Цепная реакция, которую нельзя остановить

Цепная реакция, которую нельзя остановить

Достаточно ли зрелыми являются люди для того, чтобы разумно использовать ту силу, которую они неизбежно получат из рук ученых?

В. И. Вернадский

Цепная реакция - это химическая или ядерная реакция, в которой появление активной частицы вызывает большое число превращений неактивных молекул.

Процесс развивается с самоускорением, лавинообразно, неудержимо.

Горение пороха - пример такой реакции.

Развитие радиобиологии как самостоятельной научной дисциплины тоже шло по законам цепных реакций: стремительно, в предельно сжатые сроки.

Прочитаем современное определение радиобиологии, которое дается в академическом издании.

"Радиобиология - наука, исследующая механизмы и закономерности действия ионизирующих излучений на биологические объекты. Эта наука является тем фундаментом, на котором строится использование ядерных излучений в медицине, сельском хозяйстве и биопромышленности".

Быть таким "фундаментом" - не простая задача.

С чего начинается радиобиология?

Не будет большим упрощением, если ответим так: все начинается с поглощения энергии клеткой. А как измерить дозу поглощенной энергии? Для этого существуют специальные единицы измерения. Для рентгеновского и гамма-излучения единицей дозы излучения служит "рентген", то есть такая поглощенная энергия, которая в 1 см³ воздуха при нормальных условиях образует 2,08*10⁹ пар ионов.

Радиобиология прошла путь, характерный для всех других наук. Сначала она была единой. Но со второй половины сороковых годов нашего столетия возникает необходимость создания самостоятельных направлений радиобиологии. Более правильно сказать - эти направления радиобиологии рождаются самостоятельно. Их появление диктуется практикой. Возникает молекулярная радиобиология, радиационная генетика, радиоэкология и ряд других направлений.

Начнем по порядку. Что такое молекулярная радиобиология? Молекулярная радиобиология - это наука, исследующая на молекулярном уровне биохимические и биофизические механизмы действия ионизирующего излучения на биологические объекты. Иными словами, молекулярная радиобиология решает такие же задачи, как и молекулярная биология, но только при условии воздействия на живые организмы проникающих лучей.

Полезно вспомнить, что говорят о молекулярной биологии ее основатели - крупнейшие ученые и лауреаты Нобелевской премии Макс Перутц и Франсуа Жакоб.

Однажды Макс Перутц сказал, что молекулярных биологов интересует прежде всего строение и функция генов, связанных с ними ферментов и взаимодействие между теми и другими.

В таком случае и специалистов по молекулярной радиобиологии должны интересовать эти же проблемы, но при условии облучения организмов ионизирующей радиацией.

Франсуа Жакоб указывает на важность решения другой задачи молекулярной биологии. Нужно понять, говорит он, характер, свойства и принципы работы мембран - полупроницаемых оболочек клеток. Можно согласиться с Франсуа Жакобом. Изучение действия проникающих лучей на полупроницаемую оболочку клеток - одна из важных задач и современной молекулярной радиобиологии.

Почему радиация искажает проницаемость мембран? Каков механизм этого явления? Как нормализовать эти процессы? Вот вопросы, которые волнуют радиобиологов многих стран.

В наши дни трудно найти человека, который не интересовался бы будущим науки.

А какие перспективы развития молекулярной биологии в ближайшие два-три десятилетия?

Размышляя над этой проблемой, Макс Перутц даже составил шутливый экзаменационный билет для студентов, которые будут сдавать экзамен по молекулярной биологии в 2000 году. В билете имеется маленькое примечание: для справок можно пользоваться "генетическими таблицами для конструирования домашних животных".

Если такой выдающийся ученый, как Макс Перутц, считает, что в 2000 году ученые смогут "конструировать" домашних животных, то можно с большим основанием предполагать, что и специалисты по молекулярной радиобиологии к этому времени научатся выводить "радиоустойчивых" животных и растения. А они будут весьма полезны в предстоящих полетах космических кораблей к далеким планетам.

К 2000 году специалисты по молекулярной радиобиологии совместно с генетиками решат и многие "земные" задачи.

С помощью ионизирующей радиации они полностью овладеют методами "конструирования" животных и выведения новых сельскохозяйственных растений с новыми, полезными для человека свойствами.

Десять лет назад молекулярная радиобиология делала первые робкие шаги. А в это время другое направление радиобиологии - радиационная генетика уже была признанной научной дисциплиной.

Какие задачи решает радиационная генетика, какие проблемы ее волнуют и, наконец, каков может быть ее вклад в практику народного хозяйства?

Зададим вопрос: какие растения нас кормят? Нас - это всех людей, живущих на Земле. Какие растения являются чемпионами среди мировых урожаев?

По данным организации, ведающей вопросами продовольствия и сельского хозяйства при ООН, такими чемпионами являются пшеница, картофель, рис, кукуруза. В 1967 году, например, было собрано 308 миллионов тонн пшеницы, 293 миллиона тонн картофеля.

Настоящие горные хребты продуктов!

Но и количество людей на нашей планете стремительно увеличивается. В 1966 году оно приближалось к 3,5 миллиарда!

Решать проблему питания можно разными путями. Радиационная генетика сыграет важную роль в выведении новых, более полезных для человека пород сельскохозяйственных животных и более урожайных видов растений.

Каждый из нас заполнял по разным поводам изрядное количество анкет. Этот вид литературного творчества имеет одно важное преимущество - он краток. Небольшая клеточка бумаги, предназначенная для ответа, заставляет быть и предельно ясным. Составим анкету для радиационной генетики и попросим специалиста-генетика ответить на четыре вопроса.

- Что изучает радиационная генетика?

- Закономерности действия ионизирующей радиации на наследственность микроорганизмов, растений, животных и человека.

- Перечислите некоторые основные проблемы, над которыми работают радиационные генетики.

- Изучение закономерностей возникновения под влиянием ионизирующей радиации наследственных изменений - мутаций; исследование единиц наследственности - генов и более высокоорганизованных структур - хромосом; использование проникающих излучений в селекционной работе с сельскохозяйственными растениями и микроорганизмами; научное обоснование допустимых уровней облучения человека на Земле и в космосе.

- Приведите какой-нибудь конкретный пример практического достижения радиационной генетики.

- Бактерии, которые синтезируют антибиотик эритромицин, облучали быстрыми нейтронами. В результате радиационно-селекционной работы был получен мутант, который синтезировал антибиотик эритромицин на 50 процентов активнее, чем исходный штамм этого микроорганизма. Иными словами, потомство было значительно работоспособнее родителей.

- Назовите одну из возможностей, которые ожидают радиационную генетику в предвидимом будущем.

- Можно рассчитывать, что в недалеком будущем ученые смогут целенаправленно изменить генетический код путем радиационных воздействий. Говоря фигурально, если генетический рояль будет построен, можно будет исполнить желаемую мелодию.

Один из "китов" молекулярной биологии Макс Перутц шутливо считает, что даже студенты в 2000 году могут рассказать на экзаменах о тех генетических изменениях, которые необходимо внести, чтобы горох завивался вокруг подпорки спиралью не как обычно, слева-направо, а наоборот. Если это произойдет, то можно утверждать, что к 2000 году будут созданы радиоустойчивые растения и животные. В далеких космических путешествиях они будут весьма полезны будущим космонавтам.

Радиобиологические сестры - молекулярная радиобиология и радиационная генетика нередко занимаются проблемами, общими для обеих дисциплин, сохраняя при этом свою индивидуальность.

А что известно читателю о радиационной экологии?

Какая, например, связь между радиационной экологией и необычными, многолетними, растянувшимися на десятки тысяч километров "путешествиями" радионуклидов?

Однако начнем по порядку.

Что такое радиоэкология и радионуклиды?

Под радионуклидами понимают все радиоактивные изотопы, которые могут находиться в окружающей человека среде.

Радиационная экология - это такая область науки, которая изучает имеющиеся или возникающие в природе связи между радиоактивными веществами и ионизирующими излучениями, с одной стороны, и существованием и развитием живых организмов - с другой.

Живые организмы находятся в определенных взаимоотношениях друг с другом, или, как говорят биологи, в сообществах. Между сообществами живых организмов и внешней средой устанавливаются четкие взаимоотношения. Приведем самый простой пример: простейшие организмы, живущие в воде, питаются растворенными в ней веществами. Рыбы питаются этими простейшими организмами. Морские животные питаются рыбами. Человек использует для еды рыбу и некоторых морских животных. Это один из многочисленных примеров "пищевой цепочки".

Природные радионуклиды в очень небольших количествах окружают человека. Они могут присутствовать в виде мельчайшей пыли в воздухе. Радионуклиды растворены в воде рек, озер и океанов. Некоторые из них всегда существовали в почве, и их находят в растениях, рыбах, птицах и животных. И конечно, в теле человека. Некоторые радионуклиды существовали и до возникновения человека на нашей планете. В этом нет ничего удивительного, потому что речь идет о так называемой естественной радиоактивности. А под ней понимают природную радиоактивность окружающей нас среды и тот радиоактивный фон, который создает космическая радиация. Изучение перемещения природных радионуклидов в окружающей нас среде и исследование их влияния на жизненные процессы составляют одну из серьезных проблем, над исследованием которой работает современная радиоэкология.

В последние десятилетия во многих странах возникли атомные электростанции, морские суда с атомными двигателями стали бороздить океаны. Радиоактивные изотопы начали широко использоваться в медицине, биологии, сельском хозяйстве, химии, технике. Возникла необходимость изучать влияние искусственных радиоактивных изотопов на внешнюю среду, на сообщество живых организмов и устранять нежелательные воздействия радиации на человека.

Живые организмы находятся в определенных взаимоотношениях друг с другом и с внешней средой

За последнее десятилетие радиоэкологи открыли удивительные явления. Например, стало известно: естественная облученность живых организмов обусловлена несколькими источниками. Об облучении космическими лучами слышали, вероятно, все. А вот об естественной радиоактивности земной коры, воды, атмосферы, пищевых продуктов и, наконец, самого человека знают недостаточно. Она вызвана в основном радиоактивными изотопами урана, тория, радия, калия и углерода. Количество радиоактивных изотопов в различных уголках земного шара колеблется весьма значительно. В некоторых районах Индии, Бразилии радиоактивность почвы в несколько раз, а иногда и в десятки раз выше, чем во многих других местах. Нижние слои атмосферы тоже всегда содержат следы газообразных продуктов распада урана и тория. Наконец, ничтожно малые количества радиоактивных элементов всегда находят в теле человека. Для подсчета радиоактивности человека существуют специальные счетчики. Удобно расположившись в кресле изолированной камеры, за короткий промежуток времени можно узнать "персональную радиоактивность".

Естественная радиоактивность была важным моментом в процессе эволюции. По современным представлениям изменения в генетическом аппарате живой клетки, или, иными словами, мутации, приводят к изменениям в ее потомстве. Однако клетки способны не только к передаче наследственных признаков от родителей к потомству, но и к изменчивости - приспособляемости к меняющимся условиям внешней среды. В конечном итоге все многообразие живых форм на нашей планете вызвано процессами изменчивости и наследственности. Изменения в наследственном материале клетки происходят и произвольно, и под влиянием химических веществ. Но особенно быстро наследственные изменения проходят под влиянием ионизирующей радиации. Исследователи считают, что природный радиоактивный фон на нашей планете в значительной степени ответствен за возникновение наследственных изменений.

Любознательный читатель может задать вопрос: является ли природный фон ионизирующей радиации важным фактором в жизнедеятельности организмов?

Многие ученые считают, что естественная радиоактивность способна оказывать влияние на сообщества живых организмов. Первые радиоэкологические работы по изучению природной радиоактивности были выполнены давно. В 20-30-х годах нашего столетия изучали действие ионизирующей радиации на живые организмы в районах с повышенным содержанием естественных радионуклидов - радия, тория и урана.

Теперь представим себе случай, когда искусственные радиоактивные изотопы по той или иной причине попали в атмосферу Земли.

После выпадения на сушу радиоактивные изотопы попадают на почву и растения. Дальнейшее их перемещение зависит от особенностей ландшафта и географических условий. Почва хорошо поглощает большинство радионуклидов и накапливает изотопы в верхних слоях.

Иногда в зависимости от свойств почвы отдельные радионуклиды, например цезий-137, настолько прочно связываются в почве, что это затрудняет их поступление в растения через корневую систему.

Леса занимают огромные пространства в Советском Союзе. Ионизирующая радиация может воздействовать на отдельных представителей лесного сообщества. Растения обладают весьма различной радиочувствительностью. Кроме "первичных результатов" облучения леса, всегда наблюдаются и "вторичные явления". Например, "выпадение" радиочувствительных видов из лесного сообщества всегда приводит к нарушению ранее сложившихся взаимоотношений между организмами. В самом простом случае эти взаимоотношения между растениями наблюдал, наверное, каждый. Вырвите сорняки на огородной грядке, и у вас лучше начинают развиваться овощи.

Хорошо гулять в сосновом бору. Мягко ступает нога по упругой хвойной подстилке. Чего тут только нет! Прошлогодняя желтая хвоя, опавшие сухие сучки, сухие листья, мохнатые подушки, заросли земляники. Лесная подстилка задерживает проникновение радионуклидов в почву. Это в свою очередь приводит к задержке поступления радиоактивных соединений в почву. Лесная подстилка как фильтр для радионуклидов. В конечном счете замедляется их поступление в корневую систему. Конечно, кругооборот радионуклидов в лесу значительно сложнее, чем здесь рассказано. И не случайно одной из главных задах лесной радиоэкологии является исследование кругооборота радионуклидов и изучение их влияния на сообщество живых организмов.

Тесно смыкается с радиоэкологией радиационная гигиена - наука, изучающая влияние ионизирующей радиации на здоровье населения. Например, известно, что срок жизни лишайников на Крайнем Севере составляет больше 15 лет. И все это время они поглощают радиоактивный цезий-137. Лишайниками питаются олени. Следовательно, этот радионуклид может оказаться в организме человека.

Из водоема радионуклиды могут попасть в наш организм разными путями. Например, с питьевой водой. Более сложный путь: вода - микрофлора - зоопланктон - рыба - человек. Радионуклиды могут попасть в организм человека из морей и океанов. В пищевой рацион человека, кроме морской рыбы, входят, например, и крабы, и устрицы, и некоторые водоросли.

Для радиоэкологических исследований ученые часто пользуются "модельными системами". В Америке в штате Джорджия был построен специальный атомный реактор, па котором исследовали воздействие ионизирующего облучения на биологические сообщества в природных условиях. И было установлено следующее. Например, после многолетнего облучения в лесных сообществах хвойные породы вытеснялись лиственными. Радиоустойчивость лиственных пород оказалась большей, чем у хвойных.

Менялись взаимоотношения между растениями-хозяевами и паразитами. Если растение-хозяин угнеталось ионизирующей радиацией больше, чем паразитирующее на нем растение, то растению-хозяину становилось труднее бороться со своим нахлебником.

Очень важное значение имеет и радиоэкология сельскохозяйственных животных. Это направление науки изучает действия ионизирующей радиации на сельскохозяйственных животных и перемещение радионуклидов в пищевых и биологических цепях.

Познакомимся с работой ученого, разрабатывающего проблемы радиоэкологии сельскохозяйственных животных. Задача этого ученого - исследовать влияние внешней среды на поступление радионуклида стронция-90 из почвы в растения, а затем попадание его из растений в организм коров, коз и овец. Для опыта выбирается участок луга, на поверхность которого наносится радиоактивный стронций. Луг делят на три равных участка. Один оставляют в естественном состоянии. Второй и третий участки луга засевают семенами культурных растений. Через различные интервалы времени исследуют Почву на радиоактивность. Как показывает опыт, на необработанном участке стронций-90 длительное время находится в верхнем дернистом слое почвы. При обработке участка на глубину 30 см стронций в почве перемешивается равномерно. При пропахивании опытного участка луга на глубину 60 см радионуклид перемещался в подпахотные слои.

Опыты показали, что накопление стронция-90 растениями зависит от их видовых особенностей. Содержание радионуклидов на кг веса сухого вещества в клевере полевом было в 6 раз выше, чем в костере безостом, но в два раза меньше, чем в лютике едком. Своеобразным чемпионом оказалась вероника дубравная. В ней концентрация радиоактивного изотопа была наибольшей. Накопление стронция-90 в скелете жвачных животных зависело от их вида и возраста. Наиболее активно накапливался изотоп в костях и мышцах молодых животных. В скелете овец радионуклида накапливалось больше, чем в костях коз. Поступление стронция в организм коров зависело от растений, которыми животные питались, от состава рациона и пр. Этот эксперимент длился долго - несколько лет. А результаты его в журнальной статье занимали не больше страницы. Но значение их существенно для теории и практики радиоэкологии.

Специалист по радиоэкологии может дать много рекомендаций. Представим себе, что по каким-то причинам определенный участок территории оказался загрязненным радионуклидом йода-131. Радиоактивный йод имеет сравнительно короткий период полураспада. В период "йодной опасности" очень важно, чтобы молочному скоту не попадали корма, содержащие радиоактивный изотоп. Вероятность загрязнения мяса, молока и других продуктов животного происхождения этим изотопом летом выше, чем осенью, зимой или ранней весной. Йод-131 - изотоп сравнительно короткоживущий, поэтому рекомендуется переработка свежего молока в сухое или сгущенное, в масло, сыры - в продукты длительного хранения. Длительная выдержка их резко снизит опасность попадания радионуклида в организм человека. Ну, а если во внешнюю среду поступили долгоживущие радионуклиды - стронций-90 или цезий-137? Тогда радиоэкологи рекомендуют перевести животных с естественных пастбищ на культурные, глубокое захоронение радионуклидов при перепашке почвы. Если в пищевой рацион животных добавлять больше кальция, то снизится усвоение ими стронция-90. На содержание радионуклидов в пищевых продуктах оказывает влияние технологическая и кулинарная обработка. При переработке молока в масло концентрация стронция-90 в масле резко снижается. При перетопке сала в шкварку переходит более 95 процентов цезия.

В 1973 году один из номеров международного журнала "Курьер" был посвящен важной проблеме - охране окружающей среды от загрязнений продуктами жизнедеятельности человека: сточными водами, нефтью и многими другими. На его обложке был помещен рисунок. На Северном и Южном полюсах земного шара горят два фитиля. И Земля медленно тает, как восковая свеча. Этим рисунком художник хотел сказать: мы мало бережем нашу планету, нашу природу, воздух, реки и океаны и, в конечном счете, самих себя.

В журнале были перечислены десять главных загрязнителей окружающей среды. На первом месте в списке стоял углекислый газ, который образуется при сгорании угля, нефти, бензина... Радиоактивные изотопы и ионизирующая радиация занимали десятое место.

Практическая задача радиоэкологии - проведение мероприятий, которые исключат радиацию из списка загрязнителей нашей планеты.