Наука зустрічає ХХ століття: радіація та перші антибіотики

У першій частині нашого матеріалу про розвиток науки ХХ століття ми розповіли про народження нової фізики: квантової механіки Макса Планка та теорії відносності Альберта Ейнштейна. Нова квантова теорія започаткувала дослідження радіоактивності — процесу розпаду атомного ядра, вивчення якого дозволило людям отримувати колосальні обсяги енергії із найдрібніших частинок матерії. Перша половина ХХ століття ознаменувалася і стрімким розвитком медицини в галузі протидії інфекційним захворюванням, чому передувало дивовижне відкриття, що мало випадковий характер.

Радіоактивність: промені, що пронизують світобудову

Першим, хто на власні очі спостерігав іонізуюче випромінювання (радіоактивні промені) у своїй лабораторії, був німецький учений Вільгельм Конрад Рентген — керівник інституту фізики при Вюрцбурзькому університеті. Його відкриття відбулося 8 листопада 1895 року.

У своїй лабораторії Рентген проводив експеримент із подачі струму на електровакуумні лампи з катодною трубкою всередині, бажаючи вивчити поведінку електричних зарядів у вакуумі. Дослідник виявив, що аркуш паперу, покритий тонким шаром кристалів платино-ціанистого барію, який випадково опинився поряд із лабораторним обладнанням, починав світитися при подачі струму на дві лампи, розташовані одна навпроти іншої. Це здавалося дивним, оскільки електровакуумні лампи, з якими працював Рентген, були екрановані та просто не могли пропустити світло. Подібні флуоресцентні властивості вчений пізніше побачив у кам’яної солі, уранового скла та кальциту.

Спочатку подумавши, що йому вдалося відкрити новий різновид світла, спектр якого з невідомої причини залишався невидимим для людського ока, Рентген швидко переконався, що це не так. Виявлені ним промені, яким він приписав позначку X (X-rays), не мали характерних для світла властивостей: крім того, що проходили крізь непрозорі матеріали, вони не переломлювалися і не відбивалися від поверхонь. Промені Рентгена ще й іонізували навколишнє повітря, через що він і назвав цей тип випромінювання “іонізуючим”.

Прагнучи винести практичну користь із відкриття, Рентген сконструював модифіковану версію своєї вакуумної лампи, яка характеризувалася наявністю плоского антикатоду усередині колби. Нові лампи дозволяли вченому отримати набагато інтенсивніший і безперервний потік іонізуючого випромінювання. Невидимі оку промені були здатні засвічувати фотоплівку, що зацікавило Вільгельма — він вирішив подивитися, що вони можуть показати на знімку. За місяць з моменту відкриття свого дивовижного випромінювання Рентген за його допомогою робить перший у світі рентгенівський знімок, фотографуючи долоню своєї дружини — Анни Берти Людвіг.

Те, що спостерігав Вільгельм Рентген, насправді було не новим різновидом світла, а лише високочастотним електромагнітним випромінюванням із надзвичайно короткою довжиною хвилі, що походить від деяких видів матерії. Дізнавшись про відкриття рентгенівського випромінювання і дивовижний апарат, здатний бачити крізь матерію, свої дослідження в галузі вивчення іонізуючого випромінювання почав проводити французький фізик Анрі Беккерель. Беккерель зауважив, що променеве випромінювання можна не лише отримати за допомогою електричного струму, натомість воно природним чином випромінюється від певних матеріалів, зокрема солей урану.

Першою, хто назве це дивовижне явище “радіоактивністю”, стане Марія Кюрі — обдарована учениця та аспірантка Анрі Беккереля на кафедрі фізики. Разом зі своїм чоловіком П’єром Кюрі вона почала вивчення радіоактивності, що в майбутньому дозволило їй відкрити радій і полоній. 1903 року Марія отримала Нобелівську премію з фізики, яку розділила зі своїм чоловіком П’єром та наставником Анрі Беккерелем.

До 1902 року Марія Кюрі змогла вперше штучно досягти виділення радію, який раніше не зустрічався в природі у чистому вигляді. Для цього їй довелося обробити кілька тонн уранової смоли, щоби зрештою отримати лише 0,1 грама чистого радію. Процес був не тільки кропітким, а й фатально небезпечним для здоров’я Марії. Понад сорок років постійного контакту з радіоактивними матеріалами призвели до мутацій, що викликали лейкемію. Кюрі померла від своєї хвороби в 1934-му, у віці 66 років, проте її робоче обладнання, письмовий стіл, нотатки і навіть куховарська книга досі випромінюють радіацію, тож зберігаються в спеціальному екрануючому покритті, що перешкоджає її поширенню.

Знання про ядерний поділ атомів, відкрите 1939 року (Мейтнер і Фріш) і назване ними “радіоактивним розпадом”, дозволило людям навчитися контролювати цей процес в ядерних реакторах, завдяки чому вже до середини ХХ століття розвинуті країни, що мають подібні технології, впритул наблизилися до того, аби повністю закрити свої потреби у електроенергії. Радіоактивне випромінювання допомогло вирішити низку екологічних проблем — сьогодні воно, зокрема, використовується для очищення стічних вод.

Радіоактивний напіврозпад атомів допоміг не тільки винайти перший надточний атомний годинник, але й зазирнути в глибину століть за допомогою використання радіовуглецевого методу, який 1946 року винайшов американський фізик-хімік Віллард Ліббі. Вчений здогадався визначати вік матеріалів за допомогою вимірювання в них рівня вмісту нестабільного радіоактивного ізотопу — ¹⁴C, період напіврозпаду якого складав 5730 років. За своєю новою методологією Ліббі зумів визначити вік останків корінного жителя Північної Америки (9500 років), вказав приблизний вік фрагмента дерев’яного весла (3000 років), знайденого на території Єгипту, і започаткував цілий науковий метод. Нові стандарти методів радіовуглецевого датування, прийняті у 2020 році (IntCal20 та SHCal20), здатні визначати вік досліджуваних зразків у межах 55 000 років.

Вплив радіації на медицину характеризувався не лише розвитком рентгенодіагностики. Ще під час Першої світової війни Марія Кюрі зауважила, що точковим впливом високочастотного іонізуючого випромінювання вдається ефективно боротися з раковими клітинами. За необережного поводження радіація приносила смерть від онкології, але за правильного дозування — допомагала позбутися її.

Однак радіоактивність була не єдиним засобом, що допоміг людям ХХ століття боротися із хворобами. До середини сторіччя на людство чекав новий прорив — цього разу в галузі бактеріології.

Цвіль, яка врятувала мільйони

1928 року Олександр Флемінг, професор бактеріології у лікарні святої Марії в Лондоні, вирушив на кілька тижнів у відпустку, а коли повернувся до своєї лабораторії, виявив дивне явище. Колонії стафілококових бактерій, з якими науковець проводив дослідження у чашці Петрі, вимерли. Причиною стала ділянка звичайної цвілі, пізніше названої Флемінгом Penicillium notatum.

Флемінга заінтригувала подібна реакція бактерій на пеніцилін, і через рік він навіть згадав про його потенційні терапевтичні властивості в Британському журналі експериментальної патології (British Journal of Experimental Pathology). На жаль, у ті часи у вчених не було методів отримання стабільного розчину, що містить чистий пеніцилін, із соку плісняви, через що таке важливе для медицини відкриття довгі 10 років було просто незатребуваним.

1939-й ознаменувався стартом великої кампанії з виробництва медичного пеніциліну. У лабораторіях Оксфордського університету група вчених під керівництвом Говарда Флорі та Ернста Чейна розпочали активну роботу над модернізацією процесу одержання розчину чистого пеніциліну з фільтрату плісняви. Для цього вченим доводилося переробляти до 500 л фільтрату цвілі на тиждень, проте кінцевий результат вартував витрачених зусиль.

Нові методики очищення розчину пеніциліну від домішок, запропоновані біохіміком Едвардом Абрахамом, значно прискорили сам процес і покращили якість майбутнього препарату. І в лютому 1941 року, після завершення низки клінічних випробувань на мишах, пеніцилін вперше успішно дали людині. Англія впритул наблизилася до виробництва пеніциліну у промислових масштабах, проте Друга світова війна та постійні нальоти німецьких Люфтваффе внесли свої корективи. Повноцінно промислове виробництво пеніциліну у війну налагодили лише на території США.

Під час Другої світової війни найактивнішу участь у виробництві пеніциліну взяли такі фармакологічні компанії США, як Merck, Pfizer, Squibb та Abbott Laboratories. 1944 року в США було вироблено понад 1663 млрд доз пеніциліну, а вже до наступного року ця кількість збільшилася кратно, склавши 6,8 трлн одиниць препарату.

1945 року Флемінг (спільно з Говардом Флорі та Ернстом Чейном) був удостоєний Нобелівської премії з фізіології та медицини: “За відкриття пеніциліну та його лікувального ефекту при різноманітних інфекційних захворюваннях”.

Попри чудові антибіотичні властивості пеніциліну, його широкомасштабне та неконтрольоване застосування принесло людству і низку проблем. Насамперед дало старт появі штамів супербактерій, стійких до дії антибіотика. Сьогодні ВООЗ та ООН відносять супербактерії до одного із найсерйозніших викликів медицини, з яким особливо гостро людство зіткнеться вже до середини цього сторіччя. Передбачається, що до 2050 року штами резистентних до антибіотиків бактерій можуть спричинити смерть 10 млн осіб щорічно.

Історія радіоактивності, так само як і історія пеніциліну — наочні приклади того, як одна й та сама технологія може бути такою ж корисною, як і згубною. Науці, що стрімко розвивається, було життєво необхідно вийти на новий рівень прогнозованості своїх рішень. У цьому їй допоможуть нові машини, активним розвитком яких ознаменується друга половина ХХ століття. Про них йтиметься в наступній частині циклу матеріалів.