Философия оптимизма

Существование макромолекул, так же как и малых молекул, обязано микропроцессам и микровзаимодействиям квантовой природы. На вопрос, что объединяет атомы и радикалы в молекулы, нельзя ответить без ссылок на уровни энергии и орбиты электронов, на их положения и движения, на волновые свойства микрочастиц, на модель атома, вообще на квантовые понятия. Но это еще не делает молекулярную биологию квантовой теорией. Тот факт, что вещество состоит из элементарных частиц, атомов и молекул, т. е. из квантовых систем, еще не придает квантового характера макроскопическим процессам, при объяснении которых можно не принимать во внимание волновые свойства частиц и корпускулярные свойства излучений. Чтобы объяснить сдувание песка с вершины дюны и передвижение дюны, нет нужды ссылаться на атомистическую структуру песчинок. Но, если требуется указать причину формы кристаллических песчинок, придется сослаться на структуру молекул, на расположение атомов, на свойства квантовых систем.

Значительную, даже преобладающую часть биологических и биохимических процессов можно описать, не принимая во внимание ни поведение отдельных электронов, связанное с их волновыми свойствами, ни особенности излучений, связанные с их корпускулярной природой. В частности, процессы удвоения хромосом, синтеза РНК, синтеза белковых молекул по матрицам РНК не являются квантовыми процессами.

Однако есть биологические процессы, которые необъяснимы (и соответственно невоспроизводимы в эксперименте) без квантовых представлений. Эти процессы представляют особенно большой интерес для прогноза и для определения ноозон в молекулярной биологии, в механизме наследственности.

Таковы, в частности, изменения генетического кода в хромосомах, вызванные квантами коротковолновой радиации. [59]

Рассмотрим основные механизмы изменения хромосомы под влиянием излучения [59].

Во-первых, квант энергии может быть поглощен атомом или группой атомов внутри молекулы ДНК. В этом случае вызванная излучением перегруппировка атомов и их связей — серия радиохимических реакций — приведет к разрыву цепи радикалов либо к стойкому локальному изменению структуры молекулы ДНК. Такое структурное изменение является изменением генетического кода и приводит к новым наследуемым признакам. Иными словами, в результате поглощения кванта энергии возникает мутация — внезапное возникновение новой формы, сохраняющейся затем у потомства.

Во втором случае поглощенная энергия не вызывает изменений там, где она была поглощена, но она переходит дальше по молекуле ДНК и где-то вызывает локальное поражение, серию радиохимических реакций и как результат — хромосомную перестройку и мутацию.

В третьем случае эффект поглощения кванта будет косвенным. Этот квант действует не непосредственно на хромосому, а на молекулы окружающей среды. В результате в этой среде появляются новые химически активные агенты, которые действуют на хромосомы как мутагены, т. е. вызывают перестройку генетического кода и мутацию.

В подавляющем большинстве вызванные радиацией мутации вредны. Новые наследуемые признаки препятствуют жизнедеятельности и размножению организмов. Беспорядочная, «энтропийная» радиация, радиационный фон — это одна из строк, написанных на угрожающей стороне той надписи, которая символизирует будущее цивилизации. На другой стороне этой надписи, в программе безопасности, процветания и прогресса проектируется снижение радиации. Прогноз на 2000 год исходит из последовательного снижения фона радиации в результате прекращения ядерных испытаний, строго контролируемого использования атомной энергии, исключающего повышение радиации, и специальных, доста- [60] точно эффективных мероприятий, направленных на ее снижение.

Но, может быть, радиационная генетика, используя упорядоченные и контролируемые излучения, может войти в число конструктивных методов? Она уже вошла в это число. Упомянем о радиационной селекции, о применении радиоактивных изотопов и других источников ионизирующих излучений для увеличения числа разнообразных мутаций и в искусственном отборе тех мутаций, которые повышают жизнедеятельность, скорость размножения и экономическую ценность животных и растительных организмов.

На уровне клеток применение радиации включает радиотерапию. Мы упомянем здесь о радиотерапии рака.

Применение различных излучений для лечения рака могло стать научным, а не чисто эмпирическим методом только на основе молекулярной биологии. Непосредственным объектом радиотерапии служит поведение клеток. Но это поведение запрограммировано в молекулах ДНК. В настоящее время существуют мутационная концепция происхождения рака и другая концепция, возлагающая ответственность за злокачественные новообразования на вирусы. Первая из этих концепций исходит из изменений в генетическом коде как из исходного процесса. Вторая концепция считает исходным процессом проникновение в организм вируса. Но возможно, что вирус воздействует на хромосомы, нарушая их структуру, и видоизмененная, генетическая информация предопределяет способность клеток к злокачественному росту [61]. Во всяком случае без представления о хромосомах и генетическом коде ни этиология, ни терапия рака не могли бы развиваться.

Вместе с тем радиотерапия рака не могла бы развиваться как научная, а не чисто эмпирическая дисциплина без детального представления о воздействии различных по интенсивности и частоте излучений и различных по типу частиц на возникновение радиохимических реакций на молекулярном. уровне. Заметим, что речь идет о существенно квантовых процессах.

Можно думать, что современное применение излучений в сельском хозяйстве и в медицине еще очень далеко и по масштабу, и по характеру от того, что будет достигнуто в последней четверти столетия. Здесь нужно вспомнить о квантовой электронике. Не исключено, что уже в конце XX в. человечество шагнет далеко вперед по пути радикального увеличения продовольственных ресурсов, лечения рака и существенного удлинения жизни людей с помощью квантовой электроники и молекулярной биологии.

Дж. Томсон говорит, что современная радиационная генетика напоминает попытку улучшить статую, обстреливая ее с дальнего расстояния из пулемета [62]. Действительно, применяемые сейчас излучения — это стрельба наугад, с тем чтобы из большого числа неожиданных мутаций выбрать положительные, закрепив их отбором в течение сравнительно долгого времени на ряде поколений животных или растений. Мы не можем вести прицельную стрельбу по хромосоме, во-первых, потому, что у нас нет прицельного оружия (излучение охватывает большой участок живой ткани), и, во-вторых, потому, что у нас нет точно локализованной цели (мы еще не знаем достаточно детально внутреннюю структуру молекулы ДНК и роль ее элементов в образовании тех или иных мутаций).

По-видимому, квантовая электроника может помочь и в прицельности стрельбы, и в локализации цели. Электронный микроскоп позволяет изучать очень малые участки. На таком участке можно сконцентрировать пучок электронов или тонкий пучок квантов электромагнитного излучения. Это будет не только прицельная стрельба, но и метод локализации цели, потому что электроника здесь позволит экспериментально изучать функции элементов молекулы ДНК в создании тех или иных мутаций, исследовать механизм их возникновения и в конце концов получать заранее определенные мутации, воздействуя на соответствующие элементы молекулы.

Речь идет не только о квантовой электронике в узком смысле, но и о всей совокупности излучений различных по типу частиц, различных по энергии, из различных источников. Квантовая электроника позволяет направить на клетку и далее на хромосому луч, чрезвычайно сконцентрированный в пространстве. С другой стороны, можно точнее локализовать излучение во времени, пользуясь релятивистским эффектом: время бежит для бомбардирующей частицы быстрее или медленнее в зависимости от скорости движения частицы; соответственно можно регулировать время ее жизни и фиксировать длину пробега. Быть может, в терапии рака будет широко применяться облучение релятивистскими частицами, которые распадаются там, где это необходимо, и не поражают здоровые ткани.