Человечество узнало о неведомой энергии. Прежде всего поражала ее мощность — 1 кг урана давал столько же энергии, сколько 2500 кг угля. Но эта энергия была и губительной. В Хиросиме в первые дни погибали те, кто находился в радиусе 0,5 км от эпицентра, затем те, кто находился в радиусе 1 км. Около 80% тех, кто был на расстоянии до 1 км от эпицентра, погибли в течение 8 недель. Вначале врачи думали, что люди умирают от дизентерии, но прошло 6 лет, а люди продолжали болеть и умирать.
Прошло 20 лет, а люди, бывшие в Хиросиме во время взрыва или приехавшие туда сразу после взрыва, продолжали заболевать и умирать. Больше всего страдали они от раковых опухолей и лейкоза — рака крови. Прошло уже 35 лет со дня взрывов в Хиросиме и Нагасаки, а люди все еще здесь заболевают от облучения[17]. Выяснилось, что средняя продолжительность скрытого периода рака у человека (от попадания в организм радиоактивных веществ до обнаружения опухоли) от 19 до 30 лет. Обреченными становятся не только сами облученные, но и их дети.
Общая схема биологического действия ионизирующего излучения (по С. А. Ландау-Тылкиной, 1974)
Оказалось, что ядерные взрывы в Хиросиме и Нагасаки привели к нарушению наследственности: у детей, родившихся через много лет после взрыва от облученных родителей, наблюдались врожденные уродства, умственная отсталость и т. п.[18]
Влияние радиоактивности на наследственность впервые было замечено еще в 20-е годы. Русские генетики Г. А. Надсон и Г. С. Филиппченко в 1925 г. установили, что при облучении дрожжевых грибков радием получаются радиомутанты. В 1928 г. Н. П. Дубинин, облучая мушек дрозофил, обнаружил, что радиация приводит к делению гена. (До этого открытия ген считался неделимым.) В те же годы советский генетик С. С. Четвериков привел убедительные доказательства о влиянии радиоактивности на наследственную изменчивость. Американские генетики повторили опыты советских ученых по облучению рентгеновскими лучами дрозофилы и обнаружили, что частота мутаций при этом увеличилась в 150 раз! В 1935 г. Н. В. Тимофеев-Ресовский доказал, что мутационные изменения, вызванные облучениями, ничем не отличаются от естественных мутаций.
Однако в те годы радиация еще не привлекала такого широкого внимания ученых. Основные исследования влияния радиации на наследственность сделаны Н. П. Дубининым и другими после взрывов в Хиросиме и Нагасаки, когда эта проблема встала перед человечеством во весь свой рост.
«Радиационная генетика, родившаяся в 1925—1930 гг. в опытах с клетками дрожжей и с дрозофилой... с 1945 г. превращается в одно из направлений новой биологии, прямо касающейся здоровья человечества. При атомных центрах возникают отделы радиационной биологии и генетики, в которых... начали проводиться опыты по моделированию влияния радиации на наследственность человека.
Метод получения мутаций с помощью радиации и химических соединений стал основным в получении высокоэффективных продуцентов целого ряда ценнейших лекарственных, пищевых и других веществ. Когда был открыт пенициллин, его стоимость в буквальном значении этого слова была выше золота. Теперь... это лекарство стало доступно каждому... Управлять процессами мутаций — значит овладевать одной из самых могущественных сил природы» (Дубинин, 1975).
Исследования показали, что чем выше организовано животное, тем более чувствительно оно к радиации. Так, мыши «радиочувст-вительнее» мушки дрозофилы в 15 раз, обезьяны — в 30—50 раз. Человеку и человекообразным обезьянам для изменения наследственности требуется гораздо меньшая доза радиации, чем всем другим животным. Средняя летальная доза (доза, при которой гибнет не менее 50% облученных организмов) для обезьяны — 550—600 рентген[19], для кролика — 800, для змеи — 30—20 тыс. Р, а инфузория выдерживает от 300 до 330 тыс. Р. Насекомое гибнет только при 85 тыс. Р. В ядерном реакторе, где доза облучения 10 млн. рад в сутки, были обнаружены бактерии, которые размножались, делились и чувствовали себя прекрасно. Не только бактерии, но и многие растения имеют большую радиоустойчивость.
По-разному реагируют на облучение и люди. Наибольшая чувствительность в эмбриональном периоде, особенно во время активной закладки органов, у человека — через 2—6 недель после зачатия. Доза, абсолютно безвредная для матери, может вызвать серьезные нарушения в развитии плода. Молодые организмы чувствительны и после рождения. Кроветворные органы человека начинают реагировать при дозе 1—10 Р, а зрительные ощущения при облучении сетчатки возникают при 1 млн. Р, при 0,05—4 Р изменяется система биотоков и условных рефлексов.
Сильнее всего страдает нервная система: кролику облучили небольшой участок на одной ноге, через два дня образовалась язва, а еще через несколько дней появилась язва на таком же месте и на другой, необлученной ноге. Такое симметричное расположение могло появиться только как реакция нервной системы организма. Одна и та же доза, не оказывающая сильного влияния на остальные части тела, при облучении головы действует очень сильно, причем особенно при облучении лица. Биотоки мозга меняются уже при дозе 2—4 Р через 30—60 секунд. Щенки, которых облучали слабыми дозами в эмбриональном развитии, становились несообразительными и вялыми. При шуме вообще терялись и забивались в угол.
Местное облучение гонад (мужских и женских половых клеток) при дозе 300—600 рад вызывает полную стерилизацию человека, т. е. потерю возможности иметь потомство. Меньшая доза может влиять временно или даже не влиять на половую функцию. Но это не устраняет опасности: в облученных половых клетках могут возникнуть вредные мутации, которые перейдут и к следующим поколениям. Доза облучения, не вызывающая лучевой болезни, может вызвать раннее старение, появление катаракт, опухолей и т. д. Особенно при длительном облучении.
Было установлено, что радиация вызывает ионизацию, т. е. придает электрические свойства молекулам, и они начинают вести себя как электрические частицы. Поэтому радиацию стали называть и ионизирующей. Оказалось, что даже самые мельчайшие и неуловимые частицы излучения могут вызвать огромные нарушения в организме. Так, каждая альфа-частица, проникая в живую ткань, создает 3500 пар ионов. Это всего лишь одна частица.
Влияние облучения на хромосомы (схема разрыва и восстановления хромосом (внизу) и изменение хромосом и митоза после рентгеновского облучения (вверху); видно отставание хромосом в метафазе и образование мостиков и фрагментов)
Поглощение энергии излучения клетками и тканями живого организма происходит практически мгновенно, в течение 10-6 — 10-5 сек. За это время облучение вызывает ионизацию, или возбуждение, молекул, увеличивая их химическую активность. Облучение приводит к разрывам нити ДНК, изменениям нуклеотидов, задержке деления и т. п. Даже доза в 200—300 рад приводит к разрушениям в хромосомах человека. Через 15—20 мин. после облучения под микроскопом видно слипание или разрыв их, распад на большие куски и отделение гранул. (Наблюдается и искажение веретена деления.) Оторвавшаяся часть не может соединиться с основным ее телом, или соединяется неправильно, или совсем с другой хромосомой и т. п. Все это ведет к тому, что дочерние хромосомы получают измененный неполноценный набор. Число хромосомных нарушений пропорционально дозе облучения. Так, в культуре тканей кур облучение мощностью в 100 Р привело к перестройкам ядра у трети клеток, в 1000 Р — у половины, а при дозе в 2500 Р — у всех клеток. В ДНК сразу после облучения небольшой дозой уменьшалась вязкость, нарушался синтез и т. п.
Исследования показали, что в потомстве облученных родителей мутаций больше, чем хромосомных нарушений, так как кроме хромосомных перестроек происходят точковые мутации — изменения генов, структуры ДНК в том или ином месте молекулы и т. п. Вспомним, что у всех крупных человекообразных обезьян (орангутанг, горилла и шимпанзе) 48 пар хромосом, а у человека — 46. Иными словами, при переходе от человекообразных обезьян наблюдается уменьшение хромосом на две пары. Чем вызвано это уменьшение? Не исключено, что причина — слипание хромосом в результате облучения.
«Энергия радиации, если она присутствует в среде в небольших дозах, остается малозаметной и не поражает организм человека. Однако любая доза радиации, нечувствительная для организма человека, может проникнуть в зародышевые клетки и поразить молекулярные структуры хромосом, что вызовет нарушение наследственности. Уделом рождающихся детей в этом случае будут физические или умственные уродства» (Дубинин, 1976).
Рассчитано, что при повышении радиации всего на 10 Р (а при быстрых нейтронах 6—7 Р) за год в 2 раза увеличивается частота естественных мутаций, в 2 раза больше рождается детей с измененными наследственными качествами. Установлено в эксперименте, что на семенные органы обезьян действует меньшая доза облучения, чем на органы мышей и других животных.
Хромосомы хомяка до облучения (вверху) и после (внизу)
Действие радиации на потомство людей прослеживается на примере современного мира. В результате атомных взрывов радиация на нашей планете несколько возросла.
И уже к 50-м годам в Дании приблизительно до 3% населения рождались с серьезными наследственными дефектами, в США — до 4, а в Ирландии — до 7%. В среднем за поколение на каждые 100 млн. приходилось около 2 млн. детей с врожденными дефектами.
Сейчас доля мутантов значительно возросла. «Главную роль при изменении наследственной структуры играет механизм прямого действия радиации» (Дубинин, 1963).
Влияние радиации на изменчивость организма несомненно. Нам пока неизвестен уровень радиации в Восточной и Южной Африке в промежутке между 20 и 3 млн. лет назад. Однако доказано, что какой-то минимальной дозы радиации, за порогом которой наступает безопасность и радиация уже не действует, нет. Известный генетик А. Мюнтцинг (1967) пишет: «Для мутагенного действия ионизирующего излучения нет никакого порога, ниже которого облучение не вызывало бы мутаций».