1. ВСТУП ДО РАДІОБІОЛОГІЇ. ІСТОРІЯ

Своїм народженням радіобіологія зобов'язана трьом великим відкриттям в галузі фізики, зробленим наприкінці 19-го сторіччя: відкриттю в 1895 р. німецьким фізиком В.К. Рентгеном Х-променів, названих згодом його ім'ям; відкриттю в 1896 р. французьким фізиком А. Беккерелем природної радіоактивності і відкриттю в 1898 р. також французькими фізиками М. Склодовською-Кюрі і П. Кюрі нових радіоактивних елементів – радію і полонію. Наскільки великими були ці відкриття, можна судити вже по тому, що Рентгенові в 1901 р. була присуджена перша Нобелівська премія з фізиці, а в 1903 р. цієї ж премії були визнані гідними Беккерель і подружжя Кюрі. Слід зазначити, що в 1911 р. Склодовській-Кюрі була вдруге присуджена Нобелівська премія за одержання радію в металевому стані.

Пізніше були відкриті й інші радіоактивні елементи. Виявилося, що усі найбільш важкі елементи, розташовані наприкінці періодичної системи Д.І. Менделєєва з 84 по 92-й  атомні номери, куди, крім полонію, радію й урану, входять радон, актиній, торій, плутоній і деякі інші, теж радіоактивні. У 1906 р. була виявлена радіоактивність 40К – ізотопу калію, елемента, який у великих кількостях міститься у всіх клітинах живих організмів.

Наступне вивчення випромінювань, що випускаються радіоактивними елементами, показало, що вони складаються з трьох видів: позитивно заряджених ядер атомів гелію, названих альфа(α)-променями; негативно заряджених електронів, що одержали назву бета(β)-променів, і електромагнітних хвиль дуже високої частоти і великої енергії – гамма(γ)-променів. Усі ці промені (вірніше – випромінювання), подібно рентгенівським, є іонізуючими, тобто здатними перетворювати електрично нейтральні атоми і молекули речовини в позитивно і негативно заряджені іони.

Наукові експерименти з дії іонізуючої радіації на живі організми були проведені практично відразу ж слідом за відкриттям рентгенівських променів і явища радіоактивності. Серед найперших випробувачів стоїть ім'я відомого російського фізіолога, учня І.М. Сєченова І.Р. Тарханова. Будучи приват-доцентом Петербурзького університету, він вже в 1896 р. провів досліди з дії рентгенівських променів на жаб і комах, опублікував роботу з їхнього впливу на «хід життєвих функцій». У ній він показав ушкоджуючу їх здатність і першим висловив припущення про можливості їх застосування в медицині, що незабаром і підтвердилося.

Очевидно, першими дослідниками, що застосували рентгенівські промені для терапії раку, були американський лікар Г.Джиллман і фізик Д. Груббе. 29 січня 1896 р., усього лише через 23 дня після офіційної звістки про відкриття Рентгеном Х-променів, вони використовували їх для опромінення хворої з неоперабельним раком молочної залози. Цілком ймовірно, ефект лікування виявився позитивним, тому що Груббе і надалі продовжував практику рентгенотерапії пухлин.

На початку 20-го сторіччя фундаментальні дослідження з дії рентгенівських променів і променів радію на тварин і рослини були проведені відомим російським патофізіологом і біохіміком Ю.С.Лондоном, що працював в Інституті експериментальної медицини в Петербурзі. Він одним з перших показав шкідливу дію іонізуючої радіації на багато які життєво важливі системи організму і, зокрема, на кровотворення; описав їхню летальну дію на мишей, гальмування росту рослин. Лондон є основоположником вітчизняної радіобіології, його книга «Радій у біології і медицині», що була опублікована в 1911 р., по суті є першою у світі монографією з радіобіології.

У той же період проводив експерименти з рентгенівського опромінення лабораторних тварин професор Київського політехнічного інституту фізик Г.Г. Де-Метц. 

У 1904 р. німецький дослідник Г. Петерс виявив порушення клітинного поділу під впливом іонізуючої радіації. Зараз цей факт здається само собою зрозумілим, тому що на численних живих об'єктах показаний зв'язок між гальмуванням росту з пригнобленням процесів поділу клітин. Але в той час це було відкриттям. Учень Петерса М. Кернике, працюючі з рослинними об'єктами, встановив у 1905 р., що найбільш ушкоджувальною частиною клітини є ядро. Він першим описав різні типи порушень поділу ядра і хромосом і заслужено вважається основоположником радіаційної цитології.

До такого ж висновку – надзвичайно високої радіочутливості клітинного ядра – приходять француз Г. Боні, що працював з ікрою і сперміями морського їжака і німецький зоолог О. Гетрвиг, що опромінював рентгенівською радіацією статеві клітки і зародки  земноводних.

Ще далі у своїх дослідженнях пішли французькі натуралісти І. Бергонье і Л. Трибондо, що знайшли неоднакову чутливість до іонізуючої радіації окремих типів сім’яродних клітин. Вони показали, що найбільш радіочутливими є сперматогонії, а найрадіостійкішими – сперматозоїди. На підставі своїх експериментів в 1906 р. вчені сформулювали положення про те, що чутливість клітин до іонізуючих випромінювань прямо пропорційна їхньої здатності до поділу і обернено пропорційна ступеню їхньої диференціації. Ця залежність, що одержала назву положення, або закону Бергонье і Трибондо, є однією з найфундаментальніших закономірностей у радіобіології.

На зорі розвитку радіобіології в 1898 р. французькими фізіологами М. Мальдинеєм і К. Тувиненом було зроблено ще одне важливе відкриття – явище радіаційної стимуляції. Вони показали прискорення проростання насіння, росту проростків опромінених у невеликих дозах рентгенівських променів. Згодом була доведена універсальність цього явища — можливе прискорення росту і розвитку будь-яких організмів. Більше ста років причини стимулюючої дії малих доз іонізуючої радіації інтригують радіобіологів.

Останні роки 19-го і перші два десятиліття 20-го століття можна вважати першим етапом розвитку радіобіології. У цей час нагромадилася безліч фактів про дію рентгенівських випромінювань і випромінювань радіоактивних елементів на різні біологічні об'єкти. Ці дослідження проводилися фізіологами, зоологами, ботаніками, лікарями, мікробіологами в межах своїх наук і хоча, безперечно, мали фундаментальне значення для розвитку радіобіології, носили в основному описовий характер.

Підсумок зазначеному періодові підвів у 1920 р. російський мікробіолог і ботанік Г.А. Надсон, що працював у Державному рентгенологічному і радіологічному інституті в Петрограді. На основі узагальнення результатів власних досліджень і більш ста наукових джерел про вплив іонізуючих випромінювань на рослини, тварин, бактерії, гриби він проаналізував загальне і відмінне в реакціях клітин різних організмів на дію радіації, описав явище загибелі клітин після декількох поділів, відоме зараз як інтерфазна загибель, або апоптоз, явище відновлення опромінених клітин.

Але радіобіологія, як самостійна наука, ще не існувала. Для її становлення не було головного – задовільної теорії, що пояснювала б механізм дії іонізуючої радіації на організм. Необхідність такої теорії була зовсім очевидною. Настійно вимагав пояснення так називаний «радіобіологічний парадокс», суть якого у величезній невідповідності між незначною величиною поглиненої при опроміненні енергії іонізуючого випромінювання і ступенем прояву реакцій біологічного об'єкта, що може призвести до його загибелі. Виражена у формі теплоти ця енергія незмірно мала.

Важливі відкриття і нові ідеї, що прискорили формування радіобіології, принесли 1920–1930-і рр. Був відкритий так називаний «кисневий ефект», який полягає в тім, що при зниженні в середовищі концентрації кисню ступінь радіаційного ураження знижується. Одним з першовідкривачів кисневого ефекту був німецький фізіолог рослин Е. Петрі, котрий повідомив у 1923 р., що при опроміненні насіння та проростків пшениці в атмосфері вуглекислого газу радіаційне ураження зменшується в порівнянні з опроміненням у повітрі. Проведені в наступному на різноманітних живих об'єктах дослідження дозволили однозначно сформулювати положення про загально біологічну суть цього явища. Важко переоцінити значення відкриття кисневого ефекту для розвитку теоретичних основ радіобіології. Більш того, воно вперше кількісно показало, що дія іонізуючих випромінювань на організм піддається модифікації

У 1920 р. Г.А. Надсон доходить висновку, що кінцевий радіобіологічний ефект є результуючих двох протилежних процесів - з одного боку, розвитку радіаційного ураження, а з іншого – процесів відновлення, що йдуть одночасно з ним. В 1925 р. до такої ж думки прийшли французькі дослідники П. Анцель і П. Винтембергер. Так, поки ще чисто інтуїтивно було висловлене припущення про можливості післярадіаційного відновлення клітин й організму в цілому. Припущення досить сміливе і революційне, тому що ще довгі три десятиліття серед значної кількості радіобіологів було поширене тверде переконання про неможливість будь-яких відновних процесів після опромінення.

Ці роки ознаменувалися ще одним великим відкриттям – установленням мутагенної дії іонізуючої радіації, її здатності впливати на спадковий апарат організму. Першими його продемонстрували в 1925 р. на нижчих  грибах Г.А. Надсон і Г.С. Філіппов. Але вже в 1927 р. американський генетик, один з авторів хромосомної теорії спадковості, Г. Меллер показав мутагенну дію на дрозофілі, а в 1928 р. його співвітчизник Л. Стедлер – на вищих рослинах. Одними з перших у світі в 1930 р. українські генетики А.П. Сапегін і Л.М. Делоне застосували іонізуючі випромінювання для одержання мутацій у злаків, що послужили в наступному вихідним матеріалом для виведення нових високопродуктивних сортів пшениці і ячменя. І дослідження в області радіаційного мутагенезу  рослин одержали широке поширення у світі. З його допомогою на теперішній час отримано понад трьох тисяч сортів сільськогосподарських, декоративних і інших рослин.

Явище радіаційного мутагенезу лягло в основу виникнення нового напрямку радіобіології – радіаційної генетики. Родоначальником її вважається Г. Меллер, відзначений у 1946 р. Нобелівською премією, поки єдиною в радіобіології, та й то розділеною з генетикою.

Ці відкриття підготували базис для деяких узагальнень і появи перших теорій, які намагалися пояснити суть радіобіологічного парадокса. На початку 1920-х рр.  німецький фізик Ф. Дессауер зайнявся дослідженням його причин. Дійсно, навіть при летальній для організму дозі ушкоджується мізерно мала кількість молекул. По розрахунках вченого в 1 см3 тканини міститься до 10 млрд. клітин, а в кожній клітині, у свою чергу, близько 10 млрд. біологічно важливих молекул, якщо такими вважати молекули масою понад 5000. При рентгенівському опроміненні ссавця в летальній дозі в такому обсязі тканини буде зруйновано не більш за 5×1012 молекул (максимально можливе число іонізацій), що стосовно загального числа молекул складе зовсім незначну величину: приблизно одна молекула на 200 тис. неушкоджених. Як же пояснити радіобіологічний ефект? Дессауэр міркує так. Електрони, вирвані з атома речовини клітки, не віддаляються від нього, а вступають у рекомбінацію, утворюючи нейтральні атоми в молекули. У результаті цього поглинена енергія виділяється у формі теплоти, і температура в даному місці різко підвищується. Якщо це відбувається в особливо відповідальних місцях клітки, наприклад у хромосомах, подібне локальне ушкодження може призвести до поразки всієї клітки. Так виникла перша теорія, що пояснювала дію іонізуючої радіації на організм, яка одержала назву теорії точкового тепла і стала передвісницею теорії прямої дії.

Пізніше роботами Д. Кроутера у Великобританії (1924–1927 р.), Ф. Хольвека у Франції (1928–1938 р.) і іншими були розвиті уявлення про дискретність – переривчастість дії іонізуючих випромінювань, про процес поглинання енергії як суми одиничних актів взаємодії фотона або частинок з окремими молекулами або структурами клітини. Ці погляди одержали розвиток у так названому «принципі влучення» і теорії мішені, сформульованої в 1935 р. нашим співвітчизником – видатним радіобіологом і генетиком М.В. Тимофєєвим-Ресовським та німецькими фізиками К. Циммером і М. Дельбрюком. Вони заклали основи теорії прямої дії іонізуючої радіації на живі клітки.

У 1930-і рр. виникла теорія непрямої дії радіації. Вона базувалася на радіаційно-хімічних дослідженнях О. Риссе і Г. Фрика, які встановили, що при рентгенівському опроміненні води і водних розчинів відбувається їхній радіоліз з утворенням короткоживучих хімічно активних радикалів, а також перекису водню й органічних перекисів. Взаємодія цих продуктів з біологічно важливими речовинами їх інактивує, що може стати причиною загибелі клітин.

У 30-і роки в радіобіології стало оформлятися новий напрям – радіоекологія. Початок йому було покладено В.І. Вернадським – видатним російським біогеохіміком і радіогеологом. У керованих їм Біогеохімічній лабораторії АН СРСР і Державному радієвому інституті вперше були виконані роботи з вивчення накопичення природних радіоактивних елементів у рослинах і тваринах, закладені основи  вчення про закономірності їхньої міграції в навколишнім середовищі, біологічну дію випромінювань інкорпорованих радіоактивних речовин. У світлі відкриттів тих років особлива увага приділялася їхній генетичній дії.

Другий етап розвитку радіобіології в цілому завершився до початку Другої світової війни. На той час уже був накопичений величезний експериментальний матеріал, зроблені певні узагальнення, створені теорії, багато положень яких хоча і носили гіпотетичний характер, але все-таки пояснювали окремі факти і явища. Але радіобіологія як самостійна наука ще не оформилася. Навіть термін «радіобіологія» існував лише серед вузьких фахівців. Дією іонізуючої радіації на живі організми займалися в основному ентузіасти. Ще не були відомі потенційні можливості атомної енергії, не існувало атомної енергетики, ще не була створено ядерна зброя, а, отже, не являла загрози масова радіаційна небезпека. Хоча і родина Кюрі, і великий англійський фізик Е. Резерфорд, що  заклав основи вчення про радіоактивність, і інші висловлювали припущення про надзвичайні енергетичні можливості атома. В.І. Вернадский однозначно попереджав про глобальну радіаційну небезпеку, що таїть подальша робота фізиків-ядерщиків, і закликав їх до обережності і відповідальності.

Друга світова війна дала могутній поштовх розвиткові ядерної фізики й атомної енергетики. У 1940–1950-і рр. були створені і використані у якості зброї американською армією атомні бомби в Японії, у деяких країнах проведені численні випробування ядерної зброї в атмосфері і, як наслідок, виникла реальна небезпека масового радіаційного ураження людей і біосфери в цілому. Цей період, коли різко зросла зацікавленість до наслідків біологічної дії іонізуючих випромінювань, знаменує початок третього етапу радіобіології.

Саме в ці роки радіобіологія остаточно формується як самостійна область науки. Перед нею встають нові проблеми: усебічне дослідження радіаційного ураження багатоклітинних організмів і в першу чергу — ссавців при їхньому тотальному опроміненні, пізнання причин різної радіочутливості організмів, вивчення причин і закономірностей прояву віддалених наслідків дії іонізуючої радіації (зниження імунітету, виникнення пухлин, скорочення тривалості життя, генетична дія). Найбільш актуальною для радіобіології стає така практична задача, як пошук фармакологічних засобів захисту організму від випромінювань.

У той час у США, Європі й Азії при великих атомних центрах створюються радіобіологічні лабораторії, інститути. Серед них варто назвати Брукхейвенську, Окриджську, Аргоннську Національні лабораторії (США), Лабораторію радіобіології атомного центра в Харуеллі (Велика Британія), Біологічне відділення атомного центру в Саклє (Франція), Інститут біофізики у Франкфурті-на-Майні (Німеччина), Радіобіологічний відділ атомного центра в Тромбеї (Індія), Радіобіологічний інститут у Сибе (Японія) і багато інших.

У 1950–1960-і рр. у СРСР виникають великі радіобіологічні центри в Інституті біофізики МОЗ СРСР (Москва), Інституті біофізики АН СРСР (Пущино), Інституті медичної радіології АМН СРСР (Обнинск), Московському державному університеті, Інституті хімічної фізики АН СРСР (Москва), Всесоюзному онкологічному центрі АМН СРСР (Москва), Ленінградському інституті ядерної фізики (Гатчина), Інституті біології південних морів (Севастополь), Інституті фізіології ім. О.О.Богомольця АН УРСР (Київ), Інституті фізіології рослин АН УРСР (Київ) та інші. У цей період у вітчизняній радіобіології сформувався могутній загін висококваліфікованих фахівців.

Результати не змусили себе чекати. У 1949 р. були відкриті радіозахисні властивості амінокислоти цистеїна і ціаніду натрію. У 1951 р. бельгійський радіобіолог З. Бак показав високу протипроменеву ефективність синтезованого їм цистеаміна, що дотепер залишається одним з найдійовіших протирадіаційних препаратів. В ті роки в радіобіології зародилося вчення про радіопротектори.

У 1950-х рр. було експериментально доведене явище післярадіаційного відновлення клітин. Серед його дослідників і першовідкривачів — імена російських радіобіологів В.П. Парибока, М.В. Лучника, В.І. Корогодина.

У зв'язку з масовими випробуваннями багатьма країнами в 1950-х — початку 1960-х рр. ядерної зброї і глобальним забрудненням Землі перед радіобіологією встали нові задачі вивчення міграції штучних радіоактивних речовин у біосфері, шляхів їх надходження в рослини, організм тварин і людини, особливості дії на організм у зв'язку зі специфікою розподілу по тканинах і органах, різною тривалістю виведення і хронічним опроміненням кліток. У цей період бурхливий розвиток одержує радіоекологія. Значний внесок у її розвиток внесли російські вчені В.М. Клечковський, Р.М. Алексахін, М.А. Корнєєв, українські – Д.М. Гродзинський, Г.Г. Полікарпов, Б.С. Прістер.

Для тих років характерне також розширення використання досягнень радіобіології для рішення практичних задач. Все більше використовуються іонізуючі випромінювання у медицині для діагностики і лікування захворювань; вони застосовуються в сільському господарстві для одержання нових сортів рослин, стимуляції їх росту і підвищення продуктивності, боротьби з комахами-шкідниками сільськогосподарських рослин і тварин; у харчовій промисловості – для знезараження і консервування продуктів.

Глибоким проникненням у радіобіологію ідей молекулярної біології, біофізичних і біохімічних методів досліджень характеризуються 1970-і рр. Збагачені новими експериментальними даними остаточно формуються теорії прямої і непрямої дії випромінювань, затверджується положення про те, що основною мішенню для радіації є молекула ДНК. Історія розвитку вітчизняних теоретичних уявлень в радіобіології тісно зв'язана з ім'ям О.М. Кузіна – автором гіпотез про природу стимулюючої дії іонізуючої радіації, і структурно-метаболічної гіпотези, що пояснює механізм радіаційного ураження клітини з порушенням метаболізму й утворенням токсичних продуктів обміну.

У першій половині 1980-х рр. у багатьох країнах спостерігалися зовсім невиправдані тенденції до скорочення радіобіологічних робіт. Так, у СРСР кількість радіобіологічних лабораторій в порівнянні з 1960-ми роками зменшилась майже утричі. У якійсь мірі це можна зв'язати з деякою самозаспокоєністю, обумовленою забороною випробувань ядерної зброї в атмосфері, космічному просторі і під водою (Московський договір 1963 р.) і зниженням радіаційного фону, недалекоглядністю окремих керівників науки і держави, заворожених пропагандою про нібито повну безпечність підприємств ядерної енергетики.

Драматичні події на Чорнобильської АЕС продемонстрували шкоду подібного самозаспокоєння. Вони висвітили багато недоліків не тільки атомної фізики і ядерної енергетики, цивільної оборони і влади, але і показали, що в країні недостатньо висококваліфікованих спеціалістів-радіобіологів і колективів, здатних оперативно вирішувати медичні задачі, а також проблеми багатьох сфер господарювання в умовах подібних аварій.

26 квітня 1986 р. завершився третій і почався четвертий етап розвитку радіобіології.

Цілком природно, що багатьом науковим колективам, що працювали у сфері радіобіології не тільки Росії, України, Білорусії, найбільшою мірою потерпілих від аварії на Чорнобильської АЕС, але й інших країн, довелося змінити напрями своїх досліджень або внести в них істотні корективи, зосередивши зусилля на вивченні радіаційних ефектів аварії, шляхів міграції викинутих реактором радіонуклідів у різних компонентах навколишнього середовища, їхній дії на біоту з метою мінімізації радіаційних наслідків.

У зв'язку з новими задачами, що неможливо було вирішити наявними силами, були  організовані великі науково-дослідні установи. Їхнім головним завданням на найближчий період власне і стало вивчення радіобіологічних ефектів Чорнобиля. У Києві був заснований Український науковий центр радіаційної медицини НАН України і МОЗ України, Український НДІ сільськогосподарської радіології, у Мінську – Інститут радіобіології АН Республіки Бєларусь, у Гомелі – Білоруський НДІ сільськогосподарської радіології й інші. У багатьох інститутах і вищих навчальних закладах виникли радіобіологічні, радіоекологічні, радіологічні відділи, сектори, лабораторії, кафедри. Велика армія вчених прийшла в радіобіологію із суміжних наук.