Луч действует на клетку

Ядерные излучения оказывают на живой организм столь сложное и многообразное действие, что разобраться в нем, понять скрытые пружины лучевого поражения далеко не так просто, как это может представляться на первый взгляд. Что происходит при облучении в мельчайших кирпичиках живого организма - в отдельных живых клетках? Увидеть устройство клетки, узнать, как она живет и изменяется под влиянием облучения, можно только в микроскоп, потому что размеры клеток очень малы - их диаметр составляет сотые доли миллиметра. При увеличении в 1 - 1,5 тыс. раз, которое дает обычный световой микроскоп, можно рассмотреть ядро, иногда с ядрышком, и некоторые другие детали. Но сложнейшее строение живой клетки полностью раскрывается при увеличении в сотни тысяч и миллионы раз, которое может быть получено лишь с помощью электронного микроскопа.

Что же происходит в покоящейся клетке, которую подвергли облучению? Увидеть эти изменения даже в микроскоп можно только в том случае, если клетка облучена большой дозой радиации. При этом клетка выглядит так, как будто она убита высокой температурой или действием яда: она уплотняется или, наоборот, подвергается разжижению, ядро увеличивается в размере, а затем разрушается, оболочка клетки теряет свою непрерывность, клетка умирает.

Меньшие дозы радиации, смертельные для целого организма, могут не оказать видимого влияния на отдельную живую клетку. Однако клетка далеко не всегда успешно сопротивляется действию радиации. Оказывается, и у нее есть своя ахиллесова пята: это период, когда клетка делится.

С тех пор как немецкие ученые Шлейден и Шванн открыли, что все живые организмы состоят из клеток, многие исследователи, наблюдавшие в микроскоп за жизнью клетки, видели, что в ее недрах, как бы мала она ни была, рано или поздно происходят странные и сложные превращения. Внутри клеточного ядра вдруг появляются, становятся видимыми нити или тяжи, состоящие из хроматина,- хорошо окрашивающегося вещества. Оболочка ядра исчезает, а образовавшиеся тяжи - хромосомы - располагаются по экватору клетки в виде звезды. От каждой хромосомы тянутся белые прозрачные нити, которые, сходясь к специальному клеточному центру, или центриоли, образуют фигуру веретена. Проходит некоторое время, и вдруг оказывается, что сначала вместо одной центриоли образовалось две, а затем и каждая хромосома разделилась вдоль на два тяжа. От каждого из них идут к одной из центриолей нити, образующие в клетке два веретена. Половинки хромосом постепенно расходятся к полюсам клетки. Веретена уменьшаются и исчезают, хромосомы свиваются в два клубочка, вокруг которых появляются ядерные оболочки. Еще несколько минут - и по экватору клетки образуется перегородка; сложнейший и строго последовательный процесс деления клетки, процесс митоза, или кариокинеза, завершен - вместо одной клетки возникло две.

Ученые, изучавшие процесс митоза, уже давно обратили внимание на одно важное обстоятельство. У всех растений и животных он совершается в основных своих чертах одинаково. Очевидно, последовательность его фаз, строгий порядок перемещений хромосом - не случайное явление. Создается впечатление, что главная задача митоза - как можно точнее распределить пополам между дочерними клетками хроматин - сильно окрашенное ядерное вещество, из которого состоят хромосомы. Сейчас стало ясно, что это наблюдение верно: хромосомы содержат в зашифрованном виде всю колоссальную по объему информацию о строении и работе клетки, и от правильности ее передачи зависит, будут ли дочерние клетки нормально расти и развиваться или окажутся неизлечимыми инвалидами. Основой структуры хромосом, той волшебной магнитной лентой, на которой записана, закодирована вся жизненная программа клетки, являются длинные полимерные молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, или сокращенно ДНК. Об этом единственном в своем роде веществе нам придется говорить неоднократно. Пока отметим лишь, что на каждой молекуле ДНК записано (если продолжить сравнение с магнитофонной записью) много разных мелодий. Основное содержание каждой из них - это шифрованная запись структуры одного из клеточных белков. Ведь именно белки - ферменты, гормоны и т. п.- являются основными двигателями обмена веществ, всей жизнедеятельности клетки. Тот участок ДНК, на котором записана схема одной белковой молекулы, ученые называют геном, или цистроном.

Назначение митоза и состоит в том, чтобы сначала обеспечить удвоение хромосом, изготовить точную копию каждой магнитной ленты, каждой шифрованной телеграммы, адресованной потомкам, а затем доставить все телеграммы по назначению, не перепутав, не исказив и не потеряв ни одной. Именно этот сложнейший и ответственнейший в жизни клетки процесс оказался и наиболее ранимым, самым чувствительным к действию ионизирующей радиации.

Представим себе, что делящаяся клетка оказалась на пути потока квантов ядерного излучения. Клетка осталась жива; она дышит, поглощает питательные вещества, растворенные в окружающей жидкости, она растет, двигается и выполняет другие, свойственные ей функции, но клетка эта не делится. При небольших дозах радиации угнетение клеточного деления оказывается временным; проходит несколько часов, а иногда и дней, и процесс деления возобновляется. Если же поток ионизирующих квантов или частиц был велик, способность к делению у клетки может исчезнуть вовсе. Такая клетка растет, увеличивается, достигает гигантских (сравнительно с другими клетками) размеров и в конце концов гибнет, не оставив потомства.

Следовательно, предательская роль облучения не ограничилась простым торможением митоза. В одном случае ионизирующие частицы повреждают тонкую структуру хромосом, в результате разрывов хромосом и неправильного соединения отломков нарушается процесс деления, часть хромосом не может разделиться. Между половинками сохраняются мостики, перешейки, в связи с чем расхождение хромосом затрудняется. В другом случае ядерное вещество разделяется неравномерно, отломки хромосом не срастаются и погибают или срастаются неправильно. Дочерние клетки, лишенные необходимого количества ядерного вещества или содержащие значительный его избыток, не могут нормально развиваться и гибнут, иногда предварительно разделившись. Таким образом, вредоносное действие проникающей радиации может сказаться во втором, третьем поколении клеток, а иногда даже позже.

Ядерные излучения могут вызвать и менее грубые изменения хромосом. Ионизирующая частица, пролетая через ядро, может разрушить или повредить всего один какой-нибудь ген. Тогда в клетке нарушится выработка лишь одного белка. Но и это, казалось бы, небольшое повреждение (в клетке тысячи разных видов белковых молекул) может иметь серьезные последствия и даже привести к гибели, если недостающий белок выполнял в клетке жизненно важную роль и его отсутствие влечет за собой выпадение одной из обменных реакций, а с ней - и обрыв всей цепи обмена веществ. В менее тяжелых случаях наблюдается дезорганизация обмена веществ, накапливаются ядовитые вещества - продукты нарушенного обмена, которые отравляют не только поврежденную клетку, но и соседние здоровые клетки, а иногда с током крови достигают отдельных органов, возможно, даже не подвергшихся облучению, и вызывают в них нарушения, подобные лучевым.

Вот каковы лишь некоторые из повреждений живой клетки, вызываемые проникающей радиацией. Многое при этом зависит от количества, или дозы радиации. Но немало зависит и от самой клетки. При одной и той же дозе и прочих равных условиях клетки разных органов и даже отдельные клетки одного органа реагируют на облучение неодинаково.

Клеточные элементы, входящие в состав крови, имеют различную продолжительность жизни. Красные кровяные тельца-эритроциты - живут 110 - 130 дней, и в каждый момент в состоянии деления находится меньше 1% клеток - предков эритроцитов. Белые кровяные клетки - лейкоциты - живут несколько суток, а одна из их разновидностей - лимфоциты - и того меньше: от нескольких часов до суток; поэтому размножение этих клеток идет относительно быстро. Наблюдая за жизнедеятельностью клеток после облучения, ученые установили, что особенно быстро уменьшается в крови количество лимфоцитов. Та же участь постигает другие белые кровяные тельца, и меньше всего от облучения страдает процесс образования эритроцитов.

Чем больше клеток находится в стадии деления в данном органе или ткани, чем чаще происходят в них митозы, тем большая часть клеток органа повреждается при облучении, тем чувствительнее данный орган к действию радиации. Это установили еще в 1906 г. французские ученые Бергонье и Трибондо.

Однако неправильно было бы думать, что клетка чувствительна к действию ионизирующих лучей только тогда, когда она делится. Нарушить жизнедеятельность любой клетки и даже убить ее можно в любой момент, не дожидаясь наступления митоза. Правда, для этого нужно во много раз увеличить дозу облучения, увеличить количество тех частиц или квантов энергии, которые слагают эту дозу.

Что же происходит в такой пораженной лучами клетке? Какие ее участки, "органы" или, вернее, органоиды (так выражаются цитологи, изучающие строение и жизнь клеток: "цитос" по-гречески означает клетка) страдают в первую очередь?

Многие иностранные специалисты (Айверсон, Гертвиг, Гизе и др.) утверждают, что ядро клетки особенно чувствительно к облучению. В цитологических лабораториях неоднократно проделывались такие тонкие и очень интересные опыты: лучами Рентгена облучали яйцеклетки лягушек, насекомых и других животных. Затем с помощью специальных приспособлений осторожно выделяли ядра облученных клеток и пересаживали в протоплазму необлученных клеток, ядра которых в свою очередь перемещали на место облученных. Таким образом, искусственным путем были получены клетки-гибриды, или клетки-химеры двух видов.

Клетки, у которых облученное ядро оказывалось в окружении здоровой, необлученной протоплазмы, очень часто оказывались неспособными к нормальному росту, развитию, оплодотворению. Некоторое время они жили, но это не была нормальная клеточная жизнь. Поврежденное облучением ядро не справлялось со своими обязанностями, к числу которых, как мы знаем, относится способность к оплодотворению и делению.

В клетках-гибридах второго рода облученная протоплазма со всех сторон окружала ядро, перенесенное сюда волей ученого из здоровой клетки. Однако, несмотря на такое "больное" окружение, здоровое ядро часто не испытывало никаких неудобств. Гибридная клетка росла, сохраняла способность к оплодотворению, а затем делилась, давая начало новому организму. Иногда и в пересаженном здоровом ядре появлялись болезненные изменения: неравномерная окраска, пустоты (вакуоли), отслойка ядерной оболочки и т. п. Все эти опыты очень наглядно продемонстрировали важную роль ядра в жизнедеятельности клетки вообще и при радиационном поражении, в частности.

Интересные результаты, подтверждающие правильность такого вывода, получил и советский ученый академик Б. Л. Астауров. Изучая в течение многих лет закономерности размножения шелкопрядов, Астауров обнаружил у этих насекомых не только партеногенез (т. е. развитие организма из одной материнской яйцеклетки, без оплодотворения), что наблюдается и у некоторых других насекомых, но и андрогенез (развитие из отцовской клетки). Оказалось, что с помощью рентгеновских лучей можно убить ядро материнской яйцеклетки, однако она сохраняет способность к оплодотворению. И хотя в оплодотворенной яйцеклетке остается лишь отцовское ядро, она делится и дает начало организму, очень похожему на отцовский. Таким образом, в этом случае мы имеем дело по существу с особой разновидностью андрогенеза, в котором принимает участие и протоплазма материнской клетки, оставшаяся живой после гибели ядра.

Если с помощью тончайшего пучка ионизирующих частиц - протонов - облучить участок хромосомы, она разрушается и теряет способность к раздвоению. Облучение тем же пучком прилегающего участка протоплазмы не вызывает никаких видимых изменений. Не значит ли это, что только ядро ответственно за гибель облученной клетки? Можно ли думать, что вся остальная масса клетки, которую мы объединяем словом протоплазма, или правильнее - цитоплазма, совершенно нечувствительна к действию лучей? Конечно, нет.

Более высокая чувствительность ядра, по-видимому, связана с теми его структурами, которые играют важную роль во время митоза. Однако все живое вещество, вся масса клетки в той или иной степени страдает от действия лучей, которые нарушают ее внутреннюю жизнь, строго определенные, последовательно сменяющие друг друга процессы обмена веществ.

В клетках и тканях, особенно чувствительных к действию радиации, кроме гибели клеток во время деления и в связи с ним, наблюдается и гибель в период между делениями, так называемая интерфазная гибель (интерфазой называют период между завершением одного митоза и началом следующего, т. е. период жизнедеятельности клетки). В причинах интерфазной гибели клеток (к тому же лишь наиболее чувствительных к радиации) ученые еще полностью не разобрались. С помощью электронного микроскопа ученые рассмотрели, что не только вся клетка окружена оболочкой, но и многие ее элементы имеют мембраны (перегородки). Ядро отделено от цитоплазмы тонкой оболочкой. Лишь во время митоза она исчезает, а к концу его появляется вновь.

Сложную двухслойную оболочку и такие же перегородки внутри имеют митохондрии - "силовые станции" клетки, вырабатывающие энергию для ее жизнедеятельности. В электронный микроскоп видна и так называемая эндоплазматическая сеть - сложное переплетение канальцев, разделенных дамбами и плотинами. Все эти многочисленные перегородки, мембраны, оболочки разделяют клетку на множество отсеков, в каждом из которых совершается своя особая, неповторимая и важная, хотя и незаметная работа (рис. 2).

Рис 2. След тяжелой частицы с ответвлениями вторичных электронов

После того, как невидимый луч пронзил эту сложную живую систему, на первый, взгляд ничего не изменилось в клетке. Но это не так. Смертоносный луч оставил немало разрушений. На его пути встретилось всего несколько десятков белковых молекул. Если учесть, что только в одной клетке таких молекул в десятки миллионов раз больше, такая убыль не кажется серьезной. Однако даже небольшое отверстие в плотине может иметь роковые последствия для всего сооружения. Поэтому разрушение даже нескольких молекул, образующих вместе с тысячами других многочисленные внутриклеточные мембраны, перегородки, может привести к дезорганизации всей жизни клетки.

Основные двигатели обмена веществ в каждой живой клетке - особые белки-ферменты, которые смело можно назвать биологическими катализаторами. Каждый школьник знает, что катализаторы - вещества, которые в ничтожных примесях во много раз ускоряют течение различных химических реакций. Живая природа создала много тысяч особых катализаторов - ферментов, каждый, из которых участвует в ускорении какой-то определенной биохимической реакции. Бесчисленные реакции складываются внутри каждой клетки в единый сложный процесс обмена веществ только благодаря строжайшей упорядоченности внутренних клеточных структур. Каждый фермент в нормальной клетке имеет свое строго определенное место и назначение. Питательные вещества, попавшие в клетку, проходя по внутриклеточным структурам, последовательно подвергаются действию различных ферментов, изменяются под их влиянием и либо полностью сгорают, отдавая заключенную в них энергию клетке, либо расходуются на построение частей клетки.

Итак, достаточно было лучу повредить в нескольких местах внутриклеточные мембраны, как ферменты вышли из своих привычных, строго определенных отсеков и начали действовать на структуры самой клетки. Удивительная последовательность обменных реакций нарушилась, и началось беспорядочное, хаотическое разрушение деталей еще недавно идеально работавшего сложнейшего механизма. Ферменты, освобожденные радиацией из тесных рамок внутриклеточной структуры, начинают действовать особенно активно, изменяют и расщепляют вещества клеточной протоплазмы. В клетках накапливаются вещества, которые в нормальных условиях либо совсем не образуются, либо возникают в ничтожных количествах и существуют недолго. В облученной клетке концентрация таких необычных веществ - продуктов воздействия ядерных излучений - может оказаться настолько высокой, что жизнедеятельность клетки нарушится, и она погибнет. Название этих веществ - радиотоксины - удачно подчеркивает как их ядовитые свойства (токсин-яд), так и происхождение, связанное с воздействием радиации. Накопление радиотоксинов и повреждение хромосомного аппарата клетки - одна из важнейших причин интерфазной гибели клеток.

Клетки различных тканей и органов отличаются по своей структуре, по интенсивности и характеру обменных процессов. Одна и та же доза радиации вызывает в них различную дезорганизацию обмена, количество образующихся радиотоксинов и чувствительность к ним клеток тоже неодинаковы. Поэтому в одних клетках интерфазная гибель не происходит вовсе, в других наблюдается изредка, в третьих является главным результатом лучевого поражения. Чувствительность ткани или органа к радиации зависит, таким образом, и от интенсивности процесса клеточного деления (митотическая гибель), и от особенностей обмена веществ, определяющих степень выраженности интерфазной гибели клеток.

Накопление радиотоксинов не только приводит к гибели клеток, в которых они образовались под влиянием облучения, но и через кровь оказывает воздействие на отдаленные от облученной области органы. Вот к какому результату может привести один единственный луч, разрушивший в начале всего несколько десятков молекул.

Что же происходит при пролете ионизирующей частицы через живую систему?

 

Прямое и косвенное действие радиации

Мы уже знаем, что основной результат действия проникающей радиации на вещество - ионизация молекул и атомов этого вещества. Ионизирующая частица (или квант энергии рентгеновских и гамма-лучей), пролетая через пространство, заполненное атомами вещества, неизбежно сталкивается с некоторыми из них. Путь ионизирующей частицы отмечен появлением множества пар ионов. Отсюда и происходит название частиц и всего излучения - ионизирующее.

Для понимания закономерностей биологического действия радиации очень важно иметь в виду еще два обстоятельства. Во-первых, способность частицы ионизировать атомы и молекулы вещества не ограничивается ее траекторией. Если исходная энергия частицы достаточно велика, электроны, выбитые ею из атомов, приобретают настолько большую энергию и скорость, что в свою очередь вызывает вторичную ионизацию. Эти вторичные электроны отдачи увеличивают зону вредного действия ионизирующих частиц.

Во-вторых, действие ионизирующей радиации приводит к образованию не только ионов. Если частица почему-либо отдает встреченным атомам небольшую порцию энергии (это бывает в тех случаях, когда она, пролетая, только задевает электронную оболочку атома), то ее оказывается уже недостаточно для того, чтобы выбить электрон из пределов атома. Электрон лишь на короткое время (одну миллионную долю секунды) отдаляется от ядра (такой электрон называется возбужденным), а затем скачком возвращается на свое обычное место, отдавая избыточную энергию в виде кванта ультрафиолетового излучения, тепла или химической энергии взаимодействия.

Таким образом, в результате пролета ионизирующей частицы в веществе образуются ионы и возбужденные атомы, лежащие как вдоль траектории первичной частицы, так и в стороне от нее, по пути движения вторичных электронов отдачи. Но это чисто физическое представление может служить лишь отправным пунктом для понимания сложнейших изменений, порождаемых радиацией в живой ткани.

Живая клетка, как мы уже отмечали, представляет собой очень сложную систему. Какие же последствия будет иметь образование в живой клетке ионов и "возбужденных атомов? Прежде всего надо иметь в виду, что в сложной клеточной организации есть молекулы веществ разного строения и разной сложности. Основную массу живого тела (от 50 до 80%) составляет вода. Она является растворителем органических веществ, входящих в состав организма, фоном, на котором протекают все жизненные обменные процессы. В воде растворены или взвешены молекулы солей, простых Сахаров, жирных кислот, аминокислот, а также большие сложные полимерные молекулы белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов.

Ионизирующие частицы, естественно, наталкиваются на атомы и молекулы вещества клетки без всякого разбора, так как движутся прямолинейно. Однако для живого вещества, для жизни и здоровья отдельной клетки и всего организма в целом вовсе не безразлично, какие именно молекулы встретились на пути смертоносной частицы. Если в результате облучения оказались разрушенными несколько десятков или даже сотен молекул воды, в общей массе клеточной жидкости эта ничтожная потеря не может играть серьезной роли. Но если пострадали молекулы нуклеиновых кислот и белков - наиболее важных структур клетки, тех самых веществ, которые обеспечивают протекание всех жизненных процессов в нужном порядке и последовательности, а также передачу признаков организма по наследству, такое повреждение уже не безразлично как для организма в целом, так и для отдельных его клеток.

Гигантские молекулы белков и нуклеиновых кислот состоят из десятков и сотен тысяч атомов. Даже прямое попадание ионизирующей частицы в такую молекулу неспособно ее разрушить полностью. Слишком большое количество связей объединяет отдельные атомы в целостную сложную систему. Разрыв нескольких связей, казалось бы, не может иметь серьезных последствий - ведь если общая структура молекул сохранена, разорванные связи могут со временем восстановиться. Как показывает опыт, такое восстановление возможно и происходит в действительности.

Однако наряду с процессом восстановления в молекулах биологических полимеров наблюдаются процессы другого порядка. Это прежде всего разрыв связей между атомами в молекуле белка или другого биополимера, образование ионов и свободных валентностей, которые резко увеличивают биохимическую реактивность поврежденных молекул. Разорванные связи стремятся соединиться, свободные валентности - заполниться. Но они могут быть заполнены любым химически активным атомом, а таких в протоплазме клеток немало. Таким образом, на место атома, входившего в состав белковой молекулы, может стать другой атом, с новыми свойствами. Это само по себе нежелательно, но главную опасность представляет все же другой процесс.

Из числа веществ, всегда присутствующих в растворенном состоянии в каждой клетке и межклеточной жидкости организма и обладающих большим химическим сродством, наибольшее значение имеет кислород. Он особенно легко соединяется с атомами и молекулами, имеющими свободные связи, и вызывает их окисление, сгорание, разрушение. Присоединяясь по месту разорванных связей в белковых структурах, молекулы кислорода как бы расширяют брешь, пробитую снарядом атомной артиллерии - ионизирующей частицей. Но разрушительный процесс не ограничивается быстрым окислением. Образуются разнообразные органические перекиси, которые надолго сохраняют окислительную способность и могут вызвать дальнейшее разрушение биополимерных структур спустя несколько часов и даже дней после облучения.

Наконец, энергия излучения, поглощенная молекулами белков и нуклеиновых кислот, не уменьшаясь, может перемещаться по цепочкам атомов, достигать самых слабых мест и разрушать молекулу не в месте попадания ионизирующей частицы, а довольно далеко от него.

Теперь ясно, какие разнообразные и сложные процессы возникают в гигантских молекулах биологических полимеров при попадании в них ионизирующих частиц, т. е. при прямом действии радиации. Под влиянием взаимодействия различных компонентов протоплазмы и в зависимости от структуры самих макромолекул первоначальный разрушительный эффект радиации многократно усиливается и нарастает. Однако вредоносное действие радиации не ограничивается прямым эффектом. Разрушение молекул воды ионизирующими частицами может оказывать на биополимерные структуры клетки и непрямое, вторичное действие.

При бомбардировке молекул воды Н2O ионизирующими частицами образуются такие обломки, как атомы водорода Н и гидроксилы ОН. Иногда они несут электрический заряд: Н+ и ОН-, но чаще остаются нейтральными. И все же, несмотря на отсутствие заряда, эти обломки резко отличаются от нейтральных молекул: они обладают свободными валентными связями. Такие обломки молекул называются свободными или активными радикалами, ибо, стремясь заполнить свободную связь, они чрезвычайно легко вступают в химические реакции с молекулами и другими радикалами. Эти обломки называют также окислительными, так как они, присоединяясь к молекулам, вызывают их окисление. Это относится прежде всего к гидроксилу - ОН, а также к продуктам его взаимодействия с кислородом - перекиси водорода Н2О2 и радикалу гипероксиду НО2.

Все активные продукты, образующиеся при облучении молекул воды в присутствии растворенного в ней кислорода, способны вступать в реакции взаимодействия с нейтральными молекулами белков, нуклеиновых кислот и других важных клеточных структур, вызывая их окисление, разрушение. При реакции между свободным радикалом и нейтральной молекулой всегда образуются новая молекула и новый радикал. Иными словами, свободная валентность, присущая радикалу, во время реакции не исчезает, а переходит. Радикалы воды, образовавшиеся при воздействии ионизирующей радиации на живые системы, взаимодействуя с молекулами биополимеров, передают им свои свободные валентности. Нейтрализуясь, они вызывают образование органических радикалов. Но точно такие же радикалы образуются и при прямом действии радиации на молекулы нуклеиновых кислот и белков.

Таким образом, прямое и косвенное действие ядерных излучений приводит в сущности к одним и тем же результатам - к разрушению самых важных, сложных и ответственных соединений, без которых немыслима жизнь клетки и всего организма. Действие радиации на живую клетку значительно усиливается в присутствии кислорода и, наоборот, может быть существенно ослаблено, если удалить кислород или хотя бы уменьшить его концентрацию. Различие заключается только в том, что в случае косвенного действия лучей повреждение биополимерных макромолекул происходит не сразу, а как бы во вторую очередь, после взаимодействия лучей с молекулами воды. Но это различие носит в сущности второстепенный характер. С одной стороны, активные водные радикалы существуют всего десятитысячную долю секунды и успевают за столь короткое время вступить в реакцию с другими радикалами или молекулами. С другой стороны, при прямом попадании ионизирующей частицы в белковую молекулу поглощенная молекулой энергия не полностью и не сразу обусловливает разрыв тех или иных связей. Часть энергии как бы консервируется, переходит в скрытую форму, и лишь при определенных условиях проявляется в виде дополнительного повреждения.

Такова общая схема процессов, которые возникают в живой клетке под действием ядерных излучений. Однако общая схема еще не раскрывает всей сложности механизмов лучевого поражения, всех деталей разрушительной работы, первый толчок которой дает ионизирующая частица. Изучение этих сложнейших процессов продолжается, так как даже специалистам-радиобиологам далеко не все еще ясно.

 

Особенности биологического действия разных видов излучения

Выше говорилось, что ионизирующим действием обладают как электромагнитные колебания большой частоты (рентгеновские и гамма-лучи), так и потоки разнообразных частиц с высокой энергией (протоны, электроны, нейтроны, альфа-частицы и более тяжелые ядра). Все эти излучения способны проникать в организм на большую глубину и даже пронизывать его насквозь; они вызывают ионизацию атомов и молекул. Но при всем сходстве физических свойств и биологического эффекта между ними существуют и серьезные различия. Да и может ли быть иначе? Если легкие кванты рентгеновских или гамма-лучей без труда проскальзывают между атомами вещества, лишь изредка задевая их электронные оболочки, то тяжелые частицы альфа-лучей как мощные танки сокрушают все встречающиеся на их пути препятствия, ломают электронные заграждения и быстро растрачивают свою энергию. На пути в 1 мк альфа-частицы образуют около 5000 пар ионов, электроны (в зависимости от скорости и энергии) - от 5 до 20 пар, а рентгеновские и гамма-кванты - от 0,5 до 2 пар. Следовательно, на единицу пути пробега в живых тканях альфа-частицы оказывают действие в тысячи раз более сильное, чем гамма-лучи, и в сотни раз более интенсивное, чем электроны (бета-частицы).

Для оценки силы разрушительного действия разных видов ядерных излучений важное значение имеет не только удельная плотность ионизации, но и глубина проникновения лучей, внутрь тела. По этому признаку описанные излучения располагаются в обратном порядке. Мы знаем, что рентгеновские и гамма-лучи способны проникать в живое тело на глубину в десятки сантиметров и даже проходить насквозь; электроны обычно не проникают глубже 4 - 5 см, а для альфа-частиц даже поверхностный слой кожи толщиной в 0,1 - 0,2 мм - непреодолимое препятствие. Если сравнить альфа-, бета-и гамма-излучения по их опасности для здоровья и жизни живого организма, а не клетки, станет ясно, что именно гамма- и рентгеновские лучи представляют наибольшую опасность. Правда, тут следует сделать серьезную оговорку. На проникающую способность протонов, альфа-частиц и более тяжелых ионизирующих ядер серьезно влияют величина их энергии и скорость движения. Чем больше скорость, тем глубже способны они проникать и тем меньше линейная плотность ионизации. При очень больших скоростях (150 - 200 тыс. км/сек) протоны по проникающей и ионизирующей способности приближаются к гамма-лучам.

Таким образом, суммарный эффект действия на организм того или иного вида ядерного излучения зависит от многих факторов: размеров, скорости и энергии частиц, от их проникающей способности и линейной плотности ионизации. Поэтому сравнить вредоносное действие разных излучений на организм можно только в опыте на животных. Облучая животных одинаковой физической дозой различных излучений, по вызываемому ими биологическому эффекту можно составить представление об их относительной биологической эффективности. В зависимости от избранного показателя (выживаемость, изменения в крови, выпадение волос и т. п.) относительная эффективность может колебаться.

Если принять эффект рентгеновских и гамма-лучей за единицу, то относительная эффективность потока электронов составит 0,3 - 3, протонов и быстрых нейтронов- 0,5 - 10, медленных нейтронов - 4 - 5, альфа-частиц - 1 - 6,5. Наиболее высока относительная биологическая эффективность - ОБЭ - нейтронов с энергией от 100 кэв до 1 Мэв (так называемые нейтроны деления и близкие к ним нейтроны с промежуточной энергией и умеренно быстрые нейтроны). Если судить по отдаленным и поздним последствиям облучения, то особенно опасны потоки нейтронов. Они особенно сильно поражают хрусталик глаза (вызывая катаракты), половые железы, что влечет за собой бесплодие, уродства развития плода и т. п. Высокой ОБЭ отличаются также протоны с энергией 0,6 Мэв и альфа-частицы с энергией 3,4 - 6 Мэв. На различные органы и процессы в теле млекопитающих они оказывают поражающее действие, которое в один-шесть раз сильнее, чем действие такой же физической дозы рентгеновских лучей. Протоны же с энергией 660 Мэв действуют подобно рентгеновским или гамма-лучам или еще слабее (ОБЭ 0,5 - 0,6 - 0,75 - 1,0).

 

Внешнее и внутреннее облучение организма

До сих пор мы рассматривали главным образом такой случай, когда источник ядерных излучений (ускоритель элементарных частиц или атомный реактор, рентгеновский аппарат или кобальтовая пушка) расположен где-то вне живого организма и извне облучает организм ионизирующими лучами. Именно к этому случаю относится наше утверждение о сравнительно серьезной опасности для организма излучений с небольшой плотностью ионизации, подобных рентгеновским лучам, из-за высокой проникающей способности.

Однако ядерные излучения коварно подстерегают живой организм и действуют на него не только извне. Нередко бывают и такие случаи, когда источник радиации тем или иным способом проникает внутрь организма. Такая ситуация возможна потому, что ядерные излучения рождаются не только в недрах реакторов или рентгеновских трубок, но и при внутриядерных превращениях целого ряда элементов.

Способные к такому радиоактивному распаду изотопы могут проникать в живой организм разными путями. Вдыхаемый животными атмосферный воздух может при некоторых особых условиях содержать радиоактивные изотопы кислорода, азота и углерода (в составе углекислоты), газообразный продукт распада радия - радон (эманация радия). Кроме того, образующиеся во время ядерных взрывов изотопы разносятся по атмосфере в виде пылинок и в таком состоянии также могут поступать в легкие. Некоторые изотопы в виде жирорастворимых солей способны всасываться через неповрежденную кожу. Наконец, необходимо иметь в виду, что изотопы могут проникать в организм через рот с пищей и водой. Это возможно в случаях заражения пищевых продуктов и водоемов радиоактивными осадками, при загрязнении ими кожи рук и лица.

В сравнительно ранние сроки после атомного взрыва наибольшую опасность представляют радиоактивный изотоп йода - йод - 131, а также стронций - 89, рутений-108, цезий - 137, которые составляют значительную часть осколочных продуктов цепной реакции распада урана и быстро отдают энергию в виде излучения. В более отдаленные сроки наибольшую опасность представляют долгоживущие изотопы, способные накапливаться в теле человека, такие как стронций - 90 и цезий - 137.

Радиоактивный изотоп стронция - стронций - 90 по своим химическим свойствам очень близок к кальцию - элементу, широко распространенному в живой природе и играющему важную биологическую роль. Достаточно сказать, что кальций входит в состав наших костей, присутствует во всех жидкостях организма, участвует в процессе свертывания крови и т. п. Не менее разнообразные функции выполняет кальций и в растительном организме. Стронций, подобно кальцию, способен накапливаться во многих зеленых растениях, в частности, в зернах злаков. Так как злаковые растения- один из основных продуктов питания, то выпавший из атмосферы и накопившийся в злаках стронций может поступить в организм животных и человека. Стронций может длительно находиться в теле домашних животных, например у коров, и выделяться в довольно значительном количестве с молоком. Этот весьма распространенный и часто употребляемый продукт является вторым после хлеба источником поступления в наш организм радиоактивного стронция. Выпавший над поверхностью океана стронций легко поглощается некоторыми рачками и другими мелкими организмами, входящими в состав планктона. В свою очередь эти рачки .становятся пищей определенных видов рыб, в теле которых концентрация радиоактивного стронция может быть в десятки тысяч раз выше, чем в морской воде. Следовательно, рыба - третий распространенный пищевой продукт, с которым в наш организм может поступать стронций - 90.

Таким образом, существует немало способов проникновения в живой организм изотопов радиоактивных элементов. В связи с этим весьма реальна опасность внутреннего облучения организма. Ясно, что в таких условиях особенно опасно излучение альфа-частиц, которые всю свою большую энергию полностью растрачивают на сравнительно небольшом участке пробега и вызывают поэтому наиболее глубокие местные поражения, оказывающие влияние на весь организм. Гамма-лучи с их высокой проникающей способностью успевают покинуть организм, не растратив всей своей энергии, поэтому их поражающее действие относительно невелико. Следовательно, в условиях внутреннего облучения организма наиболее опасны плотно ионизирующие лучи, а их проникающая способность играет меньшую роль, чем при внешнем облучении.

Размер поражающего действия изотопов, проникших внутрь организма, зависит и от других причин. Очень важное значение имеет скорость распада. Чем быстрее идет этот процесс, тем больше выделяется ионизирующих частиц, но зато процесс облучения более ограничен во времени. Существенное значение имеет также способность изотопа накапливаться в отдельных органах и тканях. Естественно, что в том органе, в котором накапливается наибольшее количество изотопа, максимальным будет и размер повреждений. Такие изотопы, как стронций - 90, радий - 226, накапливаются в костях, поэтому наибольшие разрушения наблюдаются в органах, близко соприкасающихся с костями: в костном мозге, половых железах и т. п.

Наконец, не менее важное значение имеет растворимость изотопа в жидкостях организма, скорость его всасывания и способность к выведению из организма. Некоторые изотопы настолько плохо растворимы, плохо всасываются, что транзитом проходят через желудочно-кишечный тракт, не успев причинить серьезного вреда. Другие хорошо всасываются, но не накапливаются в отдельных органах и быстро удаляются из организма через почки. Третьи (это все тот же стронций-90, а также радий, цезий, уран и некоторые другие радиоактивные вещества), всосавшись в кровь, оседают в костях или других местах организма, где остаются десятками лет, до конца жизни организма, непрерывно продолжая свою разрушительную работу.

Вот почему ученые-радиобиологи не могут ограничиться физической характеристикой каждого изотопа, его способностью излучать те или иные ионизирующие лучи, а всегда внимательно изучают условия проникновения изотопов в организму, их поведение, растворимость, способность накапливаться, пути и условия выведения из организма, способы искусственного ускорения этого процесса.

 

Что происходит в организме при облучении?

Как уже говорилось выше, клетки особенно чувствительны к действию ионизирующей радиации в период деления, поэтому сильнее всего повреждаются в организме именно те органы и ткани, в которых особенно часто происходят акты деления. В них легко развивается и процесс интерфазной гибели клеток. Какие же это органы? К ним в первую очередь относятся костный мозг и селезенка, непрерывно вырабатывающие форменные элементы крови, слизистая оболочка кишечника, желудка, дыхательных путей, в которых интенсивное размножение клеток возмещает убыль слущивающихся, половые железы и некоторые другие органы.

Но организм - единое целое, а не сумма слагающих его клеток. Поэтому и лучевое поражение организма ни в коей мере не является простой суммой повреждений, нанесенных отдельным клеткам. Преимущественное поражение какого-нибудь органа тотчас же нарушает ту великолепную согласованность работы всех частей тела, которая характерна для всякого организма и отражается на деятельности всех органов. Например, поражение костного мозга приводит, в частности, к резкому уменьшению количества циркулирующих в крови лейкоцитов, которые участвуют в защите организма от проникновения микробов, возбудителей различных болезней. Это обстоятельство - одна из причин инфекционных осложнений, которые часто бывают при лучевой болезни.

Повреждение слизистой оболочки кишечника приводит к нарушению всасывания питательных веществ в кровь. Одновременно вследствие массовой гибели клеток увеличивается проницаемость слизистой оболочки для воды, минеральных солей, микроорганизмов, проживающих в просвете кишечника. Проникновение микробов способствует развитию воспалительных процессов, поносов, уносящих значительные количества воды, солей и быстро истощающих организм, особенно в сочетании с отсутствием аппетита и нарушением всасывания. Микробы и выделенные ими ядовитые вещества еще более ослабляют организм, его сопротивляемость лучевой болезни.

Гибель организма может наступить не только тогда, когда глубоко повреждены все его клетки. Гораздо чаще бывает иначе: смерть наступает, если выходит из строя один какой-то жизненно важный орган. При попадании пули в сердце и в ногу размер разрушений (количество погибших клеток) может быть одинаков. Но мгновенная смерть в первом случае обусловлена не величиной поражения как таковой, а выходом из строя сердца - органа, без которого невозможна жизнь организма как целого, хотя слагающие его клетки и ткани еще живы и могли бы жить дальше.

При облучении целого организма проникающей радиацией страдают в большей или меньшей степени все органы и ткани, но причиной гибели всегда является выход из строя какой-то одной системы органов, пораженной особенно глубоко. При облучении млекопитающих ядерными излучениями в дозах 300 - 900 р критической (определяющей исход лучевой болезни) является система органов кроветворения - костный мозг, лимфатические узлы, селезенка. Так называемая "костномозговая" гибель облученных животных наблюдается обычно на 7 - 15 сутки после воздействия радиации. При более высоких дозах гибель наступает на 3 - 5 сутки, т. е. в сроки, когда поражение костного мозга еще не успело развиться полностью. Причиной гибели в этом случае является поражение кишечника. В еще более ранние сроки ("под лучом" или в первые часы после облучения) смерть может наступить под влиянием массового разрушения нервных клеток. Но для этого необходимы дозы в 20 - 50 тыс. р и более.

Таким образом, лучевая гибель всегда наступает в результате выхода из строя одной из систем организма. Однако существенное значение имеет и нарушение нормального взаимодействия между органами. В животном организме существуют системы регуляции, назначение которых состоит в координации деятельности всех органов и систем. В нашем организме координирующую работу выполняют нервная и эндокринная системы. Рассмотрим такой пример. Олень почуял запах волка. Почувствовав опасность, олень медленно поворачивает голову в направлении, откуда доносится ненавистный ему запах, чуткие ноздри втягивают воздух, уши насторожены, мышцы тела напряжены. Все эти движения животное совершает под влиянием нервных импульсов, родившихся в обонятельных чувствительных клеточках слизистой оболочки носа и через кору головного мозга достигших соответствующих мышц. Но вот сигнал опасности повторился, и кажущаяся неподвижность животного сменяется стремительным бегом. Эндокринные железы выбрасывают в кровь гормоны: адреналин, кортикостероиды, которые улучшают питание мышц и значительно повышают их работоспособность. Через нервную систему осуществляется сложнейшая координация работы отдельных мышц и групп мышц. Сердце работает с десятикратной нагрузкой, вновь и вновь прогоняя через легкие кровь из организма и обогащая ее кислородом. В мышцах, печени и других органах мобилизуются запасы питательных веществ, необходимые для работы. И вся эта сложнейшая деятельность осуществляется слаженно, целесообразно благодаря координирующей работе нервной системы и эндокринных желез.

Рис. 3. Изменение биоэлектрической активности мозга кролика в процессе мощного лучевого воздействия а - исходное состояние, б - медленные высокоамплитудные волны с 'эпилеп-тоидными' разрядами (8 мин. облучения, доза 5800 р), в - экзальтация с переходом в угнетение (32 мин. облучения, доза 23 тыс. р), г - глубокое угнетение в терминальном периоде (42 мин. облучения, доза 300 тыс. р)

Под влиянием облучения в большей или меньшей степени страдают все органы и системы организма. Но повреждение регулирующих систем имеет особо важное значение, так как вторично отражается на работе других органов, увеличивая размеры поражения. Большие и сложно устроенные клетки нервной системы делятся редко. Благодаря этому обстоятельству массовая гибель нервных клеток происходит только при очень больших дозах радиации. Однако эти клетки выполняют настолько сложную, тонкую и многообразную работу, что даже самые незначительные нарушения в их обмене веществ и жизнедеятельности, невидимые в микроскоп, уж отражаются на функции, а через нее - на деятельности других органов животного. Исследованиями советских ученых А. В. Лебединского, М. Н. Ливанова, Н. Н. Лифшиц, П. Д. Горизонтова установлено, что при дозах радиации, даже незначительно превышающих обычный радиоактивный фон, наблюдаются функциональные изменения в деятельности нервной системы. Процесс начинается с периферии, с биохимических нарушений и сдвигов в отдельных органах и тканях. Чувствительные нервные окончания, разбросанные по телу животного, информируют центральную нервную систему о сдвигах и нарушениях, вызывая соответствующую нервно-эндокринную реакцию, которая вторично отражается по типу рефлекса на деятельности других органов.

На рис. 3 показано, как влияет облучение на биотоки коры головного мозга. В данном случае подопытные животные - кролики подвергались действию потока гамма-лучей мощностью 7,5 р/сек. Под влиянием облучения отчетливо заметно уменьшение амплитуды и резкое учащение колебаний биопотенциалов. Если учесть, что состояние центральной нервной системы, коры головного мозга немедленно отражается на работе всех внутренних органов (это хорошо известно со времен классических опытов академика И. П. Павлова и его учеников), станет ясно, что нарушение состояния системы регуляции способствует распространению и усилению повреждений, вызванных радиацией.

Все сказанное целиком относится к деятельности желез внутренней секреции, тесно связанной с работой нервной системы. Изменения, возникшие под влиянием гормонов - веществ, вырабатываемых в этих железах, в свою очередь оказывают влияние на течение обменных процессов в тканях, увеличивая и без того значительные нарушения, вызванные в этих тканях непосредственным действием радиации.

В ответ на влияние любого вредоносного агента в организме развиваются и защитные реакции, имеющие целью уменьшить наносимый ущерб и увеличить сопротивляемость организма. Простой пример: вы укололи случайно палец иголкой - палец отдергивается. Если тем же пальцем коснуться горячего предмета, может отдернуться вся рука. Если же палец оказался укушенным свирепым псом, вы обращаетесь в бегство, или. наоборот, пускаете в ход палку. Во всех этих случаях наблюдаются различные реакции на действие вредного агента, но они в одинаковой степени носят защитный характер и осуществляются при участии нервной системы.

Защитные реакции организма, вне всякого сомнения, имеют место и при облучении; они также осуществляются с помощью системы регуляции. Специальными опытами установлено, например, что если облучать ионизирующей радиацией одну половину клетки с крысами, через некоторое время все животные соберутся во второй, необлучаемой части клетки. Очевидно, Несмотря на отсутствие специальных органов чувств, способных воспринимать действие ядерных излучений, животные ощущают их вредоносное действие и пытаются защититься, переходя в необлучаемую часть клетки.

Вероятно, имеют защитный характер уменьшение дыхания и газообмена животных после облучения (это способствует уменьшению количества кислорода в тканях), торможение митозов в клетках, выделение некоторых гормонов и т. п. Однако в общей массе изменений, происходящих в облученном организме, чрезвычайно трудно разобраться и понять, что является результатом поражающего действия самой радиации, а что представляет собой, по выражению И. П. Павлова, защитную физиологическую меру против болезни. Кроме того, в условиях облучения многие реакции организма, имеющие защитный характер, настолько углубляются и усиливаются, что переходят в свою противоположность.

В теле человека и животных есть маленькие железы внутренней секреции, которые по месту своего расположения называются надпочечниками. В коре надпочечников вырабатываются гормоны, (кортикостероиды), которые повышают сопротивляемость тканей и всего организма действию всевозможных раздражителей. Действует ли на организм холод или тепло, электрический ток или сильнейшая трещотка, подвергается ли животное хирургической операции или действию ядерных излучений - в ответ всегда повышается выработка этих гормонов. Начало изучению роли надпочечников положил А. А. Богомолец. Канадец Селье подробно исследовал деятельность их гормонов в реакции на внешние раздражения. Работами многих советских и иностранных радиобиологов установлено, что выработка кортикостероидных гормонов резко усиливается в первые минуты и часы после облучения организма. Но эта защитная по своему существу реакция приобретает при больших дозах радиации настолько сильный и длительный характер, что избыточное количество гормонов начинает оказывать вредное влияние: усиливает угнетающее действие облучения на органы кровотворения (костный мозг, селезенку и лимфатические узлы), задерживает развитие процессов восстановления. Кроме того, перевозбуждение коры надпочечников довольно скоро сменяется угнетением их функции в результате истощения. Это в свою очередь отрицательно сказывается на течении лучевой болезни у облученных животных.

Защитную направленность имеют и реакции нервной системы и других эндокринных желез. Так, советские ученые Даренская и Цыпин установили, что кролики, у которых после облучения наблюдается высокая электрическая активность головного мозга, чаще выживают и меньше гибнут, чем животные, у которых эта активность выражена слабо. Но и эти защитные реакции при чрезмерном усилении могут влиять отрицательно. Поэтому при некоторых формах лучевой болезни, но данным Л. Ф. Семенова и др., полезно применение наркотических и снотворных средств, уменьшающих нервное возбуждение, а также применение средств, ослабляющих реакцию коркового вещества надпочечников. Многое здесь, разумеется, зависит от дозировки препаратов, сроков их применения и состояния организма.

В организме млекопитающих есть специальная система, назначение которой - защищать живое тело от различных вредных влияний. Клетки и волокна этой системы образуют основу всех органов тела, обеспечивают их питание, доставку кислорода и удаление отбросов. Они превращают наружные покровы организма - кожу, слизистые оболочки - в прочные барьеры, непроницаемые для большинства микроорганизмов и ядовитых веществ, оберегающие внутренние органы от ушибов, ранений и других травм. А если враг (будь то микроб, заноза или ядовитое вещество) все же проник в организм, клетки этой системы тысячью различных способов пытаются его обезвредить, удалить из организма, а вызванное им повреждение - ликвидировать. Система эта называется ретикуло-эндотелиальной. Наш соотечественник, академик А. А. Богомолец, предложил более широкое и точное название - "физиологическая система соединительной ткани". Белые тельца крови - лейкоциты - и их ближайшие родственники в тканях поедают и уничтожают проникшие в тело микроорганизмы, удаляют из легких проникшие туда с воздухом частицы пыли, шипы и занозы. Мечников первый установил эту чудесную способность клеток крови и соединительной ткани, назвав их фагоцитами - клетками-пожирателями. Гнойник, образующийся на месте занозы или инфекции,- громадное скопление фагоцитов.

Но защитная роль этой системы не ограничивается фагоцитозом, образованием барьеров между внутренней средой организма и окружающим миром. Клетки физиологической системы соединительной ткани, расположенные в лимфатических узлах, печени, селезенке, костном мозге, могут вырабатывать тысячи защитных веществ - так называемых антител. Пока организм вне опасности, эти фабрики оружия не работают; они законсервированы. Но вот в кровь проник опасный микроб или ядовитое вещество, чужеродный белок. И где-то в сокровенных глубинах организма все приходит в движение. Уже через несколько часов с невидимых конвейеров в кровь непрерывным потоком устремляются молекулы- противоядия, антитела. Это белковые молекулы, каждая разновидность которых рассчитана на уничтожение одного определенного врага. Наше тело способно вырабатывать специальные антитела против микробов брюшного тифа, крови иной группы, дифтерийного токсина и против собственных поврежденных тканей.

Все чужеродные агенты, главным образом белки, носят название антигены. Антитела склеивают, осаждают, растворяют невидимого врага и удаляют антиген из крови, из организма. Враг уничтожен, исчез. Но в крови еще долго, иногда до конца жизни, сохраняются антитела как память о перенесенном сражении и победе, как предостережение и гарантия на будущее.

Чтобы разобраться в сложных процессах, протекающих в облученном организме, совершенно необходимо оценить в них роль физиологической системы соединительной ткани. С таким врагом, как ядерные излучения, невидимые, подкрадывающиеся исподтишка, внезапно обрушивающиеся, мгновенно исчезающие, живые организмы на земле, как правило, не встречаются. В природе постоянно действуют ничтожные по интенсивности излучения, но мощные источники радиации-дело рук человека, дело немногих десятилетий. Естественно поэтому, что физиологическая защитная система организма не приспособлена к борьбе с таким врагом. Однако радиация вызывает в организме столь значительные и серьезные изменения, что ретикуло-эндотелиальная система очень рано и интенсивно вовлекается в процесс.

Под влиянием облучения замедляется и останавливается продукция лейкоцитов и других клеток - пожирателей в лимфатических узлах, селезенке и костном мозге. Количество фагоцитов в крови и тканях быстро снижается, а это делает облученный организм в значительной степени беззащитным перед инфекцией.

Еще более важное значение имеют нарушения выработки антител, устраняющих чужеродные белки. В облученном организме вследствие гибели массы клеток появляются ядовитые продукты распада белков. Это еще одна разновидность радиотоксинов, подробно изученная профессором П. Д. Горизонтовым и его сотрудниками.

Есть в облученном организме еще один внутренний источник появления чужеродных белков. Дело в том, что радиация повреждает молекулы ДНК - наследственного кода, хранящего информацию о структуре клеточных белков. Повреждение гена может полностью прекратить производство соответствующего белка. Более часто повреждение приводит к образованию измененного белка, более или менее чужеродного по отношению к организму. Против него вырабатываются соответствующие антитела, которые частично взаимодействуют и с нормальными тканями организма и тем самым также усиливают повреждающее действие радиации. По мнению профессора Н. Н. Клемпарской, реакции антиген-антитело играют важнейшую роль во всей картине лучевой болезни. Антитела против собственных тканевых белков носят название аутоантител.

Таким образом, в результате облучения в каждом живом организме и в особенности в организме млекопитающих развиваются очень сложные и многообразные, изменения, сдвиги, нарушения, являющиеся результатом поражающего действия радиации на клетки, ткани, органы и нарушения координации, слаженности, согласованности в работе всех частей организма, как следствия расстройства регуляции. Развитие защитных реакций организма вносит в сложную сумятицу явлений еще большие осложнения. Все это чрезвычайно затрудняет анализ наблюдаемых явлений и препятствует рациональному вмешательству в течение процесса с целью возвращения к норме нарушенного облучением механизма жизни.

Несмотря на большие успехи, достигнутые учеными радиобиологами в последние годы, еще далеко не все ясно в этом важнейшем вопросе. Однако общая схема последовательности процессов, происходящих в облученном организме, уже существует. Можно не сомневаться в том, что открытия и исследования ближайших лет внесут в нее существенные поправки. Однако в своих основных чертах она правильно отражает современный уровень научных знаний в области радиобиологии и может служить основой для разработки различных методов защиты от действия радиации и лечения вызванных ею повреждений.

Попытаемся же подвести итоги сказанному и разобраться в том, что же происходит в организме с момента облучения до развития лучевой болезни.

 

Облучение и лучевая болезнь

При общем облучении ионизирующей радиацией такого сложного организма, как человек или его ближайшие "родственники" - млекопитающие, смерть наступает от доз в 500 - 1000 р. Много это или мало? Сколько требуется энергии для того, чтобы убить облучением такое высокоорганизованное существо?

Оказывается, если перевести такое количество лучевой энергии в обычные, понятные для всех величины тепловой энергии, получится ничтожная величина. Смертельная для человека доза ядерных излучений эквивалентна всего 210 - 250 дж. С помощью этой энергии можно нагреть стакан воды на четверть градуса (по Цельсию). Однако каждый из нас за обедом принимает пищу, несущую с собой в сотни раз большие энергетические запасы, и при этом ничего кроме удовольствия не ощущает. Следовательно, дело не в величине энергии, а в способе ее воздействия на организм и в устройстве самого организма.

Если сопоставить, с одной стороны, ту ничтожную энергию, которая является причиной, с теми колоссальными последствиями, к которым приводит ее действие, становится ясно, что в живом теле существуют какие-то механизмы, с помощью которых незначительные начальные нарушения многократно усиливаются, нарастают подобно лавине и приводят в конце концов к гибели организма,

Учеными созданы различные схемы этого процесса, в которых учитывались особенности организма. Наиболее всеобъемлющей, отвечающей современному уровню развития науки, является, по нашему мнению, схема, выдвинутая нашим соотечественником членом-корреспондентом АН СССР профессором А. М. Кузиным.

Начальный этап лучевого поражения, согласно этой теории, - образование в тканях организма под влиянием облучения активных центров в результате ионизации и возбуждения молекул. Под действием облучения в каждой клетке активируется первоначально всего одна из 10 млн. молекул. Белки и нуклеиновые кислоты составляют сравнительно небольшую часть массы клетки (15 - 18%). Но их большие молекулы образуют в клетке правильную структуру, включающую в себя не менее четверти всей массы клеточной воды. Вместе с ней на долю нуклеиновых кислот и белков приходится примерно 45% массы и объема клетки. Следовательно, удельный вес прямого действия радиации на эти важнейшие биологические структуры будет близок к 45%; остальные 55% энергии излучения расходуются на активацию молекул неструктурированной воды, т. е. реализуются в виде косвенного действия радиации. Учитывая величину пробега и срок жизни активных водных радикалов, можно полагать, что от 25 до 50% их реагирует с нуклеопротеидными структурами клетки.

Итак, почти вся поглощенная клетками организма энергия излучения достигает молекул белка и нуклеиновых кислот и вызывает в них соответствующие изменения. И вот тут-то вступают в силу разнообразнейшие механизмы усиления действия радиации.

Энергия излучения, поглощенная белковыми структурами, без потерь может перемещаться по цепочке углеродных атомов, проявляя свое разрушительное действие в определенных, наиболее уязвимых пунктах структуры. В результате этого первого, физического пути усиления радиационного эффекта энергия излучения, несмотря на случайный характер возникновения первичных актов ионизации, закономерно достигает самых уязвимых мест структуры и в полной мере проявляет свое действие. Такими слабыми участками в ядерной нуклеиновой кислоте - дезоксирибонуклеиновой кислоте, или ДНК, являются азотистые основания с пиримидиновыми кольцами. В белках, быть может, легче всего повреждаются сульфгидрильные группы - SH и др. Существование в белковых структурах клетки длительно возбужденных состояний способствует накоплению таких очагов консервации энергии по мере облучения, а также значительно усиливает его эффект.

Образовавшиеся на первой стадии процесса радикальные и перекисные структуры белков, нуклеиновых кислот, липидов и полисахаридов вступают в химические реакции с молекулами воды, с растворенным в ней кислородом и соседними молекулами. При этом могут возникнуть и, по-видимому, действительно возникают цепные реакции окисления. Кинетику и закономерности этих реакций подробно изучили лауреат Нобелевской премии академик Н. Н. Семенов и его ученик академик Н. М. Эмануэль. При взаимодействии свободного радикала с нейтральной молекулой всегда образуется новый радикал и новая молекула:

R·1 + R2 → R1 + R·2

В(Новь образовавшийся радикал в свою очередь может реагировать с молекулой и т. д. В ходе таких цепных реакций время от времени происходит распад молекулы с образованием двух новых радикалов, вследствие чего количество активных продуктов постепенно возрастает, а цепной процесс ускоряется. В результате процесса свободнорадикального взаимодействия количество продуктов облучения в клетке довольно быстро увеличивается, т. е. опять имеет место механизм усиления первичного эффекта, на этот раз химический.

Если поражаются даже единичные белковые молекулы, входящие в состав внутриклеточных мембран, это, как показал советский ученый А. Г. Пасынский, может также привести к освобождению дотоле связанных и строго локализованных ферментов, активация которых нарушает нормальное течение обменных процессов (о чем уже говорилось выше), способствует появлению необычных, ядовитых химических веществ и т. п. Этот механизм также усиливает разрушения, причиняемые реакцией. Под влиянием освобождающихся ферментов начинается разрушение и распад основных структур клетки - тех веществ, из которых построены внутриклеточные мембраны и основные "органы" клеток.

Нарушение обмена веществ приводит к накоплению необычных и ядовитых для организма веществ - радиотоксинов. Их образование в растительном организме очень убедительно показано А. М. Кузиным и его сотрудниками. Если облучить лист растения большой дозой (5 - 10 тыс. р) ионизирующей радиации, через несколько часов стебель растения перестает расти, деление клеток в точке роста прекращается. Но ведь сама точка роста не подвергалась облучению! Очевидно, облученный лист как-то на нее повлиял. У растений нет нервной системы. Значит, это влияние осуществилось через жидкие среды растения. Как это доказать?

Облученный лист стали удалять сразу после окончания облучения и спустя разные промежутки времени. И вот выяснилось, что лист, удаленный в течение получаса после облучения, не оказывает на ростовую точку никакого влияния. Если же лист срезали в более поздние сроки, торможение роста отчетливо наблюдалось. Эти опыты были поставлены около 10 лет назад. С тех пор многое стало ясно. Оказалось, что виновниками торможения роста растений являются вещества, образующиеся в облученном листе при окислении аминокислоты - тирозина. Окисление тирозина происходит и в нормальных условиях, но количество окисленных веществ - хинонов - невелико. Облучение усиливает процесс окисления тирозина, а накопление радикалов и перекисей, освобождение окислительных ферментов еще более усиливает этот процесс. Он имеет место, как теперь установлено, и в организме животных, где накопление хинонов также вызывает прекращение клеточного деления, нарушение процессов синтеза и других жизненных процессов и может привести клетки к гибели как в месте облучения, так и в отдаленных от него участках тела.

Исследования советских ученых Б. Н. Тарусова и его ученика Ю. Б. Кудряшова показали, что облучение нарушает не только обмен тирозина и аминокислот в целом, но и жировой обмен. При окислении жирных кислот, особенно ненасыщенных (олеиновой, линолевой, линоленовой, арахидоновой), образуются токсические вещества - радикалы и перекиси. В нормальном организме они очень быстро разрушаются, не успевая вызвать нарушений. При облучении этот процесс резко усиливается, и накопление радиотоксинов жировой или, правильнее, липидной природы вызывает остановку делений в костном мозге, селезенке и других органах, разрушение клеток крови и т. п.

Липидные радиотоксины, как и хиноидные, накапливаются вследствие нарушения обменных процессов, вызванного радиацией, и в свою очередь усиливают ее вредоносное действие. Продукты распада белков тканей и образующиеся вследствие накопления чужеродных веществ белковой природы аутоантитела действуют аналогично. Здесь мы имеем дело уже с биохимическим путем усиления. При нарушении физиологических механизмов координации функций отдельных органов развивается четвертый - физиологический, механизм усиления первичного эффекта радиации. Сочетание этих механизмов - физического, химического, биохимического, физиологического - и приводит к тому, что ничтожное по величине и энергетическому эквиваленту первоначальное воздействие ионизирующей радиации многократно и лавинообразно усиливается, реализуясь через определенный срок в виде многочисленных тяжелых повреждений, составляющих в целом картину лучевой болезни.

 

Восстанавливаются ли лучевые повреждения?

Еще совсем недавно - в 40 - 50-х годах нашего столетия, ученые были убеждены, что повреждения, нанесенные живым клеткам ядерными излучениями, мгновенны и необратимы, что они являются следствием попадания ионизирующего кванта или частицы в "мишень" - наиболее уязвимую и чувствительную часть клетки, которую обычно отождествляли с ее ядром или хромосомами. Согласно этой теории, попадание в мишень означало неотвратимую гибель клетки. Чем больше доза радиации, тем больше количество поврежденных клеток, тем сильнее страдает функция органа и всего организма. Восстановление пострадавшего органа и организма относили за счет усиленного размножения уцелевших от поражения клеток.

Однако вскоре появились первые доказательства того, что в действительности дело не столь безнадежно, что пораженная радиацией клетка сохраняет запас жизненных сил и при определенных условиях способна полностью ликвидировать нанесенный ей смертельный урон.

Назовем имена исследователей, открывших новую главу в книге знаний о действии ядерных излучений на живые клетки. Это американцы Альпер и Кимболл, советские исследователи В. И. Корогодин, Н. В. Лучник и Л. С. Царапкин. Работы этих ученых не опровергли полностью теорию "мишени": ведь в клетке действительно существуют участки более или менее важные, более или менее чувствительные к действию радиации. Новое заключалось в доказательстве того, что попадание ионизирующей частицы в мишень-наиболее чувствительный и ответственный участок клетки - еще не означает автоматической ее гибели.

Чтобы познакомиться с деятельностью механизмов восстановления клетки, следует прежде всего разобраться в вопросе, какие именно структуры клетки соответствуют понятию "мишень", повреждение чего ведет обычно к гибели клетки. Уже давно ученые пришли к выводу, что мишень локализуется в ядре. Ионизирующая частица, пролетая, вызывает в ядре и в цитоплазме одинаковые в физическом смысле изменения. Особая чувствительность мишени связана, очевидно, с тем, что ее функция необходима для нормальной жизнедеятельности клетки, а повреждение вызывает глубокие, несовместимые с жизнью изменения.

Итак, мишень - жизненно важные, единственные в своем роде, уникальные внутриклеточные структуры. Очевидно, под это понятие больше всего подходят хромосомы, в особенности важнейшая их составная часть - молекулы ДНК, каждая из которых несет свой особый, уникальный набор генов, необходимых для синтеза клеточных белков. Значит, основная проблема восстановления пораженной радиацией клетки - восстановление поврежденной ДНК. Все остальные компоненты клетки, даже ферментные белки, содержатся в клетке в виде более или менее значительного количества дубликатов. Разрушение нескольких из них еще не фатально. Кроме того, при целости исходного штампа, матрицы - ДНК - клетка всегда имеет возможность отштамповать нужное количество копий.

Поврежденный же участок молекулы ДНК (ген) может способствовать производству измененного белка вместо нормального либо вообще окажется непригодным для синтеза белка. Само по себе это еще не очень опасно: имевшихся в клетке до облучения молекул фермента может быть достаточно для жизнедеятельности. Но вот в жизни клетки наступает момент, когда выявляются, становятся очевидными все дотоле скрытые повреждения генетического аппарата. Это деление клетки, митоз. Его необходимой предпосылкой является самоудвоение ДНК, призванное обеспечить каждую из дочерних клеток полным комплектом наследственной информации. Начинается процесс с расхождения нитей ДНК, на каждой из которых синтезируется новая. Попадание ионизирующей частицы могло привести к разрыву обеих нитей ДНК; тогда молекула оказывается разделенной на два отломка. В процессе митоза один или оба отломка могут потеряться либо неправильно соединиться. Если в результате попадания образуется прочная поперечная связь между нитями ДНК, они не смогут разойтись и приступить к самоудвоению. Разрыв одной нити ДНК не удается выявить до наступления митоза никакими методами. Зато после расхождения нитей ДНК дефект сразу становится явным и может привести к гибели дочерней клетки или ее потомков.

Существуют и другие виды повреждений ДНК ядерными излучениями. Во всех этих случаях клетка гибнет, так как митоз не может осуществиться либо он приводит к образованию неполноценных клеток, гибнущих при попытке разделиться. Митоз, таким образом, оказывается переломным периодом в жизни клетки, своеобразным строгим экзаменом на жизнеспособность и полноценность.

Может ли клетка самостоятельно, без помощи и вмешательства извне устранить образовавшийся дефект? Как доказать наличие в клетке такого восстановительного механизма?

Ученые долго работали над этой проблемой, а решение, как часто бывает, оказалось простым. Дефекты ДНК, как мы уже знаем, отчетливо обнаруживаются в момент вступления клетки в митоз. А что, если увеличить промежуток времени между моментом воздействия излучения и митозом? Если никакого внутриклеточного восстановления не происходит, задержка митоза не повлияет на количество поврежденных клеток в ткани или в культуре вне организма. Если же восстановление имеет место, то отсрочка митоза облегчит ремонтные работы и увеличит количество восстановленных клеток; размер повреждения достоверно уменьшится.

Такого рода эксперименты были поставлены. Известно много способов искусственной задержки митоза. Если суспензию бактерий, дрожжей, культуру клеток млекопитающих перенести в среду, содержащую мало питательных веществ или лишенную некоторых витаминов, клетки в таких условиях не делятся или делятся с большим опозданием. Если суспензию дрожжей сразу после облучения дозой радиации, вызывающей гибель 50% клеток, разделить надвое и поместить одну половину в обычную питательную жидкость, а вторую - в водопроводную воду, то уже через сутки можно получить ответ на интересующий нас вопрос. Дрожжи, попавшие в жидкую питательную среду, начинают интенсивно почковаться. Если через несколько часов высеять их на твердую питательную среду, то каждая живая неповрежденная клетка образует за сутки микроколонию из нескольких сотен и даже тысяч клеток, хорошо видную под микроскопом. А поврежденные радиацией клетки либо совсем не делятся, либо образуют нити или микроколонии из нескольких клеток.

Дрожжи, выдержанные несколько часов в водопроводной воде и затем высеянные на твердую среду, образуют, как показал опыт, вдвое больше микроколоний, чем содержавшиеся после облучения в питательной жидкости, и почти столько же, сколько образуют в этих же условиях необлученные дрожжи.

Выходит, такое простое мероприятие, как искусственная задержка митозов на несколько часов, способствует почти полному устранению вреда, нанесенного большой дозой ядерных излучений. Значит, восстановительная система клетки существует, и задержка митоза облегчает ее функционирование, повышает эффективность.

Рис. 4. Фотореактивация. а - контроль: чашка содержит 368 колоний кишечной палочки, б - после воздействия ультрафиолетовыми лучами выжило и образовало колонии 36 бактерий, в - после ультрафиолетового облучения и освещения видимым светом количество колоний возросло до 93

Существуют различные объяснения этого интереснейшего факта. Если повреждение ДНК в большой мере вызвано действием образующихся внутри клетки радиотоксинов, то выдерживание клеток в водопроводной воде облегчает удаление ядовитых веществ. После облучения проницаемость клеточных оболочек увеличивается. И не исключено, что сдвиг проницаемости способствует восстановлению, облегчая и увеличивая отток из клетки радиотоксинов.

Но есть и другие предположения. Наиболее распространенная точка зрения состоит в том, что ядерные излучения повреждают молекулы ДНК в результате прямого попадания ионизирующей частицы или косвенно, через посредство водных радикалов или радиотоксинов. Но эти повреждения еще не носят необратимого характера, это, так сказать, потенциальные повреждения. Если внутриклеточная восстановительная система не успевает устранить повреждения в ДНК до начала деления, они в ходе митоза реализуются, становятся необратимыми.

Прошло еще несколько лет, и ученые получили первые данные о том, что же собой представляет восстановительная система клетки, как она работает. Этому помогли открытия в смежной области - защиты от ультрафиолетовых лучей.

Началось с того, что в 1949 г. двое ученых, даже не подозревавших о существовании друг друга: И. Ф. Ковалев в СССР, в Одесском институте глазных болезней им. В. П. Филатова, и А. Кельнер в США, в институте Карнеги, одновременно открыли новое явление, которое затем получило в науке название фотореактивации. Микроорганизмы, облученные большой дозой ультрафиолетовых лучей (И. Ф. Ковалев работал с инфузориями, а А. Кельнер - с кишечной палочкой и грибками актиномицетами), в темноте быстро погибали; на рассеянном солнечном свету или при специальном освещении (лампой дневного света, накаливания или ртутной), выживало уже 20 - 50% облученных микроорганизмов, а иногда даже до 70-80%. Очевидно, видимый свет способствует "выздоровлению" облученных клеток, ускоряет восстановление нанесенных им повреждений (рис. 4).

Вскоре удалось установить, что повреждающее действие ультрафиолетовых лучей прежде всего сказывается на нуклеиновых кислотах клетки. Ультрафиолетовые лучи с длиной волны 2500 - 2700 А, легко поглощаемые нуклеиновыми кислотами, обладают наибольшим бактерицидным действием.

Механизм поражающего действия ультрафиолетовых лучей и фотореактивации был более глубоко изучен и понят лишь после того, как удалось раскрыть структуру молекул ДНК и их роль в процессах жизнедеятельности клеток. Оказалось, что бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей главным образом объясняется образованием в ДНК одного специфического дефекта. Энергия ультрафиолетовых лучей, поглощенных азотистыми основаниями ДНК, особенно тимином, расходуется на разрыв двойной связи в тиминовом кольце. Если одновременно разрываются связи в двух близко расположенных кольцах тимина, то между ними образуется двойная связь. Образование таких соединений- димеров тимина - облегчает спиральная структура молекулы ДНК.

Димеры тимина препятствуют удвоению молекулы ДНК Примерно так же, как два слившихся зубца в застежке-молнии мешают ее раскрытию. Клетки, в которых образовалось несколько таких дефектов, теряют способность делиться и гибнут. Образование димеров тимина - главная причина бактерицидного действия ультрафиолетовых лучей. Поэтому бактерии, у которых ДНК богата тимином, особенно чувствительны к ультрафиолетовой инактивации.

Каким же образом видимый свет, действующий после ультрафиолета (эффект воспроизводится в интервале трех часов) может устранять возникшие дефекты? Чисто физические механизмы оказались непригодными для объяснения. А само явление фотореактивации вызвало очень большой интерес у ученых, когда выяснилось, что оно наблюдается не только у бактерий и грибков, но и у простейших (инфузорий, кольпидий, амеб), иглокожих (морских ежей), водорослей, низших и высших растений, земноводных и млекопитающих.

Первое представление о работе этого механизма ученые получили тогда, когда удалось при длительном облучении разновидности кишечной палочки, особенно устойчивой к радиации, получить форму, отличающуюся очень высокой радиочувствительностью. Измененный микроорганизм во всех остальных отношениях не отличался от устойчивого штамма, но погибал при дозах радиации, не влияющих на здоровье исходной разновидности. Высокая чувствительность нового штамма связана, вероятно, с нарушением функции восстановительной системы. Поскольку возникшие изменения - результат нарушения продукции одного или нескольких ферментов, можно предположить, что и темновая реактивация, подобно фотореактивации, осуществляется одним или несколькими ферментами. Сейчас ученые выделяют эти ферменты и изучают их свойства; кое-что о механизме "починки" поврежденной ДНК мы уже знаем.

Если фермент фотореактивации попросту расщепляет димеры тимина, то ферменты темнового восстановления, имеющие дело с более грубыми и разнообразными повреждениями ДНК, действуют иначе (рис. 5). Сначала поврежденный участок молекулы ДНК (одной ее цепочки) удаляется вместе с соседними неповрежденными нуклеотидами; благодаря второй цепочке целостность молекулы при этом не нарушается. Затем к месту дефекта поступают строительные материалы: азотистые основания, фосфаты, сахара, и целостность "оперированной" нити ДНК восстанавливается. Азотистые основания на отремонтированном участке выстраиваются не как придется, а в том же порядке, в каком были в нити ДНК до облучения. Это достигается благодаря присутствию второй, комплементарной нити, каждое азотистое соединение которой подбирает себе строго определенную пару. Восстанавливается, таким образом, не только целостность структуры молекулы ДНК, но и полный объем наследственной информации, закодированной в ней. Каждый этап темновой репарации (удаление повреждения, расширение дефекта, синтез нового участка цепи, сшивание нити) осуществляется при участии отдельного фермента или ферментной системы.

Чтобы установить все детали этого процесса, ученым Р. Сэтлоу и П. Говард-Фландерсу пришлось осуществить очень тонкие опыты на культурах облученных микробов, размножающихся в среде с тимином, содержащим метку, - радиоактивный атом трития Н3 (тяжелого изотопа водорода). Им удалось показать, что у бактерий, чувствительных к облучению, вся метка оказалась включенной в ДНК, тогда как у устойчивой к радиации культуры микробов часть метки содержалась в небольших фрагментах ДНК, очевидно, удаленных из молекулы в процессе ее ремонта. В других исследованиях в качестве метки был использован искусственный аналог тимина - 5-бромурацил.

ДНК, отремонтированная группой ферментов темновой реактивации, способна, как показали специальные исследования, к удвоению и к передаче наследственной информации, что является гарантией высокого качества проведенного ремонта.

Итак, микроорганизмы и клетки более сложно устроенных живых существ обладают очень точным и быстродействующим ферментативным механизмом, осуществляющим "текущий ремонт" молекул ДНК, исправление возникающих в них лучевых дефектов - защиту ДНК от разрушительного действия излучений.

Рис. 5. Схема процесса темнового восстановления структуры ДНК, поврежденной радиацией а - двойная цепочка ДНК с дефектом (димер темина), б - разрыв дефектной цепи, в - удаление поврежденного участка нити ДНК, г - восстановление исходной структуры ДНК

Но не только излучения нарушают структуру ДНК, искажая смысл кодированных сообщений. Большая группа химических веществ, не только созданных руками человека, но и возникающих внутри организма в ходе процессов обмена веществ, взаимодействуя с азотистыми основаниями или другими компонентами ДНК, вносит ошибки в наследственный код. Такими свойствами обладают, в частности, хиноидные и липидные радиотоксины и другие необычные вещества, накапливающиеся в облученном организме. Очевидно, и многие повреждения ДНК, вызываемые химическими препаратами, устраняются в процессе восстановления. Очень интересно и важно было бы установить, существуют ли специальные ферментные механизмы для противодействия каждому из вредоносных агентов, или все эти повреждения устраняются одной восстановительной системой.

Чтобы ответить на этот вопрос, ученым также пришлось проделать огромную работу: изучить закономерности действия на ДНК различных физических и химических агентов, особенности восстановления в каждом случае, затем сопоставить их между собой. Лишь после этого был получен важный вывод: наряду со специфическим механизмом фотореактивации существует общий механизм исправления дефектов структуры ДНК самой разнообразной природы. Ферменты, осуществляющие процесс темновой реактивации, "распознают" не отдельные измененные или поврежденные азотистые основания, а те деформации и нарушения, которые эти дефекты вносят в спирально-осевую структуру молекулы ДНК в целом. Дефектный участок ДНК устраняется и заменяется аналогичным по структуре нормальным участком, независимо от причины и характера дефекта.

Очевидно, присутствие в клетках описанной восстановительной системы имеет значение не только в плане нейтрализации отдельных вредных воздействий. Роль этого механизма значительно шире и важнее: защита от разнообразных повреждений и воздействий такого вещества, как ДНК, выполняющего роль хранителя и передатчика наследственной информации, способствует сохранению постоянства признаков организмов и видов, обеспечивает повторение, воспроизведение в длинном ряду поколений прародительских свойств, одним словом, гарантирует постоянство наследственных задатков.

Свыше 100 лет тому назад немецкий ученый Август Вейсман попытался экспериментально разрешить вопрос, могут ли передаваться по наследству признаки, приобретенные на протяжении жизни отдельного организма. Несколько сот поколений лабораторных мышей прошло через его руки. Каждой из них до скрещивания ученый аккуратно отрезал хвост, а затем измерял длину хвоста у потомков. Несмотря на столь длительное повторное воздействие, длина хвоста у новорожденных не уменьшалась ни на миллиметр. Из своих опытов Вейсман сделал вывод, который в наши дни, на фоне успехов генетики, молекулярной биологии и других наук, звучит весьма странно и даже анекдотически: приобретаемые организмом свойства не наследуются, поскольку наследственное вещество, ответственное за передачу признаков организма, бессмертно и независимо от подверженного влияниям смертного тела.

И все же, при всей странности выводов Вейсмана, с современной точки зрения, в них содержалось важное рациональное зерно: большинство признаков, приобретенных организмом в процессе жизнедеятельности, действительно не передается потомкам. Простой житейский опыт убеждает, что дети молотобойца или грузчика не наследуют его мощной мускулатуры, так же как дети инвалида войны лишены его увечий. Постоянство видовых и индивидуальных признаков в длинном ряду поколений обеспечивается существованием сложного и стройного механизма кодирования, сохранения, воспроизведения и передачи наследственной информации, особенностями устройства и обмена ДНК (которая, в отличие от белков, неохотно вступает в большинство биохимических реакций). Теперь мы знаем, что в обеспечении постоянства наследственных задатков организмов, в защите их от влияний среды немаловажная роль принадлежит и общему механизму восстановления повреждений ДНК, механизму исправления ошибок генетического кода.

Но ведь постоянство видовых свойств все-таки относительно: время от времени среди массы особей данного вида возникают новые признаки, виды изменяются, появляются новые, весь органический мир развивается, эволюционирует - это хорошо известно со времен Дарвина. Значит, какая-то часть повреждений ДНК все-таки остается неустраненной, и за счет этих изменений - мутаций, появляются новые признаки и свойства; наряду с наследственностью существует и изменчивость организмов. Из массы возникающих изменений механизм отбора, естественного или искусственного, сохраняет наиболее ценные, полезные признаки, способствующие эволюции вида, его лучшему приспособлению к условиям среды.

Следовательно, для успешного развития вида, его эволюции и выживания необходимо оптимальное соотношение между наследственностью и изменчивостью, оптимальная частота возникающих новых признаков. Вид, создавший в ходе эволюции слишком совершенную систему устранения дефектов ДНК, становится консервативным, не поспевает в своем развитии за изменением среды и в конечном счете перестает эволюционировать, оказывается в тупике и даже может погибнуть.

Существование системы исправления повреждений ДНК имеет не только общебиологическое, эволюционное значение. Важна роль этой системы в регуляции устойчивости организма, отдельных его клеток и тканей к радиации. Познав в деталях механизм исправления дефектов, люди смогут управлять им, по желанию повышая сопротивляемость важных органов действию радиации или искусственно повышая чувствительность опухолевой ткани к лучевой терапии.

От каких же факторов зависит эффективность деятельности восстановительной системы? Некоторые из этих факторов нам уже известны. Прежде всего это частота митозов: если она достаточно высока, интервал между облучением и митозом по крайней мере частично обеспечивает возможность восстановления. Снижение частоты митозов, достигаемое любым возможным методом (гипотермия, гипоксия, введение антимитотических средств типа колхицина, уретана, адреналина и т. п.), дает более или менее значительный противолучевой эффект главным образом благодаря деятельности восстановительной системы.

Реакция торможения митозов является у высокоорганизованных живых существ стереотипным, неспецифическим ответом на самые разнообразные воздействия. Шум, яркий свет, электрические и механические раздражения, колебания температуры и действие других физических и химических агентов более или менее значительной интенсивности - все они вызывают кратковременную, но ясно выраженную реакцию торможения митозов.

Можно полагать, что эта реакция имеет двоякое значение для жизнедеятельности организма. С одной стороны, она как бы сосредоточивает клетки на выполнении их специфической деятельности, в той или иной степени необходимой для правильного ответа на действующий раздражитель; не отвлекаясь для митотического деления, клетки, ткани и органы, очевидно, функционируют более полноценно. С другой стороны, реакция торможения митозов как бы заблаговременно мобилизует организм на борьбу с возможной опасностью, переводит его в состояние максимальной устойчивости и сопротивляемости, причем важнейшее значение имеет создание оптимальных условий для деятельности восстановительной системы.

Помимо частоты митозов эффективность работы восстановительного механизма ограничивается еще и размером повреждения. Если в молекуле ДНК одновременно разрываются обе нити, то такой разрыв чаще всего уже не восстанавливается: отсутствует образец, по которому ферменты темновой реактивации осуществляют ресинтез поврежденной полинуклеотидной цепи. Виды излучений, отличающиеся большей величиной линейных потерь энергии, большей плотностью ионизации (нейтроны, протоны, альфа-частицы и более тяжелые многозарядные ядра), вызывают в клетках более грубые повреждения, чаще обусловливают появление двойных разрывов в молекулах ДНК, которые почти не восстанавливаются. В этом одна из причин высокой биологической эффективности подобных излучений, их опасности для живых клеток и организмов.

Итак, лучевое поражение - не мгновенный необратимый процесс, фатально определяющий судьбу облученной клетки в самый момент воздействия. Доказано, что в облученной клетке протекают сложнейшие процессы, усиливающие и ослабляющие тяжесть поражения, борются противоположные силы и влияния. Деятельность общего механизма исправления ошибок, ферментной восстановительной системы в значительной степени определяет исход борьбы, склоняя чашу весов в сторону сохранения жизнеспособности, выживания облученной клетки. Познав детали механизма восстановления, люди научатся управлять им, усиливать защиту от радиации жизненно важных органов, а в ткани опухоли искусственно повышать чувствительность к лучевому лечению. Власть над одним из важнейших механизмов живого позволит использовать его и для разработки более эффективных и быстрых способов выведения новых сортов культурных растений и пород животных, направленного изменения наследственности организмов и лечения наследственных болезней. Так сугубо научные и, казалось бы, далекие от жизни исследования рано или поздно начинают непосредственно служить людям, приносить конкретную пользу.