Дуглас Эдвард Ли умер, когда ему было 37 лет. Если бы не несчастный случай — кто знает! — может, современная радиобиология выглядела бы несколько иначе.
Если задача имеет несколько неизвестных, для ее решения необходимо составить систему из нескольких уравнений. Когда задача берется не из задачника, а решается с помощью опытов, нужно получить достаточное количество данных, чтобы можно было составить необходимое число уравнений. Это совершенно ясно.
Но то, что в алгебре ясно и школьникам, в радиобиологии поначалу не было ясно многим ученым. Сложные закономерности биологического действия радиации они пытались постичь, анализируя лишь кривые зависимости эффекта от дозы. А ведь это примерно то же самое, что решать одно уравнение со многими неизвестными. И вполне естественно, что результаты анализа были неоднозначны. Ведь, кроме дозовых кривых, нужно было привлечь какую-то дополнительную информацию. Или, образно выражаясь, решать не одно уравнение, а систему.
Именно к этому и сводится новый подход, который Ли внес в радиобиологию. Он в своих опытах исследовал зависимость эффекта не только от дозы, но и от фактора времени, от типа излучений, от их жесткости. И благодаря этому раскрывались сложные закономерности, а выводы становились вполне однозначными.
Что же сделал Ли? Рассказать об этом не просто. Ведь его написанная лаконичным научным языком книга, в которую включены лишь наиболее существенные результаты его работ, по объему вдвое больше, чем эта. Ограничимся несколькими примерами.
Ли начал с бактерий. Это и естественно, потому что работы, которые привлекли его внимание в 1934 году и с которых все началось, были выполнены тоже на бактериях. Как и его предшественники, Ли изучил зависимость эффекта от дозы. Почти во всех случаях получались кривые одного попадания. А там, где они не получались, это можно было объяснить, например, тем, что облучались не отдельные клетки, а комочки, состоящие из нескольких клеток. Форма кривых говорила о том, что гибель бактерий связана с проходом через клетку лишь одной ионизирующей частицы.
Чтобы окончательно в этом убедиться, Ли ставит дальнейшие опыты, где применяет облучение с разной интенсивностью и исследует дополнительное влияние температуры. Оказывается, ни растягивание общей дозы во времени, ни сопутствующее воздействие температурой не влияют на процент погибающих бактерий. А независимость от фактора времени и от температуры свидетельствует о том, что бактерия убивается проходом одной ионизирующей частицы.
Но проход проходу рознь. «Один проход частицы» — это еще ничего не говорит об энергии, которая требуется для вызывания эффекта, так как при проходе частицы через клетку в ней может поглотиться разное количество энергии. Для ответа на этот вопрос Ли решил выяснить зависимость эффекта от типа и жесткости лучей.
Он рассуждал так. Допустим, для умерщвления бактерии нужна сравнительно большая энергия, скажем, энергия нескольких десятков ионизаций. В таком случае достаточную энергию может дать только очень густо ионизирующая частица. Например, альфа-частица, создающая вдоль своего пути сплошную ионизационную «колонну», всегда будет убивать бактерию. А при проходе электронов, образующихся при облучении рентгеновыми и гамма-лучами, ионизации возникают, как правило, на значительном расстоянии друг от друга. Только в самом конце пути, при торможении электрона, образуется очень короткий, густо ионизирующий «хвост», отдающий на единицу своего пути энергию, сравнимую с той, что оставляет альфа-частица. Изредка еще боковые «веточки», так называемые дельта-лучи, создают довольно густую ионизацию. Следовательно, большинство проходов электрона через клетку останутся неэффективными. Поэтому при той же дозе облучения альфа-лучи должны вызывать значительно большую смертность бактерий, чем рентгеновы или гамма-лучи, а нейтроны — занимать промежуточное положение.
Совершенно иная картина должна наблюдаться, если, для того чтобы убить бактерию, достаточно небольшой энергии, скажем, одной ионизации. В таком случае любой проход редко ионизирующего электрона оставит в клетке ровно столько энергии, сколько нужно, а от альфа-частицы клетка получит много ионизаций, большая часть которых окажется избыточной. Но при определении дозы учитывается вся энергия. Поэтому при альфа-облучении, где большая часть энергии тратится «зря», эффект при той же дозе должен быть меньше, чем при использовании рентгеновых лучей.
Опыты показали, что при облучении бактерий наиболее эффективны жесткие (то есть особенно редко ионизирующие) рентгеновы лучи, затем идут мягкие рентгеновы лучи, нейтроны, альфа-частицы. Поэтому можно сказать, что смерть бактерии вызывается небольшой энергией. А более точные расчеты, проведенные Ли, показали, что для этого достаточно энергии одной ионизации.
Видите, сколько опытов понадобилось только для того, чтобы получить какие-то сведения о механизме действия радиации — не на слона, не на кукурузу, а на микроскопическую бактериальную клетку! А ведь многие пытались даже при облучении многоклеточных организмов ограничиваться анализом кривых доза — эффект.
Что значит убить бактерию? Хотя мы только что довольно много говорили о смерти бактерий, вызываемой облучением, ответить на этот вопрос не так просто. Дохлую лошадь или собаку нетрудно отличить от живой. Слишком много признаков помогают нам сделать это. А как отличить живую бактериальную или, скажем, дрожжевую клетку от «дохлой»?
В опытах Ли, о которых мы только что рассказывали, применяли методику, обычную для микробиологических опытов. Определенное число бактерий сеяли на стерильную питательную среду и ставили в термостат, где поддерживается благоприятная для развития температура. Через некоторое время подсчитывали число колоний, которые видны простым глазом. Каждая из них, представляющая собой округлое пятно, состоит из потомков одной клетки. Вычитая из числа посеянных клеток число колоний, получим число погибших клеток.
Но разве погибли те клетки, которые не дали колоний? Ведь мерина или мула не считают дохлыми только потому, что они не дают потомства. А если мы облучим бактерий дозой радиации, вызывающей практически полную потерю способности к образованию колоний, и изучим биохимическими методами, то увидим, что эти клетки почти полностью сохранили способность дышать и усваивать питательные вещества. Чтобы лишить бактерию этих свойств, необходимы гораздо большие дозы. А исследовав бактерий под микроскопом, мы увидим, что они не потеряли даже способности к росту. Клетки вытягиваются в длинные нити.
Можно подойти к вопросу и иначе. Облучить клетки, пересчитать их и поместить в условия, где они могут жить, не размножаясь. Подсчитав число клеток через некоторое время, мы увидим, что их стало меньше. Часть клеток лизировалась, или, попросту говоря, растворилась. Причем это не просто влияние среды. Ведь число контрольных не облучавшихся бактерий не изменилось. Лизис — это, конечно, смерть бактерии, но чтобы его вызвать, нужны колоссальные дозы, совершенно не сравнимые с теми, которые подавляют способность к размножению.
Вопрос этот не новый, и сталкиваться с ним приходится вне всякой связи с лучами. С ним, в частности, имеют дело при борьбе с болезнетворными микробами. Есть средства, вполне надежно уничтожающие бактерий, например огонь, которым широко пользуются при стерилизации. Наиболее распространенные дезинфекционные средства, вроде карболовой кислоты, тоже убивают бактерий. Но подобные сильные средства нельзя применять для лечения людей. Медицине известно сейчас большое количество противобактериальных средств, в первую очередь антибиотики и сульфамиды. Но известно ли вам, что они бактерий не убивают? Они только лишают бактерий способности размножаться. А с теми, которые уже есть, организм обычно легко и сам справляется.
