До изучения физиками тонких процессов взаимодействия ядерных излучений с клетками живых организмов никто и не подозревал о громадном влиянии мощных гамма-квантов, быстрых альфа- и бета-частиц на развитие земной жизни.
Еще в первых опытах с радиоактивными веществами было установлено, что большие дозы облучения опасны для организма человека. Анри Беккерель, открывший естественную радиоактивность, погиб, облученный урановым препаратом, который он носил в кармане сюртука. Продолжительное облучение жесткой радиацией вызывает возникновение раковых опухолей, приводит к тяжелому заболеванию крови. И наоборот, слабая доза гамма-лучей может остановить рост злокачественных образований. Из этого видно, как не прост механизм воздействия ядерных излучений на организм. Тем не менее общие изменения, происходящие с клеткой в потоке гамма-лучей, хорошо известны: это разбухание ядра и всей клетки, разрушение клетки, увеличение вязкости протоплазмы и проницаемости клеточной оболочки.
Но это одна сторона проблемы. Есть и другая — влияние радиации на наследственный аппарат.
Наследственные признаки у человека, животных и высших форм растений передаются хромосомами, входящими в зародышевые (половые) клетки. В хромосомах находится множество невидимых даже сквозь самую сильную оптику частиц — генов, материальных носителей конкретных наследственных признаков. Гены сцеплены в определенные группы, число которых соответствует числу хромосом. Все клетки всех организмов данного вида содержат строго одинаковый набор хромосом. В клетках человеческого тела, например, их 46. Одна половина хромосом наследуется от матери, другая — от отца. И происходит это во время слияния половых клеток (которые в отличие от обычных имеют не полный, а половинный набор хромосом) и образования зиготы — оплодотворенного яйца, из которого развивается зародыш, несущий в себе все признаки будущего организма. Таким образом, все признаки потомства комбинируются из признаков, «записанных» в родительских генах. Это всеобщий закон, открытый знаменитым чешским ученым Менделем, уточненный и развитый последующими поколениями генетиков, биологов и биохимиков.
Одно из самых существенных достижений генетики после Менделя — это разгадка механизма мутаций, изменений наследственных признаков, которые в значительной мере обусловливают эволюцию живого. Мутации — основной фактор, вызывающий появление совершенно новых признаков у потомства.
В чем же причина мутаций? Чтобы изменить строение гена, надо перестроить его структуру — переставить, скажем, в его молекулах несколько групп атомов местами. Такая операция возможна с помощью некоторых химических веществ, Например, иприт, сильное отравляющее вещество, действует на структуру гена. Той же цели можно достичь и с помощью проникающей радиации. Ведь энергия, необходимая для разрыва молекулярных связей, в миллион раз меньше энергии ядерного кванта или частицы ядерного излучения.
Гамма-кванты и нейтроны легко проникают в клетки живого организма и вносят в структуру белковых молекул необратимые изменения. В наследственной программе, «записанной» в генах, появляются как бы «опечатки», меняющие смысл, порой — значительно, отдельных «фраз» — от роду заданного признака. Если такие «опечатки» появляются в соматических клетках (сома— тело, то есть составляющих структуру самого организма), то они потомству данного организма не передаются. Иное дело — половые клетки: здесь изменение наследственной программы влечет за собой передачу нового признака потомству. Но когда этот признак даст о себе знать, зависит от того, в каком гене появилась «опечатка» — в доминирующем или рецессивном (скрытом, отступающем). У доминирующего гена связанный с ним признак сказывается на потомстве, даже если такой ген содержится в зародышевой клетке только одного из родителей. Действие рецессивного гена проявляется в новом поколении лишь при условии его присутствия в клетках обоих родителей. Выходит, что признак, связанный с рецессивным геном, может ждать своего часа на протяжении нескольких поколений, пока не произойдет слияние половых клеток, содержащих одинаковые гены.
Большинство мутаций рецессивно. И все же встречаются доминирующие мутации, проявляющиеся своими признаками в ближайшем поколении. Обычно новые признаки «вредны» для животных и растений: они понижают их стойкость в борьбе за существование. Лишь в редких счастливых случаях возникают «полезные» признаки. Ослабленные организмы с «вредными» признаками вымирают, а организмы с «полезными» признаками дают стойкие поколения.
Впервые мутации под действием рентгеновских лучей (а природа этих лучей такая же, как и ядерных гамма-квантов: то и другое — жесткое электромагнитное излучение) наблюдал в 20-х годах американский генетик Меллер. Объектом его опытов была знаменитая фруктовая мушка дрозофила. Меллер заметил, что при облучении насекомых рентгеновскими лучами скорость мутаций значительно возрастает. Позднее появление мутаций под воздействием ядерных излучений было обнаружено у многих животных и растений. У нас в стране блестящую работу в этом направлении проделал Борис Львович Астауров, добившийся увеличения «урожайности» коконов шелкопряда. Подобные работы позволили понять механизм лучевой болезни еще до хиросимской трагедии, после которой мировая общественность во весь голос заговорила об опасности ядерных излучений.
В опытах с различными видами животных и растений ученые установили, что возрастание скорости появления мутаций пропорционально энергии ядерного излучения, поглощенного половыми клетками родителей за период от начала их развития до зачатия потомства. В принципе любое, даже самое малое, количество поглощенного организмом излучения увеличивает скорость появления мутаций. Установлено, что мутации происходят, например, под влиянием естественного радиоактивного фона, созданного солнечной радиацией и космическими лучами. Жесткое электромагнитное излучение и быстрые элементарные частицы, космические лучи, постоянно пронизывают атмосферу, в которой под действием первичных космических частиц рождаются и гамма-кванты и нейтроны. Все живое на Земле подвергается непрерывной космической «бомбардировке». Интенсивность ее возрастает по мере приближения к магнитным полюсам и с увеличением высоты над уровнем моря. Заметные количества радия, урана, тория, радиоактивного калия-40 содержатся в большинстве земных минералов и служат дополнительным источником облучения. В атмосфере есть также радон, радиоактивный газ — продукт распада урана. Более того, в самих организмах животных и растений содержится радиоуглерод и радиоактивный калий. В теле человека среднего веса в минуту происходит около 200 тысяч распадов радиоуглерода и свыше миллиона распадов калия-40. Калий-40 испускает энергичные бета-частицы, вылет которых из ядра сопровождается излучением гамма-квантов. Подсчеты показывают, что в среднем за всю жизнь человек получает 0,15 рентген (единица измерения радиации) естественного облучения. Таким образом, на протяжении всей своей истории человечество подвергалось радиоактивному облучению, и это не привело к каким-либо отрицательным последствиям. По-видимому, наоборот, слабые дозы облучения способствовали развитию жизненных форм на Земле.
По современным подсчетам, полная доза облучения половых желез человека, необходимая для удвоения скорости мутаций, равна в среднем 50 рентгенам. Однако удвоение скорости мутаций для человека совсем не благо. Дело в том, что увеличение частоты мутаций при возрастании интенсивности облучения повело бы к немедленному появлению большого числа изменений в наследственности, последствия которых были бы самыми ужасными. Ведь, как уже отмечалось, «полезные» мутации случаются крайне редко. Вот почему ныне, когда радиоактивные излучения и радиоактивные вещества стали широко применяться в науке и производстве, возникла необходимость в установлении максимально допустимой дозы облучения. В ее определении ученые исходят из признания естественного радиоактивного фона в качестве оптимального условия, обеспечивающего нормальную частоту мутаций и, стало быть, эволюцию человечества.
Отсюда вывод: максимально допустимая доза облучения человека, работающего с радиоактивными веществами, не должна приводить к резкому увеличению скорости мутаций. Надо, чтобы эта скорость мало отличалась от естественной.
Иное дело — применение радиоактивного излучения с экспериментальными целями в животноводстве и растениеводстве. Селекционеры издавна улучшали породы скота и сорта культурных растений, отбирая из поколения в поколение произвольно возникающие виды с благоприятными для сельского хозяйства признаками или получая эти признаки путем скрещивания. Радиоактивное облучение и применение других мутагенных факторов позволяют ускорить процесс выведения новых пород животных и новых сортов растений. По желанию человека скорость мутаций может быть увеличена во много раз. Конечно, при этом появится множество «вредных», отрицательных признаков. Однако среди них немало найдется и таких, какими селекционер будет удовлетворен. Ненужные селекционеру или ослабленные виды выбывают из «игры». Дальнейшие опыты ведутся с «удачными» экземплярами, у которых появились ценные свойства.
В Советском Союзе широко ведутся работы, цель которых — выведение высокопродуктивных сортов полезных растений. Радиоактивным кобальтом-60, который испускает гамма-кванты с высокой энергией, облучаются растения или их семена. Таким методом уже получены скороспелые и урожайные зерновые культуры, сорта овса, стойкого к грибковым заболеваниям. Выращены земляные орехи, отличающиеся устойчивостью к болезням и позволяющие механизировать труд по их выращиванию.
Можно сказать, что использование ускорения мутаций с помощью радиоактивного облучения особенно перспективно для выведения болезнестойких сортов растений. А эта задача очень актуальна. Потери урожая из-за болезней растений во всем мире весьма ощутительны.
Нет сомнения в том, что применение ядерной энергии в сельском хозяйстве позволит решить кардинальную проблему настоящего и будущего — проблему изобилия продуктов питания для всего человечества.