... ничего не находили. В редких случаях расчеты Хольвека и его последователей более или менее соответствовали реальным структурам, но чаще всего никакого соответствия не было. Хотя это ясно говорило о несовершенстве теории и о ее неправильном применении, восторженный Хольвек восклицал:
— Математика ошибаться не может. А если факты не соответствуют моим расчетам — тем хуже для фактов!
Продолжим разговор о великом парадоксе радиобиологии — о том удивительном факте, что ничтожная энергия вызывает драматический биологический эффект. Много времени потратили ученые на решение этой загадки. Много остроумнейших гипотез появилось в необъятной радиобиологической литературе (и теперь продолжают появляться).
А между тем для радиобиолога, знающего генетику, вопрос этот не кажется столь загадочным. Ведь уже в 1928 году было известно, что мутации, возникающие в облучаемых клетках, в большинстве своем летальны, то есть приводят к гибели клетки, причем дозы излучений не так уж велики. (Справедливости ради нужно заметить, что, когда Дессауер создавал теорию точечной теплоты, генетическое действие радиации еще не было известно, но когда Хольвек фантазировал о своем «статистическом ультрамикроскопе», радиационная генетика уже стала вполне сложившейся наукой.)
А отсюда, да еще с учетом основной идеи «принципа попадания» — один шаг до создания теории, в которой не будет ровным счетом ничего фантастического.
«Принцип попадания» исходит из того факта, что энергия радиации распределена в облучаемой ткани неравномерно, в виде отдельных порций. К каким последствиям это может привести, зависит от места «попадания». Если поражена молекула воды или какой-нибудь соли, растворенной в клеточном соке,—это, конечно, никак не скажется. Если будет поражена молекула какого-нибудь белка, фермента, осуществляющего важную жизненную функцию, тоже ничего страшного не произойдет. Хотя этот белок и крайне важен, но в клетке очень много совершенно одинаковых молекул, выполняющих одну и ту же работу. И, конечно, если вместо 1000 молекул останется 999, клетка этого и не почувствует. Чтобы разрушение белка сказалось на функциях клетки, нужно повредить большую часть таких одинаковых молекул, для чего требуются огромные дозы. Но при тех дозах, которые применяются в биологических опытах, это совершенно невозможно.
А гены занимают в клетке совершенно особое положение не потому, что они гораздо более важны: клетка не может существовать и без многих других веществ. Особое положение генов — в их уникальности. В хромосомном наборе каждый ген представлен только один раз. Если он будет разрушен или изменен, заменить его нечем. Правда, в большинстве клеток тела содержится диплоидный (двойной) набор хромосом. Следовательно, в клетке есть по два экземпляра генов каждого сорта. Но разрушение одной структуры из двух — дело серьезное. Оторвите одну ножку у сороконожки — она будет бегать с той же быстротой. Но прострелите одно крыло орлу, и он рухнет на землю. Поэтому поражение генов — единственный случай, когда одно небольшое изменение может привести клетку к гибели.
Здесь можно сделать возражение: ведь чтобы попасть в один определенный ген, затерянный среди миллионов молекул, с одного «выстрела», нужен очень счастливый случай. А чтобы в него попасть наверняка, нужно сделать очень много «выстрелов», то есть потребуются очень большие дозы облучения. Да, это правильно, если речь идет об изменении какого-то определен ного гена. Но в том-то и дело, что для поражения клетки вовсе нет надобности поразить какой-то вполне определенный ген. Для этого годится любой ген. А разных генов в клетке очень много. Поэтому малая вероятность «попасть» в определенный ген, умноженная на большое число генов, имеющихся в клетке, дает не такую уж маленькую величину для вероятности генетической гибели клетки.
Теперь можно выдвинуть гипотезу, что основной причиной гибели облученных клеток являются происходящие в них мутации. Но гипотеза — это еще не научная теория. Чтобы гипотеза стала теорией, она должна быть проверена в точных опытах, подкреплена фактами.

Иллюстрация различия между ионизирующей и неионизирующей радиацией на примере падения вещества массой 1 кг на кролика.
Движущийся с той же самой скоростью один килограмм песка будет представлять то же самое общее количество энергии, что и камень массой 1 кг. Однако песок окажет небольшое повреждение, потому что его общая энергия будет распределена между тысячами мельчайших песчинок. Напротив, камень приведет к летальному исходу, если ударить по жизненно важному месту тела, потому что энергия сосредоточена в виде крупной «пачки». Сходным образом ионизирующая радиация вызывает биологический эффект, т. е. это связано не с общим количеством вовлекаемой в процесс энергии, а с тем, что энергия поступает в виде крупных «пакетов» или фотонов, которые достаточно сильны, чтобы разорвать жизненно важные для организма связи в химических молекулах (наподобие камня!). Что касается неионизирующего излучения, такого как, например, свет или радиационное тепло, энергия распределяется в виде множества мелких фотонов или пакетов (наподобие песка), каждый из которых не в состоянии разорвать химическую связь и вызвать серьезное биологическое повреждение.

Та гипотеза, которую мы только что построили, выглядит очень просто. Но простота обманчива.
В 30-х годах, когда создавалась количественная радиационная генетика, о многом из того, что теперь ясно, приходилось только догадываться. А на повестке дня после пионерских работ Надсона и Филиппова, Меллера и Стадлера, установивших сам факт возникновения мутаций при облучении, стояло именно исследование количественной стороны нового явления.
Нужно сказать, что для биологов такая работа была нелегкой. С одной стороны, для проведения самих опытов так, чтобы это были действительно точные опыты, нужно быть неплохим физиком- экспериментатором. С другой стороны, обработка результатов, полученных в опыте, их теоретическое объяснение требуют специальных знаний, которых у обычных биологов тоже нет. Они есть у физиков-теоретиков или математиков. Сейчас многие наши университеты выпускают биофизиков— специалистов, знающих и биологию и физику, но в 30-х годах никто и нигде подобных специалистов не готовил. И потому успехи в разработке проблем количественной радиационной генетики были достигнуты именно там, где биологи работали вместе с физиками. Это в первую очередь эксперименты нашего соотечественника Николая Владимировича Тимофеева-Ресовского (работавшего в те годы в Германии) и англичанина Дугласа Эдварда Ли.
Если во многих клетках тела происходят летальные мутации, вызывающие их гибель, то развивается лучевая болезнь, связанная с ослаблением соответствующих органов и систем. Если мутации не гибельны, они могут вести к отдаленным последствиям, например к преждевременному старению или к возникновению опухолей. А если мутация возникла в зародышевых клетках, это отразится на потомстве — близком или более отдаленном. Эти выводы следуют в конечном счете из работ Ли.
Но неужели гены изменяются только под обстрелом ионизирующими пулями? Раз ген имеет химическую природу — может быть, на него можно воздействовать и химическими средствами? Да, можно, но химические пути изменения наследственности были открыты позже физических.
А Лобашев уже в 1934 году смог сформулировать основные принципы , которыми следует руководствоваться при выборе химических мутагенов – веществ, вызывающих мутации. Этими принципами пользуются и в наши дни.
Первые мутагены, открытые Сахаровым, Лобашевым и их сотрудниками, обладали низкой эффективностью, поэтому они не могли заинтересовать практиков. Но прошло совсем немного лет, и стали появляться мутагены с гораздо большей эффективностью.
В 1937 году американец Блексли обнаружил, что колхицин - вещество, извлекаемое из безвременника осеннего (научное название растения — Колхикум аутумнале, отсюда и «колхицин»), способно удваивать число хромосом в клетках растений. Другими словами, он получил тот же эффект, которого добился за сорок лет до этого Герасимов с помощью хлоралгидрата и хлороформа. Но Блексли и его современники не знали о работах Герасимова.

Формула колхицина
КОЛХИЦИН, алкалоид, содержащийся в безвременнике и др. растениях семейства лилейных. Яд нервно-паралитического действия. Обладает свойством останавливать деление растительных и животных клеток. Применяется для получения полиплоидных форм растений.
Безвременник
БЕЗВРЕМЕННИК (колхикум), род многолетних трав семейства лилейных. Ок. 60 видов, в Средиземноморье, Иране и на востоке — до Сев. Индии; несколько видов на Кавказе, в Крыму, Ср. Азии. Все части растений ядовиты, т. к. содержат алкалоиды (в т. ч. колхицин). Некоторые виды разводят как декоративные. Эндемичный вид безвременник Фомина — редок, охраняется.

Нужно сказать, что колхицин оказался гораздо эффективнее веществ, которыми пользовался Герасимов. С помощью колхицина можно действовать наверняка. И даже теперь, после многолетних поисков, не найдено веществ, которые превосходили бы по своей активности колхицин.
Колхицин вообще удивительное вещество. Оно было известно (конечно, не в чистом виде) еще в древнем Риме. В те далекие времена корень безвременника использовали для лечения подагры. А теперь колхицин успешно используют не только для удвоения числа хромосом, но и для лечения некоторых форм рака.
Удвоение (а также утроение, учетверение — вообще увеличение в кратное число раз) числа хромосом называют полиплоидией. Ученые были знакомы с полиплоидией гораздо раньше, так как в природе она явление нередкое. Один из путей возникновения новых видов в природе — образование полиплоидных форм. Известно большое число «полиплоидных рядов». Например, разные виды пшениц имеют либо 14 хромосом, либо 28 (вдвое больше), либо 42 (втрое больше). К 14-хромосомным видам относятся однозернянки, к 28-хромосомным — твердые пшеницы, к 42-хромосомным — мягкие.
Как правило, полиплоидные формы обладают повышенной продуктивностью. Но не все растения встречаются в природе в виде полиплоидов. С помощью колхицина и других подобных веществ их можно получить искусственно, создав новые, хозяйственно ценные сорта.

Семена диплоидной (слева) и тетраплоидной (справа) ржи

Можно ли снизить генетическое действие радиации? Долгое время ученые давали на этот вопрос только отрицательный ответ. Но в последние годы обнаружились удивительные факты, которые заставили изменить точку зрения на этот счет. Долгое время считали, что на степень лучевого поражения можно влиять только в очень и очень ограниченных пределах. Но в конце 40-х годов вышла в свет работа некоего Бэйрона с сотрудниками, работа, никакого отношения к биологии не имевшая. Он облучал водные растворы белков и измерял степень их повреждения. Если в раствор добавлялось определенное вещество — глютатион, поражение в несколько раз уменьшалось.
Мы говорили только о снижении генетического поражения клеток. Но иногда бывает полезно его повысить. Вы удивлены? Но это так. Речь идет о такой важной современной проблеме, как лечение рака.
Одним из основных средств лечения рака являются Ионизирующие лучи. И неспроста. Раковые клетки — такие же клетки, как и все остальные, но с несколько измененными наследственными свойствами, благодаря чему они начинают бесконтрольно делиться. Если в принципе не так уж трудно найти лекарство, которое убивало бы вредных микробов, не повреждая клеток человеческого тела, то в случае злокачественных опухолей это несравненно сложнее. Ведь убить нужно человеческие клетки: убить больные, не затронув здоровых. А различий между ними почти нет. Основное различие — быстрое деление. Оно-то и используется в лучевой терапии рака. Уже первые исследователи биологического действия радиации обратили внимание на то, что чем быстрее
делятся клетки, тем они чувствительнее к поражающему действию радиации. Отсюда один шаг до того, чтобы проверить, не будут ли новые лучи на раковые клетки действовать сильнее, чем на окружающие здоровые. Поставлены опыты, и предположение подтвердилось, С тех пор в течение долгих лет для лечения рака было только два средства: «нож и луч». Либо хирургическое удаление опухоли, либо ее облучение, а иногда комбинация того и другого.
В основе действия радиации на раковые клетки лежат генетические поражения. Под действием облучения в раковых клетках возникают многочисленные хромосомные мутации, в результате которых клетки гибнут. Теперь становится понятной большая «чувствительность» раковых клеток. Раз они делятся быстрее, значит в их распоряжении меньше времени для восстановления от возникших здесь генетических повреждений, которые сказываются как раз во время клеточного деления.
Однако радиация действует на хромосомы не только в раковых, но и в нормальных клетках, хотя и несколько слабее. Поэтому очень трудно подобрать дозу облучения, которая была бы достаточна для уничтожения раковой опухоли и вместе с тем не слишком бы поражала окружающие нормальные ткани. Иногда это вообще оказывается невозможным. Облегчить решение проблемы можно двумя путями: либо понизить чувствительность у окружающих нормальных клеток, либо повысить ее у раковых. Поэтому-то важно научиться не только понижать по желанию степень поражения генетического аппарата клеток, а и повышать ее. И в этом отношении у генетиков тоже есть определенные успехи.
Бывает, и не так редко, что люди стараются с помощью облучения вызвать наследственные изменения в клетках вовсе не с целью их уничтожения.
Основным методом в классической селекции является гибридизация. Чтобы совместить полезные свойства двух сортов, их скрещивают. Но беда в том, что оба сорта отличаются большим числом генов. Стоит их скрестить, как полезные комбинации генов рассыпаются (менделевское расщепление!), и гибридные потомки оказываются хуже любого из родителей. Почти все труды, которые были затрачены на выведение исходных сортов, идут насмарку, и все приходится начинать заново.
Иное дело — искусственные мутации. Часто бывает так: есть замечательный сорт, которому не хватает одного-единственного качества. Например, сорт пшеницы или ячменя, хороший во всех отношениях, обладает повышенной полегаемостью или лишен устойчивости против ржавчины. Скрестить этот сорт с другим, обладающим отсутствующим качеством, — значит разрушить уже имеющийся сорт.
Теперь можно обойтись и без скрещивания. Можно семена улучшаемого сорта облучить, вызвать множество новых мутаций. Большинство будет вредным. Но, скажем, одна или две мутации на тысячу могут дать растению отсутствующее свойство.
Радиационная селекция — наука очень молодая. Это может показаться странным, так как мутагенное действие радиации было открыто еще в середине 20-х годов. Но многие ученые, зная, что большинство возникающих мутаций вредны, считали применение излучений в селекции совершенно бесперспективным. Песок массой 1 кг падает на кролика Камень массой 1 кг падает на бедного кролика

Вверх Далее