Лучи и урожайность

Первые указания на то, что с помощью ядерных излучений можно добиться ускоренного прорастания семян культурных растений, были получены еще в конце прошлого столетия. Явлением радиостимуляции заинтересовались - ведь открывалась, казалось бы, возможность хозяйственного использования ионизирующей радиации. Но не всем и не всегда удавалось получить положительные результаты. Нередко вместо ожидаемой стимуляции начиналось угнетение роста и созревания растений, а иногда наступала даже гибель облученных растений.

Понадобились десятилетия упорного труда ученых, исследование чувствительности к радиации самых разнообразных видов и сортов растений, разных условий культивирования, стадий развития растений, прежде чем загадка радиостимуляции была в основном раскрыта. Первые в нашей стране опыты по применению ядерных излучений для ускорения развития растений и повышения урожайности были поставлены еще в 1932 г. профессором Л. П. Бреславец. Ей удалось показать, что облучение семян ржи (сухих - дозой 1000 р, намоченных - 250 р) не только ускоряло их прорастание, но и увеличивало количество колосьев ржи на засеянных облученными семенами делянках; число зерен в колосе, их вес и размеры также увеличивались. Однако в те годы результаты Л. П. Бреславец еще не могли найти широкого применения: не было специальных установок для облучения семян, обеспечивающих эффективную защиту персонала. Да и получение нужного количества изотопов для облучения было тогда дорогим и трудным делом.

Совершенно иначе обстоит дело в наши дни. Необходимая техническая база для использования радиоактивных изотопов и ядерных излучений в сельском хозяйстве создана. Чтобы использовать ее с максимальным эффектом, необходимы рациональные и четкие научные рекомендации, необходимо глубокое понимание процессов, протекающих в облученном растении, и умение управлять ими.

Существует четыре основных направления использования ядерных излучений в сельском хозяйстве, для облучения растений (и животных) на разных этапах их развития. Это семена, проростки, взрослые растения, плоды, ягоды, фрукты и другие виды продукции сельского хозяйства. Использование сравнительно небольших доз ионизирующей радиации (порядка 150 - 1000 р) для облучения семян сельскохозяйственных растений позволяет увеличить всхожесть и ускорить прорастание, повышает урожайность как количественно, так и качественно (т. е. увеличивает не только вес или объем собранной продукции, но и содержание в ней сухого остатка питательных веществ: углеводов, белков, витаминов, жиров, микроэлементов и т. п.).

Несколько более высокие дозы радиации вызывают отчетливую задержку роста и развития растений. И эта способность ядерных излучений нашла свое хозяйственное применение: она используется при облучении картофеля и овощей с целью увеличения сроков их хранения и сохранения качества хранимой продукции.

Еще более высокие дозы радиации, в том числе и вызывающие частичную гибель растений, используются в сельском хозяйстве ввиду их высокой мутагенной активности. Применяя большие дозы радиации, человек лишь многократно ускоряет естественный процесс возникновения мутаций, одной из движущих сил которого является естественный радиоактивный фон. Из большого количества мутаций, возникших в потомстве растений, выживших после большой дозы радиации, люди отбирают немногие хозяйственно ценные мутанты.

Мутагенному действию и его использованию в сельском хозяйстве посвящается один из последующих разделов книги.

Наконец, наиболее высокие, смертельные для всего живого дозы радиации используются для борьбы с вредными насекомыми, паразитическими червями и микроорганизмами, размножающимися в пищевых продуктах, с целью повышения сроков их хранения.

Долгое время при объяснении стимулирующего растения эффекта радиации ученые ссылались на так называемый закон Арндта - Шульце, согласно которому любые внешние воздействия (физические, химические и т. п.) в больших дозах повреждают и даже убивают, а в малых - возбуждают, стимулируют жизнедеятельность организма. Но к случаю ядерных излучений (как, впрочем, и к многим другим воздействиям) этот закон неприменим. Кванты и частицы высоких энергий даже в ничтожно малых дозах вызывают повреждение клеток, в частности, их генетического аппарата. А для получения эффекта радиостимуляции приходится облучать растения дозами в сотни и тысячи рентгенов, смертельными для многих и опасными для других живых организмов. Здесь предположения о "положительном" действии малых доз раздражителя звучат малоубедительно. Теперь бесспорно для всех, что эффект радиостимуляции дают дозы радиации (500 - 5000 р), оказывающие довольно серьезное повреждающее (раздражительное) действие на клетки того же растения. Как понять, как совместить эти два, казалось бы, противоположных эффекта?

В растительном организме, как и в животном, значительные дозы ядерных излучений вызывают прямо или косвенно появление в макромолекулах биополимеров свободных радикалов, ионов, возбужденных атомов и т. п. Если облучены воздушно-сухие семена, возникшие в них радикалы и другие активные продукты длительно существуют, не изменяясь. Но вот семена замочили или высеяли во влажную почву. Влага и кислород воздуха приводят в движение заторможенный механизм лучевого поражения: вместе с усилением обмена веществ быстро развиваются цепные реакции радиационного усиления; активируется ряд ферментов, усиливаются процессы окисления, более быстро мобилизуются запасы питательных веществ. Одним словом, в семенах, облученных соответствующими дозами радиации, процессы "пробуждения", выводящие семя из состояния покоя, идут значительно быстрее. Определенная степень повреждения внутриклеточных структур, дезорганизации ферментных механизмов оказывается в этом случае полезной, приводит к более полному и раннему прорастанию высеянных семян (рис. 12).

Рис. 12. Начальный рост кукурузы при воздействии разных доз гамма-излучения на семена (в тысячах рентгенов)

А более ранние и дружные всходы - хорошее начало дальнейшего роста, развития и созревания растений. Предпосевное облучение семян не только ускоряет прорастание. Его эффект проявляется на протяжении всей жизни растений, выросших из облученных семян. Обычно они раньше вытягиваются в длину, быстрее покрываются листьями, цветут, у них раньше и быстрее начинают наливаться плоды, которые затем на одну-две недели раньше созревают. И этот бесспорно положительный эффект, обеспечивающий, с одной стороны, ускоренное прорастание семян, а с другой - такое универсальное явление, как сокращение продолжительности жизни, имеет в своей основе процесс лучевого поражения живых клеток. То, что у животных и человека рассматривалось нами как раннее постарение, в применении к растениям означает ускоренное прохождение жизненного цикла, более быстрое вызревание, плодоношение.

Какое значение может иметь этот эффект в практических условиях, нетрудно представить. Ускоренное вызревание сельскохозяйственных культур где-нибудь в условиях Средней Азии, Казахстана, Поволжья обеспечивает более полную и целесообразную утилизацию влаги, уменьшает влияние засушливых месяцев. В районах с коротким летом укорочение периода вегетации на одну-две недели гарантирует вызревание культур до наступления холодов. В обоих случаях поражающее действие ядерного излучения оборачивается десятками центнеров дополнительного урожая с гектара посевной площади.

Но и этим не ограничиваются удивительные возможности ядерного луча. В растительной клетке, как и в животной, наиболее чувствительны к действию радиации наследственный аппарат клетки, механизм митоза. Поэтому облучение семян и проростков растений вызывает более или менее глубокое и длительное угнетение процесса клеточного деления, а значит, роста растений, увеличения его размеров. В то же время другие процессы жизнедеятельности, в первую очередь фотосинтетические процессы, обусловливающие накопление в клетках углеводов, белков, витаминов, липидов и сухих веществ, продолжаются, поскольку аппарат фотосинтеза устойчив к действию радиации. На фоне угнетения роста растения нормальная интенсивность синтетических процессов способствует большему накоплению ценных питательных веществ, ведет к улучшению качества продукции сельскохозяйственных растений.

Под влиянием предпосевного облучения существенно увеличивается сахаристость дынь, арбузов, тыкв, земляники, сахарной свеклы; повышается содержание крахмала в картофеле; увеличивается накопление белков, жиров, клетчатки в кукурузе. Облучение способствует и накоплению витаминов. В капусте, картофеле, редисе, моркови, в дыне и тыкве, в проростках кукурузы значительно увеличивается содержание витамина С. В моркови, тыкве более интенсивно накапливается пигмент каротин - предшественник витмина А. В зеленой массе гречихи значительно больше становится содержание рутина - одного из препаратов витамина Р.

Таким образом, предпосевное облучение семян сельскохозяйственных культур довольно значительными дозами радиации значительно ускоряет и увеличивает прорастание. В результате более быстрого физиологического старения облученные растения раньше зацветают, созревают и плодоносят. Наконец, лучевое нарушение функции генетического аппарата клетки при полном сохранении фотосинтеза повышает питательную и витаминную ценность продукции земледелия. Таким образом, вызванные радиацией сдвиги приводят к существенному увеличению урожайности.

Так, облучение сухих семян редиса гамма-лучами в дозе 500 р обеспечило увеличение урожайности в полевых условиях на 11 - 37% (в зависимости от сорта), а вес одного корнеплода возрос с 7,9 до 9,9 г. Для моркови стимулирующая доза - 2500 - 4000 р гамма-лучей. Прибавка урожая при этом достигает 24 - 26%, а накопление каротина с единицы посевной площади возросло на 56% (за счет увеличения урожайности и накопления витамина). Урожайность капусты из облученных 2000 р семян выросла на 21%, а содержание витамина Е в рассаде увеличилось на 46 мг%, в зрелых кочанах - на 9,1 мг%. Облучение семян кукурузы дозой 500 р увеличило урожайность с 321 до 389 ц/га - (на 21,2%, а количество белка с гектара площади возросло на 38%, жира - на 42%, Сахаров - на 35%. Количество кормовых единиц в зеленой массе кукурузы увеличилось на 25%.

Предпосевное облучение семян хлопка дозой 1500 - 2000 р увеличивает его урожайность на 3-6 ц/га, а волокно становится более тонким и эластичным; повышается и содержание хлопкового масла в семенах. Облучение семян льна не только увеличивает выход волокна, но и резко повышает его технические качества. В табаке при облучении увеличивается количество алкалоидов и т. п. Количество подобных примеров можно было бы значительно расширить.

И все же получение положительных результатов при предпосевном облучении семян - дело достаточно серьезное и требующее глубокого знания как физиологии растений, так и особенностей биологического действия излучений. Не случайно предпосевное облучение семян дает наилучшие результаты в хозяйствах с высоким агротехническим уровнем. Семена должны быть сортовыми, храниться в кондиционных условиях. Предварительно должны быть определены радиочувствительность семян данного сорта и стимулирующие дозы. Чистые сорта более чувствительны, гибридные - устойчивее к действию радиации. По мере хранения радиочувствительность семян возрастает. Очень большое значение имеет влажность. Чрезмерно сухие и влажные семена гораздо чувствительнее к радиации.

Неплохие результаты дает длительное облучение растущих растений малыми дозами радиации на так называемых гамма-полях: в центре участка на высоте помещается источник радиации. В лабораторных условиях неплохие результаты получены при замачивании семян в растворах радиоактивных изотопов. Однако в практике сельского хозяйства этот метод вряд ли найдет применение, ибо всегда будет существовать опасность сохранения какой-то, пусть ничтожной, доли радиоактивности в урожае.

В 1960 г. в Москве состоялось Всесоюзное совещание по предпосевному облучению семян, которое обобщило положительный опыт советских ученых в этой области, отметило некоторые трудности и важность строгого соблюдения научных рекомендаций для получения высоких результатов и обеспечения безопасности персонала. Совещание рекомендовало для практического использования предпосевное облучение некоторых овощей, а также кукурузы на силос и отметило целесообразность дальнейших исследований в этой области.

Увеличив дозу радиации, можно вместо стимуляции' роста вызвать его угнетение. Этот эффект оказывается полезным в тех случаях, когда нужно обеспечить длительное хранение овощей, картофеля, предотвратить их прорастание и максимально сохранить питательную и пищевую ценность. И здесь очень многое зависит и от качества хранимых овощей, и от правильного выбора дозы. Если она будет слишком велика, мы рискуем настолько подавить сопротивляемость картофеля или овощей, что они станут легкой добычей грибковых или бактериальных инфекций, и вместо продления сроков хранения будет достигнут противоположный результат. Наличие поверхностных повреждений клубней способствует развитию инфекции. А если доза радиации окажется слишком слабой, вместо подавления прорастания может быть получен эффект его стимуляции.

Рис. 13. Клубни картофеля после одного года хранения в неохлаждаемом складе. а - облучение дозой 10 тыс. р, 6 - 5 тыс. р, в - 3 тыс. р, г — контроль

По данным ученых, наиболее пригодны для целей подавления прорастания картофеля дозы 8 - 10 тыс. р. Эти дозы не вызывают в продуктах нежелательных изменений. Облучать рекомендуется только здоровые клубни, без серьезных механических повреждений, через две-три недели после уборки, когда заканчивается заживление мелких поранений. Чтобы уменьшить дозу радиации без ущерба для эффекта, ученые рекомендуют осуществлять облучение в два приема: 4 тыс. р и через 1 час еще 1 тыс. р. Облучать, очевидно, есть смысл только ту часть урожая, которая предназначена для длительного хранения (рис. 13).

В облученных клубнях, благодаря блокаде прорастания, к весне сохраняется гораздо больше питательных веществ, чем в необлученных; особенно велико значение сохранения витаминов. Через 7,5 месяца хранения облученные клубни содержали на 14,4% больше крахмала, на 11,1% сухого остатка и в четыре раза больше витамина С.

Сказанного достаточно, чтобы оценить полезность и перспективность использования ядерных излучений и как средства борьбы с прорастанием.

Однако прорастание - далеко не единственная и даже не главная причина порчи разнообразных пищевых продуктов. Гораздо чаще растительные и животные продукты приходят в негодность, теряют пищевые качества, а то и становятся вредными для здоровья вследствие деятельности микроорганизмов: бактерий, грибков, некоторых простейших, а также насекомых, гельминтов и т. п. К числу особо скоропортящихся относятся такие ценные продукты животного происхождения, как мясо, рыба, птица. Обычные методы их консервации - замораживание, добавление соли, а также действие высокой температуры - имеют существенные недостатки. Охлаждение и замораживание дороги, так как требуют сложной аппаратуры, много электроэнергии, выполнения больших строительных работ, серьезных эксплуатационных расходов. Посол дает временный эффект, к тому же серьезно ухудшает вкусовые качества продукта и способствует экстрагированию белков и других ценных веществ. Воздействие высокой температуры с последующим помещением в металлическую или стеклянную тару дорого и также сопровождается изменением вкуса продуктов.

Весьма заманчивой поэтому представляется возможность лучевого консервирования пищевых продуктов. Для этой цели приходится прибегать к очень большим дозам радиации. Облучение 1 - 2 млн. р практически убивает все вегетативные формы микробов и большинство спор во всей массе облученного продукта. Если принять меры к ограждению продукта от последующего проникновения инфекции (целлофановые пленки и т. п.), он может месяцами храниться при обычных температурах. Но, к сожалению, есть и некоторые ограничения у этого перспективного метода. Прежде всего какая-то часть спор микробов и после таких высоких доз радиации может сохраниться и впоследствии прорасти. А для полной ликвидации спор приходится повышать дозу до 10 - 20 млн. р, вызывающих уже изменения в самом продукте. Да и более низкие дозы, порядка 1 млн. р, оказывают определенное влияние на качество мяса и рыбы. Наиболее чуствительными оказываются жиры, в которых под влиянием облучения резко усиливаются процессы самоокисления, прогоркания, что ухудшает вкусовые качества мяса, в особенности говядины и рыбы. Свиной жир и жир птицы более стойки, и их лучевая консервация вполне возможна и реальна, хотя исследования безвредности этого метода еще не закончены.

Гораздо больше шансов на успех имеет комбинированный температурно-лучевой метод. Доза радиации порядка 10 тыс. р, уничтожая большинство вегетативных форм микробов и совершенно не влияя на вкусовые качества продукта, увеличивает в пять-шесть раз сроки его хранения, а при пониженной (0°, -2°) температуре он может сохраняться месяцами.

Одна из частых причин порчи мяса и его браковки - присутствие в нем личинок глист, так называемых трихин и финн. Располагаясь в толще мышц животного, эти паразиты способны переносить длительную варку и кипячение. Облучение в дозе 10 тыс. р полностью уничтожает опасного паразита и делает свиное мясо вполне пригодным к употреблению.

Много хлопот людям причиняют и такие вредители сельского хозяйства, как амбарный долгоносик, истребляющий большие количества зерна, паразиты сахарной свеклы и т. п. Ежегодно на борьбу с ними расходуются большие средства, применяются ядохимикаты, средства протравливания зерна и т. п., но без значительных успехов. И в этом случае облучение (дозой 10 тыс. р), полностью уничтожая яйца и личинки долгоносика, позволяет с меньшими затратами исключить возможность размножения вредителей.

Взрослые формы насекомых - мухи, жуки, бабочки - очень устойчивы к действию радиации. В то же время они наносят немалый ущерб посевам. Применение ядерных излучений все же оказалось весьма полезным и в ряде таких случаев (при учете особенностей биологии насекомых). У некоторых из них самка оплодотворяется самцом всего один раз в жизни, откладывает несколько сот яиц и затем погибает. А половые клетки насекомых обычно довольно чувствительны к радиации. Облучение большого количества личинок позволяет получить стерильных самцов, неспособных к оплодотворению, но способных к спариванию. Выпущенные на волю, стерильные самцы спариваются с самками, которые в результате откладывают стерильные, не дающие потомства яйца. Если несколько раз и в больших количествах выпустить на волю стерильных самцов, можно добиться почти полной ликвидации вредного вида насекомых в данной местности.

Особенно хороших результатов можно добиться этим методом в изолированных районах. Так, на острове Кюрасао у побережья Венесуэлы, площадью 435 км2, в 1954 г. выпустили на 1 км2 около 200 стерильных самцов калитроги - насекомого, наносящего большой ущерб скотоводству. Этого оказалось достаточно для полной ликвидации вредителя, причем затраты были во много раз меньше ежегодных затрат на борьбу с этим насекомым в предыдущие годы. Возможности биологического метода борьбы с вредными насекомыми изучаются и в нашей стране.

Итак, ядерные излучения завоевали прочное место в сельском хозяйстве, где их применение уже дает важные и ценные результаты, но неизмеримо большего можно будет достигнуть тогда, когда их возможности будут реализованы в полной мере.

 

Меченые атомы в биологических исследованиях

Процессы обмена веществ, непрерывно происходящего в живых организмах,- один из основных вопросов биологии. Долгое время, однако, не было найдено такого метода, который позволял бы изучать динамику обменных процессов в клетках, органах и тканях животных и растений. Наиболее подходящим для этой цели представлялся метод метки, при котором вводимые в организм соединения метятся, чтобы в дальнейшем можно было проследить за их судьбой. В некоторых случаях те или иные вещества метили красителями. Однако этот метод имел существенные недостатки: а) метка по своей химической природе отличалась от того вещества, которое она должна метить, в связи с чем нельзя было утверждать, что поведение и самого вещества и метки во всех случаях одинаково; б) концентрацию метящего вещества иногда приходилось брать настолько большой, что это могло повлиять на течение процесса.

Широкие возможности в этом отношении открыл перед исследователями метод, основанный на применении радиоактивных индикаторов, получивший название метода меченых атомов. Его сущность заключается в том, что радиоактивные изотопы, добавленные к неактивным атомам, как бы метят их, позволяя следить за ходом течения различных процессов, в которых участвуют эти атомы. При исследовании к основной порции нерадиоактивного вещества добавляют небольшое количество активного, содержащего радиоактивный изотоп. Полученную смесь вводят внутрь организма, добавляют к продуктам питания и т. д. Так как при обычных химических процессах различные изотопы одного и того же элемента ведут себя одинаково, поведение атомов радиоактивного изотопа не будет отличаться от поведения нерадиоактивных атомов. Через определенные промежутки времени с помощью специальных приборов наблюдают за распределением радиоактивного изотопа в тканях организма. Полученная картина характеризует распределение и нерадиоактивного изотопа.

Естественно радиоактивные вещества использовались в качестве индикаторов в химических и биологических исследованиях в 1917 г. В. Н. Спицыным для определения растворимости солей тория в разных растворителях. Но широко этот метод стал применяться только после того, как научились изготовлять искусственно радиоактивные изотопы.

Метод меченых атомов имеет чрезвычайно высокую чувствительность, обусловленную применяемыми методами обнаружения и измерения ядерных излучений. Так, отдельные радиоактивные вещества могут быть обнаружены в количестве 10-15-10-20г, в то время как чувствительность спектроскопических измерений не превышает 10-10-10-12г. Другое достоинство этого метода - возможность измерения активности радиоактивных изотопов в присутствии значительного количества неактивного вещества без выделения вещества в чистом виде и очистки проб.

Для обнаружения радиоактивных индикаторов применяют такие чувствительные приборы, как описанные выше газовый и сцинтилляционный счетчики, позволяющие обнаружить ничтожное количество радиоактивных веществ и измерить даваемые ими излучения.

Рис. 14. Авторадиограмма листа

В некоторых случаях необходимо не только обнаружить радиоактивный изотоп и измерить активность, но и изучить распределение его в том или ином объекте. Если объект имеет большие размеры, для этой цели пользуются специальными приборами, если же размеры объекта невелики (отдельные органы и части органов животных, листья, корни и другие части растений и т. п.), прибегают к методике авторадиографии (рис. 14). Чтобы получить авторадиограмму, исследуемый образец в темном помещении прижимают к эмульсионному слою фотопластинки или фотопленки, которую проявляют через несколько дней. Места объекта, содержащие радиоактивные вещества, вызывают почернение расположенных рядом с ними участков пленки. Полученная таким образом авторадиограмма наглядно отображает распределение радиоактивного изотопа в исследуемом объекте.

Для проведения исследований этим методом необходимо затратить довольно много времени, но зато он дает наглядную картину распределения изотопа в том или ином участке организма. Точное место накопления радиоактивного изотопа можно установить методом микроавторадиографии. Чтобы удобнее было сравнивать авторадиограмму с самим объектом, поступают следующим образом. Тонкий срез исследуемого образца в темноте поливают жидкой фотоэмульсией. Эмульсия застывает, твердеет и в таком виде ее оставляют в контакте со срезом на несколько дней. После экспонирования фотослой вместе со срезом помещают в проявитель, после чего их кладут под микроскоп. Рассматривая одновременно и срез, и его микроавторадиограмму, можно точно определить места локализации радиоактивного изотопа.

Радиоактивные индикаторы используются в опытах на животных. Если необходимо исследовать поведение какого-либо вещества в организме животного, вместе с пищей или же путем подкожного впрыскивания вводят определенное количество радиоактивного изотопа в смеси с нерадиоактивным изотопом этого же элемента. Через некоторое время, поднося счетчик излучения к той или иной части тела животного, определяют интенсивность излучения. Для определения содержания радиоактивного изотопа в крови у животного берут пробу крови. Чтобы получить более точное представление о распределении изотопа в отдельных органах и тканях, животное через определенный промежуток времени забивают и приготовляют препараты различных органов. Для уменьшения объема и веса препараты высушивают и озоляют в муфельной печи, а затем измеряют их активность.

Метод меченых атомов позволяет биологам и медикам изучить физиологические процессы в условиях эксперимента, наиболее приближающихся к тем, которые имеют место в неповрежденном организме.

Уже вскоре после применения этого метода были получены очень интересные и важные результаты. Новым явилось для биологов прямое доказательство постоянного и непрерывного обновления всех составных частей организма и та неожиданная быстрота, с которой совершаются процессы перемещения вещества, сложные процессы белкового обмена и обмен минеральных веществ.

Ничтожно малое количество радиоактивного вещества, не нарушающее равновесия между протекающими в теле процессами, легкость выявления и определения местоположения изотопа, возможность в некоторых случаях проведения исследований на живом организме обусловили успешное применение метода радиоактивных индикаторов почти во всех областях биологии. Полученные этим методом данные в настоящее время широко используются в медицине и сельском хозяйстве. Например, через четыре часа после подкожного введения крысам фосфора 18,6% его было найдено в костях, 15,4% - в мышцах и 0,16% - в мозгу. Установлено, что 30% фосфора, находящегося в скелете белых крыс, обновляется в течение одного дня.

Обмен азота в белке многих тканей (печени, почках, крови) на меченый азот происходит с большой быстротой и заканчивается на протяжении трех-четырех суток. В таких тканях, как мышцы, сердце, селезенка, обмен идет медленнее, но не дольше одной-двух недель.

Исследования, проведенные с радиоактивным кальцием, показали, что в костной ткани молодого животного концентрируется 90% введенного кальция, в то время как в кости старого поступает только 40%.

При введении беременным крольчихам радиоактивного железа, связанного с β-1 глобулином, через 17 час. третья часть железа была обнаружена в организме плода. При этом 1 г печени плода, где главным образом концентрируется железо, оказался в 120 раз активнее такого же количества печени матери.

В области физиологии метод меченых атомов дал возможность получить интересные данные относительно перемещения вещества через клеточные оболочки и мембраны и естественные границы между органами и тканями. Так, при помощи воды, меченной тритием, было установлено, что в течение одной минуты 70% воды, содержащейся в русле кровотока, выходит за его пределы и до 70% воды возвращается в этот же срок обратно. С большой скоростью происходит проникновение ионов натрия и калия из русла кровотока во внесосудистую жидкость организма, а ионов калия - и внутрь клеток. Ценные результаты были получены при изучении скорости проникновения вводимых в кровь веществ в спинномозговую жидкость.

Вводя в кровяное русло радиоактивный изотоп, можно определить скорость кровотока. Для этого нужно измерить время, необходимое для того, чтобы радиоактивный изотоп, введенный в вену одной конечности,- был обнаружен счетчиком у другой конечности.

Интересно, что при введении в организм здорового животного солей железа только незначительная часть их поглощается организмом. В том случае, когда животному предварительно было произведено кровопускание, почти все введенное в организм железо усваивается.

При изучении функции щитовидной железы с помощью радиоактивного йода установлено, что уже через несколько минут после введения в организм небольшого количества йодистого калия концентрация радиоактивного йода в щитовидной железе во много раз выше, чем в других органах, тканях и крови. В то же время способность избирательного поглощения йода щитовидной железой значительно изменяется в зависимости от ее функционального состояния. Это позволило разработать применяемые в клинике методы исследования функциональной деятельности щитовидной железы.

В области энтомологии практически важные результаты были получены при изучении дальности и путей миграции различных вредных насекомых, вопросов физиологии насекомых, их питания, механизма действия инсектицидов, переноса насекомыми болезнетворных грибков, бактерий, вирусов. Исследуемых насекомых (или их личинки) метили либо при кормлении, вводя вместе с пищей радиоактивный изотоп, либо путем обработки тела насекомых радиоактивными препаратами. Оказалось, что основная масса домашних мух, являющихся переносчиками таких заболеваний, как дизентерия, в населенных местах перемещается на расстояние до 1 - 2 км от места вылета, а иногда и на более далекие расстояния - до 10 км. С помощью меченных фосфором пчел изучался вопрос о переносе заболеваний пчел из одного улья в другой.

Широко используется метод меченых атомов и в исследованиях по сельскому хозяйству. А. Л. Курсанов, А. М. Кузин, Н. Г. Крюков с помощью радиоактивного углерода - 14 обнаружили новую функцию корневой системы - поглощение корнями углекислоты из почвы и передачу ее в зеленые части растений.

Использование изотопов углерода позволило также лучше изучить один из наиболее сложных биологических процессов - фотосинтез.и наметить пути управления им. Как известно, растения в течение дня "вдыхают" из воздуха углекислый газ и под действием света вырабатывают из него углеводы. Процесс этот, протекающий с участием зеленого красителя растений - хлорофилла, имеет огромное значение в развитии жизни на Земле. Практическое управление этим процессом и возможность осуществления его в искусственных условиях могли бы привести к тому, что человечество не зависело бы, как сейчас, от урожаев сельскохозяйственных культур.

Декабрьский Пленум ЦК КПСС 1963 г. рассмотрел вопрос об ускоренном развитии химической промышленности - важнейшего условия подъема сельскохозяйственного производства и роста благосостояния народа.

Увеличение производства минеральных удобрений дает возможность добиться устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур, повысить эффективность сельского хозяйства. Но для того чтобы минеральные удобрения давали наибольшую пользу, нужно уметь правильно их использовать, знать, когда, как и в каком количестве их следует применять. Тут может оказать огромную помощь работникам сельского хозяйства метод меченых атомов.

Путем введения радиоактивного изотопа фосфора - 32 в почву было установлено, что фосфор поступает в растения кукурузы через 2 мин., фасоли - через 5 и ячменя через 10 мин. после набухания семян. Следовательно, обмен веществ у растений с внешней средой начинается сразу же после того, как их семена набухнут или прорастут. Этим была обоснована необходимость внесения фосфорных удобрений в грядки под семена или совместно с семенами при посеве.

Тот же изотоп фосфор - 32 служит для установления коэффициента использования фосфора из удобрений, выбора способов внесения удобрений, оценки работы сельскохозяйственных орудий и машин для внесения удобрений. Применяя этот изотоп, а также радиоактивный углерод, удалось подтвердить выдвинутое советскими учеными положение о том, что основным местом синтеза сахарозы являются листья сахарной свеклы, а в корнях она только отлагается в запас, и что в повышении сахаристости свеклы важная роль принадлежит фосфатному питанию.

Изотопы хлор - 36 и натрий - 22 при решении задач мелиорации используются для изучения передвижения в почве воды и солевого режима почвы.

Целый ряд вопросов, связанных с удобрением почвы, нашел свое разрешение только с применением радиоактивных изотопов, потому что химическими исследованиями такие вопросы решить невозможно. Так, вносимые с удобрениями элементы фосфор, сера, калий всегда находятся в почве, поэтому химическим путем невозможно решить, откуда данный элемент поступает в растение - из удобрения или непосредственно из почвы. При использовании же меченых удобрений можно легко и быстро определить, как усваивает данное растение внесенное тем или иным способом удобрение.

Методом радиоактивных индикаторов было установлено, что хлопчатник, кукуруза, клевер усваивают фосфор лучше при местном введении удобрения, чем при разбрасывании. Картофель интенсивно использует фосфор удобрений в течение всего роста, кукуруза усваивает его особенно активно в ранние сроки вегетации, а соя почти весь нужный ей фосфор берет из почвы, несмотря на внесение большого количества удобрений. Исключительна роль метода радиоактивных индикаторов в изучении роли и значения микроэлементов в развитии сельскохозяйственных культур.

Микроэлементами называют такие элементы, которые поступают в организм в ничтожно малых количествах, но без которых невозможно его нормальное развитие. Медь, цинк, марганец, кобальт, молибден, бор находятся в почве в ничтожно малом количестве, а между тем их отсутствие вызывает заболевания растений. Многие растения обладают сильно развитым избирательным свойством в отношении микроэлементов. Некоторые элементы, присутствие которых не может быть определено в почве даже таким чувствительным методом, как спектральный анализ, накапливаются в растениях в сравнительно большом количестве. В зеленых огурцах обнаружено довольно много серебра, в чесноке - ванадия, в капусте - молибдена, циркония и др.

Таким образом, метод меченых атомов - весьма эффективное вспомогательное средство для изучения приемов улучшения питания сельскохозяйственных растений. Метод этот нашел применение и при изучении питания сельскохозяйственных животных. Так, использование радиоактивного углерода показало значение хлорофилла в питании животных. Оказалось, что углерод, входящий в состав хлорофилла, быстро включается в гемоглобин. Недостаток хлорофилла приводит к падению продуктивности, понижению способности к размножению, ослаблению сопротивляемости организма к заболеваниям. Радиоактивные индикаторы позволили изучить значение отдельных элементов кормов для животного организма. С помощью кобальта - 60 была установлена необходимость содержания в кормах кобальта, который в организме животных входит в состав витамина В12.

Интересный пример использования методики меченых атомов - применение ее для определения эффективности искусственного разведения молоди промысловых рыб Волго-Каспийского бассейна.

В нашей стране большое внимание уделяется рыбному хозяйству. Один из способов увеличения количества рыбы в водных бассейнах - выращивание в специальных нерестово-вырастных хозяйствах мальков промысловых рыб с последующим выпуском их в реку. Проведенные с помощью меченых атомов исследования (выпускаемые мальки снабжались радиоактивной меткой и определялся процент меченых рыб ко всему количеству рыбы в реке) показали, что выпуск выращенной молоди леща в реку малоэффективен, так как подавляющее большинство мальков становится жертвой хищных рыб, и 96% всего поколения приходится на долю естественного размножения. Вместе с тем вывоз выращенной молоди в море на места нагула позволяет повысить ее выживаемость по сравнению с выживаемостью в реке в девять раз.

Большое значение для определения возраста различных биообъектов имеет методика определения возраста по радиоактивному углероду С14.

В земной атмосфере под действием космических лучей происходит непрерывное образование радиоактивного изотопа углерода - С14. Ежегодно таким путем образуется около 9,8 кг С14. Общее же количество С14, содержащегося в земной атмосфере, является постоянным, так как приток нового С14 компенсируется радиоактивным распадом уже имеющегося и составляет около 1 т. Соединяясь с кислородом, этот изотоп образует радиоактивный углекислый газ, который вместе с обычным углекислым газом поглощается растениями, а оттуда переходит и к животным.

Имеющиеся данные показывают, что за последние 20 тыс. лет отношение содержания радиоактивного углерода С14 к нерадиоактивному С12 в атмосфере остается неизменным. Такое же соотношение устанавливается в результате непрерывно протекающих обменных процессов и в тканях растительных и животных организмов. В случае смерти организма обменные процессы прекращаются; новый радиоактивный углерод в организм не поступает, а старый постепенно распадается. Поэтому у мертвых растительных и животных организмов наблюдается непрерывное изменение соотношения С14 : С12 за счет уменьшения количества радиоактивного углерода С14 (рис. 15). Так как период полураспада С14 составляет 5568 лет, то кусок кости мамонта, пролежавший в земле пять с половиной тысяч лет, будет содержать вдвое, а пролежавший одиннадцать тысяч лет - вчетверо меньшее количество С14 по сравнению с живущими организмами. Метод этот очень удобен для объектов, содержащих углерод и имеющих возраст от 2 до 50 тыс. лет.

Многие из читателей нашей книжки увлекались в свое время рассказом известного норвежского путешественника Тура Хейердала о его путешествии на Кон-Тики. Когда перед Хейердалом встал вопрос о возрасте каменных идолов на Маркизских островах, он воспользовался тем обстоятельством, что под некоторыми из них был обнаружен пепел костров. Пользуясь радиоуглеродным методом, он установил, что старейшие из проб пепла, взятых под идолами, относятся приблизительно к 1300 г., а, следовательно, к этому же периоду следует отнести установку идолов.

В настоящее время помимо углеродного разработаны методы определения возраста ископаемых останков, основанные на распаде иных радиоактивных элементов (калия, рубидия, урана и других). Такие "радиоактивные часы" позволяют уже определять возраст в миллионы лет. Таким образом был определен возраст останков, представленных на рис. 16.

Рис. 15. Зависимость удельной радиоактивности изотопа С14 от возраста образца (а — ж)

Нами перечислена только небольшая часть работ, которые выполнены с применением радиоактивных индикаторов в области биологии. Однако и сказанного достаточно, чтобы показать, какие широкие возможности открыл этот метод для исследователя-биолога. Несмотря на свою универсальность, метод меченых атомов не во всех случаях может помочь биологам в решении стоящих перед ними задач. Возьмем, например, такой случай. Ботаникам и специалистам по сельскому хозяйству очень важно изучить распространение пыльцы растений. Мечение пыльцы радиоактивными элементами требует значительного количества этих элементов, это представляет собой опасность в отношении загрязнения местности и повышения радиоактивного фона, что, конечно, недопустимо. Как быть? Тут на помощь меченым атомам пришел новый метод исследования, получивший особое распространение в последние 5 - 10 лет, - радиоактивационный анализ.

Рис. 16. Ископаемые останки доисторического млекопитающего арсин-териума (а) и крылатого ящера птеродактиля (б), возраст которых (40 и 160 млн. лет) определен с помощью 'радиоактивных часов'

Метод этот основан на изучении наведенной радиоактивности, возникающей в исследуемом объекте при облучении его нейтронами. Нейтроны, как уже об этом было сказано выше, представляют собой частицы, не обладающие электрическим зарядом. Благодаря этому на них не действуют электрические силы, существующие внутри атома, и они легко проникают в ядра атомов. При этом происходят ядерные реакции, в результате которых атомы становятся радиоактивными. Полученные радиоактивные изотопы различаются друг от друга по энергии квантов и частиц, а также по периодам полураспада. Определив с помощью специального прибора (спектрометра) энергию квантов излучения образовавшегося радиоактивного изотопа и измерив период полураспада, можно установить, какому элементу (или каким элементам) принадлежит это излучение и, таким образом, узнать химический состав облученного образца.

Наиболее удобный для данной цели источник нейтронов - ядерный реактор, внутри которого интенсивность потока нейтронов доходит до 1013 - 1014 нейтронов на 1 см2 в секунду. При проведении радиоактивационного анализа исследуемый объект помещают в специальном канале, имеющемся для этой цели в защите реактора, поближе к его активной зоне.

Основное преимущество радиоактивационного анализа - очень высокая чувствительность. Для ряда элементов, например для мышьяка, марганца, ртути, меди, цинка, хрома, фосфора и других, она настолько высока, что эти элементы могут быть обнаружены в количестве 10-10 г, а диспрозий и европий обнаруживаются даже - 10-12 г. Это во много раз превосходит чувствительность спектрального анализа.

Активационный анализ явился ценным дополнением к методу меченых атомов. В приведенном выше примере с пыльцой растений поступили таким образом - пыльцу пометили ничтожными количествами стабильного изотопа. В таком виде она не представляла собой никакой опасности. Затем из ряда мест, где предполагалось наличие пыльцы, брали образцы. Их помещали в ядерный реактор, после чего исследовали излучение образовавшихся радиоактивных изотопов. Таким образом, можно было определить наличие или отсутствие в данном образце элемента, использованного для метки.

В настоящее время радиоактивационный анализ широко используется в биологии для решения самых разнообразных задач. Этим методом определено содержание микроэлементов (т. е. элементов, присутствующих в ничтожных количествах) в различных тканях и жидкостях организма человека и животных. Как показывают данные современной науки, микроэлементы, несмотря на небольшое количество, играют огромную роль в жизни человека, животных и растений. Радиоактивационным методом было определено содержание йода в крови нормальных людей и людей, страдающих расстройствами щитовидной железы.

Эффективным оказалось применение радиоактивационного анализа в токсикологии для обнаружения ничтожных следов ядов в организме. Так, при отравлениях мышьяком он легко, обнаруживается этим методом в волосах и ногтях, причем для исследования достаточно взять сотые доли грамма волос и ногтей. Если исследовать распределение наличия мышьяка по длине волоса, то, учитывая скорость роста волос, можно установить даже время отравления.

Так, проведенное расследование обстоятельств смерти Наполеона в 1821 г. показало, что содержание мышьяка в его волосах в 13 раз превосходило норму. Тщательные измерения, проведенные вдоль волоса (длина волос составляла 13 см), привели к выводу о том, что мышьяк вводился небольшими дозами в течение четырех месяцев.

Этим же методом была проверена историческая версия об отравлении ртутью шведского короля Эрика XIV в. 1568 г. При исследовании останков в них была обнаружена ртуть.

 

Изотопы ставят диагноз

Методика меченых атомов нашла широкое применение во многих областях науки. Один из наиболее интересных и практически важных случаев использования этой методики - применение ее в медицине для диагностики ряда заболеваний. Позволяя судить о перемещении тех или иных веществ в организме, характере накопления их в отдельных органах и тканях и выведения их из организма, они помогают обнаруживать начальные патологические сдвиги в организме, которые трудно, а подчас и невозможно обнаружить другими методами.

Первые попытки использовать радиоактивные изотопы для целей диагностики относятся к тому периоду, когда не было еще известно об искусственной радиоактивности. Так, в 1927 г. делались попытки использовать радиоактивный элемент - радий С для измерения скорости движения крови в организме. Попытка эта, однако, оказалась неудачной - радий С и долгоживущие продукты его распада накапливались в костях и очень плохо выводились из организма, представляя, таким образом, определенную опасность для больного. Только после открытия искусственной радиоактивности медики получили в свое распоряжение радиоактивные изотопы, пригодные для целей диагностики.

Началом радиоизотопной диагностики следует считать 40-е годы, когда начали появляться работы по применению радиоактивных изотопов в клинике для целей диагностики. В СССР в 1943 г. Г. М. Франк и И. Н. Верховская применили радиоактивный фосфор Р32 для изучения особенностей обмена фосфора в костях.

За прошедшие почти 30 лет метод радиоизотопной диагностики занял прочное место в клинической практике, показав свою высокую чувствительность и эффективность при диагнозе целого ряда заболеваний. В то же время тщательный подбор применяемых радиоактивных веществ и непрерывное повышение чувствительности методов регистрации излучений привели к значительному уменьшению доз, получаемых исследуемыми. Самые тщательные наблюдения в течение десятилетий над больными, которые подвергались обследованию с помощью радиоактивных веществ, не смогли выявить у них каких-либо вредных последствий. Большое достоинство данного метода - то, что при нем не происходит никакого нарушения нормальной жизнедеятельности организма.

В радиоизотопной диагностике в настоящее время используются радиоактивные изотопы натрия (Na24), фосфора (Р32), кальция (Са47), хрома (Сr51), криптона (Кr85), йода (I131, I132), ксенона (Хе133), золота (Аu198) и др.

Основное требование, предъявляемое к этим изотопам, - низкая радиотоксичность. Непригодны для целей диагностики изотопы, которые обладают длительным периодом полураспада и трудно выводятся из организма или преимущественно накапливаются в жизненно важных органах. С другой стороны, работа с короткоживущими изотопами, с периодом полураспада несколько минут, представляет значительные трудности и неудобства. Поэтому наиболее пригодны радиоизотопы с периодом полураспада от 10 часов до нескольких дней. Существеннее значение имеют также вид и энергия излучения взятого изотопа. Для регистрации излучения препарата, находящегося внутри организма, необходимо, чтобы энергия его была достаточна и излучение выходило наружу. Целесообразно для этой цели применять гамма-излучатели с энергией от 100 кэв и более. Слишком высокая энергия излучения создает дополнительные трудности с защитой приборов и обслуживающего персонала.

Большие перспективы перед радиоизотопной диагностикой открыла возможность получения разнообразных химических соединений, обладающих различными биологическими свойствами, в состав которых входят радиоактивные изотопы. Это дает возможность получения радиоактивных веществ, обладающих необходимыми для тех или иных исследований биологическими свойствами.

Радиоактивный изотоп вводится внутрь организма внутривенно или через рот. Затем при помощи специальных приборов определяют характер его распределения в различных органах и тканях или же регистрируют динамику перераспределения радиоактивных веществ в организме.

При лечении некоторых заболеваний, особенно заболеваний сердечно-сосудистой системы, для определения степени нарушения бывает необходимо измерить скорость движения крови в сосудах, определить состояние местного (органного) или общего кровообращения и тканевого кровотока. При таких болезнях, как облитерирующий эндоартериит, артериосклеротическая гангрена и др.. основной симптом - показатель тяжести нарушения периферического кровообращения. Для определения его больному вводят в локтевую вену 15 - 20 мккюри I131 и следят за показаниями радиографа, установленного у пятки стопы, который регистрирует на ленте время и скорость накопления активности в стопе. "

Широкое распространение получило применение радиоактивного йода для диагностики заболеваний щитовидной железы. При поступлении в организм йод из желудочно-кишечного тракта всасывается в кровь, затем некоторые количества его накапливаются в щитовидной железе, распределяются во внеклеточной жидкости и выводятся почками. Накопление йода в щитовидной железе происходит довольно быстро. В норме уже через 2 часа 20% содержащегося в крови йода удерживается в щитовидной железе, через 24 часа количество этого элемента увеличивается до 40%.

При различных заболеваниях щитовидной железы наступают характерные изменения в йодном обмене. При таких заболеваниях, как гипоплазия и аплазия щитовидной железы, старческая атрофия железы, тиреоидиты, эндемический зоб, имеет место снижения интенсивности йодного обмена. Наоборот, при гиперплазии щитовидной железы и некоторых формах эндемического и спорадического зоба интенсивность йодного обмена повышается.

Динамика накопления йода в щитовидной железе, содержание его в крови и выделение с мочой могут быть прослежены с помощью радиоактивного йода, который для этой цели вводится внутривенно.

Измеряется и скорость накопления йода в щитовидной железе.

Для определения топографии щитовидной железы, ее формы, размеров отдельных долей и относительной функциональной активности отдельных ее долей прибегают к методике скеннирования.

Рис. 17. Гамма-топограф, или скениер - прибор для изучения распределения радиоактивного вещества в организме человека. Интенсивности излучения, воспринимаемого специальным датчиком от отдельных точек объекта (а, б), соответствует интенсивность почернения тех же участков (а1 , б1 ) на скеннограмме

Радиоизотопным скеннированием называется получение на бумаге штрихового изображения при помощи тех же участков (а б) на скеннограмме прибора, называемого скеннером или гамма-топографом, схема которого показана на рис. 17. Основная часть скеннера - датчик, чувствительный к радиоактивным излучениям. В качестве такового чаще всего используется сцинтилляционный счетчик, заключенный в свинцовый коллиматор, позволяющий излучениям падать на него только в определенном направлении. Вместе с коллиматором датчик непрерывно передвигается над обследуемым участком тела больного. Синхронно с передвижением датчика перемещается на бумаге перо самописца. Каждому импульсу, полученному счетчиком, соответствует штрих на бумаге. Чем больше активность в том или ином участке тела, тем больше импульсов зарегистрирует датчик и тем гуще будет чертить штрихи перо самописца. Так как самописец передвигается синхронно с датчиком, то на бумаге точно копируется распределение активности в теле больного. На бумаге при этом возникает определенная картина, на которой максимально заштрихованы те места, которые соответствуют участкам тела с максимальной активностью. Для большей наглядности штрихи проводят цветными красками, причем каждому цвету соответствует своя активность ткани. Полученное изображение органов на скеннограмме сопоставляется с топографией расположения их в теле больного.

Рис. 18. Нормальная скеннограмма головы человека (а) и скеннограмма больного с опухолью головного мозга (б), полученная после введения радиоактивной меди (Сu54 )

Известно, что в борьбе с таким тяжелым заболеванием, как рак, большое значение имеет ранняя диагностика болезни. И тут врачу помогают меченые атомы. В тканях злокачественных опухолей обмен веществ происходит более интенсивно, чем в окружающих тканях, возрастает и скорость обмена фосфатидов. Это приводит к тому, что опухолевая ткань значительно больше поглощает фосфора, чем окружающая ее здоровая. Если в организм больного ввести некоторое количество радиоактивного фосфора, то уже через несколько часов с помощью радиометра можно обнаружить преимущественное накопление его в месте локализации опухоли.

Радиоактивный фосфор (Р32), дающий сравнительно мало проникающее бета-излучение, малопригоден для диагностики глубоко расположенных опухолей (например опухолей головного мозга). В таких случаях применяют изотопы, излучающие гамма-лучи. На рис. 18 приведены нормальная скеннограмма головы и скенограмма больного с опухолью головного мозга, полученные после введения Сu54 (по Г. А. Зедгенидзе и Г. А. Зубовскому).

Меченые атомы нашли себе применение и при исследовании функционального состояния печени и почек. Для этого используют свойство некоторых химических соединений избирательно поглощаться данными органами. В молекулы этих соединений в качестве меток вводят радиоактивные изотопы. Так, для определения функции печени используют краску - бенгальскую розу, меченную радиоактивным йодом, или коллоидный раствор радиоактивного золота (Аu198); при исследовании почек применяют диодраст или гиппуран, меченный йодом I131.

В результате радиоизотопного исследования печени могут быть получены данные, недоступные другим методам исследования, в отношении функциональной деятельности, топографии, формы и размеров печени. Радиоизотопное исследование почек позволяет установить расстройства функции почек при различных заболеваниях.

В последние годы начинает получать распространение метод функционального исследования легких. Больной вдыхает радиоактивный газ ксенон (Хе133); интенсивность излучения непрерывно регистрируется несколькими датчиками, установленными в различных местах обоих легких.

По характеру накопления и выведения радиоактивного ксенона судят о вентиляционной способности легких в целом и их отдельных участков.

 

Ядерные излучения лечат

Вскоре после открытия лучей Рентгена удалось установить, что их способность проникать сквозь ткани может быть использована в медицине. С помощью нового "всевидящего ока" врачи могли найти металлический осколок или иглу, застрявшие в тканях человека, увидеть туберкулезный инфильтрат или раковую опухоль в легких. Рентгеновские лучи остаются незаменимым помощником врача и сегодня. С их помощью можно поставить точный диагноз язвы желудка и митрального порока, плеврита и эхинококка печени. Техника рентгеновского исследования усовершенствовалась: современной аппаратурой можно производить послойное исследование легких для точной локализации в них болезненного процесса; с помощью современного флюорографа в течение нескольких часов можно обследовать жителей целого поселка. В наши дни не забывают об опасности частых повторных облучений, не практикуют без особой на то нужды массовых рентгеновских обследований населения, не подвергают опасности облучения беременных женщин. В каждом случае врач должен взвесить пользу и возможный вред от применения лучей Рентгена и принять правильное решение.

В медицине рентгеновские лучи применяются не только с целью диагностики. Ученые сумели использовать в интересах больного разрушительное, смертоносное действие больших доз этих лучей, направив их на ткани злокачественных опухолей. С помощью современных рентгенотерапевтических установок, в результате длительного курсового лечения, врачи достигают нередко поразительных успехов. Но ведь опухоли, как правило, лежат в глубине, среди здоровых тканей. Каким же образом удается разрушить опухоли, не повредив существенно кожу и здоровые ткани?

Это, несомненно, очень сложная задача. При лучевой терапии всегда в некоторой степени страдают здоровые ткани. Но и врач, и больной вынуждены идти на это во имя достижения основной цели - уничтожения злокачественной опухоли. Преимущественного разрушения ткани опухоли по сравнению со здоровой удается достигнуть прежде всего потому, что опухоль обычно обладает большей радиочувствительностью. Опухоль быстро увеличивается, прорастает в соседние здоровые ткани в результате частого деления клеток (митоза). А мы уже знаем, что частота митозов является показателем радиочувствительности любой ткани. Чем опухоль злокачественнее и быстрее растет, чем чаще в ней возникают митозы, тем чувствительнее она к действию радиации. Поэтому при одной и той же дозе и одинаковых условиях облучения опухолевая ткань разрушается больше, чем здоровая.

Однако в быстро растущих опухолях формирование кровеносных сосудов и кровоснабжение нередко отстают. Опухоль в целом, а ее центр в особенности, настолько плохо снабжается кислородом, что нередко даже происходит омертвение сердцевины опухоли. Поскольку при недостатке кислорода чувствительность клеток к радиации резко снижается, в такой опухоли создаются весьма невыгодные для лучевой терапии условия: бедность кислородом делает опухоль менее чувствительной к облучению, чем соседние здоровые ткани. В результате лучевое лечение либо не достигает цели, либо приводит к сильному повреждению тканей организма и к развитию лучевой реакции.

Разобравшись в причинах устойчивости к радиации некоторых опухолей, специалисты-радиобиологи вскоре нашли и выход. Если больного на время облучения поместить в камеру с повышенным до 3 атмосфер давлением кислорода, последний хорошо насытит ткань опухоли и тем самым в два-три раза повысит ее радиочувствительность. Что касается здоровых тканей, то они и без того отлично снабжались кислородом, и увеличение его давления уже не повлияет на их радиочувствительность. Применение такого мероприятия может повысить чувствительность опухоли к действию лучевой терапии, увеличить эффективность лечения. Однако этот метод может дать результаты лишь при некоторых видах опухолей, он требует специального технического оснащения. Кроме того, кислород под давлением может в некоторых случаях быть небезопасен.

Чтобы уменьшить действие облучения на здоровые ткани, прибегают к такому приему. Опухоль облучают с разных сторон таким образом, чтобы все пучки лучей пересекались точно в центре опухоли. Тогда каждый участок кожи получит дозу лучей, в несколько раз меньшую, чем ткань опухоли. В последние годы созданы специальные ротационные гамма-установки, в которых источник излучения во время сеанса непрерывно движется по дуге, составляющей часть окружности, центр которой лежит в опухоли. Кроме того, для уменьшения облучения здоровых тканей при лечении регулируют длину волны лучей, а вместе с ней и глубину их проникновения в организм. Если лучевое лечение назначается при раке кожи или некоторых других кожных заболеваниях (экземе, невродермите), врачи пользуются близкофокусной рентгеновской трубкой, дающей мягкие лучи с очень слабой проникающей способностью. Если же опухоль расположена глубоко под здоровыми тканями, применяют наиболее жесткие рентгеновские лучи или пользуются гамма-лучами специальных кобальтовых установок, которые поглощаются преимущественно на глубине около 10 см, тогда как кожа остается незатронутой.

Быстрое развитие ядерной физики, создание все более мощных и разнообразных ускорителей заряженных частиц - электронов, протонов, дейтронов, альфа-часстиц (ядер гелия) и еще более тяжелых частиц - раскрыли новые перспективы и перед лучевой терапией опухолей, особенно глубоко расположенных. Пучки тяжелых заряженных частиц легче фокусируются и меньше рассеиваются, меньше повреждают здоровые ткани; благодаря ограниченному пробегу в тканях, более высокой, чем у гамма-лучей, ОБЭ и увеличению линейной плотности ионизации с глубиной проникновения - потоки тяжелых частиц дают более эффективное и концентрированное разрушение опухолей, а здоровые ткани страдают при этом значительно меньше. Отсутствие кислородного эффекта, характерное для плотноионизирующих частиц высоких энергий, позволяет с успехом использовать протонные и другие ускорители для лечения и тех форм опухолей, которые из-за плохого кровоснабжения и гипоксии устойчивы к терапии рентгеновскими или гамма-лучами. В нашей стране уже созданы первые клиники, в которых больных злокачественными опухолями лечат потоками быстрых протонов.

Наибольшего эффекта можно ожидать от лечебного применения так называемых отрицательных пи-мезонов -o частиц с массой, промежуточной между массами электрона и протона (составляющей 270 масс электрона), впервые обнаруженных в 1947 г. в космических лучах. Сейчас установлено, что пи-мезоны (а они бывают и положительно заряженные, и нейтральные) выполняют в ядрах атомов роль своеобразного клея или смазки, скрепляющей нуклоны, т. е. протоны и нейтроны. Постоянный обмен пи-мезонами представляет собой основу тех ядерных сил, которые придают большинству ядер прочность и устойчивость.

Какие же преимущества перед другими видами лучевого лечения имеют потоки отрицательных пи-мезонов? Оказывается, в конце своего пробега (-) пимезон поглощается атомным ядром и вызывает его расщепление. А так как длина пробега этой частицы и время ее жизни (10-8сек.) хорошо известны, то можно очень точно навести мезонную пушку так, чтобы снаряд разорвался внутри цели - опухоли. Вылетающие из расщепленного ядра осколки рассеиваются в окружающей место "взрыва" ткани на расстоянии не более нескольких миллиметров, расходуя при этом очень большую энергию - до 30 Мэв. Благодаря этим особенностям мезонных пучков отношение дозы радиации, создаваемой ими в облучаемом очаге, к дозе в здоровой ткани (основной показатель эффективности и безопасности лучевой терапии) в несколько раз выше, чем для других ускоренных частиц, и в 10 раз выше, чем для рентгеновских и гамма-лучей. Строительство мезонных фабрик - дело достаточно сложное: они нуждаются в очень мощных протонных ускорителях. Однако недалек тот день, когда и в нашей стране потоки пи-мезонов станут применяться для лечения раковых больных.

Несмотря на все эти мероприятия, при лечении облучением все же создается опасность повреждения здоровых тканей, поэтому больным с профилактической целью назначают один из защитных противолучевых препаратов типа цистамина, цистафоса или аминоэти-лизотиурония и, таким образом, предупреждают опасность развития лучевой реакции.

Чтобы обеспечить максимальное облучение опухолевой ткани и свести к минимуму поражение здоровых тканей, иногда вводят радиоактивный излучатель - радиевую или кобальтовую иглу - непосредственно в опухоль. Хорошо поддаются лучевому лечению опухоли кожи, грудной железы, мозга, костей. Другие формы рака лечатся преимущественно хирургически.

В медицине широкое применение находят не только лучи Рентгена и гамма-лучи, но и ядерные излучения радиоактивных изотопов. Каждый из них, в силу только ему одному присущих свойств и особенностей, имеет определенную область применения.

Радиоактивный изотоп йода (I131), так же как его стабильная разновидность, попав в животный организм, очень быстро накапливается в ткани щитовидной железы. В состав каждой молекулы гормона щитовидной железы - тироксина входит четыре атома йода. Поэтому по быстроте, с которой введенный в кровь радиоактивный изотоп йода накапливается в щитовидной железе, можно судить о ее функции. Опытами установлено, что через сутки после введения йода в здоровой железе его накапливается от 15 до 45%. Пои повышенной функции щитовидной железы (это состояние носит название базедовой болезни, или гипертиреоза, и характеризуется целым рядом болезненных проявлений), через сутки в ней накапливается 50% и больше введенного йода, а при пониженной функции (наблюдаемой при микседеме и кретинизме) - меньше 10%.

Таким образом, определение скорости захвата йода щитовидной железой, а также динамики его содержания в крови и выделения с мочой позволяет составить точное объективное представление о функции щитовидной железы, поставить правильный диагноз болезни и назначить соответствующее лечение. В дальнейшем, повторяя периодически исследования, можно следить за динамикой развития болезни и выздоровления.

Возникает вопрос, каким образом можно точно определить количество радиоактивного йода, накопленного в щитовидной железе больного. Такое определение возможно потому, что щитовидная железа расположена очень удобно - на шее, прямо под кожей. Поднеся к железе счетчик излучения, можно уловить сравнительно мягкие бета-лучи, испускаемые изотопом.

Радиоактивный йод - 131 как будто специально приспособлен для того, чтобы оказывать только нужный нам эффект и не вызывать побочных последствий. Период полураспада этого изотопа - 8,1 дня, т. е. он довольно быстро теряет свою активность. Способность изотопа накапливаться в щитовидной железе избавляет остальные ткани организма от опасности облучения. Наконец, йод-131 излучает бета-лучи, достаточно жесткие для того, чтобы оказать влияние на ткань самой железы, но слишком мягкие, чтобы достичь других органов и вызвать их поражение. Благодаря такому уникальному сочетанию свойств йод - 131 широко применяется не только для диагностики состояния щитовидной железы, но и для лечения ее заболеваний. Гипертиреоз и диффузный зоб (увеличение щитовидной железы), сочетающийся с усилением ее функции, отлично поддаются лечению радиоактивным йодом. Для лечения вводится в сотни раз большее количество изотопа, чем при диагностике, однако и в этом случае другие ткани организма не страдают. Выполнив лечебную роль, разрушив часть клеток железы и нормализовав ее функцию, йод-131 распадается и исчезает из организма. Исцеленный больной возвращается к нормальной жизни и работе.

Широкое применение в медицине находит и другой радиоактивный изотоп - фосфор - 32. С помощью этого изотопа лечат эритремию (полицитемию) - заболевание костного мозга, при котором в крови у человека резко увеличивается количество эритроцитов (до 10 - 12 млн. в 1 мм3 крови, в то время как у здоровых людей их содержится около 5 млн.).

Фосфор как стабильный, так и радиоактивный интенсивно накапливается в тех тканях и органах, где усиленно идут процессы обмена веществ, синтеза фосфорсодержащих соединений (например нуклеиновых кислот), процессы деления клеток. Все эти процессы интенсивно идут и в здоровом костном мозгу. Но в кроветворной ткани, пораженной болезнью, эти процессы особенно усилены. С помощью радиофосфора часто удается достигнуть успеха там, где оказались безрезультатными все другие методы. Правда, следует отметить, что лечебное применение фосфора значительно менее безопасно, чем введение радиоактивного йода. Фосфор довольно равномерно распределяется по организму, период его полураспада больше, чем йода (14,3 дня), а его более жесткое бета-излучение обладает значительной проникающей способностью. Поэтому в настоящее время радиофосфором лечат только эритремию (и то лишь после того, как другие средства оказались неэффективными).

Изотопы успешно используют и в других областях медицины. С их помощью установлено,- что при срастании перелома сначала к нему направляется большое количество фосфора, тогда как кальций мобилизуется значительно позже. Поэтому теперь больному с переломом врачи назначают кальций только спустя две недели после перелома.

Вводя радиоактивную метку (атом серы - 35 или другого изотопа) в молекулы различных лекарственных веществ, ученые и врачи таким образом устанавливают характер распределения изучаемого вещества в организме, его способность накапливаться в тех или иных органах, быстроту и пути выведения из организма.

Некоторые изотопы находят довольно широкое лечебное применение и в качестве источников внешнего гамма-облучения. Известно, что в довоенные и первые послевоенные годы драгоценные ампулы с радием использовались для облучения некоторых злокачественных опухолей, расположенных в матке и некоторых других областях организма. В настоящее время вместо радия успешно применяется более дешевый и удобный изотоп - кобальт - 60. Более того, благодаря возможности получения радиоактивного кобальта в большом количестве (путем облучения нейтронами в атомном реакторе стабильного изотопа кобальта - 59) для телегаммате-рапии создают мощные источники излучения - так называемые кобальтовые пушки. Большой заряд радиокобальта помещается в центр свинцового шара со стенками толщиной 35 - 50 см. Пучок лучей, ширину которого можно изменять по желанию врача, вырывается из свинцовой бомбы через узкую щель. С помощью жестких гамма-лучей кобальта - 60 удается успешно облучать глубоко расположенные опухоли без существенного повреждения кожи. Однако жесткость излучения кобальтовых источников, а также применяемых в последние годы аппаратов с цезием - 137, который дает такие же жесткие лучи, но имеет период полураспада, больший (33 года), чем у кобальта (5,3 года), не позволяет производить с их помощью просвечивание и получать снимки. А перспектива замены сложного и громоздкого рентгеновского аппарата ампулой с изотопом весьма привлекательна. Есть основания полагать, что эта задача разрешима. Лучи нужной жесткости испускают такие радиоактивные изотопы: тулий - 170, ксенон - 133, европий - 155 и др. Возможно, что в ближайшие годы будут разработаны новые методы радиодиагностики и радиотерапии.

Новые возможности использования ядерных излучений в медицине связаны с их способностью подавлять имунные силы организма. Реакция несовместимости тканей - самое большое и трудно преодолимое препятствие на пути пересадки органов. Как уже говорилось, большие дозы радиации настолько угнетают нормальные механизмы иммунитета, что становится возможной пересадка костного мозга не только от особи данного вида, штамма, линии, но и от другого вида, например, от мыши к крысе, и наоборот. Если на фоне облучения возможна пересадка костного мозга, очевидно, возможны и другие пересадки. В настоящее время хирургия уже приступила к таким пересадкам органов. Успешно осуществляются пересадки кожи, костей, суставов, почек. Во всех случаях предварительное облучение способствовало приживлению пересаженного органа. Надо полагать, что первые успешные пересадки сердца также осуществляются и будут осуществляться с использованием ядерных излучений и так называемых иммунодепрессивных препаратов, к числу которых, например, относятся гормоны коры надпочечников и их синтетические аналоги.

За рубежом предпринято несколько попыток использовать ионизирующую радиацию и для лечения такого страшного и почти неизлечимого заболевания, как острый лейкоз (белокровие). Эту болезнь большинство ученых рассматривает как злокачественную опухоль кроветворной ткани. Если все тело больного лейкозом подвергнуть облучению большой дозой радиации (800 - 900 р.), весь аппарат кроветворения, пораженный болезнью, должен погибнуть. Вместе с ним погиб бы и сам больной, но в его организм, где механизмы иммунитета глубоко подавлены, можно пересадить клетки костного мозга от кого-нибудь из близких родственников, и тогда больной не только выживет после столь радикального лечения, но может и выздороветь от лейкоза. В большинстве случаев, если судить по сообщениям иностранных журналов, с помощью этого метода лечения удается продлить жизнь больного лейкозом на 1 - 2 года. Описано несколько случаев более длительного эффекта. В нашей стране общее облучение как метод лечения лейкоза пока ввиду его опасности не применялось. Да и за рубежом немного больных подверглись общему облучению, так что судить о его эффективности пока трудно. И все же трудно отказаться от мысли о том, чтобы использовать свойство излучений подавлять иммунитет для радикального излечения лейкозов и других злокачественных опухолей системы крови.

 

Излучения помогают переделывать природу живых организмов

Есть еще одна область, в которой ядерные излучения, чью разрушительную силу мы уже рассмотрели подробно, могут принести человеку большую пользу. Выше было указано, что естественный радиоактивный фон, являясь одним из активных двигателей прогресса органического мира, обеспечивает возникновение мутаций, новых признаков у организмов, из числа которых механизм естественного отбора сохраняет лучшие.

Но ведь человечество располагает сейчас в миллионы раз более мощными источниками ядерных излучений, чем природа. А вместо естественного отбора может быть применен искусственный. Таким образом, существует принципиальная возможность выведения новых пород растений и животных с помощью излучений. Правда, нельзя не учитывать того обстоятельства, что, пользуясь этим методом, желаемых результатов можно достичь лишь при очень большом объеме исследований и при условии, что гибель тысяч облученных организмов не нанесет ущерба исследованиям.

Честь открытия мутагенного действия лучей Рентгена принадлежит советским ученым Г. А. Надсону и Г. С. Филиппову. Исследованиями этих ученых доказано, что под влиянием ионизирующей радиации в культуре дрожжей появляются клетки, резко отличающиеся от обычных и передающие особенности своего строения по наследству. Последующими работами зарубежных ученых была реально осуществлена задача искусственного получения новых признаков у грибов, одноклеточных, у мушки дрозофилы и других организмов. Но лишь в последние годы радиационная селекция начинает развиваться по-настоящему. Несмотря на столь молодой возраст, новая наука может уже продемонстрировать и первые серьезные достижения.

Известно, что многие мощные антибиотические средства (пенициллин, стрептомицин, ауреомицин, тетрациклин и др.) до сих пор получают биосинтетическим путем при культивировании плесневых и лучистых грибков. Важное значение имеет увеличение "производительности труда" этих мельчайших помощников врача, выведение новых, более продуктивных штаммов грибков. Эта задача успешно решается именно благодаря применению методов радиационной селекции. Из бесчисленного множества грибков-мутантов, полученных в результате облучения, ученые бережно отобрали самых полезных, самых производительных, размножили их и получили новые высокоэффективные штаммы грибков. С получением новых радиационных мутантов и внедрением их в промышленность стоимость пенициллина снизилась в 100 раз, а урожайность штаммов и общий объем производства возросли в 1000 раз. Радиоселекционная работа в этой области продолжается. В нашей стране ее ведет профессор С. И. Алиханян с сотрудниками.

Рис. 19. Колос пшенично-пырейного гибрида - 99 (а) и радиационного крупноколосого мутанта (б)

С помощью методов радиационной селекции ученые добиваются повышения производительности микроорганизмов, синтезирующих не только антибиотики, но и другие биологически активные вещества: аминокислоты, лизин, метионин, глутаминовую кислоту (крайне необходимые для нужд медицины, животноводства, пищевой промышленности), витамины (В12, В15, В6 и др.), ростовые вещества типа гиббереллина, ферменты и т. п.

Большие исследования по выведению новых высокоурожайных сортов зерновых, бобовых и овощных культур методами радиационной селекции проводятся в Москве, В Сибирском отделении АН СССР, в Академии наук УССР и других научных центрах. В результате этих исследований выявлены так называемые критические дозы (дозы, вызывающие заметное угнетение развития) для большинства культурных растений и ведутся работы по отбору хозяйственно-ценных мутантов (рис. 19).

Благодаря широким многолетним радиоселекционным исследованиям зерновых в Швеции получены новые высокоурожайные сорта ячменя, улучшены хлебопекарные качества зерна и т. д. Шведским ученым с помощью методов радиоселекции удалось в 1000 раз усилить естественный мутационный процесс, а из каждой 1000 мутаций можно отобрать одну-две благоприятные.

В США с помощью радиоселекции получены сорта пшеницы и овса, устойчивые к ржавчине - весьма распространенной и опасной болезни растений, выведены более раннеспелые сорта зерновых и т. п. Достижения радиационной генетики во всем мире столь значительны, что ныне уже ни у кого не вызывают сомнений. Генетики и селекционеры нашей страны, широко пользуясь методами радиационного и химического мутагенеза, получили уже сотни новых хозяйственно ценных мутантов. Большинство из них дает начало новым высокоурожайным сортам пшеницы, ячменя, ржи, кукурузы и других культур. Радиационная генетика и селекция в нашей стране могут записать в свой актив и новые сорта картофеля, устойчивые к заболеваниям, и хлопчатник с крупными коробочками, дающий на 15% больше волокна, и сорта пшеницы с толстым неполегающим стеблем, устойчивые против ржавчины и других вредителей. Работы в области радиационной селекции только еще разворачиваются, и в ближайшем будущем от этой науки следует ждать новых больших достижений.

Радиация и некоторые химические мутагены типа колхицина обладают способностью в определенных условиях так нарушать деление клетки, что оно остается незаконченным: хромосомы разделились, а клетка нет. С помощью воздействий удается получить растения, все клетки которых содержат в два-четыре раза больше хромосом, чем исходные формы. Искусственное или естественное увеличение числа наборов хромосом получило название полиплоидии. Растения-полиплоиды обычно бывают более выносливыми и жизнеспособными, дают более высокий урожай. Интересно, что такие культурные растения, как пшеница, картофель, хлопчатник, многие плодовые растения - это естественные полиплоиды. Очевидно, наши предки подметили ценные свойства некоторых растений - "уродов", появившихся в результате естественного мутирования, и вывели на их основе новые культурные сорта. Современная генетика, получающая искусственно полиплоидные организмы и выводящая таким образом высокоурожайные сорта сахарной свеклы, пшеницы и других культур, в сущности следует законам и возможностям природы.

Достижения радиационной генетики применительно к животным гораздо скромнее. Здесь менее удобно воздействовать на половые клетки, труднее культивировать и искусственно скрещивать их. Животные развиваются и растут гораздо медленнее, чем культурные растения, поэтому отбор полезных мутантов, их выращивание и испытание требуют нередко десятков лет. И все же некоторые успехи достигнуты и в этой области.

Последние годы большим успехом на международном рынке пользуется мех норки, особенно мех необычной окраски - белой, зеленой, ярко-желтой и т. п. Исследования сибирских генетиков позволили в короткий срок создать ферму по размножению норки и выведению новых ее - пород с экзотической окраской меха. Закономерности наследования цвета шерсти хорошо изучены, и это облегчило задачу ученым.

Применяя малые дозы рентгеновских и гамма-лучей (порядка 1 - 2 р), ученые сумели увеличить с их помощью выводимость птенцов сельскохозяйственной птицы. Очевидно, как и при облучении семян, небольшая степень дезорганизации обмена веществ способствует усилению и ускорению процессов развития. Интересно, что куры, развившиеся из облученных зародышей, обладают более высокой (на 10 - 13%) яйценоскостью, что может дать большой экономический эффект.

С помощью ядерных излучений удастся достичь нового значительного прогресса и в сельском хозяйстве - отрасли, казалось бы, бесконечно далекой от физики и радиобиологии. Есть все основания надеяться, что в ближайшие годы с помощью методов радиационной селекции будут получены новые породы не только растений, но и животных, что ядерные излучения еще не раз проявят себя как друг и помощник человека.