Невидимый современник

— 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»…

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.

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.

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?

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.

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…

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.

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.

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!

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.

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.

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.

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.

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?

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.