Радиационная атака

Странно, но факт: в процессе эволюции живые организмы не выработали органов чувств, способных ощущать ионизирующую радиацию. Ведь на всем протяжении эволюционного процесса она не представляла опасности для живой клетки.

А если мощный поток энергии из источников ионизирующей радиации ворвется в здоровую живую клетку, если раздастся такой беззвучный залп? Ведь при этом количество поглощенной энергии всегда бывает ничтожно мало, а биологический эффект значителен. Это один из самых загадочных феноменов радиационной биохимии. Попробуем разобраться в том, что происходит.

Организм облучен гамма-лучами в дозе 1000 бэр. Кванты ворвались в клетку. Та часть энергии, которая поглотилась, немедленно преобразовалась в возбужденные и ионизированные атомы и молекулы. Еще одна стотысячная секунды - ив молекулах произойдут серьезные изменения.

Но на практике, например, при лечении раковых заболеваний, облучение продолжается длительно. А это значит, что каждый из мгновенно протекающих процессов повторяется многократно в течение всего периода облучения. Следовательно, все время происходят и молекулярные изменения.

Кванты энергии несоизмеримо малы по сравнению с атомами и молекулами. Для квантов энергии клетка в определенном смысле "дырява". При облучении часть квантов пройдет клетку насквозь и не вызовет никакого биологического эффекта. Но какая-то другая часть энергии все же поглотится, и вот только эта поглощенная энергия поразит клетку.

Влетевшая в клетку ионизирующая частица может выбить электроны из атомов и разорвать определенные химические связи. Изменяется химическая структура молекулы и одновременно с этим ее химические свойства. А это означает нередко начало конца клетки.

Радиационная атака

Клетка - это своего рода единица живой материи. Каждая клетка окружена полупроницаемой оболочкой, мембраной. Она состоит из белков и липидов и служит настоящим барьером проницаемости различных веществ в клетку. В мембране содержатся (иногда говорят, встроены) разнообразные ферменты, ускорители химических процессов. Она играет исключительно важную роль в системе активного переноса ионов натрия и калия.

Внутри клетки расположено ядро. Оно окружено ядерной оболочкой с крупными порами. Внутри ядра сосредоточен генетический аппарат клетки - ДНК. Кислота, в свою очередь, связана с белком, который называют гистоном. ДНК находится не в свободном состоянии, а организована в так называемые хромосомы.

Внутри клеток можно заметить много других мельчайших образований. Это митохондрии. Иногда они составляют до 20 процентов жидкого содержимого клетки. Именно здесь происходит окисление аминокислот, углеводов и липидов - жироподобных веществ. Во внутренней части митохондрий содержатся ферменты, участвующие в переносе электронов и наработке энергии.

Есть в клетке и другие образования. В лизосомах (этих мельчайших пузырьках, содержащих целый набор ферментов) идет переваривание разнообразных веществ, попадающих внутрь клеток. В рибосомах происходит синтез белка. Рибосомы - это в определенном смысле самая настоящая "белковая фабрика".

Вся остальная часть клетки - ее жидкая часть - носит название цитоплазмы. В ней содержится огромное количество самых различных ферментов. Вся цитоплазма, в свою очередь, состоит из уплощенных пузырьков, образований, напоминающих микроскопически малые цистерны, которые связаны между собой микроканальпами.

Итак, для живой клетки характерны высокая специализация, теснейшая взаимосвязь всех функций. Но в организме млекопитающих клетки находятся в еще более сложных взаимоотношениях друг с другом, а их деятельность контролируется центральной нервной системой, регулируется с помощью гормонов. Наконец, организм имеет единую кровеносную систему.

Представим себе, что с экспериментальными целями облучают живые клетки. Рассмотрим конкретный случай: облучаются клетки экспериментальной мыши. При облучении в клетке начинается жестокая война. Чем выше доза, тем сильнее нападающая сторона. Много клеток страдает в результате прямого попадания квантов энергии в молекулы биологически важных веществ. Значительно больше образуется продуктов косвенного действия радиации: продуктов радиационного распада воды и активных осколков молекул, которые называют радикалами.

Пострадавшая клетка мобилизует все силы для защиты, для восстановления. Процессы ионизации, возбуждения молекул, образование измененных молекул происходят одновременно во всех составных частях клетки и во всех тканях. Лучевое поражение начинается сразу во многих точках. Одновременно в организме активируются системы, которые исправляют, репарируют измененные радиацией биохимические процессы.

Конечный результат - выживает клетка или погибает - зависит от этих противоположно направленных потоков явлений.

Рядовой солдат не представляет себе картины битвы на большом участке фронта. Своими глазами он видит немногое. На картах армий и фронтов события приобретают масштабность. Но зато солдат на себе чувствует, что значит острие стрелки, нацеленной на штабной карте на его участок фронта.

Эшелоны нападающих - кванты - достигли клеточной оболочки (мембраны). Она как первая оборонительная линия. В результате изменена проницаемость мембран. Но ведь значительная часть ферментов "вмонтирована" в мембраны, или, как говорят биохимики, упорядочена. В результате действия проникающих лучей эта упорядоченность нарушается. И, пожалуй, одно из главных последствий радиационного воздействия - разлаживается прежде четкая согласованность работы ферментов.

Железная диалектика связи "причины" и "следствия" немедленно вступает в силу.

Если поток квантов ударил по мембранам, деятельность всех ферментных систем дезорганизуется, искажается минеральный обмен и такая его важная часть, как обмен натрия и калия. Калия всегда значительно больше внутри клетки, чем натрия. Мембраны всегда активно откачивают натрий из клетки. В результате облучения этот натриевый насос портится.

...Радиационная бомбардировка клетки продолжается.

В ядре клетки энергия захвачена непосредственно молекулами ДНК. Произошло прямое попадание "снаряда". В отдельных участках молекулы возникли разрывы и повреждения. Нарушилась и проницаемость ядерной мембраны. Сквозь нее, как вражеские лазутчики, стали проникать отдельные ферменты из других составных частей клетки. Специальные ферменты начали расщеплять молекулы ДНК - главного генетического материала наследственности.

Все это приводит вскоре к задержке деления клетки. И если доза облучения была значительной, то в дальнейшем деление становится невозможным, и клетка гибнет. Если же радиационный удар был не столь массивным, то легко заметить работу "аварийных команд" клетки. Процессы восстановления начинаются вскоре за "нападением". Одни ферменты словно вырезают поврежденные участки ДНК, Другие - сшивают поврежденные цепи молекул.

Энергия ионизирующей частицы может поглотиться митохондриями, в состав которых входят белки. Нити белковых молекул могут сократиться, сжаться, исказить тонкую структуру митохондрий. Нарушится работа ферментов. Митохондрия начнет производить меньше энергии. Что за этим последует, легко представить. Вообразим на мгновение, что произойдет в большом современном городе, если прекратится его снабжение электроэнергией. Чтобы избежать энергетического кризиса, клетка начинает компенсировать недостаток энергии за счет более радиоустойчивого процесса - биохимического превращения углеводов.

А если кванты ионизирующей радиации попадут в рибосомы? Тогда может быть поражена сама "белковая фабрика" клеток.

Но вот радиационная атака достигла лизосом, внутри которых заключен большой набор ферментов, вызывающих переваривание всех чужеродных частиц, попадающих в клетки. В таком случае джинн выпущен из бутылки, может наступить процесс самопереваривания клетки. Клетка не сумела отразить радиационную атаку и погибла. Каковы же главные причины ее гибели?

Поражение клетки ионизирующей радиацией бывает комплексным: оно начинается одновременно в ряде биохимических систем, расположенных в самых разнообразных микроструктурах клетки. Особенно существенную роль в радиационном поражении клетки играют нуклеиновые кислоты и в первую очередь ДНК. Клетка теряет способность к делению. При лучевом поражении нарушается тонкая регуляция биохимических процессов, ферменты, отвечающие за "ремонт" повреждений в ДНК, не справляются со своими задачами, и на фоне нарастающего биохимического хаоса клетка гибнет. Именно такую картину наблюдают при облучении раковых клеток.

Мы рассказали о случае, когда доза облучения была смертельной для многих млекопитающих и человека. А какие процессы произойдут в клетке при дозе облучения всего в 100 бэр? Тут мы можем встретиться с отдаленными последствиями лучевого поражения, которому предшествует период мнимого благополучия.

В принципе при дозе 100 бэр могут наблюдаться те же процессы, с которыми встречаются и при дозе 1000 бэр. Однако число центров поражения после радиационной бомбардировки будет значительно меньше, а процессы восстановления - эффективнее.

В одном случае восстановительные процессы залечат все раны, нанесенные радиационной атакой. В другом - следы войны останутся. Если произошли серьезные изменения генетического аппарата, то могут встретиться и отдаленные последствия лучевого поражения: увеличивается число уродов в потомстве, чаще возникает такое заболевание, как рак, наблюдаются следы преждевременного старения.

Теперь представим себе, что доза облучения экспериментального животного еще меньше, например, всего 10 бэр. Обнаружить влияние такой дозы на млекопитающих даже современными биохимическими методами дело непростое.

Ученые облучали экспериментальных животных, обычно мышей и крыс, ежедневно, в течение нескольких месяцев в дозе 10 бэр. И на большом количестве животных удалось, например, наблюдать укорочение сроков жизни как облученных родителей, так и их необлученного потомства. Это свидетельствует: доза в 10 бэр тоже вызывает изменения в генетическом аппарате клетки, которые не успевают восстанавливаться и накапливаются в процессе облучения. Значит, длительное облучение в дозе 10 бэр в день тоже весьма нежелательно для млекопитающих и, конечно, для человека.

Существует еще одно загадочное свойство ионизирующей радиации:: незначительная, но строго определенная для каждого вида доза может вызвать эффект стимулирования биологических процессов. Эта поразительная особенность проникающих лучей уже широко используется человеком. Если, например, облучать семена кукурузы гамма-лучами, то семена прорастают быстрее, а растения развиваются лучше. То же наблюдают при облучении семян овощей. Более того, врачам всего мира хорошо известно благотворное влияние радоновых ванн на человеческий организм.

В умелых руках исследователя разрушительная сила, таящаяся в ионизирующей радиации, может приносить огромную пользу человечеству.

Биохимический механизм радиационной стимуляции изучен еще недостаточно. Предполагают, что в клетке появляются какие-то химические соединения, которые интенсифицируют ряд процессов синтеза.

Доза гамма-лучей в 1000 бэр вызывает гибель живой клетки. Радиационная атака приведет к биохимическому хаосу, затормозит или остановит обменные процессы, прекратит деление клетки.

Воспользуемся этим свойством радиации в мирных целях. Картофель обладает одним неприятным свойством. Где-то в конце зимы и весной он начинает прорастать, снижает свои вкусовые качества, клубни теряют упругость, сморщиваются. Исследователи решили подобрать такую дозу проникающих лучей, которая резко тормозит жизнедеятельность клубней картофеля. Снизить интенсивность биохимических процессов - это означает задержать или остановить полностью прорастание картофеля. Это, конечно, выгодно только в одном случае, когда все облученные клубни используются в пищу, а не как посевной материал.

Задержать прорастание - это решение только небольшой части задачи. Если ионизирующую радиацию хотят использовать как средство консервации пищевых продуктов, то надо доказать, по крайней мере, следующее: облученные продукты (картофель, зерно, овощи, фрукты) полностью безвредны для человека или животных. Проникающая радиация не должна менять технологических качеств облученного пищевого сырья.

Радиационная атака

Радиация не должна влиять и на вкусовые качества. Ведь бывают же пищевые продукты весьма питательные, но далеко не вкусные. Вспомните, например, о рыбьем жире, который вам иногда давали в детстве. Добавим, облученному продукту необходимо сохранить привычный вид, более того, он должен иметь и товарный вид: быть приятным для глаза. Ведь румяное, хрустящее на зубах яблоко всегда лучше, чем таблетка витамина С. Не так уж мало требований к облученному картофелю, зерну или фруктам.

Многолетние изыскания начались одновременно в Советском Союзе, США, Англии, Франции, Чехословакии, Польше, Канаде. В первую очередь обращалось внимание на лучевую консервацию или стерилизацию продуктов массового потребления: зерна, муки, картофеля, мяса, рыбы.

После многолетних поисков была найдена оптимальная консервирующая доза ионизирующей радиации для картофеля. 10 тысяч бэр. Ни больше и ни меньше. Ведь при меньших дозах эффект консервации был невысок. А при больших дозах наблюдались нежелательные явления.

Мне приходилось видеть опыты по использованию гамма-лучей кобальта-60 для консервации картофеля. Серии целлофановых пакетов с картофелем загружали в жерло люка мощной кобальтовой установки. Нажата кнопка, кобальтовые стержни вылетели из гнезда, облучение началось. Через различные интервалы времени клубни извлекали из облучателя и помещали в хранилище. Ранней весной контрольные, необлученные партии проросли. Беловатые проростки придавали сморщенным клубням жалкий вид. Облученный картофель выглядел так, словно его совсем недавно выкопали из земли.

Это только один из многих примеров использования ионизирующей радиации для хранения пищевых продуктов. В основе всегда одно: при строго определенной дозе гамма-лучей тормозятся биохимические процессы, связанные с делением клеток, с митозом, с удивительными превращениями "самой золотой из молекул" - ДНК.

И тут снова возникает вопрос, который давно волнует исследователей. Определенный естественный радиационный фон на Земле существовал всегда. Может ли он играть какую-то роль в биологических процессах, а если да, то какую?