Цитология, биохимия, биофизика, радиобиология

Основой процессов жизнедеятельности служат многочисленные химические превращения различных веществ, поступающих в организм. Эти вещества усваиваются, или ассимилируются. В живом организме постоянно происходят процессы не только ассимиляции, но и диссимиляции, т. е. распада, веществ, которые затем выделяются из организма. Таким образом, между живым организмом и внешней средой постоянно осуществляется обмен веществ.

Жизнь, по классической формулировке Ф. Энгельса, есть форма существования белковых тел. Все важнейшие функции организмов осуществляются белками. Одна из поразительных особенностей организма высших животных и человека - способность сохранять постоянство концентрации различных веществ, хотя в его клетках, которых насчитывается не менее триллиона, протекает бесчисленное множество разнообразных биохимических реакций. Здоровый организм способен быстро восстанавливать равновесие обмена веществ, меняющееся под влиянием внешних условий. Нарушение механизма саморегуляции приводит к болезни.

Клетки разных тканей человека и животных отличаются строение1^ оболочки - мембраны. Она избирательно пропускает внутрь одни вещества и не пропускает другие. Уже благодаря этому достигается закономерное распределение их в тканях. Превращение веществ в клетках и их внутренних аппаратах - органеллах - протекает под влиянием ферментов. Каждый из них ускоряет лишь определенную реакцию в клетке определенной ткани.

"По своей химической природе ферменты, - рассказывает академик АМН СССР Н. А. Юдаев, - это белки. Они постоянно синтезируются и распадаются в организме. Синтез того или иного из них программируется генами. В любой клетке человеческого организма их, по-видимому, несколько миллионов. И в каждой один и тот же набор. Однако активны лишь несколько их процентов, причем в разных клетках это разные гены. В клетках нервной системы функционируют иные гены, чем, допустим, в клетках щитовидной железы. Те или иные гены клетки могут переходить из неактивного состояния в активное и наоборот. Для того чтобы будить "дремлющие" гены, природа использует особый класс химических веществ - гормоны. В настоящее время их известно более 60. Они образуются в железах внутренней секреции, деятельность которых связана с нервной системой. Поэтому часто говорят о нервно-эндокринной регуляции функций организма".

Еще в конце прошлого века было установлено, что ферменты представляют собой белки, т. е. являются сложными органическими азотистыми соединениями, содержащими не только азот, но и углерод, кислород, водород и некоторое количество серы. Изучение ферментов очень важно прежде всего потому, что оно расширяет представления об отдельных звеньях обмена веществ, протекающих в живом организме, способствуя развитию науки о химическом составе живой материи и химических процессах, лежащих в основе жизнедеятельности. Все это необходимо для решения практических задач медицины, сельского хозяйства и ряда отраслей производства.

В сельском хозяйстве большую роль играют ферменты микробов, с помощью которых усваивается азот воздуха, что резко повышает урожайность. Большое значение имеют ферменты для некоторых отраслей промышленности, например хлебопекарной, мясо-молочной и др. Добавление фермента к продукту на определенных этапах его производства способствует большему выходу и улучшению качества продукции.

Закономерности клеточной проницаемости

Клетка играет в биологии столь же важную роль, что и атом в физике. Исследования, связанные с расшифровкой кода наследственности, выяснением ультрамикроскопической структуры клетки, управляющих процессов в клетке и т. п., имеют исключительно важное значение для раскрытия тайн жизни.

Член-корреспондент АН СССР А. С. Трошин (Институт цитологии АН СССР) открыл закономерную связь между концентрацией веществ в живых- клетках и в окружающей их среде. Проблема клеточной проницаемости стоит в центре физиологии и биохимии клетки. С нею связано решение многих других проблем, таких, как природа возбуждения, клеточный наркоз, биоэлектрические потенциалы и т. д.

Автор открытия определил роль факторов сорбции (растворимости веществ в протоплазме, адсорбционного и химического связывания их в клетке) в явлениях клеточной проницаемости. Он обнаружил, что растворимость веществ в протоплазме ниже растворимости их в воде окружающей среды и что одни проникающие в клетку вещества связываются адсорбционно или химически субстратом протоплазмы в больших количествах, другие- в меньших количествах, а третьи совсем не связываются. Эти факторы и обусловливают такое распределение проникающих веществ между клеткой и средой в условиях диффузионного равновесия, при котором концентрация одних веществ в протоплазме больше, чем з окружающей среде, а других, наоборот, меньше. Закономерность описана автором следующей формулой:

С_кл=С_срК(1+А∼/С_срК+а),

где С_кл - концентрация вещества в клетке;

С_ср - концентрация вещества в среде;

К - постоянная, показывающая, во сколько раз растворимость проникающего вещества в протоплазме ниже растворимости в среде (коэффициент растворимости и химического связывания);

А - предел адсорбции;

а - константа, характеризующая крутизну изотермы адсорбции.

На основе положений открытия А. С. Трошина получили дальнейшее развитие работы в области раскрытия механизмов, регулирующих поступление веществ в клетки.

По мнению автора открытия, факторы сорбции оказывают влияние на регуляцию обмена веществ в клетке. Однако исследования других ученых показали, что распределение веществ между клеткой и средой зависит не только от сорбции. Например, асимметричное распределение между ними ионов калия и натрия (концентрация ионов калия больше в клетке, а ионов натрия - в среде) обусловлено тем, что ионы натрия, поступающие в клетку по градиенту концентрации, непрерывно удаляются из нее, а ионы калия в силу этого концентрируются в ней.

Исследования сорбционных свойств клетки получили широкую известность в СССР и за границей.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 18 с приоритетом от 15 июня 1950 г.

Закон саморегуляции в клеточном возбуждении

Величина местной ответной реакции, наблюдаемой в любых клетках - и проводящих и непроводящих, зависит от силы раздражения. Распространяющееся возбуждение характерно только для проводящих тканей - нервной и мышечной.

Член-корреспондент АН СССР Д. Н. Насонов (Институт цитологии АН СССР) открыл закономерность, согласно которой различные формы активности ткани определяются количественными отношениями между силой раздражения и величиной ответной реакции ткани. Ответная реакция также находится в градуальной зависимости от величины раздражения. Графически эта зависимость выражается S-образной кривой. Из анализа этой кривой следует, что в основе как местного, так и распространяющегося возбуждения лежит установленная закономерность количественных отношений между раздражением и ответом на него, что позволяет сделать заключение об общности местного и распространяющегося возбуждения.

На основе открытия развилось новое направление исследований, ставящее задачу изучить количественные взаимоотношения между раздражением и ответом на него. Количественное изучение сократительной реакции ткани, изменения ее сорбционных и светорассеивающих свойств при различных воздействиях позволило понять действие некоторых принципиально важных механизмов клеточной жизнедеятельности - поступления веществ в клетку и структурных изменений клеточных компонентов при реакции клетки на внешние воздействия.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 17 с приоритетом от 20 декабря 1947 г.

Явление межклеточных дистантных электромагнитных взаимодействий в системе двух тканевых культур

Академик АМН СССР В. П. Казначеев, кандидат биологических наук Л. П. Михайлова(Новосибирский медицинский институт) и кандидат медицинских наук С. П. Шурин (Институт автоматики и электрометрии Сибирского отделения АН СССР) открыли явление межклеточных дистантных электромагнитных взаимодействий в системе двух тканевых культур, обнаружили новый путь передачи биологической информации. Открытие позволяет с новых позиций подойти к проблеме создания методов диагностики и лечения многих заболеваний.

Авторы открытия провели многочисленные эксперименты. Их суть сводилась к следующему. В двух сосудах выращивались культуры нормальных живых клеток. Одну культуру клеток заражали вирусом. Почти одновременно клетки в другом сосуде, находящиеся лишь в оптическом контакте с зараженными клетками (сосуды соприкасались донышками из кварцевого стекла), воспроизводили похожий патологический процесс. Когда кварцевое стекло заменяли обычным, ситуация менялась: клетки, зараженные вирусом, гибли, а их соседи нормально делились и прекрасно развивались.

Авторы открытия ставили самые разнообразные эксперименты. Они травили культуру клеток первого сосуда сулемой, и клетки в соседнем сосуде тоже гибли. Они облучали смертельными дозами ультрафиолетовых лучей клетки одного сосуда, и пораженные клетки неизменно обнаруживались и в другом сосуде. Ясно, что через перегородку из кварцевого стекла в соседний сосуд не могли проникнуть ни вирусы, ни какие-либо химические вещества - их и не находили в культурах незараженных клеток.

Авторы открытия считают, что между двумя тканевыми культурами в оптическом диапазоне существуют электромагнитные взаимодействия. Они показали условия, при которых развивается зеркальный цитопатиче-ский эффект, разработали способы повышения чувствительности здоровых клеток к восприятию электромагнитных излучений пораженных клеток. С помощью кванто-метрической аппаратуры было установлено, что процесс поражения клеток, в частности, вирусами, сопровождает характерная кинетика собственного электромагнитного излучения в диапазоне частот видимой и ультрафиолетовой области спектра.

"Открытие, - рассказывает С. П. Шурин, - обнаружило новый информационный канал в биологических системах, помогло разработать новый подход к оценке роли квантовых явлений в механизмах функционирования генетической программы клетки и процессов кодирования информации в специализированных клеточных системах, например нейтронах. Оно способствует изысканию способов воздействия на патологические процессы посредством коррекции помех, возникающих в фотонном канале передачи информации. Роль таких помех, по-видимому, особенно велика при таких патологических процессах, как вирусная инфекция, лучевые поражения, злокачественный рост клеток. Перспективность лечения этих недугов может быть связана с химическими соединениями, преобразующими исходный световой поток клетки в монохроматическое излучение. Поиски могут создать новые принципы лечения ряда заболеваний. Изучение модуляционных характеристик электромагнитного излучения биосистем поможет разработать новые методы диагностики состояний биообъектов и прогнозирования их поведения".

Открытие зарегистрировано под № 122 с приоритетом от 15 февраля 1966 г. в следующей формулировке:

"Экспериментально установлено неизвестное ранее явление дистантных межклеточных электромагнитных взаимодействий между двумя культурами ткани при воздействии на одну из них факторов биологической, химической или физической природы с характерной реакцией другой (интактной) культуры в виде зеркального цито~ патического эффекта, что определяет клеточную систему как детектор модуляционных особенностей электромагнитных излучений".

Следует отметить, что достоверность открытия поставлена некоторыми учеными под сомнение. Это задержало выдачу диплома об открытии его авторам. Для доказательства открытия В. П. Казначеев, Л. П. Михайлова и С. П. Шурин проводят серию новых, более тонких экспериментов.

Закономерность теплоустойчивости тканей как критерий вида

Доктор биологических наук Б. П. Ушаков (Институт цитологии АН СССР) пришел к выводу, что теплоустойчивость тканей холоднокровных многоклеточных животных является цитофизиологическим критерием вида.

Исследовав более 200 видов животных, Б. П. Ушаков и его сотрудники получили убедительные данные о том, что родственно близкие виды животных обладают разной теплоустойчивостью тканей, которая находится в соответствии с температурой обитания этих животных в естественных условиях. Ученый доказал значительное постоянство этого признака в пределах одного и того же вида. Обнаруженная закономерность подтвердилась экспериментальными данными, полученными на низкоорганйзо-ванных многоклеточных животных (кишечнополостных и червях).

На основе открытия можно более успешно решать проблемы, связанные с акклиматизацией животных, видоспецифичностью белков, видообразованием, происхождением и формированием фауны и т. п. Такого рода исследования проводятся в настоящее время и за рубежом - в США, Японии, Австралии, ФРГ и в других странах. Многие ученые ссылаются на открытие Б. П. Ушакова, приводя новый экспериментальный материал, подтверждающий обнаруженную им закономерность.

Благодаря открытию Б. П. Ушакова обнаружена важная в теоретическом отношении закономерность сопряженного изменения уровней теплоустойчивости разных белков в процессе эволюции животных. Теперь для определения видов холоднокровных животных может быть использован не только критерий нескрещиваемости особей, принадлежащих к разным видам, но и критерий теплоустойчивости клеток и тканей.

Открытие Б. П. Ушакова зарегистрировано под № 19 с приоритетом от 23 января 1958 г.

Явление регулирования скорости гликолиза в клетке под действием специфического белка

Член-корреспондент АМН СССР С. А. Нейфах и кандидат биологических наук В. С. Репин (Институт экспериментальной медицины АМН СССР) открыли свойство неизвестного ранее белка, обнаруженного в митохондриях сердца, мозга, печени и в других животных тканях, усиливать гликолиз гиалоплазмы и ядерной плазмы, увеличивая образование энергии в клетке. Выделенный белок назван киназином, так как его действие основано нa непосредственном стимулировании активности фермента гликолиза фосфорглицераткиназы.

Специфичность действия киназина доказывается тем, что, не будучи ферментом гликолиза, он обнаруживает усиливающее действие в условиях, когда все ферменты насыщены коэнзимами. Ни одно известное вещество клетки подобным действием не обладает. Киназин оказывает регулятивное действие в момент его проникновения в гиалоплазму или ядерную плазму и соприкосновения с ферментами гликолиза. Когда же киназин находится внутри митохондрий и отделен мембранами от системы гликолиза, такого действия не происходит.

Известно, что гликолиз наряду с дыханием служит источником энергии каждой живой клетки. Открытие позволяет уяснить механизм регулирования обмена энергии в клетке, способствует выяснению патогенеза ряда заболеваний. Появилась возможность воздействия на механизм регулирования скорости гликолиза лекарственными веществами.

С. А. Нейфах и его сотрудники обнаружили, что в клетках злокачественных опухолей вследствие нарушения мембран киназин постоянно и непрерывно проникает в гиалоплазму и ядерную плазму. По этой причине выработка энергии в них не регулируется, протекает бесконтрольно. Оказалось, что в опухолевых клетках повреждены не только внутриклеточные мембраны, но и наружная мембрана. На этом основании С. А. Нейфах и Н. К. Монахов предложили новый метод диагностики злокачественных новообразований.

Открытие С. А. Нейфаха и В. С. Репина зарегистрировано под № 39 с приоритетом от января 1961 г.

Свойства фермента мышц синтезировать ветвления в полисахаридах

Огромную роль в жизни человека и животных играет обмен углеводов. При средней физической нагрузке человеку необходимо получать 2500-3000 кал в сутки. Значительная часть этой потребности покрывается за счет углеводов. Они откладываются в печени и в мышцах в виде гликогена, весьма сложного вещества, построенного из частиц сахара - глюкозы. Гликоген служит богатым источником энергии. При усиленной работе происходит распад гликогена, в результате чего высвобождается необходимая энергия.

В 1947 г. доктор биологических наук А. Н. Петрова (Институт биохимии имени А. Н. Баха АН СССР) обнаружила в мышцах животных ранее неизвестный фермент, который принимает участие в синтезе и распаде гликогена. В связи с его способностью вызывать перестановку частиц глюкозы в сложных углеводах, иначе-o изомеризовать их, фермент был назван изомеразой амилозы (сокращенно ИА-фермент). Найденный фермент делает углевод более сложным, содержащим большие количества простых Сахаров, а следовательно, и энергии. Важное практическое значение имеет разработанный А. Н. Петровой метод выделения фермента из мышечной ткани.

"В результате открытия свойств ИА-фермента,- рассказывает А. Н. Петрова,-и разработки метода его выделения были установлены факторы, при помощи которых можно вызывать как ослабление, так и ускорение его действия. Обнаружено, что при соединении ИА-фермента с рибонуклеиновой кислотой его действие резко усиливается. Наоборот, когда фермент существует в виде одной белковой фракции, действие его ослаблено. Дальнейшие исследования ИА-фермента подтвердили принципиально новый факт - свойство РНК активировать энзи-матические реакции".

Открытие А. Н. Петровой внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 6 с приоритетом от 25 февраля 1947 г.

Свойство фермента печени переносить глюкозные остатки

Другое открытие А. Н. Петровой сводится к установлению ранее неизвестных свойств обнаруженного ею фермента декстрин-4-гликозилтрансферазы, сокращенно ДГТ. Декстрины - это сахара, на которые действует фермент. Цифра 4 указывает на характер связи между частицами углевода, образующейся при действии фермента. Слово "трансфераза" характеризует действие фермента - перенос сахара от одного углевода к другому. ДГТ играет важную роль в углеводйом обмене. С одной стороны, в зависимости от потребности организма он может превращать сложные углеводы в простые. С другой стороны, этот фермент обладает способностью строить сложный полисахарид из простых Сахаров, запасая таким образом энергию в печени в виде гликогена. А. Н. Петрова разработала метод выделения фермента в высокоочищенном состоянии.

Последующее изучение свойств и особенностей фермента и механизма его действия привело автора открытия к важному выводу: ДГТ может находиться в организме в очень активной и в малоактивной формах. На основе этого ведется поиск путей управления его действием.

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 29 с приоритетом от 21 июня 1956 г.

Свойство фермента расщеплять декстран с образованием глюкозы

Доктор биологических наук Е. Л. Розенфельд и кандидат биологических наук И. С. Лукомская (Институт биологической и медицинской химии АМН СССР) открыли свойство обнаруженного ими фермента декстранглюкозидазы расщеплять в печени, селезенке и в других органах декстран - полимер глюкозы. Активные препараты фермента можно получить при выделении и сгущении белковой фракции 0,3-0,5-процентным сернокислым аммонием.

Теоретическое и практическое значение открытия состоит в выяснении путей расщепления декстрана, вводимого в организм в качестве кровезаменителя. Исследователи доказали, что он является не только кровезаменителем, но и источником очень ценного для организма соединения - глюкозы.

Тот факт, что декстранглюкозидаза отщепляет глюкозные остатки от молекул декстранов до точек ветвлений, послужил авторам открытия основой для разработки метода определения строения различных декстранов. Были изучены отечественный декстран - полиглюкин, польский - полиглюкан и др. С помощью декстран-глюкозидазы можно изучать декстраны с заранее-заданными строением и свойствами. Возможность определять длину концевых молекул различных декстранов крайне важна для изучения их иммунологических свойств, установления особенностей взаимодействия декстранов с другими веществами.

Открытие Е. Л. Розенфельд и И. С. Лукомской внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 7 с приоритетом от 21 июня 1954 г.

Усвоение атмосферного азота живыми организмами

Профессор, доктор технических наук М. И. Волский, руководитель специальной научно-исследовательской лаборатории по усвоению атмосферного азота живыми организмами при Горьковском государственном университете имени Н. И. Лобачевского, открыл неизвестное ранее свойство животных и высших растений усваивать из атмосферы азот, необходимый для их нормальной жизнедеятельности.

В науке долго господствовало мнение, что азот воздуха- биологически инертный газ. Название ему дал в 1787 г. Лавуазье. Азот означает "нежизненный". Считалось, что растения усваивают азот только из почвы, где он находится в виде растворимых азотсодержащих соединений, а животные - вместе с пищей. Исключение делалось лишь для клубеньковых бактерий, гнездящихся на корнях бобовых растений, некоторых свободноживущих почвенных микроорганизмов и кое-каких водорослей. В последние годы открыт еще ряд микроорганизмов, которые усваивают азот непосредственно из воздуха.

До настоящего времени возможность усвоения азота высшими растениями и животными рядом ученых отрицается. До работ М. И. Волского отрицалась также и возможность его усвоения даже с помощью бактерий, населяющих органы дыхания и желудочно-кишечный тракт животных и человека.

В 1950-1951 гг. профессор М. И. Волский поставил опыты по определению содержания азота в куриных эмбрионах на стадии проклева по сравнению с содержанием его в неинкубированных яйцах. Куриное яйцо как объект исследования в данном случае было удобно тем, что эмбрион не требует пищи извне и, следовательно, исключаются ошибки, связанные с неточностью учета баланса азота.

Анализ результатов опытов показал, что количество азота в только что проклюнувшихся цыплятах на 3-6% выше содержания азота в неинкубированных яйцах. Поскольку азот мог поступать в яйцо только из окружающей среды, ученый пришел к выводу, что куриный эмбрион в процессе своего развития усваивает молекулярный азот воздуха. Аналогичный результат был получен М. И. Волским и сотрудниками его лаборатории в опытах с куколками пчел и с высшими растениями - кукурузой и кормовыми бобами.

В 1956 г. исследователь поставил опыты с инкубацией куриных эмбрионов в атмосфере, обогащенной меченым азотом. Изотопный анализ азота в эмбрионах был проведен на кафедре химической кинетики Московского государственного университета старшим научным сотрудником Р. Е. Мардалейшвили, который обнаружил, что чем дольше развивался эмбрион, тем больше в его тканях накапливалось меченого азота. Результаты этих исследовании были опубликованы М. И. Волским в "Докладах Академии наук СССР" в 1959 г., т. 128, № 4.

По мнению автора открытия, свободный азот усваивается живыми организмами путем фиксации из воздуха кетокислотами, содержащимися в эритроцитах крови и в хлоропластах растений, благодаря воздействию атмосферных аэроионов, с помощью микроэлементов, содержащихся в растительном, животном и человеческом организмах, - железа, молибдена, ванадия и др. Соединения переходных металлов, входящие в состав ферментов и тканей, активируют молекулярный азот и связывают его в аммиак, а затем в аминосоединения, образующие белок (последний путь получил экспериментальное подтверждение в работах многих авторов).

Азот может усваиваться также с помощью биотоков, способствующих интенсивному клеточному дыханию, с помощью бактерий, населяющих органы дыхания и желудочно-кишечный тракт человека и животных (правильность этого положения подтверждена рядом советских и зарубежных ученых). Усвоение атмосферного азота растениями происходит одновременно с фотосинтезом и активируется им.

В руководимой профессором М. И. Волским лаборатории проведена серия экспериментов с животными, находившимися в среде, где азот был заменен инертными газами. Исследования показали, что исключение азота из атмосферы приводит к увеличению гибели эмбрионов. Резко возрастает число уродств, изменяется морфологическая структура органов и гистохимический состав тканей. Все это привело к выводу, что азот атмосферы - биологически активный газ, необходимый для нормальной жизнедеятельности животных и высших растений.

В связи с этим доктор технических наук, профессор Г. И. Воронин и кандидат биологических наук А. И. Поливода в книге "Жизнеобеспечение экипажей космичеь ских кораблей", вышедшей в издательстве "Машиностроение" в 1967 г., пишут: "Результатами опытов опровергнуто постулированное Лавуазье мнение, что азот является биологически инертным газом. В настоящее время твердо установлено, что газообразный азот связывается клубеньковыми бактериями, кишечными бактериями, растениями и т. д. Поэтому мнение, что в метаболизме человека газообразный азот не принимает никакого участия и что азот можно исключить из атмосферы или заменить гелием или другим газом, не подтверждается опытами. Поэтому при проектировании космических систем для длительного полета человека считается необходимым в герметичной кабине с ограниченным объемом предусматривать обычную азотно-кислородную смесь".

Атмосфера советских космических кораблей состоит из смеси кислорода с азотом, тогда как кабины американских космических кораблей заполнялись чистым кислородом с давлением 220-240 мм. рт. ст. Максимальная продолжительность полета на корабле "Джемини" с такой атмосферой составила 14 суток, ^после чего экипаж потерял трудоспособность. Поэтому программа "Аполлон" с высадкой астронавтов на Луну была ограничена по продолжительности 12 сутками.

В своем выступлении на XXIV Международном", астрономическом конгрессе в 1973 г. заместитель заведующего лабораторией Е. М. Волский отмечал:

"Мы с удовлетворением констатируем, что американские ученые при проектировании орбитальной станции "Скайлэб" ввели в состав ее атмосферы азот и получили возможность существенно увеличить длительность пребывания человека в космосе. Первый экипаж "Скайлэба" пробыл в космическом пространстве 28 суток, второй - 56, третий - 84. Признание необходимости молекулярного азота для нормальной жизнедеятельности человека в космосе заставит многих ученых мира задуматься над биологической ролью азота воздуха.

В нашей лаборатории не только получены достоверные данные, что азот воздуха усваивается высшими организмами, но и установлена зависимость интенсивности этого процесса от условий окружающей среды, л в частности от концентрации в атмосфере отрицательно заряженных аэроионов. Например, при инкубации перепелиных яиц в обычном термостате прирост связанного азота за время эмбриогенеза (от яйца к цыпленку) составил 5%, при инкубации же в условиях периодической искусственной аэроионизации - 7,5%.

Зависимость интенсивности усвоения атмосферного азота высшими организмами от уровпя аэроионизации была подтверждена нами при инкубации перепелиных яиц в условиях разного уровня естественной аэроионизации. Был проведен обширный эксперимент на одном биологическом материале одновременно в двух географических точках страны с разным естественным уровнем аэроионизации - в Горьком и в Домбае. Если раньше мы определяли количество азота в начале и в конце эксперимента, т. е. сравнивали, сколько химически связанного азота было в яйце и сколько его стало в только что вылупившемся цыпленке, то в этом эксперименте процесс усвоения азота изучался в динамике - на седьмые, девятые, одиннадцатые, тринадцатые и шестнадцатые сутки развития эмбрионов. Было установлено, что прирост азота в процессе развития эмбрионов идет интенсивнее в Домбае, чем в Горьком. Параллельно проводившиеся морфологические исследования показали, что процесс органогенеза происходил интенсивнее в условиях повышенной концентрации в атмосфере легких отрицательно заряженных аэроионов.

В последнее время в нашей лаборатории были поставлены эксперименты по изучению влияния искусственной аэроионизации на усвоение азота воздуха типичным азот-фиксатором (азотобактером штамма К). Уже первые результаты показали различие в интенсивности азотфикса-ции в опыте и в контроле на 16%. Полученные нами данные объясняют эффект повышения продуктивности сельскохозяйственных животных под влиянием искусственной аэроионизации".

Е. М. Волский провел ряд убедительных экспериментов, подтверждающих биологическую активность азота воздуха.

"С целью доказательства факта усвоения азота воздуха человеком, - рассказывает Е. М. Волский, - я решил поставить эксперимент на себе. В течение 3 ч я дышал в гермошлеме по замкнутому циклу. Каково же было удивление, когда при масс-спектрометрическом анализе проб газа оказалось, что количество азота в системе увеличивалось со скоростью 1,25 л/ч. Это позволило предположить наличие в организме диаметрально противоположного процесса - разложения части "белков до молекулярного азота.

На возможность существования такого процесса впервые указал М. И. Волский еще в 1954 г. в своей монографии "Новая концепция дыхания" (Горьковское книжное издательство). Эксперимент на мыши с использованием меченого азота подтвердил наличие двух одновременно идущих процессов - усвоения азота из атмосферы и разложения белков в организме до молекулярного азота. Эти исследования были проведены совместно со старшим научным сотрудником кафедры химической кинетики МГУ Р. Е. Мардалейшвили.

После опубликования наших статей в журнале "Известия Академии наук СССР. Серия биологическая" № 4 за 1972 г. наши данные были подтверждены рядом работ иностранных ученых. Так, американские ученые Д. Н. Цысик, Д. К. Рокош и Р. Е. Джонсон изучали количество азота во вдыхаемом и выдыхаемом человеком воздухе при разном рационе питания. На девяти испытуемых они получили следующие результаты. У человека на безбелковой диете количество азота в выдыхаемом воздухе уменьшалось в среднем на 2,25 л/ч. Если же испытуемые получали в пище 23% белка, то все они начинали выдыхать азота больше, чем вдыхали, на 2,6 л/ч. При увеличении протеина в пище до 32% скорость выделения азота увеличилась, достигая 5 л/ч.

В связи с полученными данными возникает необходимость составления сбалансированных по азоту рационов питания для лиц, находящихся длительное время в герметически закрытых помещениях, с тем чтобы поддерживать необходимое давление кислорода в атмосфере. В настоящее время опубликовано более 100 работ на английском, немецком, французском и итальянском языках по вопросу включения молекулярного азота в обмен веществ человека.

За последнее десятилетие работами ученых двух институтов АН СССР - Института элементоорганических соединений и Института химической физики - также опровергнуто прежнее представление об исключительной инертности молекулярного азота. Как писали в статье "Разгадки давнего парадокса" ("Правда", 22 марта 1975 г.) сотрудники этих институтов М. Е. Вольпин и А. Е. Шилов, в последние годы им удалось понять, каким образом происходит биологическая фиксация азо^а. Оказывается, в тканях живых организмов находятся соединения переходных металлов - молибдена, ванадия, железа и др., а в присутствии этих соединений молекулярный азот уже при обычных температурах и давлении проявляет высокую способность к реакциям и образует продукты, разлагаемые водой до аммиака. Таким образом, работами сотрудников этих институтов опровергнуто основное возражение наших оппонентов о термодинамической невозможности усвоения высшими организмами столь инертной молекулы, какой является азот воздуха. Именно на путь усвоения азота воздуха высшими организмами с помощью микроэлементов - молибдена, ванадия, железа и др., входящих в состав ферментов и тканей животных и растений, еще в 1957 г. указывал М. И. Волский". В 1977 г. Е. М. Волский успешно провел эксперимент с репродуктивной тканью быка в плазме крови человека и еще раз доказал факт усвоения атмосферного азота живыми организмами. Эксперимент получил высокую оценку Института общей генетики АН СССР и Института химии АН СССР.

О научной и практической значимости открытия М. И. Волского ВАСХНИЛ сообщила в Комитет по делам изобретений и открытий при Совете Министров СССР следующее: ,

"Всесоюзная ордена Ленина академия сельскохозяйственных наук имени В. И. Ленина считает, что исследования профессора Волского по данной проблеме являются научной заслугой ученого и дают новое понимание о биологической и физиологической роли атмосферного азота в развитии и питании животных, и растительных организмов.

Экспериментальными работами профессора М. И. Волского опровергается считающееся до сего времени незыблемым положение, выдвинутое французским ученым Лавуазье 150 лет назад, о том, что животные организмы не могут якобы усваивать азот воздуха.

Помимо приведенных профессором М. И. Волским фактов об ассимиляции азота воздуха куриными эмбрионами и куколками пчел, в зоотехнии известны также факты, когда при изучении азотистого обмена на животных получается положительный баланс азота, который раньше не находил убедительного объяснения. Исследования профессора Волского по данной проблеме являются открытием и заслуживают не только положительной оценки, но и обеспечения условий для дальнейшего специального их изучения в интересах теории и практики".

Открытие М. И. Волского зарегистрировано под № 62 с приоритетом от 19 декабря 1951 г. в следующей формулировке:

"Установлено неизвестное ранее свойство животных и высших растений усваивать азот атмосферы, необходимый для их нормальной жизнедеятельности".

Явление возникноения парамагнитных нитрозильных комплексов железа в клетках живых организмов при гипоксии

Доктор медицинских наук Я. И. Ажипа (Институт высшей нервной деятельности и нейрофизиологии АН СССР), доктор физико-математических наук Л. П. Каюшин и кандидат биологических наук Е. И. Никишкин (Институт биологической физики АН СССР) открыли неизвестное ранее явление возникновения парамагнитных нитрозильных комплексов железа в клетках живых организмов при гипоксии (кислородном голодании). Это явление было обнаружено авторами в результате многочисленных экспериментов по исследованию гипоксии тканей с помощью применения современного физического метода, основанного на использовании открытого академиком Е. К. Завойским электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).

"Метод электронного парамагнитного резонанса сравнительно недавно принадлежал только физикам, но их безраздельное владение им продолжалось недолго, - рассказывает Е. И. Никишкин. - Как только химики поняли, что с его помощью можно исследовать структуру электронных оболочек атомов и молекул, они начали применять его в своих работах. Метод был взят на вооружение и биологами.

Известно, что живой организм находится в постоянном движении - в нервных клетках возникают электрические потенциалы, железы внутренней секреции вырабатывают гормоны, клетки растут, размножаются... Сгорание питательных веществ в живых клетках, или их окисление, происходит в присутствии кислорода и протекает при помощи свободных радикалов. Они обладают парамагнетизмом, благодаря чему их сигналы можно регистрировать на радиоспектрометре ЭПР. К сожалению, до сих пор не удалось установить химическую природу источников таких сигналов.

Любое нарушение окисления веществ в живых клетках в конечном счете ведет к развитию патологических процессов в организме. В особенности это касается таких заболеваний, развитие которых усиливается при кислородном голодании. Сюда относятся болезни со злокачественными перерождениями органов, сердечно-сосудистой недостаточностью, воспалениями с последующими некрозами и т. п. Дышащие клетки при недостатке кислорода начинают искать ему замену и находят ее в веществах типа соединений кислорода с азотом (окислы азота, нитриты, нитраты). Последние легко реагируют с железом, входящим в состав белков, выводя из строя жизненно важные ферменты дыхания.

Все это стало ясно, когда мы открыли новый тип сигналов ЭПР, даваемых тканями в состоянии кислородного голодания, в частности нитритной гипоксии. Нам удалось установить природу таких сигналов. Они обусловлены комплексом атомов железа ткани, окиси азота и различных групп белков. В отечественной и мировой научной литературе эти сигналы получили название сигналов ЭПР 2,03. Позднее они были обнаружены в тканях животных при действии наркотиков, ацетона, фенола, этилового спирта, в канцерогенных тканях, при сердечной к недостаточности, некрозах и при действии на легкие конденсированного дыма.

Открытие подтверждено в СССР, США, Англии, Италии, Канаде".

Открытие внесено в Государственный реестр открытий СССР под № 148 с приоритетом от 25 сентября 1965 г. в следующей формулировке:

"Экспериментально установлено неизвестное ранее явление возникновения в клетках живых организмов, при гипоксии парамагнитных нитрозильных комплексов железа со средним значением фактора спектроскопического расщепления электронного парамагнитного резонанса, равного 2,03, связанное с образованием комплексов железа (гемового и негемового), азотистых соединений и различных групп белка, свидетельствующее, в частности, о том, что гипоксия тканей при метгемоглобинемии обусловливается не только блокадой гемоглобина, но и блокадой дыхательных железосодержащих ферментов ткани".

Свойство клеток восстанавливаться от летальных повреждений, вызываемых ионизирующим излучением

В науке долгие годы бытовало представление о том, что в отличие от повреждений, вызываемых ультрафиолетовым излучением, летальные повреждения в клетках, вызванные ионизирующим излучением - рентгеновскими или гамма-лучами, необратимы. Считалось, что единственный способ спасения клетки от ионизирующего излучения - физическая или химическая защита организма, что жизнеспособность клеток, подвергшихся такому облучению, восстановить невозможно. Это мнение не только основывалось на господствовавших тогда представлениях о механизме лучевого поражения клеток, но и было связано с неудачами ряда ученых, стремившихся добиться такого восстановления экспериментально.

Свойство клеток восстанавливаться от летальных повреждений, вызываемых ионизирующим излучением, было обнаружено и доказано доктором биологических наук, профессором В. И. Корогодиным в опытах на дрожжевых организмах в 1956-1957 гг. в лаборатории кафедры биофизики биолого-почвенного факультета МГУ. Основная работа по изучению и обоснованию открытого свойства велась на протяжении десяти последующих лет коллективом сотрудников руководимой В. И. Корогодиным лаборатории радиобиологии Научно-исследовательского института медицинской радиологии АМН СССР.

"Добиться восстановления клеток после летальных лучевых повреждений, - рассказывает автор открытия, - удалось, используя очень простой прием: облученные клетки в виде разбавленной водной суспензии в течение одного-двух дней выдерживались при температуре 30°. В этих условиях клетки не размножались. Выражаясь научным языком, они находились в состоянии митиотического покоя, но могли интенсивно дышать.

Дальнейшие опыты показали, что восстановление клеток идет не только при выдерживании их в воде, но и при обычном режиме выращивания в течение всего времени после облучения, до тех пор, пока не произойдет первое пострадиационное деление ядра. Синтез ДНК не препятствует восстановлению. Исследователи научились стимулировать и подавлять восстановление клеток и оценивать его количественно. Клетки удалось избавлять от значительной доли полученных при облучении повреждений. Так, клетки, получившие облучение в 120 крд, после восстановления были такими, как будто получили при облучении всего 25-30 крд. Количество жизнеспособных клеток среди облученных возрастало с 0,1 до 60-70%. Очень важно, что восстановление было эффективным даже тогда, когда бессильной оказывалась химическая защита при облучении клеток в отсутствие кислорода или при их поражении альфа-частицами, нейтронами или тяжелыми ионами".

Открытие советского ученого было подтверждено в СССР, США, Канаде, Италии, Франции и в других странах.

Изучение восстановления клеток от повреждений, вызываемых не только ионизирующим излучением, но и ультрафиолетовыми лучами и химическими веществами и приводящих не только к гибели, но и к мутации (изменениям наследственности клеток), в последние годы выросло в новое направление общей биологии и генетики, В СССР проблемой восстановления клеток занимаются профессор В. Я. Александров, изучающий связь восстановления разных клеток с адаптацией, И. П. Арман, исследующая повреждения клеток, вызывающие мутации генов, академик Н. П. Дубинин, выясняющий роль восстановления в мутагенезе, и многие другие ученые.

Обнаружение и изучение способности клеток восстанавливаться от лучевых повреждений привело к кардинальным изменениям в представлениях о природе не только биологического действия ионизирующих излучений, но и самого процесса изменения наследственности у живых организмов. Оказалось, что способность клеток восстанавливаться от повседневных повреждений (а именно эту способность ученые и выявляют в опытах по пострадиационному восстановлению) играет большую роль в выживании клеток в разных условиях, т. е. в их физиологической адаптации, и имеет большое значение для скорости наследственной изменчивости, т. е. для адаптации генетической, или популяционной. Как справедливо заметил академик Н. П. Дубинин в статье "Генетика: успехи и перспективы", опубликованной в "Правде" 19 января 1971 г., "научившись управлять работой восстановительных систем, мы нашли новый рычаг для целенаправленного влияния на мутационные процессы".

Изучение радиобиологических реакций клеток помогло установить еще одну общебиологическую закономерность - существование в клетках биохимических систем, регулирующих или стабилизирующих скорость мутационного процесса.

Открытие явления восстановления клеток от лучевых повреждений важно не только для более глубокого познания живой природы. Оно может оказаться весьма перспективным для медицины, особенно для профилактического ее направления. Так, известно, что повреждения, накапливающиеся в клетках тканей организма человека в процессе его нормальной жизнедеятельности, ускоряют старение со всеми сопутствующими ему нарушениями, могут приводить к заболеванию раком.

Разработка проблемы, связанной с "ремонтом" повреждений ДНК, тесно соприкасается с познанием природы рака и поисками методов его лечения. Когда медиками будут тщательно изучены закономерности восстановления клеток человеческого организма, когда они научатся так же управлять ими, как биологи умеют управлять дрожжевыми и некоторыми другими клетками, тогда, возможно, появятся методы предупреждения раковых заболеваний и способы увеличения средней продолжительности человеческой жизни.

Открытие зарегистрировано под № 115 с приоритетом от марта 1957 г. Формула открытия такова:

"Экспериментально установлено неизвестное ранее свойство клеток восстанавливаться от летальных повреждений, вызываемых ионизирующими излучениями, вследствие спонтанного процесса, который протекает в течение всей интерфазы вплоть до первого пострадиационного деления ядра клетки".

Явление образования в облученных растениях ингибиторов деления клеток

В 1959т. член-корреспондент АН СССР А. М. Кузин и кандидат биологических наук Л. М. Крюкова (Институт биофизики АН СССР) обнаружили явление образования в облученных гамма-лучами растениях биологически активных веществ, обладающих свойствами ингибиторов клеточного деления, в частности способных подавлять рост интенсивно делящихся клеток животных организмов.

Авторы открытия провели простой, но оригинальный опыт. Они подвергли растение локальному облучению. Объектом облучения стал только один его лист. В облученном листе образовались особые вещества. Оказалось, что действие этих веществ распространилось и на части растения, расположенные далеко от места облучения. Деление клеток в точках роста угнеталось. Рост всего растения прекращался. Однако в том случае, когда облученный лист сразу же удалялся, деление клеток растения продолжалось нормально. Это указывало на то, что вместе с листом удалялись и вещества, образовавшиеся в месте облучения.

На основании всего этого было сделано заключение об образовании особых веществ, угнетающих рост и развитие тканей. Эти вещества появляются в различных растительных тканях независимо от вида растений при гамма-облучении в высоких дозах (10-25 крд). Исследователи получили эти вещества в листьях мяты, льна, подсолнечника, бобовых, в клубнях картофеля и в других растениях. Выделенные из облученных растений экстракты проявляют такие же свойства.

Для дальнейших экспериментов были взяты культуры тканей животных. Было обнаружено, что определенные концентрации облученных экстрактов этих культур угнетают рост и развитие злокачественных тканей, оставаясь практически нейтральными к здоровым тканям. Двухчасовой непосредственный контакт таких экстрактов с клетками злокачественной ткани сильно подавляет прививаемость этих клеток.

Опыты проводились более чем на 500 крысах и мышах. Оказалось, что вещества из облученных растений, введенные в организм больного животного в виде экстракта внутримышечно или внутрибрюшинно на значительном расстоянии от опухоли, вызывают уменьшение роста злокачественной опухоли.

Сделанное открытие дает новое представление о механизме угнетающего действия ионизирующей радиации на рост и развитие клеток ткани. Их деление останавливается не только из-за прямого поражения радиацией, но и оттого, что в тканях образуются биологически активные вещества.

На основании общности свойств веществ, обнаруженных в облученных растениях, со свойствами веществ, образующимися при облучении в животных тканях, был разработан новый метод диагностики лучевой патологии у сельскохозяйственных животных.

Открытие было подтверждено в нашей стране, в ФРГ и в других странах.

Открытие А. М. Кузина и Л. М. Крюковой зарегистрировано под № 58 с приоритетом от 18 июня 1959 г. Авторам вручены дипломы со следующей формулой открытия:

"Установлено явление образования в растениях, облученных гамма-лучами в высоких дозах (10-25 крд), веществ, обладающих свойствами ингибировать деление клеток, растений, а также подавлять рост интенсивно делящихся клеток млекопитающих".

Защитное действие фтора от радиостронция

Доктор медицинских наук В. А. Книжников (Институт биофизики Министерства здравоохранения СССР) обнаружил, что фтор снижает в организме животных и человека накопление изотопов стронция, в частности радиоактивного стронция-90, влияя на способность кристаллов костной ткани удерживать стронций. Под действием фтора уменьшается тяжесть поражений, вызываемых радиоактивным стронцием, увеличивается выживае--мость и средняя продолжительность жизни больных животных.

Открытие существенно дополняет современные представления о метаболизме стронция в организме и о физиологической роли фтора как микроэлемента. Результаты открытия могут быть использованы в профилактических целях (поиски источников природных вод с повышенным содержанием фтора, искусственное фторирование воды, добавление неорганических соединений фтора в хлеб и молоко, фторопрофилактика зубного кариеса и т. п.).

Известно, что стронций-90 - один из наиболее опасных продуктов ядерных взрывов. Он может долгое время поступать из загрязненной среды в организм человека вместе с пищей и водой. Работа В. А. Книжникова открывает возможность в определенной мере ослаблять действие радиационного поражения.

Открытие зарегистрировано под № 48 с приоритетом от 19 апреля 1960 г. Формула открытия такова:

"Установлено неизвестное ранее свойство микроэлемента фтора в количествах, безопасных для человека и животных, снижать накопление в организме радиоактивного стронция, что приводит к уменьшению частоты и тяжести радиационных поражений этим элементом".