Невидимый современник

Что же касается второго вопроса, то прямых опытов для ответа на него поставить еще не удалось. Но ответ напрашивается занятный. Напомню, как в клетке появляются новые молекулы ДНК. Возле каждой из нитей двойной спирали строится новая; в результате получаются две молекулы, в состав каждой из них входит одна старая и одна новая нить. Представим себе, что получится, если молекула с одиночным разрывом начнет размножаться. Очевидно, что возле нити с разрывом построится также нить, имеющая разрыв, и из двух новых молекул одна будет вполне нормальной, а другая — с полным двойным разрывом. Следовательно, изменения, довольно несущественные сами по себе, могут привести к плачевным последствиям при самоудвоении молекул.

Нужно заметить, что возможны и другие предположения о природе молекулярных изменений, лежащих в основе радиобиологических эффектов. Есть основания ставить под подозрение и молекулярные сшивки, то есть соединение нитей друг с другом, и связи между нуклеиновой кислотой и белком, и еще кое-что. Все эти изменения вызываются ионизирующими лучами и могут быть увязаны с биологическими эффектами.

Эти исследования — передний край науки, и, как всегда на переднем крае, работа здесь идет быстро. Не исключено, что к тому времени, когда книжка появится на прилавках магазинов, ответ на вопрос о природе первичных молекулярных изменений будет уже найден.

Исправление ошибок

Открытие пострадиационного восстановления показало, что возникновение мутации не одномоментное событие, а результат сложной цепи событий, протекающих во времени. Иного, конечно, и быть не могло. Это во времена Ньютона считали возможным мгновенное действие. В XX веке мы знаем, что все процессы имеют длительность — это одно из следствий теории относительности. Правда, практически очень быстрые процессы (пусть даже идущие и гораздо более медленно, чем со скоростью света) мы, биологи, можем рассматривать как мгновенные. Но результаты опытов по восстановлению ясно указывали на то, что восстановление мутаций — процесс, с течением которого во времени нельзя не считаться.

Но что представляет собой восстановление? Изучая хромосомные мутации, ученые пришли к выводу, что первичный эффект облучения состоит в разрыве хромосом. А если так, то восстановление должно заключаться в срастании образовавшихся обломков. Такое предположение многие и делали. Ведь действительно, если результат облучения — образование разломов, то восстановление иначе и нельзя себе представить. Но кое-кому такой процесс представлялся совершенно невероятным, потому что он невозможен с физико-химической точки зрения. А раз так, то приходилось пересмотреть старый вопрос о природе первичных повреждений при образовании хромосомных мутаций.

Ученые начали ломать головы, и, как обычно бывает в подобных случаях, сразу появилось несколько гипотез. А потом, как тоже часто бывает, выяснилось, что сходные мысли высказывались уже давно.

Самым естественным было предположить, что во время облучения возникают не разломы, а лишь места, способные к разлому, — потенциальные разломы. Поскольку хромосома состоит из пучка молекул нуклеопротеида, потенциальный разлом можно себе представить как разрыв части молекул, составляющих этот пучок. В дальнейшем в зависимости от обстоятельств произойдет одно из двух: либо порвутся и остальные нити, либо порванные срастутся. В первом случае возникнет разлом, во втором произойдет восстановление. Такое предположение приходило в голову многим генетикам.

Английский ученый Ривелл выступил с другой гипотезой. Он обратил внимание на некоторые закономерности образования хромосомных обменов, которые можно было объяснить тем, что первичным событием является не разрыв, а обмен.

Но ни одна, ни другая гипотеза не могли объяснить тот удивительный факт, что при облучении хромосом в делящихся клетках никаких изменений, которые можно было бы сразу же заметить, не возникает. Можно направить на отдельную хромосому микропучок ионизирующих лучей (микропучок необходим для того, чтобы не убить клетку) и дать очень большую дозу. Но даже совершенно фантастическая доза в миллион рентген хромосому не ломает. А в самых обычных опытах при облучении клеток незадолго до деления эффективность воздействия сильно падает. Анализ кривых зависимости эффекта от стадии, на которой происходит облучение, показывал, что переход первичных изменений в окончательную форму приурочен к определенному периоду в жизни клетки. Он соответствовал окончанию удвоения содержания ДНК в ядре, то есть совпадал со временем образования новых хромосом.

Эти факты приводили к мысли о том, что раз переход первичных повреждений в наблюдаемую форму происходит при образовании новых хромосом, значит именно дочерние структуры и являются носителями наблюдаемых изменений. Так родилась матричная гипотеза хромосомных мутаций. Первичное повреждение состоит, согласно этой гипотезе, в подавлении или изменении аутокаталитических (матричных) свойств облученной хромосомы. В результате дочерние хромосомы строятся ненормально, с ошибками. Если же ко времени образования новых структур повреждение восстановится, то синтез произойдет нормально и никаких изменений мы не заметим.

Перечисленные гипотезы родились в конце 50-х — начале 60-х годов. Однако, как выяснилось через некоторое время, весьма похожие взгляды высказывались и гораздо раньше. Еще в конце 30-х годов немецкий цитолог Бауер подробно обсуждал гипотезы, совершенно подобные тем, которые теперь имеют хождение под названиями гипотезы потенциальных разломов и обменной гипотезы, а выдающийся русский биолог, академик Николай Константинович Кольцов тогда же высказывал соображения, очень близкие к нынешней матричной гипотезе. В том, что об этих работах забыли почти на тридцать лет, нет ничего удивительного: в них просто не было надобности. А когда появились факты, противоречившие фрагментационной гипотезе, их пришлось выдвинуть заново, а потом вспомнить и о старых работах. Итак, три гипотезы… Какая же верна? На этот вопрос я не смогу ответить, потому что как раз теперь в радиобиологии на повестке дня стоит решение этого вопроса. Можно только сказать, что гипотеза потенциальных разломов меньше соответствует фактам, чем две другие. Что же касается обменной и матричной гипотез, то они друг другу не противоречат. Скорее они — две стороны одной и той же медали. Обменная гипотеза говорит о связи между фрагментами и обменами, но совершенно не затрагивает вопроса о природе первичных изменений, который стоит в центре внимания матричной.

Вряд ли может быть случайным сходство выводов, к которым пришли ученые, исследуя молекулярные изменения ДНК и хромосомные мутации. Одиночные разрывы могут проявиться только во время удвоения молекул ДНК, которое предшествует делению клетки и приходится как раз на то самое время, когда, согласно матричной гипотезе, скрытые первичные изменения переходят в мутации.

Молекулярные механизмы образования мутаций и восстановления клеток от скрытых повреждений только сейчас проясняются, но уже можно смело делать два утверждения: образование мутаций не мгновенный акт, а процесс, идущий во времени; переход первичных повреждений в наблюдаемые изменения — результат нормальных процессов клеточного цикла, проходящих с участием поврежденных хромосом. Отсюда ясно, что облучение создает лишь предпосылку для возникновения мутации. Значит, можно рассчитывать на уменьшение лучевого поражения с помощью воздействий, применяемых после облучения, иными словами — «исправлять ошибки», в то время, пока они еще не реализовались в необратимые нарушения.

Биологический усилитель

Вот теперь-то мы можем, наконец, ответить на оба основных вопроса радиобиологии:

Почему ионизирующие лучи при дозах, оставляющих в облучаемых объектах совершенно ничтожную энергию, приводят к столь большим последствиям?

Почему разные клетки, разные органы, разные виды живых организмов так сильно отличаются по чувствительности к ионизирующей радиации?

Мы уже знаем, что при облучении живых организмов особенно важную роль играет повреждение генетического аппарата клетки. Ну и что? Ген — большая молекула. С точки зрения химика она ничем не хуже любой другой большой молекулы. И у нас нет никаких оснований думать, что радиация будет действовать на генные молекулы как-нибудь иначе, чем на любые другие молекулы таких же размеров. И о том же самом говорят результаты опытов. А раз так, значит, чтобы с более или менее реальной вероятностью попасть в какой-нибудь определенный ген, нужна доза порядка миллиона рентген. И действительно, попытка вызвать с помощью облучения какое-нибудь вполне определенное наследственное изменение — задача совершенно нереальная, если не использовать методов постановки опытов, при которых можно анализировать сотни тысяч или миллионы особей. На дрозофиле и то ставить такие опыты тяжело.

Но все дело в совершенно особом месте, которое занимают гены в клетках и в организмах. В нормальных клетках содержится по два экземпляра генов каждого сорта, а в зародышевых — по одному. В хромосомном наборе тысячи генов, но все они разные: один отвечает за одни свойства организма, другой — за другие. Если разрушить одну молекулу какого-нибудь фермента, совершенно необходимого для жизни клетки, она этого и не почувствует, потому что сохранились сотни или тысячи точно таких же молекул. А повредить один ген из двух — это уже существенно. Если оторвать одну ножку у сороконожки, она будет бегать с той же скоростью, что и раньше, но если прострелить одно крыло орлу, он рухнет наземь.