На просторах Вселенной

Первые шаги космической генетики

Немало новых, неведомых ранее человеку задач поставила перед ним научно-техническая революция. Для их решения люди все смелее осваивают океан, водят сверхзвуковые самолеты, сама скорость которых еще совсем недавно казалась фантастикой, работают на Северном полюсе и в Антарктиде, где лютый мороз вроде бы должен был истребить все живое, забираются на пики, вершины которых находятся далеко от поверхности Земли. Много вопросов возникает перед человечеством и в связи с загрязнением биосферы.

Однако во всех этих случаях человек разумный имеет дело с влиянием земных факторов, с которыми в той или иной степени встречались его предки в процессе эволюции.

Иное дело - величайшее достижение и научный подвиг нашего столетия - полеты в космос, экспедиции на Луну. Тут организм попадает в непривычную для него среду, важнейший элемент которой - измененное гравитационное поле.

Целый ряд новых отраслей знаний возник в результате проникновения человека в космическое пространство. Полеты в космос не только привели к созданию космической генетики, но и поставили ряд крупных задач, от решения которых зависит будущее космоплавания.

Космос сегодня становится лабораторией человечества, в нем опробуются иные, чем на Земле, виды производства, технологические процессы. В длительных полетах вместе с экипажем станут "работать" на борту космических кораблей различные водоросли, бактерии, растения и животные. Они будут регенерировать воздух, воду, обеспечивать космонавтов необходимой пищей.

Жизнь возникла на Земле, и в течение миллиардов лет все живые существа хорошо приспособились к условиям, существующим на нашей планете, в том числе к таким постоянным факторам, как земное притяжение и почти полное отсутствие космической радиации. В космосе же пока "господствует" невесомость и нет такого надежного щита, как земная атмосфера, тысячелетиями ограждавшая людей от космических лучей.

Вспомним, что основной единицей строения организма служит клетка. В ней, в молекулах ДНК, так сказать, в кирпичиках живого "мироздания", заключена наследственная информация. Вот почему одна из главнейших задач космической биологии и генетики состоит в том, чтобы выяснить, как влияют факторы космического полета на клетку и ее составляющие. Ведь могло случиться и так, что человек, побывавший в космосе, вернулся бы внешне здоровым, а затем, после известного скрытого периода, у него начались бы расстройства организма, как следствие внешне невидимого поражения ядерных клеточных структур.

Уделяют ученые внимание растениям и животным. При этом исследуется не только их общее послеполетное состояние, но и результаты воздействия космоса на отдельные клетки, различные ткани, особенности развития жизненных процессов. Все это поставило генетические эксперименты в ряд важнейших вопросов, связанных с оценкой степени опасности полета человека в космос.

О необходимости исследования действия факторов космического полета на живые организмы советские биологи заявили еще в 1934 году, то есть задолго до реального освоения космического пространства. Тогда в нашей стране состоялась конференция по изучению стратосферы, на которой Н. К. Кольцов, Г. А. Надсон и Г. Г. Меллер выдвинули задачу - изучить влияние космической радиации на наследственность.

Участником конференции был и С. П. Королев, горячо поддержавший выступления биологов. М. В. Келдыш и С. П. Королев оказали самую серьезную помощь в развитии исследований по космической биологии.

Первый полет живых организмов - мух-дрозофил - в стратосферу, к нижней границе космоса, состоялся в 1935 году на стратостате "СССР-1-бис", поднявшемся на высоту 15 900 метров. Эксперимент проводил Г. Г. Фризен, сотрудник отдела генетики Института экспериментальной биологии, которым в то время руководил я. Была исследована частота летальных мутаций, но статистических отличий от контрольной группы мы не обнаружили. В том же, 1935 году последовал полет аэростата "Эксплорер-2" в США, на котором были подняты дрозофилы и споры грибов. И в этом случае генетических эффектов выявлено не было. Опыты с живыми организмами в верхних слоях атмосферы Земли возобновились лишь через 20 лет.

Среди многих вопросов, интересовавших ученых-биологов, был и вопрос о приспособлении живых организмов к земному тяготению. Характер этого процесса изучали советские ученые, и прежде всего А. Н. Северцов, К. Э. Циолковский, И. И. Шмальгаузен, В. Ф. Раздорский, П. А. Коржуев и другие. Они внимательно проследили цепь зависящих от гравитации изменений в ходе эволюции, особенно после выхода организмов из водной среды на сушу.

Понятно, что в воде гравитационные силы в известной мере уравновешиваются гидростатической подъемной силой жидкости. С выходом на сушу влияние гравитационного поля Земли на животных увеличилось. Это потребовало перестройки их организации, и прежде всего уменьшения размера тела. Относительно вырос вес скелета, стали более развитыми конечности, появилось двойное кровообращение. В организме создался комплекс приспособлений, обеспечивающих постоянство его внутренней среды, и так далее.

У растений с выходом на сушу либо сократились размеры, как у травянистых, либо развились мощные опорные образования, как у древесных. Значительно усложнились проводящие и скелетные ткани, появились системы, обеспечивающие растения необходимыми минеральными солями, водой, создалась энергетическая и биохимическая база, которая позволила и позволяет им нормально функционировать в условиях гравитационного поля. Растениям пришлось защищаться от света и экстремальных температур.

Сегодня на нашей Земле нет ничего живого, что было бы нейтрально к действию силы тяжести. Все организмы имеют специальные органеллы внутри клетки - митохондрии, хлоропласты, пищевые вакуолы, а растения - "комплексы гравитации" (статолиты) тоже внутриклеточного характера. Для них специфичен так называемый геотропизм - способность принимать определенное положение под влиянием земного притяжения. Если же разбушевавшаяся стихия или еще какие-нибудь причины насильно заставляют дерево, например, изменить свойственное ему от природы пространственное положение, оно отвечает на это усилением роста ветвей в направлении вверх от силы тяготения. Благодаря мощному синтезу белка молодая часть стебля начинает расти в правильном по отношению к земле направлении. У животных же орган статического равновесия имеет форму сложно устроенного лабиринта.

Ученые прекрасно понимали, что, попадая в невесомость, земные организмы и их клетки лишатся одной из "констант" своего обычного существования. Было совершенно ясно, что это изменит их физиологические функции и встанет такой важный вопрос, как влияние необычных условий на наследственность.

Однако проверить все это на опыте было практически невозможно, так как моделировать невесомость в земных условиях трудно. На лифтах, качелях и на других аппаратах достигается невесомость в течение 1 - 3 секунд. При полете самолетов по параболической кривой длительность ее возрастает до 50 секунд. Для необходимых ученым более продолжительных экспериментов этого явно недостаточно. На космических же кораблях состояние невесомости постоянно.

Проблема невесомости исключительно важна в медицинском и биологическом отношении. Новые, непривычные условия вызывают понижение гидростатического давления, затруднение акта вдоха и целый ряд других нарушений. Высказывалось мнение, что среди цитологических эффектов вполне можно ожидать нарушения процессов деления ядра клетки. Ведь никто не мог знать точно, зависит ли ориентация хромосом от силы гравитации.

Наряду с этими факторами, особенно в кратковременных полетах, на состояние живого организма могут сильно повлиять и динамические: ускорение, вибрации и другие. Необходимо было также исследовать и действие космической радиации.

В 1951 - 1958 годах в США провели опыты на воздушных шарах, высота полета которых достигала 20 - 30 километров. Была разработана методика учета депигментированных волос у черных мышей. Исходили из расчетов, что одна тяжелая частица может вывести из строя 50 клеток волосяного покрова.

В результате установили факт поражения кожи животных тяжелыми частицами. Аналогичный эффект обнаружен и при использовании яиц карликовой креветки. Фотоэмульсионный контроль показал, что гибель яиц наступила вследствие прямого попадания тяжелых частиц космической радиации. Однако генетические опыты с дрозофилой и ячменем не дали отчетливых результатов.

Исследования продолжались с помощью ракет "У-2" и "Аэроби", достигавших высоты 85 - 155 километров, где живые организмы экспонировались около 30 минут. Ракеты несли на борту дрозофил, мучнистых клещей, мышей и обезьян, нейроспору, дрожжевые клетки, семена кукурузы, горчицы, яйцеклетки и спермии ежа, луковицы лука, но эти опыты не дали результатов: либо погибали объекты, либо результаты были затемнены действием побочных причин.

Таким образом, в опытах на воздушных шарах и баллистических ракетах был установлен факт попадания в ткани организмов тяжелых частиц космической радиации, однако достоверных генетических или цитологических показателей не наблюдалось.