В первой части нашего материала про развитие науки ХХ века мы рассказали о рождении новой физики: квантовой механики Макса Планка и теории относительности Альберта Эйнштейна. Новая квантовая теория положила начало исследованию радиоактивности — процесса распада атомного ядра, изучение которого позволило людям извлекать колоссальные объемы энергии из мельчайших частиц материи. Первая половина ХХ века ознаменовалась и стремительным развитием медицины в области противодействия инфекционным заболеваниям, чему предшествовало удивительное открытие, носившее совершенно случайный характер.
Радиоактивность: лучи, пронзающие мироздание
Первым, кто воочию наблюдал ионизирующее излучение (радиоактивные лучи) в своей лаборатории, был немецкий ученый Вильгельм Конрад Рентген — руководитель института физики при Вюрцбургском университете. Его открытие состоялось 8 ноября 1895 года.
В своей лаборатории Рентген проводил эксперимент по подаче тока на электровакуумные лампы с катодной трубкой внутри, желая изучить поведение электрических зарядов в вакууме. Исследователь обнаружил, что при подаче тока на две лампы, расположенные одна напротив другой, начинал светиться случайно оказавшийся рядом с лабораторным оборудованием лист бумаги, покрытый тонким слоем кристаллов платино-цианистого бария. Это казалось странным, так как электровакуумные лампы, с которыми работал Рентген, были экранированы и попросту не могли пропускать свет. Подобные флуоресцентные свойства ученый позже увидит у каменной соли, уранового стекла и кальцита.
Первоначально решив, что ему удалось открыть новую разновидность света, спектр которого по какой-то причине оставался неразличимым для человеческого глаза, Рентген быстро убедился, что это не так. Обнаруженные им лучи, которым он приписал пометку X (X-rays), не обладали характерными для света свойствами: помимо того, что проходили сквозь непрозрачные материалы, они не преломлялись и не отражались от поверхностей. Лучи Рентгена еще и ионизировали окружающий воздух, вследствие чего он и назвал данный тип излучения «ионизирующим».
Желая вынести практическую пользу из открытия, Рентген сконструировал модифицированную версию своей вакуумной лампы, которая характеризовалась наличием плоского антикатода внутри колбы. Новые лампы позволяли ученому получить гораздо более интенсивный и непрерывный поток ионизирующего излучения. Невидимые глазу лучи были способны засвечивать фотопленку, что заинтересовало Вильгельма — он решил посмотреть, что они могут показать на снимке. Спустя всего месяц с момента открытия своего удивительного излучения Рентген с его помощью делает первый в мире рентгеновский снимок, фотографируя ладонь своей супруги — Анны Берты Людвиг.
То, что наблюдал Вильгельм Рентген, в действительности было не новой разновидностью света, а лишь высокочастотным электромагнитным излучением с чрезвычайно короткой длиной волны, исходящим от некоторых видов материи. Узнав об открытии рентгеновского излучения и удивительном аппарате, способном видеть сквозь материю, свои исследования в области изучения ионизирующего излучения начал проводить французский физик Анри Беккерель. Беккерель заметил, что лучевое излучение может быть не только получено при помощи электрического тока, оно естественным образом излучается и от определенных материалов, в частности солей урана.
Первой, кто наречет это удивительное явление «радиоактивностью», станет Мария Кюри — одаренная ученица и аспирантка Анри Беккереля на кафедре физики. Вместе со своим мужем, Пьером Кюри, она приступила к изучению радиоактивности, что в будущем позволило ей открыть радий и полоний. В 1903 году Мария получила Нобелевскую премию по физике, которую разделила со своим мужем Пьером и наставником, Анри Беккерелем.
К 1902 году Мария Кюри смогла впервые искусственно добиться выделения радия, ранее не встречавшегося в природе в чистом виде. Для этого ей пришлось обработать несколько тонн урановой смолы, чтобы в конечном итоге получить всего 0,1 грамма чистого радия. Процесс был не только кропотливым, но и фатально опасным для здоровья Марии. Более сорока лет постоянного контакта с радиоактивными материалами привели к мутациям, вызвавшим лейкемию. Кюри умерла от своей болезни в 1934 году, в возрасте 66 лет, однако ее рабочее оборудование, письменный стол, заметки и даже поваренная книга до сих пор излучают радиацию и сохраняются в специальном экранирующем покрытии, препятствующем ее распространению.
Знание о ядерном делении атомов, открытом в 1939 году (Мейтнер и Фриш) и названном ими «радиоактивным распадом», позволило людям научиться контролировать этот процесс в ядерных реакторах, благодаря чему уже к середине ХХ века развитые страны, обладающие подобными технологиями, вплотную приблизились к тому, чтобы полностью закрыть свои потребности в электроэнергии. Радиоактивное излучение помогло решить ряд экологических проблем — сегодня оно, в частности, используется для очищения сточных вод.
Радиоактивный полураспад атомов помог не только изобрети первые сверхточные атомные часы, но и заглянуть вглубь веков с помощью использования радиоуглеродного метода, который в 1946 году изобрел американский физик-химик Уиллард Либби. Ученый придумал определять возраст материалов посредством измерения в них уровня содержания нестабильного радиоактивного изотопа — 14C, период полураспада которого составлял 5730 лет. По своей новой методологии Либби сумел определить возраст останков коренного жителя Северной Америки (9500 лет), указал примерный возраст фрагмента деревянного весла (3000 лет), найденного на территории Египта, и положил старт целому научному методу. Новые стандарты методов радиоуглеродного датирования, принятые в 2020 году (IntCal20 и SHCal20), способны определять возраст исследуемых образцов в пределах 55 000 лет.
Влияние радиации на медицину было характерно не только развитием рентгенодиагностики. Еще во время Первой мировой войны Мария Кюри обратила внимание, что точечным воздействием высокочастотного ионизирующего излучения удается эффективно бороться с раковыми клетками. При неосторожном обращении радиация приносила смерть от онкологии, но при правильном дозировании — помогала избавиться от нее.
Но радиоактивность была не единственным средством, помогавшим людям ХХ века бороться с болезнями. К середине столетия человечество ожидал новый прорыв — на этот раз в области бактериологии.
Плесень, спасшая миллионы
В 1928 году Александр Флеминг, профессор бактериологии в больнице святой Марии в Лондоне, отправился на несколько недель в отпуск, а когда вернулся в свою лабораторию, обнаружил странное явление. Колонии стафилококковых бактерий, с которыми ученый проводил исследования в чашке Петри, вымерли. Причиной был участок обыкновенной плесени, позже названной Флемингом Penicillium notatum.
Флеминга заинтриговала подобная реакция бактерий на пенициллин, и год спустя он даже упомянул о его потенциальных терапевтических свойствах в Британском журнале экспериментальной патологии (British Journal of Experimental Pathology). К сожалению, в те времена у ученых не было методов получения стабильного раствора, содержащего чистый пенициллин, из сока плесени, ввиду чего столь важное для медицины открытие долгие 10 лет было попросту невостребованным.
1939 год ознаменовался стартом большой кампании по производству медицинского пенициллина. В лабораториях Оксфордского университета группа ученых под руководством Говарда Флори и Эрнста Чейна начали активную работу над модернизацией процесса получения раствора чистого пенициллина из фильтрата плесени. Для этого ученым приходилось перерабатывать до 500 л фильтрата плесени в неделю, однако конечный результат стоил потраченных усилий.
Новые методики по очистке раствора пенициллина от примесей, предложенные биохимиком Эдвардом Абрахамом, намного ускорили сам процесс и улучшили качество будущего препарата. И в феврале 1941 года, после завершения ряда клинических испытаний на мышах, пенициллин впервые успешно дали человеку. Англия вплотную приблизилась к производству пенициллина в промышленных масштабах, однако Вторая мировая война и постоянные налеты немецких Люфтваффе внесли свои коррективы. Полноценно промышленное производство пенициллина в войну наладили только на территории США.
Во время Второй мировой войны наиболее активное участие в производстве пенициллина приняли такие фармакологические компании США, как Merck, Pfizer, Squibb и Abbott Laboratories. В 1944 году в США было произведено более 1663 млрд доз пенициллина, а уже к следующему году это количество увеличилось кратно, составив 6,8 трлн единиц препарата.
В 1945 году Флеминг (совместно с Говардом Флори и Эрнстом Чейном) был удостоен Нобелевской премии по физиологии и медицине: «За открытие пенициллина и его лечебного эффекта при разнообразных инфекционных заболеваниях».
Несмотря на великолепные антибиотические свойства пенициллина, его широкомасштабное и неконтролируемое применение принесло человечеству и ряд проблем. Прежде всего, дало старт появлению штаммов супербактерий, устойчивых к воздействию антибиотика. Сегодня ВОЗ и ООН относят супербактерии к одному из самых серьезных вызовов медицине, с которым особенно остро человечество столкнется уже к середине этого столетия. Предполагается, что к 2050 году штаммы резистентных к антибиотикам бактерий могут стать причиной смерти 10 млн человек ежегодно.
История радиоактивности, равно как и история пенициллина — наглядные примеры того, как одна и та же технология может быть столь же полезной, сколь и губительной. Стремительно развивающейся науке было жизненно необходимо выйти на новый уровень прогнозируемости своих решений. В этом ей помогут новые вычислительные машины, активным развитием которых ознаменуется вторая половина ХХ века. О них речь пойдет в следующей части цикла материалов.