Текст книги "Невидимый современник"
Автор книги: Николай Лучник
сообщить о нарушении
Текущая страница: 11 (всего у книги 13 страниц)
Опыт, о котором идет речь, был поставлен несколько иначе. Взвесь клеток в воде сразу после облучения и разбавления разлили по отдельным пробиркам – по одному кубическому сантиметру в каждую, а через двое суток содержимое каждой пробирки перенесли в чашки с питательной средой. После инкубации во всех чашках выросло большое число колоний – в среднем по сорок на чашку, как и в обычных опытах. Если бы эффект выдерживания сводился только к размножению неповрежденных клеток, следовало бы ожидать совершенно иного результата: в большинстве чашек не должно было бы быть вообще колоний, а примерно в двух из десяти их должно было бы вырасти очень много.
Вряд ли полученные результаты можно объяснить иначе, чем восстановлением клеток от повреждений.
Вмешательство в природу
Повлиять на судьбу первичных лучевых поражений… Эта заманчивая задача оказалась вовсе не такой сложной. Ведь эффект пострадиационного восстановления был открыт в опытах, где под влиянием тех или иных условий наблюдаемое повреждение уменьшалось.
В первых экспериментах применялось намачивание после облучения в растворах цистеина. При этом уменьшался процент клеток с хромосомными мутациями, вызванными облучением. Казалось, что нам очень повезло: первое же вещество, которое мы испытали, дало желаемый эффект! Хотелось найти еще какое-нибудь вещество, обладающее сходным действием. Поставили опыт, где облученные семена намачивали в растворах разных аминокислот – веществ, родственных цистеину. Ничего подобного мы не ожидали. Все, абсолютно все аминокислоты дали такой же эффект, как и цистеин.
Разные аминокислоты уже испытывали раньше в качестве защитных веществ, то есть непосредственно перед облучением. Большинство не вызывало никакого эффекта, а остальные по степени защиты заметно уступали цистеину. А здесь все аминокислоты оказались равноценными. Как будто бы следовал вывод о том, что способность оказывать защиту свойственна лишь цистеину, а влияние на скорость пострадиационного восстановления – общее свойство аминокислот.
Для проверки этого вывода ставится новая серия опытов, где используются растворы представителей самых разнообразных классов химических веществ. И здесь результат оказывается неожиданным: снова все вещества дали примерно одинаковый эффект. Ускоряли восстановление такие непохожие друг на друга и простые вещества, как спирт и поваренная соль.
Это уже переставало быть интересным – искать вещества, ускоряющие восстановление. Слишком уж их много и вряд ли их сравнение поможет что-нибудь сказать о механизме восстановления. Теперь более заманчивым казалось найти вещества, которые бы замедляли восстановление либо ускоряли, но значительно больше, чем цистеин и его многочисленные собратья.
Поисками занялся Лев Сергеевич Царапкин, с которым мы ставили первые опыты по восстановлению. Он испытал десятки различных веществ и нашел все, о чем только можно мечтать. Есть средства, не влияющие на процесс восстановления, усиливающие его, подобно цистеину (таких больше всего), тормозящие восстановление, оказывающие значительно больший эффект, чем цистеин. Тут уже было над чем подумать.
Набор наиболее интересных веществ, и тормозивших восстановление и дававших «сверхзащиту», оказался не случайным. Обе группы связывала одна общая черта: все они имели то или иное отношение к клеточной энергетике. Отсюда следовал вывод: для восстановления нужна энергия, значит, восстановление – результат активной деятельности клетки. О том же самом говорили и данные совершенно других исследований – статистических. Такие несхожие науки, как биохимия и математика, дополняли друг друга.
В опытах по восстановлению хромосом обычно сравнивают либо процент клеток, имеющих мутации, либо среднее число мутаций на одну клетку. Оба эти показателя приводят, как правило, к совпадающим выводам. Мы попробовали, кроме того, использовать еще и третий показатель: среднее число повреждений на клетку. Результаты получились довольно неожиданные. Почти всегда, когда дополнительное воздействие изменяло число клеток с мутациями (и, конечно, общее число мутаций), степень повреждения отдельных клеток оставалась постоянной. Выходило, что при пострадиационном восстановлении уменьшается только число поврежденных клеток.
Этот тип восстановления назвали поклеточным. Он говорил о том же, что и сравнительный анализ влияния разных веществ: процесс восстановления связан с жизнедеятельностью всей клетки в целом.
Но как же конкретно происходит восстановление? К чему сводится его механизм? Вопрос очень непростой. Ведь даже предположить что-то о механизме восстановления можно, сначала узнав, что представляют собой первичные наследственные повреждения.
Химия гена
Первое слово о химической природе гена сказано очень давно, когда и самого слова «ген» не существовало. Мендель уже успел открыть свои законы, но они еще не были никому известны, так как дело происходило еще до их переоткрытия, зимой 1893/94 года в Москве.
Строение клетки к тому времени изучили уже довольно хорошо. Были известны хромосомы, их поведение при делении клеток, при оплодотворении. Даже не зная ничего о законах Менделя, можно было думать о том, что хромосомы играют важную роль в явлениях наследственности. И кое-кто из ученых именно так и думал.
Той же точки зрения придерживался и профессор зоологии Московского университета Михаил Александрович Мензбир. И этому он посвятил свой доклад на IX Всероссийском съезде естествоиспытателей и врачей. Он говорил о последних достижениях в исследовании живой клетки, о существующих в связи с этим гипотезах, о своих собственных взглядах…
По счастливой случайности на докладе присутствовали два человека, которых там могло бы и не оказаться. Один из них хотя и был ученым, но не имел никакого отношения к биологии. Он был профессором химии. Второй же, хотя и имел отношение к биологии, был в то время всего-навсего студентом.
Профессора химии звали Александр Андреевич Колли. Он сопоставил новейшие успехи биологии, о которых рассказывал Мензбир, с последними достижениями химии и пришел к парадоксальному выводу, которым тут же в прениях по докладу и поделился со слушателями. Размеры головки спермия (в котором, естественно, должны быть упакованы все наследственные задатки, достающиеся зародышу от отца) Колли сравнил с вычисленными им размерами белковых молекул. Получалось, что за все наследственные признаки ответственно относительно небольшое число молекул.
Это было настолько фантастично, настолько опережало свое время, что большинство биологов просто пропустили слова химика мимо ушей. Может, эта мысль оказалась бы и вообще забытой, погребенной в стенограммах заседаний съезда, если бы не один из студентов, присутствовавших на заседании. Он запомнил ее на всю жизнь, и она в значительной мере определила его собственное будущее.
Фамилия студента была Кольцов. Позже он стал крупнейшим ученым, академиком Николаем Константиновичем Кольцовым. Основным направлением его работ было изучение физико-химических основ строения и жизнедеятельности клетки. В 1927 году на III Всесоюзном съезде зоологов, анатомов и гистологов он выступил со своим знаменитым докладом: «Физико-химические основы морфологии». В нем он подводил итоги многолетних исследований и высказывал некоторые новые мысли.
Самым замечательным было то место доклада, где Кольцов высказал гипотезу о «размножающихся молекулах». Основа жизни – белковые вещества. Как они построены, в то время было известно очень плохо, знали только, что они очень сложны. Кольцов пришел к выводу, что молекулы такой степени разнообразия и сложности не могут образовываться иначе, чем путем самовоспроизведения.
В дополнение к известным принципам: «Все живое от живого», «Каждая клетка от клетки» и «Каждое ядро от ядра», он выдвинул новый: «Каждая молекула от молекулы» (имелась в виду белковая молекула). Нетрудно догадаться, что при этом речь шла одновременно и о химической природе генов и об их возникновении. Кольцов нарисовал довольно детальную картину того, как устроены гены, как они работают и как размножаются. Развитие науки показало, что он во многом оказался прав.
Ошибся Кольцов только в одном – в том, что ген имеет чисто белковую природу. Впрочем, иначе в те времена и думать было нельзя, так как других веществ, достаточно сложных, чтобы они могли играть роль генов, не знали.
Но теперь, наверно, уже никому не нужно объяснять смысла сокращений ДНК и РНК, казавшихся еще недавно такими таинственными. Все знают, что так обозначают две разновидности нуклеиновых кислот – веществ, играющих важнейшую роль в явлениях наследственности.
Еще недавно считали, что нуклеиновые кислоты устроены очень просто, и думали, что они играют в жизни клетки какую-то весьма второстепенную роль. Но к началу 50-х годов стало накапливаться все больше данных, говоривших о том, что именно нуклеиновым кислотам принадлежит в явлениях наследственности живых организмов ведущая роль.
Так, довольно давно было известно, что вытяжка из убитых бактерий одного штамма вызывает направленные наследственные изменения в потомках другого штамма, если ее добавлять к среде, на которой разводят бактерий. Теперь установили, что активным началом этих экстрактов является нуклеиновая кислота.
Примерно тогда же был изучен механизм заражения бактерий фагами (бактериальными вирусами). Фаг устроен очень просто: он состоит из белка и нуклеиновой кислоты. Оказалось, что при заражении внутрь бактериальной клетки проникает только нуклеиновая кислота. Белок остается снаружи. И тем не менее через некоторое время внутри бактерии появляются новые фаги, в состав которых входит и специфический фаговый белок.
Еще более ясные результаты получились с чистой нуклеиновой кислотой, выделенной из вируса мозаичной болезни табака. Втерли это вещество в листья здоровых растений, и они заболели. Внутри их клеток появились болезнетворные вирусы…
Примеров достаточно, чтобы задуматься. Но как же быть с тем, что нуклеиновые кислоты так просто устроены? Однако и на химию нуклеиновых кислот к тому времени стали смотреть несколько иначе, чем раньше. Раньше считали, что существует лишь две разновидности нуклеиновой кислоты: дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), находящаяся в хромосомах, и рибонуклеиновая кислота (РНК), находящаяся преимущественно в рибосомах – мельчайших цитоплазматических гранулах, в которых идет синтез белка. Но это мнение пришлось изменить. Московский биохимик, ныне академик, Андрей Николаевич Белозерский доказал, что нуклеиновые кислоты обладают видовой специфичностью: у всех живых существ нуклеиновые кислоты различны. К тому же выводу пришел и американец Эрвин Чаргаф.
Кроме того, стало известно, что неповрежденные нуклеиновые кислоты достигают огромных размеров и строение их таково, что они могут обеспечить не меньшее разнообразие, чем белки.
Словом, к началу 50-х годов и биологические и химические данные о нуклеиновых кислотах были таковы, что оставалось ждать решающего открытия.
Магическая спираль
Решающее открытие произошло в 1953 году. Сделали его двое ученых – англичанин Френсис Крик и американец Джемс Уотсон, работавшие тогда вместе. Открытие касалось строения молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), той самой, что является составной частью хромосом.
Анализируя данные рентгеноструктурного анализа, Крик и Уотсон пришли к выводу, что молекула ДНК состоит из двух параллельных нитей, завитых в спираль. Самым замечательным было то, что порядок нуклеотидов («кирпичиков», из которых сложены гигантские молекулы нуклеиновых кислот) в одной нити полностью определяет их порядок в другой. Поэтому, если нити разойдутся, то к каждой из них могут пристроиться только такие же нуклеотиды, какие составляли отошедшую нить. Получатся две одинаковые молекулы, в точности подобные исходной.
Да ведь это размножающиеся молекулы, которые, согласно Кольцову, должны лежать в основе жизненных явлений! Правда, оказалось, что этим свойством обладают не белки, как можно было думать в середине 20-х годов. Но как же с белками? Ведь они лежат в основе жизненных явлений.
Через несколько месяцев в том же самом английском журнале «Природа», где была напечатана статья Крика и Уотсона, появилась заметка русского физика, живущего в США, Георгия Антоновича Гамова. Анализируя модель ДНК, предложенную Криком и Уотсоном, он делал вывод, что эта молекула может не только размножаться, но и определять строение белков.
Итак, появились две работы, как будто намечавшие путь, на котором можно найти решение величайшей загадки жизни. Хотя обе статьи были очень небольшими (каждая из них занимала меньше страницы), они сразу стали в центре внимания ученых.
И способность молекул ДНК к размножению и способность их определять строение белков были в 1953 году всего лишь гипотезами. Основанием для такого предположения послужили данные о довольно своеобразном строении молекулы ДНК и общие соображения о ее генетической роли. Поэтому первая задача состояла в том, чтобы проверить смелые гипотезы Крика и Гамова. Но вскоре обе гипотезы подтвердили экспериментально.
Тогда возникли вопросы: а как именно нуклеиновые кислоты определяют специфичность белков? Какую роль в белковом синтезе играют нуклеиновые кислоты? Ждать пришлось недолго. Сейчас на оба эти вопроса есть достаточно ясные и подробные ответы.
Настоящий штурм гена начался в 1961 году. В Москве собрался V Международный биохимический конгресс. На одном из заседаний молодой и тогда мало кому известный американский биохимик Маршалл Ниренберг сообщил, что ему удалось осуществить синтез белка в пробирке, вне живой клетки.
Чтобы получить белок, Ниренбергу пришлось взять смесь аминокислот – строительных «кирпичей», из которых состоят белки, кое-какие биологически активные вещества и… нуклеиновую кислоту.
Нуклеиновая кислота была трех сортов: рибосомная, та РНК, что содержится в частицах, где происходит сборка белковой молекулы; транспортная РНК, молекулы которой присоединяются к «кирпичам» и тащат их туда, куда нужно; и, наконец, информационная РНК, определяющая порядок, в каком нужно складывать «кирпичи». Все три типа РНК образуются в хромосомах под влиянием находящейся там ДНК. Собственно говоря, они представляют собой слегка измененные копии отдельных участков хромосомной ДНК.
Самое замечательное в опытах Ниренберга было то, что белок синтезировался и тогда, когда брали искусственную информационную РНК, такую РНК, которая не похожа ни на одну из ее природных разновидностей. Конечно, и белок при этом получался непохожий ни на один белок, знакомый биохимикам.
Эти опыты положили начало расшифровке генетического кода – алфавита наследственности. Белки содержат до 20 разных аминокислот. В постройке же нуклеиновых кислот участвует всего четыре нуклеотида. Это не должно нас удивлять. Ведь с помощью азбуки Морзе можно зашифровать любые буквы любого языка, и в придачу к ним цифры и знаки препинания. А ведь азбука Морзе состоит всего лишь из двух знаков – точки и тире. Но, конечно, из-за этого приходится, как правило, на каждую букву брать по нескольку знаков телеграфной азбуки.
Расшифровать генетический код – значит узнать, какие группы нуклеотидов соответствуют каждой из 20 аминокислот. Первая такая группа была найдена Ниренбергом в работе, о которой он докладывал в Москве.
Теперь генетический код уже расшифрован. А одной из наиболее быстро развивающихся наук стала молекулярная генетика, изучающая физико-химические основы наследственности.
Одним словом
Если бы нужно было выбрать одно слово, наиболее характерное для современной биологии, то этим словом оказалось бы прилагательное «молекулярный». Зайдите в книжный магазин, и вам бросятся в глаза с переплетов и корешков новых книг заглавия: молекулярная биология, молекулярная генетика, молекулярная биофизика, молекулярная биохимия, молекулярная эволюция, молекулярная патология… Молекулярная, молекулярная, молекулярная… Конечно, отчасти это дань моде, так как некоторые из этих книг по своему содержанию ничем существенным не отличаются от выходивших десять и двадцать лет назад, под совсем другими, скромными названиями. Но дело, конечно, не только в моде, или лучше сказать, что мода эта не случайная. Биология теперь, впервые за несколько веков своего существования, подошла к изучению молекулярных основ жизненных процессов. Поэтому вполне понятно стремление биологов связать изучаемые ими явления с тем, что происходит на молекулярном уровне.
Особенно естественно такое стремление для радиобиологии. Ведь в основе всех биологических эффектов радиации лежит взаимодействие ионизирующих частиц с молекулами живого вещества, даже не с молекулами, а с отдельными составляющими их атомами.
Наше путешествие по радиобиологии подходит к концу. Мы не только узнали, какие изменения производит ионизирующая радиация в живых организмах, но даже почему они происходят. Пора бы, казалось, поговорить и о молекулярных нарушениях, которые лежат в основе радиобиологических эффектов.
Но, увы, хотя это кажется вполне уместным, многого мы сказать не можем. Исследование молекулярных основ радиобиологии только начинается.
Как ни странно, но до сих пор наша наука еще не имеет прямых указаний на то, какие именно молекулярные повреждения наиболее существенны для биологических эффектов. Догадываться можно о многом, но прямых доказательств пока нет. Действительно, если ведущая роль в лучевом поражении принадлежит изменениям наследственного аппарата клеток, а «веществом наследственности» является нуклеиновая кислота, то очевидно, что наиболее важными должны быть нарушения, производимые облучением в молекулах ДНК.
Но хотя роль поражений молекул ДНК кажется довольно очевидной, прямых доказательств почти нет. И это несмотря на то, что нуклеиновая кислота находится под сильным подозрением уже по крайней мере лет двадцать.
До самого недавнего времени все попытки вызвать в молекулах ДНК какие-нибудь изменения с помощью ионизирующих лучей приводили к одному и тому же результату: чтобы вызвать сколько-нибудь установимые изменения, нужны очень высокие дозы радиации – сотни тысяч, миллионы, редко десятки тысяч рентген, то есть во много раз превосходящие «биологические» дозы.
Но живой организм гораздо более чувствительная система, чем любые лабораторные приборы. А методы изучения молекул были недостаточно чувствительны, чтобы обнаружить происходящие в них изменения. В последние годы положение существенно изменилось, и ученые могут определять в молекулах нуклеиновых кислот и нуклеопротеидов (комплексов нуклеиновых кислот с белками) изменения при облучении их дозами порядка тысяч, а иногда даже сотен или десятков рентген. Такие возможности открылись совсем недавно, и, хотя исследования ведутся широким фронтом, точки над «и» еще не поставлены. Но нужно надеяться, что произойдет это довольно скоро.
Я расскажу в качестве примера лишь об одном направлении работ. Выбор мой определяется тем, что наиболее хорошо знакомо, так как большая часть работ, о которых пойдет речь, проведена в нашей лаборатории.
Самое первое, что ученые обнаружили при облучении растворов ДНК, было изменение их вязкости. ДНК представляет собой длинные нитевидные молекулы, и потому растворы ее отличаются очень высокой вязкостью. Чем длиннее нити, тем выше вязкость раствора. После облучения вязкость уменьшается, причем тем больше, чем выше примененная доза. Совершенно ясно, что в основе падения вязкости лежит фрагментация молекул.
Как хорошо, можете подумать вы, фрагментация молекул, фрагментация хромосом… А хромосомы как раз состоят из этих молекул. Все ясно! Подождите радоваться. Все было бы действительно хорошо, если бы дозы, вызывающие первое заметное падение вязкости, были в тысячу или хотя бы в сто раз меньше. А так получается слишком большая неувязка.
Но молекулы ДНК построены довольно своеобразно. Каждая молекула представляет собой двойную нить, закрученную в спираль. Стало быть, чтобы разорвать молекулу, нужно порвать две нити, и падение вязкости связано с двойными разрывами. Возможно, одиночные разрывы возникают при значительно меньших дозах? Может быть… Но как это проверить? Ведь одиночный разрыв никак не сказывается на свойствах молекулы. Вот если бы раскрутить двойные спирали, поместить в раствор отдельные ниточки и померить его вязкость! Тогда все стало бы ясно.
Идея далеко не такая фантастическая, как может показаться на первый взгляд. Если раствор нагреть, молекулы ДНК сами по себе разделяются на отдельные нити. Правда, при остывании они снова соединяются. Однако, если раствор охладить очень быстро, то нити так и остаются разъединенными. Эта методика была использована в радиобиологических опытах московским биофизиком Павлом Иосифовичем Цейтлиным и молодым сотрудником нашей лаборатории Николаем Рябченко.
В этих опытах получалась совершенно иная картина, чем в прежних. Вязкость растворов падала при значительно меньших дозах. Не буду приводить многочисленных цифр, скажу только, что в пересчете на одно клеточное ядро облучение дозой всего в один рентген должно создавать около десяти одиночных разрывов. Здорово? Пока еще нет, потому что два важных вопроса остаются открытыми. Во-первых, опыты ставились на водных растворах ДНК, и что происходит при ее облучении в составе живой клетки – неизвестно. А во-вторых, неясно, какую биологическую роль могут играть одиночные разрывы, если они не сказываются ни на химических, ни на физико-химических свойствах молекул.
На первый из этих вопросов уже получен достаточно четкий ответ. В то время, когда я пишу эти строки, Борис Иванник собирается защищать кандидатскую диссертацию, посвященную сравнительному анализу действия радиации на нуклеиновые кислоты в водном растворе и при облучении целостного организма. Главное внимание в этой работе уделено одиночным разрывам. Много получено ответов на важные вопросы, но нас сейчас волнует ответ лишь на один из них: между первичным действием лучей на ДНК в растворе и в составе живых клеток нет никаких существенных различий.
Что же касается второго вопроса, то прямых опытов для ответа на него поставить еще не удалось. Но ответ напрашивается занятный. Напомню, как в клетке появляются новые молекулы ДНК. Возле каждой из нитей двойной спирали строится новая; в результате получаются две молекулы, в состав каждой из них входит одна старая и одна новая нить. Представим себе, что получится, если молекула с одиночным разрывом начнет размножаться. Очевидно, что возле нити с разрывом построится также нить, имеющая разрыв, и из двух новых молекул одна будет вполне нормальной, а другая – с полным двойным разрывом. Следовательно, изменения, довольно несущественные сами по себе, могут привести к плачевным последствиям при самоудвоении молекул.
Нужно заметить, что возможны и другие предположения о природе молекулярных изменений, лежащих в основе радиобиологических эффектов. Есть основания ставить под подозрение и молекулярные сшивки, то есть соединение нитей друг с другом, и связи между нуклеиновой кислотой и белком, и еще кое-что. Все эти изменения вызываются ионизирующими лучами и могут быть увязаны с биологическими эффектами.
Эти исследования – передний край науки, и, как всегда на переднем крае, работа здесь идет быстро. Не исключено, что к тому времени, когда книжка появится на прилавках магазинов, ответ на вопрос о природе первичных молекулярных изменений будет уже найден.
Исправление ошибок
Открытие пострадиационного восстановления показало, что возникновение мутации не одномоментное событие, а результат сложной цепи событий, протекающих во времени. Иного, конечно, и быть не могло. Это во времена Ньютона считали возможным мгновенное действие. В XX веке мы знаем, что все процессы имеют длительность – это одно из следствий теории относительности. Правда, практически очень быстрые процессы (пусть даже идущие и гораздо более медленно, чем со скоростью света) мы, биологи, можем рассматривать как мгновенные. Но результаты опытов по восстановлению ясно указывали на то, что восстановление мутаций – процесс, с течением которого во времени нельзя не считаться.
Но что представляет собой восстановление? Изучая хромосомные мутации, ученые пришли к выводу, что первичный эффект облучения состоит в разрыве хромосом. А если так, то восстановление должно заключаться в срастании образовавшихся обломков. Такое предположение многие и делали. Ведь действительно, если результат облучения – образование разломов, то восстановление иначе и нельзя себе представить. Но кое-кому такой процесс представлялся совершенно невероятным, потому что он невозможен с физико-химической точки зрения. А раз так, то приходилось пересмотреть старый вопрос о природе первичных повреждений при образовании хромосомных мутаций.
Ученые начали ломать головы, и, как обычно бывает в подобных случаях, сразу появилось несколько гипотез. А потом, как тоже часто бывает, выяснилось, что сходные мысли высказывались уже давно.
Самым естественным было предположить, что во время облучения возникают не разломы, а лишь места, способные к разлому, – потенциальные разломы. Поскольку хромосома состоит из пучка молекул нуклеопротеида, потенциальный разлом можно себе представить как разрыв части молекул, составляющих этот пучок. В дальнейшем в зависимости от обстоятельств произойдет одно из двух: либо порвутся и остальные нити, либо порванные срастутся. В первом случае возникнет разлом, во втором произойдет восстановление. Такое предположение приходило в голову многим генетикам.
Английский ученый Ривелл выступил с другой гипотезой. Он обратил внимание на некоторые закономерности образования хромосомных обменов, которые можно было объяснить тем, что первичным событием является не разрыв, а обмен.
Но ни одна, ни другая гипотеза не могли объяснить тот удивительный факт, что при облучении хромосом в делящихся клетках никаких изменений, которые можно было бы сразу же заметить, не возникает. Можно направить на отдельную хромосому микропучок ионизирующих лучей (микропучок необходим для того, чтобы не убить клетку) и дать очень большую дозу. Но даже совершенно фантастическая доза в миллион рентген хромосому не ломает. А в самых обычных опытах при облучении клеток незадолго до деления эффективность воздействия сильно падает. Анализ кривых зависимости эффекта от стадии, на которой происходит облучение, показывал, что переход первичных изменений в окончательную форму приурочен к определенному периоду в жизни клетки. Он соответствовал окончанию удвоения содержания ДНК в ядре, то есть совпадал со временем образования новых хромосом.
Эти факты приводили к мысли о том, что раз переход первичных повреждений в наблюдаемую форму происходит при образовании новых хромосом, значит именно дочерние структуры и являются носителями наблюдаемых изменений. Так родилась матричная гипотеза хромосомных мутаций. Первичное повреждение состоит, согласно этой гипотезе, в подавлении или изменении аутокаталитических (матричных) свойств облученной хромосомы. В результате дочерние хромосомы строятся ненормально, с ошибками. Если же ко времени образования новых структур повреждение восстановится, то синтез произойдет нормально и никаких изменений мы не заметим.
Перечисленные гипотезы родились в конце 50-х – начале 60-х годов. Однако, как выяснилось через некоторое время, весьма похожие взгляды высказывались и гораздо раньше. Еще в конце 30-х годов немецкий цитолог Бауер подробно обсуждал гипотезы, совершенно подобные тем, которые теперь имеют хождение под названиями гипотезы потенциальных разломов и обменной гипотезы, а выдающийся русский биолог, академик Николай Константинович Кольцов тогда же высказывал соображения, очень близкие к нынешней матричной гипотезе. В том, что об этих работах забыли почти на тридцать лет, нет ничего удивительного: в них просто не было надобности. А когда появились факты, противоречившие фрагментационной гипотезе, их пришлось выдвинуть заново, а потом вспомнить и о старых работах. Итак, три гипотезы… Какая же верна? На этот вопрос я не смогу ответить, потому что как раз теперь в радиобиологии на повестке дня стоит решение этого вопроса. Можно только сказать, что гипотеза потенциальных разломов меньше соответствует фактам, чем две другие. Что же касается обменной и матричной гипотез, то они друг другу не противоречат. Скорее они – две стороны одной и той же медали. Обменная гипотеза говорит о связи между фрагментами и обменами, но совершенно не затрагивает вопроса о природе первичных изменений, который стоит в центре внимания матричной.
Вряд ли может быть случайным сходство выводов, к которым пришли ученые, исследуя молекулярные изменения ДНК и хромосомные мутации. Одиночные разрывы могут проявиться только во время удвоения молекул ДНК, которое предшествует делению клетки и приходится как раз на то самое время, когда, согласно матричной гипотезе, скрытые первичные изменения переходят в мутации.
Молекулярные механизмы образования мутаций и восстановления клеток от скрытых повреждений только сейчас проясняются, но уже можно смело делать два утверждения: образование мутаций не мгновенный акт, а процесс, идущий во времени; переход первичных повреждений в наблюдаемые изменения – результат нормальных процессов клеточного цикла, проходящих с участием поврежденных хромосом. Отсюда ясно, что облучение создает лишь предпосылку для возникновения мутации. Значит, можно рассчитывать на уменьшение лучевого поражения с помощью воздействий, применяемых после облучения, иными словами – «исправлять ошибки», в то время, пока они еще не реализовались в необратимые нарушения.
Биологический усилитель
Вот теперь-то мы можем, наконец, ответить на оба основных вопроса радиобиологии:
Почему ионизирующие лучи при дозах, оставляющих в облучаемых объектах совершенно ничтожную энергию, приводят к столь большим последствиям?
Почему разные клетки, разные органы, разные виды живых организмов так сильно отличаются по чувствительности к ионизирующей радиации?
Мы уже знаем, что при облучении живых организмов особенно важную роль играет повреждение генетического аппарата клетки. Ну и что? Ген – большая молекула. С точки зрения химика она ничем не хуже любой другой большой молекулы. И у нас нет никаких оснований думать, что радиация будет действовать на генные молекулы как-нибудь иначе, чем на любые другие молекулы таких же размеров. И о том же самом говорят результаты опытов. А раз так, значит, чтобы с более или менее реальной вероятностью попасть в какой-нибудь определенный ген, нужна доза порядка миллиона рентген. И действительно, попытка вызвать с помощью облучения какое-нибудь вполне определенное наследственное изменение – задача совершенно нереальная, если не использовать методов постановки опытов, при которых можно анализировать сотни тысяч или миллионы особей. На дрозофиле и то ставить такие опыты тяжело.
