Николай Лучник - Невидимый современник

• Название: Невидимый современник
• Автор: Николай Лучник
• Издательство: Молодая гвардия
• Жанр: Биофизика
• Год: 1968

Угроза здоровью людей в связи с повышением уровня естественного радиоактивного фона…

Новые методы лечения рака и других тяжелых заболеваний…

Радиационная угроза в современных войнах…

Борьба с вредными насекомыми…

Наиболее эффективные методы диагностики в медицине…

Изучение тончайших процессов обмена веществ…

Так же как некогда пар и электричество, так теперь ионизирующие лучи стали неотъемлемой частью современной техники, науки, повседневной жизни.

О радиобиологии — науке, которая занимается всеми этими проблемами, рассказывает доктор биологических наук Н. Лучник, первая книга которого — «Почему я похож на папу» — получила широкое признание читателей.

---

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.