В этих опытах получалась совершенно иная картина, чем в прежних. Вязкость растворов падала при значительно меньших дозах. Не буду приводить многочисленных цифр, скажу только, что в пересчете на одно клеточное ядро облучение дозой всего в один рентген должно создавать около десяти одиночных разрывов. Здорово? Пока еще нет, потому что два важных вопроса остаются открытыми. Во-первых, опыты ставились на водных растворах ДНК, и что происходит при ее облучении в составе живой клетки — неизвестно. А во-вторых, неясно, какую биологическую роль могут играть одиночные разрывы, если они не сказываются ни на химических, ни на физико-химических свойствах молекул.
На первый из этих вопросов уже получен достаточно четкий ответ. В то время, когда я пишу эти строки, Борис Иванник собирается защищать кандидатскую диссертацию, посвященную сравнительному анализу действия радиации на нуклеиновые кислоты в водном растворе и при облучении целостного организма. Главное внимание в этой работе уделено одиночным разрывам. Много получено ответов на важные вопросы, но нас сейчас волнует ответ лишь на один из них: между первичным действием лучей на ДНК в растворе и в составе живых клеток нет никаких существенных различий.
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.
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.
