Солнечный луч

В науке нередко бывает так: долгие годы ученые проходят мимо явления, которое буквально лежит на поверхности, не придавая ему серьезного значения. Единичные факты и наблюдения не привлекают внимания. И лишь когда развитие науки достигает более высокого уровня, явление, мимо которого равнодушно проходили долгие годы, вдруг привлекает всеобщее внимание и даже оказывается в фокусе научной мысли. Так случилось с фотореактивацией.

В 1949 г., работая в противоположных точках земного шара, в Советском Союзе и в Соединенных Штатах Америки, два ученых одновременно сделали одно и то же открытие. Сотрудник Одесского института глазных болезней им. В. П. Филатова И. Ф. Ковалев изучал действие ультрафиолетовых лучей на одноклеточные организмы — инфузории, из-за необычной формы тела получившие название туфелек. Лучи с длиной волны 2537 А задерживали деление инфузорий, а при более длительном облучении туфельки обычно погибали. Ученый заметил, что, когда облученных инфузорий не помещают, как обычно, в темный шкаф, а оставляют под рассеянным дневным светом, количество погибших инфузорий уменьшается в два-три раза. Американский микробиолог Кельнер получил такой же результат, работая с культурами кишечной палочки и лучистого грибка — актиномицета. Новое явление получило название фотореактивации.

Лучи против лучей

Итак, организм таинственным способом использует лучи видимого света для ослабления вредного действия ультрафиолетовых лучей. А между тем эти лучи мирно соседствуют в свете Солнца, и никто не предполагал, что они могут враждовать друг с другом.

Вновь открытое явление вызвало всеобщий интерес. Ведь и в прежние годы ученые сталкивались с антагонизмом излучений. Так, врачи-физиотерапевты наблюдали ослабление ультрафиолетовой эритемы, если участок кожи одновременно освещался видимым светом и инфракрасными лучами. В 1936 г. один немецкий врач даже воспроизвел это явление на своей собственной коже. Другие ученые обнаружили, что ультрафиолетовые лучи в интервале 2537—3020 А вызывают потемнение банановой кожуры, тогда как видимый ультрафиолетовый свет устраняет потемнение.

Фотореактивация наблюдается и тогда, когда между действием «разрушительных» и «восстанавливающих» лучей прошло около 1—2 часов. Если облучаемый организм сохраняется при низкой температуре или на голодной диете, т. е. в условиях угнетения обмена веществ, этот интервал может быть безболезненно увеличен. Фотореактивация — явление общебиологическое, свойственное почти всему органическому миру, от растворов белков и нуклеиновых кислот, вирусов, бактерий, грибков до насекомых, земноводных. Однако среди бактерий и простейших обнаружены отдельные виды, неспособные к фотореактивации, а млекопитающие, видимо, полностью лишены этой способности.

Наконец, наряду с классической фотореактивацией, при которой более длинноволновые лучи устраняют вредное действие коротковолнового ультрафиолета (2500— 3000 А), был обнаружен еще один эффект. На этот раз лечебное действие на облученные клетки оказывали еще более коротковолновые лучи в диапазоне 1850—2400 А. Причем коротковолновая реактивация наблюдалась, по-видимому, также и у организмов, лишенных способности к фотореактивации классической.

Наиболее легко восстанавливается процесс клеточного деления, резко уменьшается гибель клеток, частота мутаций, хромосомных повреждений, нормализуется способность к трансформации и нарушенный ритм клеточной активности. Все эти процессы так или иначе связаны с деятельностью наследственного аппарата клетки, с восстановлением функции нуклеиновых кислот ядра. Не поддаются фотореактивации процессы растворения клеточной оболочки, восстановления клеточного среза, движение ресничек у инфузорий и некоторые другие процессы, связанные главным образом с деятельностью клеточной плазмы. На один квант лучей-разрушителей должно приходиться 400—1000 квантов реактивирующего света. Но и при этом полного восстановления повреждений достигнуть не удается. Очевидно, механизм фотореактивации влияет не на все аспекты действия повреждающего света.

Для понимания сущности фотореактивации не менее важное значение имеет установление зависимости ее от температурных условий. В фотохимических реакциях за счет поглощения фотона создается избыток энергии, и повышение температуры не оказывает влияния. Наличие температурной зависимости служит показателем участия темновых химических реакций. Значит, процесс фотореактивации не ограничивается поглощением кванта реактивирующего света облученным организмом; фактически с этого поглощения лишь начинается процесс. Приобретенная организмом энергия расходуется затем в темновых реакциях.

Что это за реакции? Иными словами, каков механизм фотореактивации? Ученые обнаружили, что в неживой природе существуют явления, чрезвычайно сходные с фотореактивацией живых организмов. Еще в 1898 г. французский ученый Виллар описал следующее интересное явление. В заснятой, но не проявленной рентгенограмме, помещенной на рассеянный солнечный свет, изображение получится не обычное, негативное, а обратное, позитивное. Дневной свет меняет на рентгенограмме местами светлые и темные пятна. Дать рациональное объяснение этому явлению не удавалось. Прошло несколько лет, и ученые обнаружили, что описанное Вилларом явление — всего лишь частный случай более общего явления, названного эффектом обращения. Если на фотопластинку подействовать сначала более коротковолновым излучены-» ем, а потом более длинноволновым, то последнее уничтожает или «перевертывает», обращает (как в случае эффекта Виллара) результат, вызванный первым облучением. Нетрудно обнаружить черты сходства между эффектом обращения, наблюдающимся на фотоматериалах, и фотореактивацией живых организмов. Это подтверждало очень важную общую закономерность, свойственную как живой, так и неживой природе. Оставалось «только» выяснить механизм явления.

На существо этой сложной проблемы пролили новый свет опыты, проведенные на неживом материале. Если подействовать инфракрасными лучами на некоторые возбужденные фосфоресцирующие вещества, длительность фосфоресценции сокращается, высвечивание происходит быстрее. Вспомним, что фосфоресценция представляет собой послесвечение возбужденных молекул, находящихся в метастабильном состоянии. Фотоны инфракрасного света, поглощаясь этими молекулами, доставляют им недостающую энергию для подъема возбужденного электрона на обычный уровень возбуждения, с которого возврат в исходное состояние, разрядка возбуждения, совершается с максимальной скоростью. В этом примере инфракрасные лучи ослабили действие света (ультрафиолетового или видимого), возбудившего фосфоресценцию, уменьшили длительность послесвечения. Степень фотохимического действия ультрафиолетового света зависит от времени жизни возбужденных состояний облученных молекул. Если с помощью более длинноволнового света «разрядка» совершается быстрее, то фотохимический эффект первого облучения оказывается ослабленным. Так можно объяснить механизм эффекта обращения, обнаруженного на фотоматериалах.

Однако подлинный механизм фотореактивации клеток сложнее. Реактивируются главным образом поражения ядерного наследственного аппарата клеток. В повреждении этого аппарата ультрафиолетовыми лучами имеет значение образование димеров тимина и, в меньшей степени, других пиримидиновых оснований. В процессе фотореактивации эти дефекты, очевидно, каким-то образом устраняются за счет использования лучистой энергии. Но как? Сейчас известно, что димеры — действительно основная мишень фотореактивации. А механизмов ее существует столько же, сколько и видов,— два.

В случае коротковолновой фотореактивации большие кванты излучения, поглощенные азотистыми основаниями нуклеиновых кислот, непосредственно разрывают связи между тиминовыми остатками, освобождают их, облегчая восстановление исходной структуры. Чтобы такой механизм стал возможным, нужна энергия даже несколько большая, чем та, которая привела к образованию димеров. Вот почему для реализации этого механизма нужны лучи с меньшей длиной волны и с большей энергией квантов, чем у лучей повреждающих.

Но в естественных условиях существования жизни на Земле лучи с такой длиной волны и энергией квантов отсутствуют. Поэтому природный механизм фотореактивации сформировался с учетом использования имеющейся лучистой энергии — видимого и длинноволнового ультрафиолетового света. А чтобы этот механизм был достаточно эффективным, природа создала специальный фотореактивирующий фермент.

Чудо-ферменты

При знакомстве с явлением живого свечения — биолюминесценции — выяснилось, что высокий коэффициент ее полезного действия обязан участию специализированного фермента люциферазы. Когда же хемилюминесценция тканей совершается без участия фермента, ее эффективность, квантовый выход, снижается в миллионы раз.

Фотореактивация — ферментативный процесс, и благодаря этому димеры тимина, возникшие при ультрафиолетовом поражении живых клеток, устраняются почти полностью. Для того чтобы процесс восстановления достиг максимального выражения, наряду с избытком реактивирующего света необходимо еще и время. Дело в том, что процесс внутриклеточного восстановления совершается в период между клеточными делениями, во время так называемой интерфазы. Наступление митоза (клеточного деления) прерывает процесс восстановления, и не ликвидированные еще повреждения становятся необратимыми. Поэтому всякого рода задержки деления (вызванные, например, понижением температуры, недостаточным питанием и т. п.) облегчают деятельность фермента фотореактивации, делают ее более продуктивной.

Если облучить культуру бактерий или колонию инфузорий бактерицидным ультрафиолетом в дозе, вызывающей гибель практически всех клеток, то после выставления облученной колонии на рассеянный дневной свет выживает от 35 до 70, а иногда и до 90% пострадавших клеток. Такова мощь этого чудо-фермента! Детали его работы еще не вполне изучены. Сравнительно недавно американскому биохимику К. С. Руперту удалось выделить его из дрожжей. Он получен в чистом виде, но его структура и, в частности, устройство хромофора, улавливающего видимый свет, пока не установлены; известно, что максимум поглощения им света лежит у 2800 А. Вероятнее всего, фермент представляет собой флавопротеид. Восстановление поврежденной ультрафиолетом нуклеиновой кислоты совершается в два этапа. Сначала фермент, двигающийся вдоль двойной цепи ДНК, обнаруживает дефект — димер тимина и присоединяется к нему своим активным центром. Энергия видимого света, поглощенная хромофорной группой, используется для того, чтобы отделить фермент от отремонтированного участка ДНК, после чего можно заняться следующим димером. Производство фотореактивирующего фермента «запрограммировано» в генетическом аппарате клетки, где имеется специальный ген, обозначаемый латинскими буквами UVR. Потеря или отсутствие этого гена означает утрату способности к фотореактивации.

Почему же чудо-фермент не справляется со своей благородной задачей на 100%? Для этого есть несколько причин. Прежде всего ультрафиолетовые лучи вызывают появление не только димеров, но и других, не фотореактивируемых типов повреждений (окисление и разрушение отдельных оснований, разрывы цепи и т. п.). Во-вторых, для ремонта части димеров может не хватить времени — наступление митоза прерывает работу фермента.

Значит, полного восстановления и не может быть? Нет, такой вывод был бы преждевременным. Дело в том, что фотореактивация — не единственный механизм ремонта поврежденной ДНК. Эти повреждения могут возникать не только при воздействии ультрафиолетовых лучей. Ионизирующая радиация и различные химические вещества — мутагены способны вызвать разнообразные поломки, изменения, нарушения структуры ДНК. Димеры тимина — лишь один из возможных видов повреждений. Поскольку для ультрафиолета их образование имеет главное значение, постольку фотореактивация — специализированный механизм восстановления — направлена именно против димеров.

Но наряду с этим тонким механизмом в тканях животных (в том числе и лишенных фермента фотореактивации) существует более общий, всеобъемлющий механизм восстановления, Поскольку он не нуждается в свете для своей работы, его называют механизмом темновой репарации. В связи с необходимостью устранять разнообразные дефекты структуры ДНК этот механизм несравненно более сложен: он складывается из содружественной взаимосвязанной работы нескольких ферментов. В процессе темновой репарации димеры (и другие нарушения структуры ДНК) не расщепляются, а удаляются из ДНК. Процесс этот совершается в несколько этапов.

Сначала специальный фермент — он носит название эндонуклеазы — отыскивает поврежденный участок в одной из нитей ДНК и надрезает нить. Следующий фермент — вырезающая нуклеаза или экзонуклеаза — удаляет из молекулы ДНК не только поврежденное звено, например димер тимина. Как заправский хирург, фермент удаляет повреждение «с запасом», оперирует «в пределах здоровых тканей». В итоге его деятельности образуется дефект структуры ДНК, брешь в одной из нитей, достигающая более или менее значительных размеров.

Молекула ДНК не распадается в результате операции выщепления, потому что вторая, неповрежденная нить скрепляет ее. Но роль второй нити этим не ограничивается. Когда встает задача ремонта повреждения, заделки бреши, требуется не только строительный материал. Ведь ДНК — молекула особая: последовательность азотистых оснований в каждой нити ДНК имеет информационное значение, содержит в зашифрованном виде сведения о структуре того или иного клеточного белка. Восстановление будет полным лишь в том случае, если восстанавливается исходная последовательность мономеров ДНК. И вот тут-то неоценимую роль играет вторая, неповрежденная нить ДНК.

Две нити ДНК связаны водородными связями между азотистыми основаниями, причем каждое из оснований имеет только одного напарника. Существует всего две разновидности связей: аденин — тимин (А—Т) и гуанин — цитозин (Г—Ц). Если в одной из нитей все азотистые основания сохранились, при восстановлении дефекта каждое из этих оснований как бы «подбирает» себе пару из имеющихся деталей. Поэтому в ремонтируемом участке нити ДНК порядок азотистых оснований восстанавливается в своем исходном, первозданном виде. Процесс застройки бреши требует участия специального фермента. Ни наличие «стройматериалов» — деталей структуры ДНК, ни присутствие второй неповрежденной сети еще не гарантирует выполнения ремонтных работ. Активная роль принадлежит ферменту ДНК — полимеразе. Завершает процесс темнового восстановления четвертый фермент — лигаза, сшивающий отремонтированный участок ДНК с концами нити, уцелевшими после операции выщепления. В итоге сложного процесса повреждение нити ДНК устраняется, а структура нити восстанавливается полностью.

Темновая репарация и фотореактивация — два великолепных природных механизма, осуществляющих защиту наследственности живых организмов от повреждений, сохранение в целости и неизменности наследственной программы вида. При определенных условиях эти механизмы способны полностью устранить возникающие повреждения. Но хорошо ли это? Следует ли к этому стремиться? Условия на Земле и прежде всего взаимоотношения, взаимодействия между разнообразными живыми организмами в пределах биосферы постепенно изменяются, усложняются. Сохранить наследственную программу вида и неприкосновенности — не значит ли отстать?

Чтобы выжить, нужно приспособиться к условиям среды. Изменение условий существования требует постоянного изменения, совершенствования, развития наследственной основы, внесения в нее дополнений, поправок. Источник этих усовершенствований — мутации, из числа которых в процессе естественного отбора сохраняются и наследуются наиболее ценные, полезные в данных условиях. Следовательно, для прогресса организации живого необходима определенная степень неполноценности, несовершенства восстановительных механизмов.

С общебиологической, эволюционной точки зрения ультрафиолетовые лучи, обладающие мутагенными свойствами, выполняют (наряду с другими мутагенами) функцию поставщиков материала, сырья для естественного отбора, а ферменты фотореактивации и темнового восстановления — роль регуляторов этого процесса. „ Вот какие сложные, но надежные механизмы выработались у живых существ в процессе эволюции для устранения наиболее опасных и вредных последствий ультрафиолетового облучения.

Свет-защитник, свет-целитель

Итак, все живое на Земле вынуждено защищаться от ультрафиолетовых лучей. Фотореактивация оказалась наиболее эффективным механизмом защиты, что и обусловило закрепление его в наследственном аппарате.

Фотореактивирующий свет используется в организме не для предотвращения или ослабления вредного действия ультрафиолета: он расходуется на устранение уже возникшего повреждения. Следовательно, мы имеем дело не с защитой от действия вредного агента, а с устранением вызванных им нарушений, т. е. с лечением. Значит, к фотореактивирующему свету применим термин «луч-целитель» больше, чем «луч-защитник».

Под фотореактивацией ученые подразумевают совершенно определенное явление: ослабление вредного действия коротковолнового ультрафиолета с помощью видимого света и длинноволновых ультрафиолетовых лучей. А как же другие лучи? Не существует ли антагонизма между другими парами излучений? На неживых системах, например на фотопленках, установлена более общая закономерность: длинноволновое излучение ослабляет эффект предшествующего коротковолнового. Проявляется ли эта закономерность и на живых организмах?

Инфракрасные лучи, например, немного ослабляют эритемное действие длинноволнового ультрафиолета, но присутствие инфракрасных лучей в спектре солнечного излучения в известной мере дополняет действие на организм других его компонентов, обеспечивая главным образом тепловое, согревающее действие солнечного света. Лучи, возникающие в процессе радиоактивного распада атомов (гамма-лучи) или в специальных вакуумных трубках в результате удара о препятствие потока электронов (лучи Рентгена), имеют еще меньшую длину волны, чем ультрафиолетовые лучи. Следовательно, их кванты несут громадную энергию. В нашу задачу не входит описание всех разрушений, которые производит в животном организме мощный поток рентгеновских или гамма-лучей. Действие их вызывает острую лучевую болезнь — бич атомного века. Борьба с лучевой опасностью — одна из важнейших задач, стоящих перед современной наукой.

А нельзя ли использовать антагонизм излучений для борьбы с лучевой опасностью? В течение двух последних десятилетий ученые пытались отыскать в широком спектре электромагнитных колебаний волны, облучение которыми ослабляло бы разрушительный эффект ядерных излучений. К сожалению, надежды не оправдались.

Впрочем, в опытах, проделанных на дрожжах и культурах ткани, было установлено, что ультрафиолетовые лучи, убивающие живые клетки, разрушающие ткани и нарушающие процесс деления, в то же время способны несколько ослаблять вредное действие предшествующего им рентгеновского облучения. Смягчающее действие ультрафиолетовых лучей, в свою очередь, может быть устранено видимым светом. Значит, небольшим реактивирующим действием по отношению к рентгеновским и гамма-лучам могут обладать ультрафиолетовые лучи, более длинноволновые, но все же непосредственно прилегающие к диапазону лучей Рентгена.

Использование фотореактивации в практике

Использование лучей в борьбе с лучевой болезнью не дает значительных результатов по многим причинам. Во-первых, проникающая способность рентгеновских и гамма-лучей очень высока: они могут проходить сквозь тело человека. Ультрафиолетовые лучи, как мы уже знаем, обладают слабой проникающей способностью, поэтому они вызывают изменения лишь в облученном участке кожи. Правда, этот участок сразу же становится источником нервных и гуморальных влияний, охватывающих весь организм, но эти влияния не имеют прямого и непосредственного отношения к повреждающему действию ядерных излучений, как при фотореактивации. Кроме того, изменения, вызванные лучами Рентгена, очень быстро становятся необратимыми. В связи с этим воздействие фотореактивирующего агента должно быть максимально быстрым и достаточно мощным. Имеет значение и то обстоятельство, что классический эффект фотореактивации выработан в течение многотысячелетнего эволюционного развития и направлен против постоянно встречающегося вредного агента — ультрафиолетовых лучей. А против ядерных излучений живой организм не выработал соответствующих защитных приспособлений, поскольку в естественных земных условиях их мощные источники отсутствуют.

Тем не менее принцип «лучи против лучей» нашел некоторое место в арсенале средств борьбы с лучевой болезнью. Действие умеренных доз ультрафиолетовых лучей приводит в известной степени к результатам, противоположным эффекту ядерных излучений. Ультрафиолетовые лучи усиливают процессы кроветворения, которые в организме, пораженном лучевой болезнью, всегда подавлены: поднимают жизненный тонус, общую сопротивляемость организма, повышают деятельность желез внутренней секреции. В связи с этим ученые решили испробовать ультрафиолетовые лучи в качестве средства профилактики лучевой болезни. Здесь, наконец, их ожидала, хотя и скромная, но удача. Организм, подвергавшийся многократному облучению ультрафиолетовыми лучами в эритемных дозах, становится более устойчивым к действию больших доз ядерных излучений.

И еще в одном случае ультрафиолетовые лучи могут оказаться полезными. Лучевые ожоги, дерматиты, язвы, возникающие иногда при лучевом лечении опухолей и других болезней, плохо заживают. Ультрафиолетовые лучи в умеренных дозах ускоряют их заживление.

Есть область практической деятельности человека, в которой фотореактивация сразу же после ее открытия интенсивно используется. Это селекция новых штаммов грибков, вырабатывающих антибиотики. Мы уже говорили, что с помощью ультрафиолетовых лучей у лучистых и плесневых грибков удается получить множество разнообразных мутаций, из которых ученые отбирают наиболее ценные и производительные. Но для получения большого количества мутаций приходится прибегать к высоким дозам ультрафиолетовых лучей, под действием которых большинство облученных грибков гибнет. Чередуя воздействие ультрафиолетовым и видимым светом, С. И. Алиханян и его ученики добились снижения смертности грибков при сохранении высокого процента мутаций. Это позволило селекционерам в кратчайшие сроки достичь больших результатов.

Фотореактивация — недавно открытое явление. Изучение его идет быстрыми темпами. Использование скрытой гигантской силы лучей солнечного спектра откроет новые пути в овладении силами и тайнами природы.