Помоги проекту - поделись книгой:
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.
Поделиться книгой: