Атомный тир

Большинство биологов и врачей, как правило, недостаточно хорошо знают физику и математику. А лет 50-60 назад дело обстояло еще хуже. Но ионизирующая радиация - физический фактор, и невозможно всерьез обсуждать ее действие на организм, не зная физики. Многие пытались теоретизировать, обходясь без физики, но ничего хорошего из этого не получалось.

Но во Франкфурте-на-Майне жил человек, который хорошо знал и медицину, и биологию, и физику. Имя его - Фридрих Дессауер. Он был очень энергичен. Хотя все лицо и руки его покрывали шрамы, он не превращал ни научной, ни практической работы. А шрамы шли результатом многочисленных операций, связанных лучевым поражением. Он был одним из первых рентгенологов, и его имя теперь высечено на обелиске Гамбурге.

Дессауер знал физику. Он знал, что рентгеновы лучи отдают веществу энергию в виде ионизации - в виде отдельных, довольно больших порций. Кроме того, он знал, что энергия, получаемая живыми организмами при облучении смертельными дозами, ничтожна. Ни того, ни другого его предшественники не знали, потому что не разбирались в физике и не любили математики или не придавали им серьезного значения.

Будучи физиком, Дессауер знал, что любая энергия в конце концов превращается в тепло. Ему пришла в голову счастливая мысль: хотя в среднем температура, в которую превращается энергия радиации, невелика, но в отдельных местах она может быть очень высокой. Ведь радиация отдает энергию отдельными порциями, концентрируется в отдельных, точках. И в этих точках температура повышается очень сильно. Дессауер создает теорию точечной теплоты. Согласно этой теории радиация вызывает нагревание отдельных точек до очень высокой температуры, происходит свертывание белков, что и ведет в конечном счете к биологическому поражению.

Как мы уже говорили, Дессауер не создал правильной теории. Дело не только в точечном нагревании. Даже если бы свертывание белков в отдельных точках и происходило, это не вызывало бы больших неприятностей, так как процент измененных молекул был бы настолько мал, что это не могло бы привести к сколько-нибудь существенным биологическим последствиям. Кроме того, и с физическими расчетами на сей раз оказалось не все в порядке. Дессауер не учел скорость рассеяния энергии. Поэтому теорию точечной теплоты теперь вспоминают, только говоря об истории науки.

Но другая мысль Дессауера - о роли неравномерности распределения энергии в веществе - оказалась очень плодотворной. Действительно, если не считаться с распределением энергии, а рассуждать о том, что происходит "в среднем", биологического эффекта радиации не объяснишь: мы знаем, общая энергия ничтожна.

Теория точечной теплоты была отвергнута, от нее остался "принцип попадания". Лучистая энергия поглощается веществом в виде отдельных, немногочисленных, но довольно больших порций энергии - "попаданий". Другими словами, одни микроскопические участки вещества получают довольно большую порцию энергии, а другие - ничего. По известной поговорке: где густо, где пусто. "Принцип попадания" - это именно принцип, не гипотеза и не теория. Биофизики здесь ничего не придумывают, они только констатируют точно установленный физический факт.

Однако сам по себе факт неравномерного распределения энергии ничего не объясняет. Чтобы понять биологическую эффективность радиации, нужно было сделать какое-то дополнительное предположение. И изобретательные ученые не замедлили его сделать. Они создали "теорию мишени". Это было естественно: где есть "попадания", там должна быть и "мишень". Ведь если в человека попадает пуля, то далеко не безразлично куда: в левый мизинец или в сердце. Точно так же и при облучении клеток: "попадание" в разные ее части неравноценно. Возникло представление о том, что в клетке существует очень чувствительный "жизненный центр", "попадание" в который ведет к гибели всей клетки.

Когда Дессауер создавал теорию точечной теплоты, то подошел к этому делу всерьез. Он не ограничился общими рассуждениями, а попытался создать математическую теорию. Нужно сказать, что кривые зависимости биологического эффекта от дозы облучения имеют довольно своеобразную форму - они не похожи, например, на кривые, которые получаются при действии большинства ядов.

Дессауер поручил двум своим молодым сотрудникам - Блау и Альтенбургеру - рассчитать, каких кривых следует ожидать в случае правильности его теории. Они перевели теорию своего учителя на язык математических' формул, а затем, положив перед собой лист миллиметровой бумаги, стали вычерчивать кривые, следовавшие из этих формул. И - интересное дело - перед их глазами изогнули свои лебединые шеи точь-в-точь такие же кривые, которые ученые получали в опытах. Случайностью это быть не могло!

Как же так? Ведь мы знаем теперь, что теория точечной теплоты оказалась неверной. Откуда же взялось такое хорошее соответствие? Не заставляет ли это усомниться в правомерности применения математики к исследованию явлений жизни?

Конечно, нет! Ни теплота, ни белковые молекулы к формулам Блау и Альтенбургера отношения не имели. В них устанавливалась связь между распределением ионизации и биологическим эффектом. А эта часть теорий Дессауера была правильной и перешла в "принцип попадания". Вошли сюда и старые формулы. А они довольно интересны. С их помощью можно по форме кривой, полученной в опыте, вычислить "объем мишени" и "число попаданий".

Это казалось заманчивым. Некоторые ученые сделали такие расчеты своей главной целью. Они облучали какие-нибудь объекты - растительные, животные или микробиологические - разными дозами, строили кривую, анализировали ее и говорили: для вызывания той или иной биологической реакции требуется столько-то "попаданий" в "мишень" такого-то объема. Выводы были довольно наивны. Например, в одной из работ того периода вы могли бы прочесть: чтобы убить проростки бобов, то есть прекратить их рост, нужно поразить "мишень" девятью "попаданиями". Но ведь мы знаем, что корешок состоит из большого числа более или менее одинаковых клеток. Очевидно, чтобы убить корешок, нужно убить в нем большое число клеток, и нам кажется сомнительным, чтобы в корешке была какая-то одна микроскопическая мишень - жизненный центр, поражение которого заставит все клетки прекратить деление.

Атомный тир

Разные ученые относились к цифрам по-разному. Некоторые правильно считали, что они имеют только чисто формальное значение, и употребляли их для краткого описания формы кривых, чтобы было удобнее сопоставлять и сравнивать. Но некоторые шли гораздо дальше. Они считали, что формальные расчеты с точки зрения теории мишени имеют большое познавательное значение. Особенно рьяно эту точку зрения защищал французский физик Хольвек.

- Наши средства исследования живой клетки еще слишком ограничены, - говорил он, - некоторые ее важные части настолько малы, что мы их не можем увидеть ни в один микроскоп (в те времена электронного микроскопа еще не изобрели). Но здесь нам на помощь приходит теория мишени. Благодаря этой теории мы можем точно вычислять объемы жизненно важных клеточных структур. Теория мишени - самый чувствительный и тонкий метод исследования живой природы. Это поистине статистический ультрамикроскоп, который заставит природу открыть перед нами свои самые сокровенные тайны!

Мечта каждого ученого-теоретика - повторить в своей области подвиг Леверрье, открывшего новую планету "на кончике пера". Как известно, этот ученый, анализируя аномалии движения планеты Уран, предсказал существование неизвестной дотоле планеты (Нептуна).

- Посмотрите на такую-то точку на небосводе, - сказал он астрономам. Те посмотрели и увидели.

О том же мечтал и Хольвек. Он хотел с помощью статистического анализа предсказывать существование неизвестных жизненно важных биологических структур. А биологи пусть смотрят и находят их. Он вычислял. Биологи смотрели и... ничего не находили. В редких случаях расчеты Хольвека и его последователей более или менее соответствовали реальным структурам, но чаще всего никакого соответствия не было. Хотя это ясно говорило о несовершенстве теории и о ее неправильном применении, восторженный Хольвек восклицал:

- Математика ошибаться не может. А если факты не соответствуют моим расчетам - тем хуже для фактов!

Математика действительно наука точная, а статистика - одна из математических дисциплин. Но один крупный статистик как-то правильно сравнил статистику с мельницей. Засыплешь в мельницу хорошее зерно - получишь хорошую муку, из плохого зерна и мука будет плохая. А засыплешь полову, даже самая хорошая мельница не поможет получить муку.

Сейчас, вероятно, всем биологам, во всяком случае молодым, ясно, что они должны знать генетику. Слишком очевидны успехи молекулярной биологии и далеко простирающиеся следствия из нее. Но это я пишу в конце 1965 года. А еще не так давно большинство биологов считало, что генетику нужно знать только генетикам. Так считали и многие радиобиологи - ученые, исследующие биологическое действие радиации.

Продолжим разговор о великом парадоксе радиобиологии - о том удивительном факте, что ничтожная энергия вызывает драматический биологический эффект. Много времени потратили ученые на решение этой загадки. Много остроумнейших гипотез появилось в необъятной радиобиологической литературе (и теперь продолжают появляться).

А между тем для радиобиолога, знающего генетику, вопрос этот не кажется столь загадочным. Ведь уже в 1928 году было известно, что мутации, возникающие в облучаемых клетках, в большинстве своем летальны, то есть приводят к гибели клетки, причем дозы излучений не так уж велики. (Справедливости ради нужно заметить, что, когда Дессауер создавал теорию точечной теплоты, генетическое действие радиации еще не было известно, но когда Хольвек фантазировал о своем "статистическом ультрамикроскопе", радиационная генетика уже стала вполне сложившейся наукой.)

А отсюда, да еще с учетом основной идеи "принципа попадания" - один шаг до создания теории, в которой не будет ровным счетом ничего фантастического.

"Принцип попадания" исходит из того факта, что энергия радиации распределена в облучаемой ткани неравномерно, в виде отдельных порций. К каким последствиям это может привести, зависит от места "попадания". Если поражена молекула воды или какой-нибудь соли, растворенной в клеточном соке, - это, конечно, никак не скажется. Если будет поражена молекула какого-нибудь белка, фермента, осуществляющего важную жизненную функцию, тоже ничего страшного не произойдет. Хотя этот белок и крайне важен, но в клетке очень много совершенно одинаковых молекул, выполняющих одну и ту же работу. И, конечно, если вместо 1000 молекул останется 999, клетка этого и не почувствует. Чтобы разрушение белка сказалось на функциях клетки, нужно повредить большую часть таких одинаковых молекул, для чего требуются огромные дозы. Но при тех дозах, которые применяются в биологических опытах, это совершенно невозможно.

А гены занимают в клетке совершенно особое положение не потому, что они гораздо более важны: клетка не может существовать и без многих других веществ. Особое положение генов - в их уникальности. В хромосомном наборе каждый ген представлен только один раз. Если он будет разрушен или изменен, заменить его нечем. Правда, в большинстве клеток тела содержится диплоидный (двойной) набор хромосом. Следовательно, в клетке есть по два экземпляра генов каждого сорта. Но разрушение одной структуры из двух - дело серьезное. Оторвите одну ножку у сороконожки - она будет бегать с той же быстротой. Но прострелите одно крыло орлу, и он рухнет на землю. Поэтому поражение генов - единственный случай, когда одно небольшое изменение может привести клетку к гибели.

Здесь можно сделать возражение: ведь чтобы попасть в один определенный ген, затерянный среди миллионов молекул, с одного "выстрела", нужен очень счастливый случай. А чтобы в него попасть наверняка, нужно сделать очень много "выстрелов", то есть потребуются очень большие дозы облучения. Да, это правильно, если речь идет об изменении какого-то определенного гена. Но в том-то и дело, что для поражения клетки вовсе нет надобности поразить какой-то вполне определенный ген. Для этого годится любой ген. А разных генов в клетке очень много. Поэтому малая вероятность "попасть" в определенный ген, умноженная на большое число генов, имеющихся в клетке, дает не такую уж маленькую величину для вероятности генетической гибели клетки.

Теперь можно выдвинуть гипотезу, что основной причиной гибели облученных клеток являются происходящие в них мутации. Но гипотеза - это еще не научная теория. Чтобы гипотеза стала теорией, она должна быть проверена в точных опытах, подкреплена фактами.

Та гипотеза, которую мы только что построили, выглядит очень просто. Но простота обманчива. Ведь эти строки пишутся в конце 1965 года, когда задача решена и решение известно. Но в 30-х годах, когда создавалась количественная радиационная генетика, о многом из того, что теперь ясно, приходилось только догадываться. А на повестке дня после пионерских работ Надсона и Филиппова, Меллера и Стадлера, установивших сам факт возникновения мутаций при облучении, стояло именно исследование количественной стороны нового явления.

Нужно сказать, что для биологов такая работа была нелегкой. С одной стороны, для проведения самих опытов так, чтобы это были действительно точные опыты, нужно быть неплохим физиком-экспериментатором. С другой стороны, обработка результатов, полученных в опыте, их теоретическое объяснение требуют специальных знаний, которых у обычных биологов тоже нет. Они есть у физиков-теоретиков или математиков. Сейчас многие наши университеты выпускают биофизиков - специалистов, знающих и биологию и физику, но в 30-х годах никто и нигде подобных специалистов не готовил. И потому успехи в разработке проблем количественной радиационной генетики были достигнуты именно там, где биологи работали вместе с физиками. Это в первую очередь эксперименты нашего соотечественника Николая Владимировича Тимофеева-Ресовского (работавшего в те годы в Германии) и англичанина Дугласа Эдварда Ли.