- Да. Представьте: из одной-единственной клетки, отторгнутой от вашего тела и помещенной в естественную или искусственную "биологическую колыбель", вырастает ваш "альтер эго" ("другой "я"), полностью повторяющий вас и, разумеется, ваши таланты. Вы оба окажетесь абсолютными близнецами, разве только не одного возраста: разница может составлять многие годы. Так любую редкостную одаренность удалось бы сделать бессмертной. Можно вообразить такое переиздание не в одном экземпляре, а массовым тиражом.
- Опять на грани фантастики!
- Что попишешь, такова сегодня наука. И стать ей фантастичной помогли рентгеновские лучи.
"Когда весь земной шар будет организован и численность его населения доведена до 3 миллиардов, тогда на земном шаре будет постоянно 37 миллионов поэтов, подобных Гомеру, 37 миллионов ученых, равных Ньютону, 37 миллионов драматургов, равных Мольеру, и так со всеми мыслимыми талантами", - полагал Ш. Фурье, великий французский социалист-утопист.
Эту цитату комментируют порой иронически: приведенные подсчеты подтверждают со всей очевидностью, ч го их автор воистину был настоящим утопистом.
Действительно, на нашей планете уже более 4 миллиардов человек, а таких, как Гомер или Ньютон, увы, не дюжины миллионов и даже не просто дюжины.
Допустим, однако, по милости фортуны появится гений такой мощи. Классический силлогизм напоминает:
"Все люди смертны. Сократ - человек. Следовательно..." И потом снова ждать столетиями? Оказывается, помимо такой надежды на случайный "выигрыш в биологическую лотерею", теоретически существует иная возможность.
Н. Винер рассуждал о копировании людей с помощью их развертки и телеграфной передачи. Он не дожил до того дня, когда прогресс биологии открыл новую перспективу. Речь идет о ювелирной операции:
ядро обычной соматической (телесной, не половой)
клетки пересаживается в зародышевую, куда вместе со своими хромосомами переносит всю наследственную программу. Так любой индивидуум может быть воспроизведен где угодно и когда угодно без какой-либо расшифровки его генетического кода. Нужна лишь трансплантация в материнское чрево или в имитирующую его "биологическую колыбель". Подобные операции проводились (разумеется, на животных).
Отдаваясь полету воображения, мы можем представить, как фенотип данного взрослого организма размножается с его генотипом в заданном числе копий.
И тогда может воплотиться в жизнь мечта ПТ. Фурье о 37 миллионах Гомеров или Ньютонов, непрестанно возрождающихся в том же количестве и качестве. Впрочем, идея рассматривается чисто теоретически. Чтобы проиллюстрировать мощь современной науки.
Хорошо, а при чем тут рентгеновские лучи?
С ними связан настоящий переворот в учении о наследственности, о жизни вообще, подготовивший нынешний рывок биологии.
Более полувека назад обнаружилось, что благодаря им можно искусственно вызывать мутации. Впервые это было доказано академиком Г. Надсоном, заведующим лабораторией Государственного рентгенологического и радиологического института, совместно с молодым сотрудником Г. Филипповым. В 1925 году "Вестник рентгенологии и радиологии" напечатал их историческую статью "О влиянии рентгеновых лучей на половой процесс и образование мутантов у низших грибов".
На публикацию советских ученых мало кто обратил внимания, которого она заслуживала.
Зато аналогичные результаты, полученные с помощью той же рентгеновской радиации в экспериментах с плодовой мушкой-дрозофилой, стали сенсацией на V Международном генетическом конгрессе (1927 г., Берлин). Еще бы: их автором был уже известный Г. Меллер, один из тех, кто вместе со знаменитым Т. Морганом (оба из США) в 1912-1915 годах разрабатывал хромосомную теорию наследственности.
Доклад повлек за собой бум поисков, напоминавший рецидив "лучевой лихорадки". Все как бы разом прозрели, увидев: появился мощный инструмент исследований, который обещал намного ускорить дальнейшее развитие этой теории. Действительно, в ее обосновании, начатом в 1910 году Т. Морганом, первостепенную роль сыграли именно мутации, обнаруженные у дрозофилы. И вдруг выяснилось, что необязательно ждать, когда они появятся по милости природы. Что возникают они вопреки распространенному тогда мнению отнюдь не только спонтанно, самопроизвольно, но и по воле человека, воздействием извне, притом без особого труда и в любом количестве. "Любой генетик, зайдя на один-два часа в рентгеновский кабинет, может получить интересный материал на добрый год работы", - писали тогда профессор А. Серебровокий и его молодой сотрудник Н. Дубинин, ныне академик, директор Института общей генетики Академии наук СССР.
Именно тогда, в 1928 году, изучая изменения наследственности, вызываемые рентгеновскими лучами у дрозофилы, Н. Дубинин сделал важное открытие. Поначалу оно было принято с недоверием, ибо противоречило теории великого Т. Моргана, которая в то время стала общепризнанной, и существенно ее корректировало.
Согласно Т. Моргану гены представлялись неделимыми атомами наследственности. Дескать, если какието из них изменяются в процессе мутации, то всякий раз целиком. Н. Дубинин же убедился, что любой из них способен мутировать и по частям. Ученый предложил модель сложного гена, изобразив его расчлененным на дольки, расположенные цепочкой и названные центрами.
"Черт возьми, да это как в физике, где до конца XIX века считали атом неделимым, а теперь нашли в нем целый мир взаимодействующих элементарных частиц, - вспоминает академик Н. Дубинин в книге "Вечное движение". Специальный анализ обнаружил, что отдельные центры чаще мутируют, чем другие, что указывало на наличие горячих точек в гене. Все это предвосхищало открытия, сделанные затем в эпоху молекулярной генетики".
Да, и в биологии былой "неделимый" оказался делимым, причем, как некогда в физике, все начиналось опять-таки с рентгеновских лучей. Благодаря им еще до того, как мир услышал о первой ядерной бомбе, а затем о первой атомной электростанции, сложилась радиационная генетика, ставшая впоследствии обширной областью исследований, важной не только теоретически.
"Не только в медицине нам даст практические результаты изучение изменчивости микробов. В сельском хозяйстве, в бродильных заводских производствах получение стойких вариантов микробов с желаемыми свойствами... может иметь огромное значение. Если бы далее удалось физиологам и агрономам получить при помощи рентгеновских лучей или радия такие же наследственно стойкие расы возделываемых растений с ускоренным ростом, с повышенной в несколько раз против обыкновенного урожайностью, как это мы получали для дрожжей, то какой чрезвычайной важности для народного хозяйства получились бы результаты!" - писал академик Г. Надсон в 1931 году.
Тем временем уже полным ходом велись работы в этом направлении. Их начали в 1928 году А. Сапегин в Одессе и Л. Делоне в Харькове, экспериментировавшие с пшеницей. Сообщение А. Сапегина "Рентгеномутации как источник новых сортов сельхозрастений"
(1934 г.) ознаменовало рождение р_а_д_и_а_ц_и_о_н_н_о_й селекции. Ее быстрое развитие дало столько достижений, что их трудно даже перечислить. Достаточно напомнить, что среди новых разновидностей культурных растений, внедренных в производство за последнее время, свыше 80 являются радиомутантами. С ними связана и "зеленая революция". Так назвали переворот в сельском хозяйстве, развернувшийся в 60-х годах, после того как удалось вывести высокоурожайные сорта пшеницы, риса и других зерновых.
А гордость фармацевтики XX века - антибиотики, спасшие миллионы жизней? Первые партии пенициллина, полученные в начале 40-х годов, были дороже золота. Удешевить этот препарат, сделать его общедоступным лекарством позволили рентгеновские лучи. Благодаря им стало возможным повысить продуктивность грибка пенициллиум в несколько раз, что обычной селекции оказалось не под силу.
Так, воздействуя на организмы проникающей радиацией и затем проводя отбор, человек как бы ускоряет биологическую эволюцию. Притом значительно, порой тысячекратно: можно добиться, чтобы изменения наследственности, полученные искусственно, наблюдались в тысячу раз чаще, чем за тот же период в естественных условиях.
Конечно, нельзя забывать, что мутации, вызванные радиацией, полезны для вида лишь в ничтожном меньшинстве (1-2 из тысячи), в подавляющем же большинстве своем вредоносны. Если речь идет о радиационной селекции животных и растений, вопрос решается просто: искусственным отбором, который позволяет закрепить в потомстве хорошие свойства, а плохие отмести вместе с их носителями. А если речь идет о радиационной генетике человека?
Уже говорилось: род людской подвергается облучению с тех пор, как появился на Земле. Ибо всегда существовал естественный фон радиоактивности. В последние десятилетия он несколько повысился (в основном из-за ядерных взрывов). В среднем же для планеты, к счастью, ненамного. Как мы знаем, ныне он дает 0,125 рентгена за год.
Но к этой дозе добавляют свою лепту другие источники радиации. Скажем, светящиеся наручные часы (до 0,05 рентгена за год), фосфоресцирующие циферблаты на приборном щите самолета (до 1,3 рентгена за год).
Между тем достаточно 10 рентген, чтобы частота мутаций у человека удвоилась по сравнению с естественной. Ясно, сколь важно оберегать людей от облучения. Оно должно быть сведено к минимуму даже в медицине, где вызвано суровой необходимостью.
И уж совершенно излишне там, где без него вполне можно обойтись (одно время в США, Англии и других странах Запада стали делать рентгеновские снимки позвоночника или ног в ателье одежды и обуви).
Будущее человечества олицетворяют 130 миллионов новорожденных, которые ежегодно приходят в мир.
Увы, 4 процента из них - это миллионы - появляются на свет "наследственно отягощенными". Иначе говоря, имеют те или иные генетические аномалии, психические и физические (дефекты нервной и кровеносной, мышечной и костной, эндокринной и других систем).
Более того, как показали обследования в Канаде, доля эта за 1965-1976 годы увеличилась там на 1 процент.
Конечно, виноваты здесь не только излучения. Вместе с отходами индустрии и транспорта, с ядохимикатами, применяемыми сельским хозяйством, выбрасываются десятки тысяч веществ, способных вызывать мутации. А в этом преуспели не только канадцы, но и их соседи: на США, занимающие 6 процентов суши, приходится 40-50 процентов промышленных отходов, загрязняющих нашу планету. "Рекорды" же такого рода нельзя считать "внутренним делом" той или иной страны. Биосфера на всех одна, и ее не разгородить границами политической карты.
Если вспомнить, что иные государства еще не присоединились к договору о прекращении испытаний ядерного оружия в атмосфере и на поверхности Земли, то вполне понятной станет тревога генетиков за судьбы рода людского: не грозит ли человечеству деградация?
Здесь многое еще неясно. Впрочем, очевидно одно:
надо обезопасить людей от окружающих нас мутагенных фактов. Прежде всего положить конец радиоактивному и любому иному загрязнению среды- Но едва ли целесообразно отказываться от рентгеновских лучей, от их применения в медицине. Как же быть?
Возможна химическая защита от вредного их влияния. Уже есть такие противоядия. Будучи введены в о*рганизм, они помогают системе восстановления, действующей в клетке, ликвидировать мутации. Некоторые препараты предохраняют хромосомы от поражения, нейтрализуя отрицательные эффекты при довольно солидных дозах (в 50-100 рентген).
После того как в 1969 году удалось отделить от ДНК и получить физически изолированный ген, перед медициной открылась принципиально новая возможность бороться с наследственными недугами, которые некогда казались фатально неотвратимыми. Их будут предупреждать, вводя в организм на зародышевой стадии нормальные гены, которые откорректируют программу его развития еще в материнской утробе.
"Введение нормальных генов в клетки наследственно больных людей будет радикальным лечением, - считает академик Н. Дубинин. - Гибридизация растений, животных и микроорганизмов благодаря введению изолированных генов приобретает неограниченные возможности".
Конечно, немало еще надо сделать, чтобы все это стало реальностью. Предстоит лучше изучить, как влияет на организм среда вообще и, в частности, рентгеновская радиация, какие она вызывает в нем изменения.
Важная роль здесь принадлежит исследованию близнецов, особенно идентичных, тождественных по генотипу. Если у них обнаруживается вдруг заметное несходство, то порождено оно, очевидно, прежде всего различиями в условиях существования, во внешних факторах.
И тут вспоминается перспектива, о которой говорилось вначале: возможность выращивать организмыкопии (разумеется, в эксперименте с животными).
Вполне реально получать их целыми партиями однолеток, снова и снова через какой-то промежуток времени, чтобы каждая такая группа одного возраста была отделена от следующей интервалом, скажем, в год. Если выделить контрольные экземпляры, не подлежащие никакому искусственному воздействию (например, облучению), и сравнить с теми, которые ему подвергались, это сопоставление даст ценнейшую картину сходстваразличия, охватывающую всю серию поколений. Ясно, что чем ближе к человеку подобные животные генетически, тем легче перенести на него результаты исследований, тем надежнее выводы по аналогии.
16.
- Может сложиться впечатление, будто рентгеновская радиация имела исключительное значение для науки.
- Не только имела, но и по-прежнему имеет.
- Не оттого ли, что открыта раньше прочих проникающих излучений и, имея выигрыш во времени, опередила их в применении?
- Да нет, не только и даже не столько поэтому.
У нее целый ряд особенностей и преимуществ, которые делают ее незаменимой.
В 1675 году А. ван Левенгук усовершенствовал лупу, добившись 300-кратного увеличения. Взглянув через "волшебное стекло" на капельку воды из Дельфтского канала, он обомлел: в ней копошились неведомые чудища...
"Александр Македонский отправился в Индию и обнаружил там огромных слонов, каких ни один грек до того времени не видывал. Но эти слоны были так же обычны для индуса, как лошадь для Александра. Цезарь отправился в Англию и наткнулся там на варваров, которые заставили его широко раскрыть глаза от изумления, но эти бритты были друг для друга такой же банальностью, как римские центурионы для Цезаря.
Но Левенгук.. Этот привратник из Дельфта проник в новый фантастический мир мельчайших существ, которые жили, рождались, боролись и умирали, совершенно незримые и не известные никому от начала времен""" _ писал П. де Крюи в книге "Охотники за микробами".
А Рентген? 220 лет спустя этот профзссор из Вюрцбурга проник в новый фантастический мир... В мир таинственных невидимок, оказавшийся необъятным, простирающимся от атомных недр до космических глубин.
Икс-лучи позволили заглянуть внутрь любого непрозрачного вещества и живого существа, не нарушая его целостности, и уже одно это говорит о непреходящем значении их открытия. Но еще в начале XX века обнаружилось, что они способны на большее, чем просто делать прозрачными непрозрачные предметы.
...Мюнхен, 1912 год. В кафе Хофгартен ежедневно встречаются физики, химики, кристаллографы. Это своеобразный клуб, возникший по инициативе А. Иоффе и Э. Вагнера, сотрудников В. Рентгена. Вдохновитель бесед - П. Дебай. Среди их участников - М. фон Лауэ, В. Фридрих, П. Книппинг...
И вот на одном из таких симпозиумов разгораются дебаты вокруг идеи, выдвинутой М. фон Лауэ: нельзя ли икс-лучами исследовать внутреннее строение кристаллов? Первый, кто не верит в ее реализацию, - Э. Вагнер. Его сомнения небезосновательны. Еще В. Рентген в своих знаменитых опытах искал новые эффекты, пропуская открытую им радиацию через кристаллы, но бгзуспешно.
М. фон Лауэ понимает, что его мысль не вполне оригинальна, мало того, она не нашла подтверждения в экспериментах самого В. Рентгена. Но не сдается, имея на то свои основания. Действительно, не исключено, что кристалл можно все-таки прощупывать икс-лучами. Его решетка геометрически правильная структура, своего рода ажурная конструкция из атомов, расположенных рядами и разделенных пустотой. Оказалось, что расстояния между соседними рядами того же порядка, что и длина волны рентгеновской радиации.
Известно и другое. Если пропустить обычный свет через узкую щель (шириной с длину его волны), то можно наблюдать его дифракцию. Он даст радужную картину, разложившись без призмы. Ибо составляющие его лучи, огибая края такой щели, отклоняются неодинаково: красные, например, иначе, чем желтые или синие. Кроме того, накладываясь друг на друга, они взаимно усиливаются или, напротив, ослабляются. И на экране появляются чередующиеся темные и светлые разноцветные полоски. По расстоянию между ними, которое легко измерить, и по заранее известной ширине щели нетрудно рассчитать длину волны прошедшего через отверстие света.
По предположению М. фон Лауэ, нечто подобное должно получиться и с рентгеновской радиацией, если пропустить ее через кристалл, где пустые промежутки между шеренгами атомов напоминают щели.
Было заключено пари на коробку шоколада. Чтобы разрешить спор, В. Фридрих поставил на пути икс-лучей кристалл и рядом, сбоку, фотопластинку, чтобы зарегистрировать их, когда они отклонятся под прямым углом.
Рентгеновская трубка трещала день за днем, но безрезультатно. Она мешала работавшему в том же помещении П. Книппингу, и он изменил положение пластинки, поставив ее не сбоку, а за кристаллом, дабы на ней ну хоть что-нибудь запечатлелось. И тогда все с удивлением увидели симметричный узор из темных пятен.
"Великое открытие свершилось, - вспоминал впоследствии академик А. Иоффе. - Так появилась знаменитая работа Лауэ, Фридриха и Книппинга. Вагнер был посрамлен, хотя его скепсис немало способствовал быстрой постановке эксперимента".
Так, в 1912 году родился рентгеноструктурны и анализ. Поначалу он ограничивался получением и изучением лауэграмм. Это снимки с дифракционной картиной, которая отражает строение того или иного монокристалла - одного более или менее крупного целостного образования (такого, как драгоценный камень). Она позволяет обнаружить дефекты решетки, внутренние напряжения и тому подобное.
Но в 1916 году П. Дебай и его коллега П. Шеррер приспособили метод для изучения поликристаллических материалов (таких, как порошки, состоящие из разнокалиберных мелких крупиц минерала, или сплавы, характеризующиеся обычно неоднородностью структуры). Новые разновидности рентгенограмм были названы дебаеграммами. По ним опре; деляют строение и состав образцов, размеры и ориентацию вкрапленных в них зерен или иных включений.
Постепенно выяснилось, что так можно исследовать и не обладающие геометрически правильной структурой материалы, частично упорядоченные и даже аморфные объекты. Причем не только твердые, но также жидкие и газообразные. Что дал этот "всевидящий глаз" науке и технике, лучше всего проиллюстрировать работами, заложившими краеугольные камни молекулярной биологии.
В 30-е годы настоящую сенсацию вызвала находка Д. Бернала и Д. Кроуфут-Ходжкин. На удивление коллегам, английские ученые взялись за рентгеноструктурный анализ веществ, для которых он казался неприменимым, белков. Считалось, что эти длинные органические молекулы, сворачиваясь в клубки, образуют бесформенную, бесструктурную массу. И вот сюрприз:
съемка обнаружила у них столь ярко выраженную внутреннюю упорядоченность, что заставила говорить об их кристаллоподобном состоянии.
Но когда английский биохимик М. Перуц в 1937 году вознамерился разобраться таким путем в "архитектуре"
гемоглобина, эта затея прослыла бесперспективной. "Мои товарищи не могли смотреть на меня без сожаления, - вспоминает ученый. - В ту пору самым сложным органическим веществом, чье строение было установлено с помощью рентгеноструктурного анализа, оставался краситель фталоцианин, состоящий из 58 атомов. Как мог я надеяться выяснить расположение тысяч атомов в молекуле гемоглобина?"
Проблема оказалась действительно архитрудной, но все же была решена, хотя и не скоро, через 20 с лишним лет. Так появилась широкоизвестная ныне трехмерная модель этого важного биополимера, состоящего из 10 тысяч атомов водорода, углерода, азота, кислорода, серы и железа. Оправдалась ставка на рентгеноструктурный анализ; собственно, он только и подавал надежды на удачу.
Благодаря ему стала возможной и пространственная модель ДНК дезоксирибонуклеиновой кислоты, содержащей сотни тысяч атомов. Эту знаменитую "двойную спираль" предложили в 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик, воспользовавшись исключительно четкими дифракционными картинами ДНК, полученными М. Уилкинсом. Именно тогда, по мнению специалистов, произошел "гигантский взрыв, изменивший лицо генетики":
была установлена молекулярная природа наследственности.
В 1962 году все трое, а заодно с ними М. Перуц и Д. Кендрю, расшифровавший структуру миоглобина (мышечного белка), удостоились Нобелевской премии.
Интересно: из пяти лауреатов только Д. Уотсон - биолог, остальные, по сути дела, физики.
Да, своим нынешним рывком наука о жизни во многом обязана именно физике, ее арсеналу идей и методов. В частности, рентгеновской кристаллографии применительно к биополимерам.
Конечно, просвечивать их можно и гамма-радиацией.
Но для нее они слишком прозрачны. Да и она для них слишком разрушитгльна. Способна вызвать, например, денатурацию бглка - его необратимые изменения (структурные!), наподобие тех,которые наблюдал каждый из нас, поджаривая яичницу.
Понятно, было бы желательно использовать самое безобидное проникающее излучение. Значит, как можпь более мягкое? Нет, годится лишь такое, у которого дли на волны близка к поперечнику атома (около 10^-8 сантиметра). То есть именно рентгеновское, пусть не самоо жесткое (10^-12 сантиметра), но и не самое мягкое (10^-5 сантиметра). Ясно, почему ультрафиолет здесь тем более не гадится, не говоря уж о видимом свеге.
Представьте: ветер гонит волны по воде. Мы сразу замечаем, если они набегают на какое-то препятствие, даже когда оно скрыто от нас. И могут кое-что рассказать нам о его форме, величине. Наиболее полной информация будет тогда лишь, когда они по своим размерам несколько меньше огибаемого ими объекта. Так и при рассеянии рентгеновских волн веществом. Ведь их пропускают именно затем, чтобы как можно больше узнать о расположении атомов и расстояниях между ними в кристаллоподобном материале.
Разумеется, существует не только рентгено-, но также электроно- и нейтронография. У каждой свои преимущества. И свои недостатки. Чтобы получить столь же четкую дифракционную картину с помощью нейтронов, нужна более сложная техника: их пучок, выпущенный даже из самого мощного ядерного реактора, в тысячу раз менее плотен, чем поток рентгеновских квантов* из обычной трубки. С другой стороны, есть объекты, которые лучше исследовать нейтронографически. Пример - сплавы железа, кобальта, никеля.
Дело тут вот в чем. Рентгеновская радиация рассеивается электронными оболочками (а они у многих элементов настолько схожи, что для нее практически к1 одно лицо). Нейтроны же рассеиваются атомными ядрами. И способны "нащупать" разницу даже между близнецами - изотопами одного элемента, которые абсолютно неразличимы рентгенографически.
Словом, каждому свое. То же можно сказать и со э-лектронографии. Но нельзя не отметить, что при топ же плотности потока и прочих равных условиях частицы опасней, чем кванты, для исследуемого образца, особенно для хрупких биохимических структур. Если нужен неразрушающий анализ, то именно рентгеновские волны подойдут скорее, чем что-либо иное.
Итак, используется не только их поглощение, открытое еще в 1895 году, но и рассеяние, обнаруженное в 1912 году. Первое дает обычные рентгенограммы, хорошо знакомые каждому по диагностическим снимкам в поликлинике. Второе - необычные (лауэ- и дебаеграммы). На них мы не увидим таких теней, по которым сразу же угадывается силуэт просвеченного предмета, скажем, кольца с камнем на пальце. Мы увидим симметричный узор из темных пятнышек, совершенно непохожий на изучаемый объект внешне, но зато математически четко отражающий структурные особенности сплава или минерала.
По такой дифракционной картине, сделав необходимые измерения, специалисты рассчитывают параметры кристаллов. Но эта работа уже проделана для очень многих земных веществ. И теперь, используя ее результаты, мы можем судить о составе любого незнакомого геологического образца, даже лунного или марсианского грунта (достаточно сравнить его рентгеновскую "визитную карточку" с уже известными).
Характеристика столь всепроникающего, поистине "всевидящего глаза" будет неполной, если не упомянуть еще одну доступную ему сферу исследований. Речь идет о получении спектров испускания и поглощения рентгеновской радиации. По ним изучают природу химической связи, находят заряды ионов в твердых телах и отдельных молекулах, проводят количественный и качественный анализ веществ, осуществляют быстрый неразрушающий контроль состава материалов на горно-обогатительных фабриках, металлургических и цементных заводах.
17.
- Наконец-то о заводах, а то все лаборатории да лаборатории!
- Стоит ли противопоставлять те и другие? Производство немыслимо без науки, которая стала непосредственной производительной силой. Это несложно проиллюстрировать и ролью рентгеновских лучей.
- Опять на грани фантастики!
- Что попишешь, такова сегодня наука. И стать ей фантастичной помогли рентгеновские лучи.
"Когда весь земной шар будет организован и численность его населения доведена до 3 миллиардов, тогда на земном шаре будет постоянно 37 миллионов поэтов, подобных Гомеру, 37 миллионов ученых, равных Ньютону, 37 миллионов драматургов, равных Мольеру, и так со всеми мыслимыми талантами", - полагал Ш. Фурье, великий французский социалист-утопист.
Эту цитату комментируют порой иронически: приведенные подсчеты подтверждают со всей очевидностью, ч го их автор воистину был настоящим утопистом.
Действительно, на нашей планете уже более 4 миллиардов человек, а таких, как Гомер или Ньютон, увы, не дюжины миллионов и даже не просто дюжины.
Допустим, однако, по милости фортуны появится гений такой мощи. Классический силлогизм напоминает:
"Все люди смертны. Сократ - человек. Следовательно..." И потом снова ждать столетиями? Оказывается, помимо такой надежды на случайный "выигрыш в биологическую лотерею", теоретически существует иная возможность.
Н. Винер рассуждал о копировании людей с помощью их развертки и телеграфной передачи. Он не дожил до того дня, когда прогресс биологии открыл новую перспективу. Речь идет о ювелирной операции:
ядро обычной соматической (телесной, не половой)
клетки пересаживается в зародышевую, куда вместе со своими хромосомами переносит всю наследственную программу. Так любой индивидуум может быть воспроизведен где угодно и когда угодно без какой-либо расшифровки его генетического кода. Нужна лишь трансплантация в материнское чрево или в имитирующую его "биологическую колыбель". Подобные операции проводились (разумеется, на животных).
Отдаваясь полету воображения, мы можем представить, как фенотип данного взрослого организма размножается с его генотипом в заданном числе копий.
И тогда может воплотиться в жизнь мечта ПТ. Фурье о 37 миллионах Гомеров или Ньютонов, непрестанно возрождающихся в том же количестве и качестве. Впрочем, идея рассматривается чисто теоретически. Чтобы проиллюстрировать мощь современной науки.
Хорошо, а при чем тут рентгеновские лучи?
С ними связан настоящий переворот в учении о наследственности, о жизни вообще, подготовивший нынешний рывок биологии.
Более полувека назад обнаружилось, что благодаря им можно искусственно вызывать мутации. Впервые это было доказано академиком Г. Надсоном, заведующим лабораторией Государственного рентгенологического и радиологического института, совместно с молодым сотрудником Г. Филипповым. В 1925 году "Вестник рентгенологии и радиологии" напечатал их историческую статью "О влиянии рентгеновых лучей на половой процесс и образование мутантов у низших грибов".
На публикацию советских ученых мало кто обратил внимания, которого она заслуживала.
Зато аналогичные результаты, полученные с помощью той же рентгеновской радиации в экспериментах с плодовой мушкой-дрозофилой, стали сенсацией на V Международном генетическом конгрессе (1927 г., Берлин). Еще бы: их автором был уже известный Г. Меллер, один из тех, кто вместе со знаменитым Т. Морганом (оба из США) в 1912-1915 годах разрабатывал хромосомную теорию наследственности.
Доклад повлек за собой бум поисков, напоминавший рецидив "лучевой лихорадки". Все как бы разом прозрели, увидев: появился мощный инструмент исследований, который обещал намного ускорить дальнейшее развитие этой теории. Действительно, в ее обосновании, начатом в 1910 году Т. Морганом, первостепенную роль сыграли именно мутации, обнаруженные у дрозофилы. И вдруг выяснилось, что необязательно ждать, когда они появятся по милости природы. Что возникают они вопреки распространенному тогда мнению отнюдь не только спонтанно, самопроизвольно, но и по воле человека, воздействием извне, притом без особого труда и в любом количестве. "Любой генетик, зайдя на один-два часа в рентгеновский кабинет, может получить интересный материал на добрый год работы", - писали тогда профессор А. Серебровокий и его молодой сотрудник Н. Дубинин, ныне академик, директор Института общей генетики Академии наук СССР.
Именно тогда, в 1928 году, изучая изменения наследственности, вызываемые рентгеновскими лучами у дрозофилы, Н. Дубинин сделал важное открытие. Поначалу оно было принято с недоверием, ибо противоречило теории великого Т. Моргана, которая в то время стала общепризнанной, и существенно ее корректировало.
Согласно Т. Моргану гены представлялись неделимыми атомами наследственности. Дескать, если какието из них изменяются в процессе мутации, то всякий раз целиком. Н. Дубинин же убедился, что любой из них способен мутировать и по частям. Ученый предложил модель сложного гена, изобразив его расчлененным на дольки, расположенные цепочкой и названные центрами.
"Черт возьми, да это как в физике, где до конца XIX века считали атом неделимым, а теперь нашли в нем целый мир взаимодействующих элементарных частиц, - вспоминает академик Н. Дубинин в книге "Вечное движение". Специальный анализ обнаружил, что отдельные центры чаще мутируют, чем другие, что указывало на наличие горячих точек в гене. Все это предвосхищало открытия, сделанные затем в эпоху молекулярной генетики".
Да, и в биологии былой "неделимый" оказался делимым, причем, как некогда в физике, все начиналось опять-таки с рентгеновских лучей. Благодаря им еще до того, как мир услышал о первой ядерной бомбе, а затем о первой атомной электростанции, сложилась радиационная генетика, ставшая впоследствии обширной областью исследований, важной не только теоретически.
"Не только в медицине нам даст практические результаты изучение изменчивости микробов. В сельском хозяйстве, в бродильных заводских производствах получение стойких вариантов микробов с желаемыми свойствами... может иметь огромное значение. Если бы далее удалось физиологам и агрономам получить при помощи рентгеновских лучей или радия такие же наследственно стойкие расы возделываемых растений с ускоренным ростом, с повышенной в несколько раз против обыкновенного урожайностью, как это мы получали для дрожжей, то какой чрезвычайной важности для народного хозяйства получились бы результаты!" - писал академик Г. Надсон в 1931 году.
Тем временем уже полным ходом велись работы в этом направлении. Их начали в 1928 году А. Сапегин в Одессе и Л. Делоне в Харькове, экспериментировавшие с пшеницей. Сообщение А. Сапегина "Рентгеномутации как источник новых сортов сельхозрастений"
(1934 г.) ознаменовало рождение р_а_д_и_а_ц_и_о_н_н_о_й селекции. Ее быстрое развитие дало столько достижений, что их трудно даже перечислить. Достаточно напомнить, что среди новых разновидностей культурных растений, внедренных в производство за последнее время, свыше 80 являются радиомутантами. С ними связана и "зеленая революция". Так назвали переворот в сельском хозяйстве, развернувшийся в 60-х годах, после того как удалось вывести высокоурожайные сорта пшеницы, риса и других зерновых.
А гордость фармацевтики XX века - антибиотики, спасшие миллионы жизней? Первые партии пенициллина, полученные в начале 40-х годов, были дороже золота. Удешевить этот препарат, сделать его общедоступным лекарством позволили рентгеновские лучи. Благодаря им стало возможным повысить продуктивность грибка пенициллиум в несколько раз, что обычной селекции оказалось не под силу.
Так, воздействуя на организмы проникающей радиацией и затем проводя отбор, человек как бы ускоряет биологическую эволюцию. Притом значительно, порой тысячекратно: можно добиться, чтобы изменения наследственности, полученные искусственно, наблюдались в тысячу раз чаще, чем за тот же период в естественных условиях.
Конечно, нельзя забывать, что мутации, вызванные радиацией, полезны для вида лишь в ничтожном меньшинстве (1-2 из тысячи), в подавляющем же большинстве своем вредоносны. Если речь идет о радиационной селекции животных и растений, вопрос решается просто: искусственным отбором, который позволяет закрепить в потомстве хорошие свойства, а плохие отмести вместе с их носителями. А если речь идет о радиационной генетике человека?
Уже говорилось: род людской подвергается облучению с тех пор, как появился на Земле. Ибо всегда существовал естественный фон радиоактивности. В последние десятилетия он несколько повысился (в основном из-за ядерных взрывов). В среднем же для планеты, к счастью, ненамного. Как мы знаем, ныне он дает 0,125 рентгена за год.
Но к этой дозе добавляют свою лепту другие источники радиации. Скажем, светящиеся наручные часы (до 0,05 рентгена за год), фосфоресцирующие циферблаты на приборном щите самолета (до 1,3 рентгена за год).
Между тем достаточно 10 рентген, чтобы частота мутаций у человека удвоилась по сравнению с естественной. Ясно, сколь важно оберегать людей от облучения. Оно должно быть сведено к минимуму даже в медицине, где вызвано суровой необходимостью.
И уж совершенно излишне там, где без него вполне можно обойтись (одно время в США, Англии и других странах Запада стали делать рентгеновские снимки позвоночника или ног в ателье одежды и обуви).
Будущее человечества олицетворяют 130 миллионов новорожденных, которые ежегодно приходят в мир.
Увы, 4 процента из них - это миллионы - появляются на свет "наследственно отягощенными". Иначе говоря, имеют те или иные генетические аномалии, психические и физические (дефекты нервной и кровеносной, мышечной и костной, эндокринной и других систем).
Более того, как показали обследования в Канаде, доля эта за 1965-1976 годы увеличилась там на 1 процент.
Конечно, виноваты здесь не только излучения. Вместе с отходами индустрии и транспорта, с ядохимикатами, применяемыми сельским хозяйством, выбрасываются десятки тысяч веществ, способных вызывать мутации. А в этом преуспели не только канадцы, но и их соседи: на США, занимающие 6 процентов суши, приходится 40-50 процентов промышленных отходов, загрязняющих нашу планету. "Рекорды" же такого рода нельзя считать "внутренним делом" той или иной страны. Биосфера на всех одна, и ее не разгородить границами политической карты.
Если вспомнить, что иные государства еще не присоединились к договору о прекращении испытаний ядерного оружия в атмосфере и на поверхности Земли, то вполне понятной станет тревога генетиков за судьбы рода людского: не грозит ли человечеству деградация?
Здесь многое еще неясно. Впрочем, очевидно одно:
надо обезопасить людей от окружающих нас мутагенных фактов. Прежде всего положить конец радиоактивному и любому иному загрязнению среды- Но едва ли целесообразно отказываться от рентгеновских лучей, от их применения в медицине. Как же быть?
Возможна химическая защита от вредного их влияния. Уже есть такие противоядия. Будучи введены в о*рганизм, они помогают системе восстановления, действующей в клетке, ликвидировать мутации. Некоторые препараты предохраняют хромосомы от поражения, нейтрализуя отрицательные эффекты при довольно солидных дозах (в 50-100 рентген).
После того как в 1969 году удалось отделить от ДНК и получить физически изолированный ген, перед медициной открылась принципиально новая возможность бороться с наследственными недугами, которые некогда казались фатально неотвратимыми. Их будут предупреждать, вводя в организм на зародышевой стадии нормальные гены, которые откорректируют программу его развития еще в материнской утробе.
"Введение нормальных генов в клетки наследственно больных людей будет радикальным лечением, - считает академик Н. Дубинин. - Гибридизация растений, животных и микроорганизмов благодаря введению изолированных генов приобретает неограниченные возможности".
Конечно, немало еще надо сделать, чтобы все это стало реальностью. Предстоит лучше изучить, как влияет на организм среда вообще и, в частности, рентгеновская радиация, какие она вызывает в нем изменения.
Важная роль здесь принадлежит исследованию близнецов, особенно идентичных, тождественных по генотипу. Если у них обнаруживается вдруг заметное несходство, то порождено оно, очевидно, прежде всего различиями в условиях существования, во внешних факторах.
И тут вспоминается перспектива, о которой говорилось вначале: возможность выращивать организмыкопии (разумеется, в эксперименте с животными).
Вполне реально получать их целыми партиями однолеток, снова и снова через какой-то промежуток времени, чтобы каждая такая группа одного возраста была отделена от следующей интервалом, скажем, в год. Если выделить контрольные экземпляры, не подлежащие никакому искусственному воздействию (например, облучению), и сравнить с теми, которые ему подвергались, это сопоставление даст ценнейшую картину сходстваразличия, охватывающую всю серию поколений. Ясно, что чем ближе к человеку подобные животные генетически, тем легче перенести на него результаты исследований, тем надежнее выводы по аналогии.
16.
- Может сложиться впечатление, будто рентгеновская радиация имела исключительное значение для науки.
- Не только имела, но и по-прежнему имеет.
- Не оттого ли, что открыта раньше прочих проникающих излучений и, имея выигрыш во времени, опередила их в применении?
- Да нет, не только и даже не столько поэтому.
У нее целый ряд особенностей и преимуществ, которые делают ее незаменимой.
В 1675 году А. ван Левенгук усовершенствовал лупу, добившись 300-кратного увеличения. Взглянув через "волшебное стекло" на капельку воды из Дельфтского канала, он обомлел: в ней копошились неведомые чудища...
"Александр Македонский отправился в Индию и обнаружил там огромных слонов, каких ни один грек до того времени не видывал. Но эти слоны были так же обычны для индуса, как лошадь для Александра. Цезарь отправился в Англию и наткнулся там на варваров, которые заставили его широко раскрыть глаза от изумления, но эти бритты были друг для друга такой же банальностью, как римские центурионы для Цезаря.
Но Левенгук.. Этот привратник из Дельфта проник в новый фантастический мир мельчайших существ, которые жили, рождались, боролись и умирали, совершенно незримые и не известные никому от начала времен""" _ писал П. де Крюи в книге "Охотники за микробами".
А Рентген? 220 лет спустя этот профзссор из Вюрцбурга проник в новый фантастический мир... В мир таинственных невидимок, оказавшийся необъятным, простирающимся от атомных недр до космических глубин.
Икс-лучи позволили заглянуть внутрь любого непрозрачного вещества и живого существа, не нарушая его целостности, и уже одно это говорит о непреходящем значении их открытия. Но еще в начале XX века обнаружилось, что они способны на большее, чем просто делать прозрачными непрозрачные предметы.
...Мюнхен, 1912 год. В кафе Хофгартен ежедневно встречаются физики, химики, кристаллографы. Это своеобразный клуб, возникший по инициативе А. Иоффе и Э. Вагнера, сотрудников В. Рентгена. Вдохновитель бесед - П. Дебай. Среди их участников - М. фон Лауэ, В. Фридрих, П. Книппинг...
И вот на одном из таких симпозиумов разгораются дебаты вокруг идеи, выдвинутой М. фон Лауэ: нельзя ли икс-лучами исследовать внутреннее строение кристаллов? Первый, кто не верит в ее реализацию, - Э. Вагнер. Его сомнения небезосновательны. Еще В. Рентген в своих знаменитых опытах искал новые эффекты, пропуская открытую им радиацию через кристаллы, но бгзуспешно.
М. фон Лауэ понимает, что его мысль не вполне оригинальна, мало того, она не нашла подтверждения в экспериментах самого В. Рентгена. Но не сдается, имея на то свои основания. Действительно, не исключено, что кристалл можно все-таки прощупывать икс-лучами. Его решетка геометрически правильная структура, своего рода ажурная конструкция из атомов, расположенных рядами и разделенных пустотой. Оказалось, что расстояния между соседними рядами того же порядка, что и длина волны рентгеновской радиации.
Известно и другое. Если пропустить обычный свет через узкую щель (шириной с длину его волны), то можно наблюдать его дифракцию. Он даст радужную картину, разложившись без призмы. Ибо составляющие его лучи, огибая края такой щели, отклоняются неодинаково: красные, например, иначе, чем желтые или синие. Кроме того, накладываясь друг на друга, они взаимно усиливаются или, напротив, ослабляются. И на экране появляются чередующиеся темные и светлые разноцветные полоски. По расстоянию между ними, которое легко измерить, и по заранее известной ширине щели нетрудно рассчитать длину волны прошедшего через отверстие света.
По предположению М. фон Лауэ, нечто подобное должно получиться и с рентгеновской радиацией, если пропустить ее через кристалл, где пустые промежутки между шеренгами атомов напоминают щели.
Было заключено пари на коробку шоколада. Чтобы разрешить спор, В. Фридрих поставил на пути икс-лучей кристалл и рядом, сбоку, фотопластинку, чтобы зарегистрировать их, когда они отклонятся под прямым углом.
Рентгеновская трубка трещала день за днем, но безрезультатно. Она мешала работавшему в том же помещении П. Книппингу, и он изменил положение пластинки, поставив ее не сбоку, а за кристаллом, дабы на ней ну хоть что-нибудь запечатлелось. И тогда все с удивлением увидели симметричный узор из темных пятен.
"Великое открытие свершилось, - вспоминал впоследствии академик А. Иоффе. - Так появилась знаменитая работа Лауэ, Фридриха и Книппинга. Вагнер был посрамлен, хотя его скепсис немало способствовал быстрой постановке эксперимента".
Так, в 1912 году родился рентгеноструктурны и анализ. Поначалу он ограничивался получением и изучением лауэграмм. Это снимки с дифракционной картиной, которая отражает строение того или иного монокристалла - одного более или менее крупного целостного образования (такого, как драгоценный камень). Она позволяет обнаружить дефекты решетки, внутренние напряжения и тому подобное.
Но в 1916 году П. Дебай и его коллега П. Шеррер приспособили метод для изучения поликристаллических материалов (таких, как порошки, состоящие из разнокалиберных мелких крупиц минерала, или сплавы, характеризующиеся обычно неоднородностью структуры). Новые разновидности рентгенограмм были названы дебаеграммами. По ним опре; деляют строение и состав образцов, размеры и ориентацию вкрапленных в них зерен или иных включений.
Постепенно выяснилось, что так можно исследовать и не обладающие геометрически правильной структурой материалы, частично упорядоченные и даже аморфные объекты. Причем не только твердые, но также жидкие и газообразные. Что дал этот "всевидящий глаз" науке и технике, лучше всего проиллюстрировать работами, заложившими краеугольные камни молекулярной биологии.
В 30-е годы настоящую сенсацию вызвала находка Д. Бернала и Д. Кроуфут-Ходжкин. На удивление коллегам, английские ученые взялись за рентгеноструктурный анализ веществ, для которых он казался неприменимым, белков. Считалось, что эти длинные органические молекулы, сворачиваясь в клубки, образуют бесформенную, бесструктурную массу. И вот сюрприз:
съемка обнаружила у них столь ярко выраженную внутреннюю упорядоченность, что заставила говорить об их кристаллоподобном состоянии.
Но когда английский биохимик М. Перуц в 1937 году вознамерился разобраться таким путем в "архитектуре"
гемоглобина, эта затея прослыла бесперспективной. "Мои товарищи не могли смотреть на меня без сожаления, - вспоминает ученый. - В ту пору самым сложным органическим веществом, чье строение было установлено с помощью рентгеноструктурного анализа, оставался краситель фталоцианин, состоящий из 58 атомов. Как мог я надеяться выяснить расположение тысяч атомов в молекуле гемоглобина?"
Проблема оказалась действительно архитрудной, но все же была решена, хотя и не скоро, через 20 с лишним лет. Так появилась широкоизвестная ныне трехмерная модель этого важного биополимера, состоящего из 10 тысяч атомов водорода, углерода, азота, кислорода, серы и железа. Оправдалась ставка на рентгеноструктурный анализ; собственно, он только и подавал надежды на удачу.
Благодаря ему стала возможной и пространственная модель ДНК дезоксирибонуклеиновой кислоты, содержащей сотни тысяч атомов. Эту знаменитую "двойную спираль" предложили в 1953 году Д. Уотсон и Ф. Крик, воспользовавшись исключительно четкими дифракционными картинами ДНК, полученными М. Уилкинсом. Именно тогда, по мнению специалистов, произошел "гигантский взрыв, изменивший лицо генетики":
была установлена молекулярная природа наследственности.
В 1962 году все трое, а заодно с ними М. Перуц и Д. Кендрю, расшифровавший структуру миоглобина (мышечного белка), удостоились Нобелевской премии.
Интересно: из пяти лауреатов только Д. Уотсон - биолог, остальные, по сути дела, физики.
Да, своим нынешним рывком наука о жизни во многом обязана именно физике, ее арсеналу идей и методов. В частности, рентгеновской кристаллографии применительно к биополимерам.
Конечно, просвечивать их можно и гамма-радиацией.
Но для нее они слишком прозрачны. Да и она для них слишком разрушитгльна. Способна вызвать, например, денатурацию бглка - его необратимые изменения (структурные!), наподобие тех,которые наблюдал каждый из нас, поджаривая яичницу.
Понятно, было бы желательно использовать самое безобидное проникающее излучение. Значит, как можпь более мягкое? Нет, годится лишь такое, у которого дли на волны близка к поперечнику атома (около 10^-8 сантиметра). То есть именно рентгеновское, пусть не самоо жесткое (10^-12 сантиметра), но и не самое мягкое (10^-5 сантиметра). Ясно, почему ультрафиолет здесь тем более не гадится, не говоря уж о видимом свеге.
Представьте: ветер гонит волны по воде. Мы сразу замечаем, если они набегают на какое-то препятствие, даже когда оно скрыто от нас. И могут кое-что рассказать нам о его форме, величине. Наиболее полной информация будет тогда лишь, когда они по своим размерам несколько меньше огибаемого ими объекта. Так и при рассеянии рентгеновских волн веществом. Ведь их пропускают именно затем, чтобы как можно больше узнать о расположении атомов и расстояниях между ними в кристаллоподобном материале.
Разумеется, существует не только рентгено-, но также электроно- и нейтронография. У каждой свои преимущества. И свои недостатки. Чтобы получить столь же четкую дифракционную картину с помощью нейтронов, нужна более сложная техника: их пучок, выпущенный даже из самого мощного ядерного реактора, в тысячу раз менее плотен, чем поток рентгеновских квантов* из обычной трубки. С другой стороны, есть объекты, которые лучше исследовать нейтронографически. Пример - сплавы железа, кобальта, никеля.
Дело тут вот в чем. Рентгеновская радиация рассеивается электронными оболочками (а они у многих элементов настолько схожи, что для нее практически к1 одно лицо). Нейтроны же рассеиваются атомными ядрами. И способны "нащупать" разницу даже между близнецами - изотопами одного элемента, которые абсолютно неразличимы рентгенографически.
Словом, каждому свое. То же можно сказать и со э-лектронографии. Но нельзя не отметить, что при топ же плотности потока и прочих равных условиях частицы опасней, чем кванты, для исследуемого образца, особенно для хрупких биохимических структур. Если нужен неразрушающий анализ, то именно рентгеновские волны подойдут скорее, чем что-либо иное.
Итак, используется не только их поглощение, открытое еще в 1895 году, но и рассеяние, обнаруженное в 1912 году. Первое дает обычные рентгенограммы, хорошо знакомые каждому по диагностическим снимкам в поликлинике. Второе - необычные (лауэ- и дебаеграммы). На них мы не увидим таких теней, по которым сразу же угадывается силуэт просвеченного предмета, скажем, кольца с камнем на пальце. Мы увидим симметричный узор из темных пятнышек, совершенно непохожий на изучаемый объект внешне, но зато математически четко отражающий структурные особенности сплава или минерала.
По такой дифракционной картине, сделав необходимые измерения, специалисты рассчитывают параметры кристаллов. Но эта работа уже проделана для очень многих земных веществ. И теперь, используя ее результаты, мы можем судить о составе любого незнакомого геологического образца, даже лунного или марсианского грунта (достаточно сравнить его рентгеновскую "визитную карточку" с уже известными).
Характеристика столь всепроникающего, поистине "всевидящего глаза" будет неполной, если не упомянуть еще одну доступную ему сферу исследований. Речь идет о получении спектров испускания и поглощения рентгеновской радиации. По ним изучают природу химической связи, находят заряды ионов в твердых телах и отдельных молекулах, проводят количественный и качественный анализ веществ, осуществляют быстрый неразрушающий контроль состава материалов на горно-обогатительных фабриках, металлургических и цементных заводах.
17.
- Наконец-то о заводах, а то все лаборатории да лаборатории!
- Стоит ли противопоставлять те и другие? Производство немыслимо без науки, которая стала непосредственной производительной силой. Это несложно проиллюстрировать и ролью рентгеновских лучей.