Полезная радиация

Полезная радиация

Если бы господь бог сделал мне честь спросить мое мнение при сотворении мира, то я бы ему посоветовал сотворить его получше, а главное - попроще.

Король Альфонс X Кастильский. XIII век

Наверно, у каждого из нас неоднократно возникала мысль о том, насколько сложно и остроумно организована живая клетка. Кажется, она продумана до конца и так совершенна, что ее нельзя улучшить. В процессе эволюции миллионы раз были переработаны варианты оптимальных конструкций клетки. И миллионы вариантов были забракованы. Остались наиболее отработанные, законченные и совершенные образцы. Но за последние десятилетия ученые убедительно доказали возможность улучшения растений и других организмов с помощью ионизирующей радиации и радиоактивных изотопов.

В Париже, в районе Жарден де Плант, стоит небольшой дом. Он - достояние Национального музея естественной истории. На его стене скромная доска, и на ней надпись. "В лаборатории прикладной физики Музея Анри Беккерель открыл радиоактивность 1 марта 1896 года".

С тех пор прошло три четверти века.

Предполагал ли кто-нибудь даже из самых прозорливых соотечественников Беккереля, что семьдесят лет спустя радиоактивные изотопы станут широко использоваться в сельском хозяйстве, биологии, медицине? Что меченые атомы будут надежными помощниками человека при решении самых насущных задач? И что, наконец, с помощью проникающей радиации некоторых радиоактивных изотопов можно будет повышать урожайность зерна?

Используя ионизирующую радиацию, действительно можно изменять в нужном для человека направлении живые организмы.

Несколько лет назад в Молдавии весной можно было встретить на дорогах автофургон с надписью на кузове: "Атом - миру". Это не простой грузовик, а передвижной облучатель для предпосевной обработки семян. Его "атомное сердце" - большой контейнер с гамма-активным изотопом цезия-137. Накануне сева автофургон выезжает в поле. К нему подъезжает грузовик с семенами кукурузы. Включается ленточный транспортер. Семена засыпаются в бункер с радиоактивным изотопом цезия. Полностью изолированные от непосредственного контакта с изотопом, семена в то же время облучаются гамма-лучами в нужной дозе. Непрерывной струей бежит зерно через бункер. Потом оно попадает на другой транспортер и ссыпается в мешки на другой автомашине. Предпосевное облучение семян закончено. Семена можно высевать.

Для чего облучали семена кукурузы? Предпосевное облучение семян - это метод повышения урожайности сельскохозяйственных культур. С его помощью можно ускорить созревание растений и улучшить их полезные качества.

На лабораторном столе стоят десять горшков с проростками кукурузы различной высоты. Под крайним левым подпись: "Контроль", под каждым из остальных цифры: 100, 300, 500, 800... И так до 40 000. В лабораторном журнале записано: "Высота проростков кукурузы при разных дозах облучения на 13-й день вегетации".

При облучении семян в дозе 100 и 300 рентген высота проростков такая же, как в контрольной группе. При дозе облучения 500 рентген растения выше контроля в полтора раза. Но потом, по мере увеличения дозы, величина проростков уменьшается. При дозе 8000 рентген растения кажутся карликами. При дозе 40 000 их еле видно.

Через несколько страниц в том же лабораторном журнале вклеена фотография. Это корни тех же растений. Почти такая же закономерность. При определенной дозе гамма-лучей - резкое увеличение роста, а потом постепенное уменьшение. При больших дозах рост корней резко затормаживается.

Сначала ставят опыты в лабораторных условиях. Потом опыты повторяют в поле. Опыты в поле - это как генеральная репетиция в театре, как последний экзамен, после которого результаты экспериментальных исследований будут внедрены в практику. Экспериментаторы облучали семена кукурузы сортов "Стерлинг" и "Воронежская-76", которые в Московской области выращивают для получения силосной массы. Опыты в поле в течение трех лет показали, что облучение семян в дозе 500 рентген увеличивает выход зеленой массы кукурузы на 10-28 процентов. Силос, полученный из таких растений, содержит больше белка, жиров, безазотистых веществ, клетчатки, углеводов.

А если облучить семена редиса?

На столе экспериментатора два пучка редиса одного сорта. Количество редиса в каждом пучке одинаково. Но редис слева значительно толще и мясистее. По сравнению с ним редис справа кажется худосочным. А ведь правый пучок - это обычный, так сказать, "нормальный" редис. Упитанный родственник слева - это редис, выращенный из облученных семян. При облучении семян этого сорта гамма-лучами в дозе 500 рентген урожай повысился на 37 процентов! Собрать 100 или 137 кг редиса - существенная разница. И это из одного количества семян, на одних землях и при одном и том же уходе. А затраты на облучение крайне невелики.

У других сортов редиса - "Рубин", "Розовый с белым кончиком", "Сакс" - урожайность повышалась при облучении в дозе 1000 рентген. А облученный "Сакс" был к тому же и сочнее и вызревал раньше обычного на 5-6 дней. Предпосевное облучение семян "Рубина" не только повышало урожай корнеплодов, но и увеличивало в них содержание витамина С. С помощью ионизирующей радиации в корнеплодах можно увеличить и содержание витамина А. Так, после облучения семян моркови сорта "Нантская" в дозе 4000 рентген урожайность корнеплодов по отношению к контролю увеличилась на 26 процентов, а запас каротина растительного пигмента, который в организме человека превращается в витамин А,- на 56.

А кукуруза? Облучение семян в дозе 500 рентген увеличивало урожай зеленой массы до 28 процентов.

Стимулирующее действие предпосевного облучения семян доказано для огурцов, томатов, свеклы, капусты, салата, картофеля, хлопка, ржи, ячменя...

Ученые заметили одну особенность. Доза ионизирующей радиации, вызывающая эффект стимуляции, различна не только для разных видов растений, но даже для разных сортов одного вида. Более того, она оказалась не одинаковой для одного и того же сорта, высеваемого в разных географических зонах.

Так стимулирующая доза облучения для огурцов сорта "Нежинские", высеваемых в Московской области, равняется 300 рентген, а для получения такого же результата в Азербайджане была необходима доза около 2000-4000 рентген.

Возьмем семена кукурузы. Много семян. Облучим их при одинаковых условиях дозой гамма-лучей, которая вызывает стимуляционный эффект. Разделим их на четыре равные группы - по 1000 штук в каждой. Одну группу посеем сразу после облучения, вторую - через неделю, третью - через две, четвертую - через месяц. Теперь будем терпеливо ждать. Семена взошли, растения начали развиваться. Но что это? Быстрее других развиваются растения, высеянные непосредственно после облучения. У семян, которые были высеяны через неделю после облучения, стимуляционный эффект был выражен меньше. У семян, высеянных через 2 недели после лучевой обработки, ускорение развития почти не наблюдалось. Семена, выдержанные после облучения в течение месяца, прорастали, но стимуляционного эффекта не имели. Значит, при хранении какое-то таинственное вещество, какой-то стимулятор медленно исчезал.

В чем же дело?

Мы вступаем в область, где факты еще дружат с предположениями, где еще многое не исследовано. Установлено, что после облучения в семенах образуются очень активные осколки молекул, называемые радикалами. Они способны вступать в необычные для здорового организма реакции. И вот оказалось, что после облучения семян количество радикалов со временем постепенно убывает. Проходит несколько дней, и радикалы исчезают полностью. Чем выше температура и влажность, при которой хранятся семена, тем радикалы исчезают быстрее.

Что же происходит, когда семена попадают во влажную, прогретую солнцем почву? Питательные вещества, содержащиеся в семенах, начинают переходить в растворимую форму и транспортируются к зародышу. В так называемом алейроновом слое семени активизируются окислительные процессы, и начинается выработка соединений, богатых энергией. Зародыш пробуждается, его клетки набухают и начинают делиться. Наступают процессы роста и развития проростков. Клетки начинают делиться, и им нужен строительный материал. Активность многих ферментов в результате облучения значительно возрастает. И вот при облучении семян окислительные процессы начинают протекать значительно интенсивнее. А это приводит к более быстрому развитию и ускорению всхожести семян, к их прорастанию. Растения становятся более мощными.

Не так давно в журнале "Курьер", который издается ООН, была напечатана статья. В ней говорилось, что каждый третий крестьянин в Африке работал фактически на птиц, грызунов, насекомых-вредителей и микропаразитов.

За точность этих цифр, естественно, поручиться трудно, но то, что потери от вредителей огромны,- факт.

Специалисты подсчитали: сельскохозяйственные вредители уничтожают за год столько зерна, что им можно было бы прокормить 100 миллионов человек.

Чем может помочь ионизирующая радиация сельскому хозяйству в борьбе с вредителями?

Вы уже знаете: различные виды растений обладают различной радиочувствительностью. Некоторые - довольно высокой. Насекомые, как правило, высокорадиоустойчивы. Среди них есть даже своеобразные чемпионы радиоустойчивости. Например, скорпионы. Но яйца и личинки насекомых оказались более радиочувствительными. И воспроизводящие клетки насекомых тоже более чувствительны к облучению.

Схема борьбы с насекомыми-вредителями проста. Через бункер, заряженный радиоактивным изотопом, пропускается по конвейеру зерно. За определенный промежуток времени оно получает необходимую для гибели вредителей дозу ионизирующей радиации. Такое зерно, конечно, не используют как посадочный материал. Но для питания людей оно совершенно безвредно. После облучения зерно поступает в хранилище - опасный вредитель ему уже не угрожает. Этими же приемами можно бороться с вредителями сухих фруктов - насекомыми и их личинками, облучая "будущие компоты" гамма-лучами в дозе до 50 000 рентген. А в Канаде предложили метод лучевой борьбы с сальмонеллами, заражающими яичный порошок.

Знаете ли вы о методе "стерильных самцов"? Ученые разработали его сравнительно недавно. Насекомые, облученные ионизирующей радиацией в определенный период развития, неспособны давать потомство. "Стерильные самцы" спариваются с нормальными самками. Однако самка потомство не приносит. Чем больше самцов будет стерилизовано, тем больше возможностей, что самки не дадут потомства. Если стерилизованных насекомых будет много в течение нескольких поколений, то потомство резко сократится. В некоторых странах обитает опасный вредитель - так называемая мясная муха. Она откладывает свои яйца в раны теплокровных животных. Из яиц развиваются личинки, которые вызывают заболевание и даже гибель домашнего скота, диких зверей и дичи. Мясная муха наносит большой вред хозяйству. И тогда решили испробовать метод лучевой стерилизации на мясной мухе. Построили "мушиную" фабрику, на которой разводили и стерилизовали мух. Стерилизованных насекомых выпускали на зараженную местность. Результат сказался быстро. Заболевание и падеж скота резко уменьшились. Затраты на "мушиную" фабрику не только окупились в первый год, но и принесли равную по сумме затрат прибыль. В США на острове Куракоо, площадью в 435 квадратных километров, выпустили около 2000 стерильных самцов мясной мухи на один квадратный километр. На острове мясная муха практически уничтожена.

Считают, что метод "стерильных самцов" весьма перспективен и в борьбе с оливковой мухой - опасным вредителем маслин, с плодожоркой, паразитирующей на яблонях и сливах. А на одном из научных съездов, проведенных в последние годы, обсуждались возможности метода лучевой стерилизации в борьбе с клещами, саранчой, точильщиками, мухой цеце, москитами... Если метод "стерильных самцов" удивляет необычностью подхода к решению практически важной задачи, то метод "лучевой консервации" отличает простота, ясность решения, экспериментальное мастерство.

Идея консервирования продуктов возникла давно. Продукты консервировали древние египтяне и инки. Наверное, самый древний способ сохранения продуктов - высушивание их на солнце. Со временем способы консервирования менялись. Сегодня холодильник имеется почти в любой городской квартире. Но самый современный способ сохранения пищевых продуктов - консервирование их с помощью проникающих излучений. Если облучать, например, свежее мясо гамма-лучами в дозе 100 000 рентген, то срок его хранения на складе удлиняется в пять раз. Если облученное мясо хранить при температуре около нуля градусов, то оно сохраняется в течение нескольких месяцев, не теряя питательных и вкусовых качеств. С помощью радиации удлиняются сроки хранения свежей рыбы. Облученная рыба в рефрижераторах сохраняет свои вкусовые качества до 35 дней. А без лучевой обработки при тех же условиях хранения - 7 - 10 дней.

Сейчас ищут способ консервировать с помощью гамма-лучей икру, молоко, фрукты. И даров моря: крабов, устриц, креветок...

Хорошие результаты дает облучение ягод и фруктов. Облученная клубника, хранившаяся в рефрижераторе при температуре +4 градуса, длительное время не теряла ни свежести, ни аромата. Даже опытные дегустаторы и эксперты не могли установить, какие из ягод были облучены в "консервирующих" дозах. А грибы шампиньоны? Они обладают прекрасными вкусовыми качествами. И их можно выращивать искусственно в течение всего года. Но при хранении грибы быстро портятся: теряют свежесть и вкусовые качества, сохнут и шляпка их разворачивается, как у старых грибов. Облученные шампиньоны в течение длительного хранения выглядели так, будто их только что принесли из парника - старение грибов резко затормаживалось, шляпки их были круто закручены, как у молодых-грибов.

Недавно в печати появилось сообщение о лучевом консервировании цветов. Знаменитые голландские тюльпаны, облученные в определенной дозе, помещенные в пакет, надутый углекислым газом, удобны в транспортировке и могут храниться длительный срок. Казалось, что они только что сорваны с грядки, настолько свежими были их лепестки.

Особенно выгодно с помощью радиации увеличивать срок хранения овощей.

Картофель имеет один серьезный недостаток: при хранении он прорастает, клубни сморщиваются и теряют свои вкусовые качества. Над проблемой лучевой консервации картофеля начали работать многие ученые в различных научно-исследовательских институтах нашей страны. Многочисленные опыты показали: облучение клубней в дозе 10 000 рентген резко затормаживает или прекращает весеннее прорастание картофеля и не понижает сопротивляемости его к заболеваниям. Вкусовые качества облученного картофеля не ухудшаются. Опытные дегустаторы не нашли никаких изменений в блюдах, приготовленных из такого картофеля.

Проблема лучевой консервации интенсивно разрабатывается во всем мире. И это закономерно. Слишком очевидные экономические выгоды она несет. Некоторые методы лучевого консервирования уже разрешены для практического использования. Другие еще не вышли из стен лабораторий. И самое главное - идут многолетние опыты, которые должны доказать: облученные продукты безвредны для человека.

На растениях легче экспериментировать, чем на животных. Работая с облучением семян, можно ставить опыты сразу на многих тысячах биологических объектах. И поэтому ученому заметно помогает статистика. Да и экономически такой опыт значительно выгоднее.

А использовалась ли ионизирующая радиация для практических целей в животноводстве?

Животные намного чувствительнее к действию проникающей радиации, чем растения. В нашей стране на одной из современных птицефабрик был поставлен такой опыт. В течение нескольких часов в процессе инкубации куриные яйца облучали в дозе 1-2 рентген. Такие незначительные дозы радиации оказали стимулирующее действие: количество вылупившихся цыплят увеличивалось, куры из облученных яиц обладали большей яйценоскостью.

Курам "повезло" или стимулирующее действие малых доз ионизирующей радиации - общая закономерность?

Наверное, тут таятся и общие закономерности. Во всяком случае, врачи всего мира давно признают целебное действие радоновых ванн для человека.

Итак, ионизирующая радиация радиоактивных изотопов может разумно использоваться человеком и в сельском хозяйстве. Но любознательный читатель, наверно, уже заметил, что речь шла о внешних источниках проникающих лучей. Как правило, о гамма-лучах, испускаемых радиоактивным кобальтом. Но существует огромное количество радиоактивных изотопов, которые испускают, например, "мягкие" бета-лучи, энергия которых невелика. Радиоактивный углерод С¹⁴ и радиоактивная сера S³⁶, биологически наиболее важные элементы, обладают именно таким, "мягким", излучением. Энергия проникающего излучения другого биологически важного изотопа - радиоактивного фосфора Р32 значительно выше, но и она "мягче" по сравнению с "жесткими" гамма-лучами кобальта Со⁶⁰.

Возможности использования таких "меченых" атомов в народном хозяйстве тоже велики. Приведем примеры.

Чтобы врага победить, его надо знать. Чтобы успешно бороться с опасными вредителями сельского хозяйства, с вредными насекомыми, надо хорошо изучить их жизнь.

Ученые метили радиоактивным фосфором таких опасных насекомых, как саранча, малярийный комар, а также фруктовую муху. Этим способом определили скорость перелета саранчи и дальность ее распространения из главных очагов размножения; выяснили протяженность перелетов малярийных комаров. Фруктовая муха оказалась относительным домоседом. Ее метили радиоактивным фосфором и выпускали в апельсиновой роще. При благоприятных условиях фруктовые мухи не удалялись от места обитания больше чем на несколько сот метров.

Полученные сведения позволили наметить расположение заградительных зон и разработать систему обороны и борьбы с этими насекомыми.

Инсектициды - яды для насекомых, один из современных способов борьбы с ними. Введем в эти химические соединения радиоактивную метку. Индикатор сразу позволяет ответить на целый ряд важных вопросов. Как ведут себя эти соединения в организме насекомых, почему они ядовиты для них? Как сделать их избирательными по действию - не вредными для человека, растений и полезных насекомых? Не попадают ли яды в сельскохозяйственные продукты? Когда яды теряют свою токсичность?

На наших древнейших друзьях - пчелах были поставлены опыты. Например, кормили радиоактивным фосфором рабочую пчелу, и она становилась меченой. В улей помещали счетчик радиоактивных частиц. И вот удалось установить, сколько раз в день вылетает на работу рабочая пчела, каков ее рабочий день и какова скорость полета. Или поступали по-другому. Подслащенные сахаром растворы с подмешанным к ним радиоактивным фосфором помещали на какое-нибудь поле. Прилетающие на него пчелы, естественно, метились. И тогда можно было точно определить, какие поля пользуются у пчел наибольшей популярностью. А отсюда и практические решения, которые помогут увеличить продукцию неутомимых тружеников.

Радиоактивные изотопы используются во всех исследованиях по биохимии и физиологии насекомых. Значение этих работ понятно. Изучив, например, деятельность гормонов и ферментов, управляющих развитием и поведением полезных насекомых, можно будет использовать насекомых в интересах человека.

Ученые были поражены, когда узнали, с какой скоростью протекают в растениях некоторые биохимические процессы.

В коробочку из плексигласа помещали несколько листьев растения, впускали туда определенное количество радиоактивной по углероду углекислоты и оставляли растение на солнечном свету. В результате процессов фотосинтеза углекислота усваивалась, переходила в состав органических веществ и транспортировалась в различные участки растения. Через равные интервалы времени брали образцы и измеряли их радиоактивность. И вот оказалось, что скорость передвижения вновь синтезированных соединений с восходящим током весьма значительна: днем на солнечном свету - 50-100 сантиметров в минуту. Раньше считали, что весь углерод в органических веществах образуется растением из углекислоты воздуха, хотя его там сотые доли процента. Только сравнительно недавно с помощью меченых атомов удалось доказать, что углекислота и соли угольной кислоты, содержащиеся в почве, интенсивно используются растением. Они активно транспортируются из корней в листья. Там, в результате фотосинтеза, из них образуются углеводы и идет синтез органических веществ. А отсюда следовал практически важный вывод: для повышения урожайности необходимо обогащать почву углекислотой - вносить в почву соли угольной кислоты. Можно добавлять в почву и так называемые зеленые удобрения. Например, запахивать многолетние травы. Примерно через 20-30 дней начинается выделение углекислоты, которое продолжается все лето.

Радиоактивным фосфором можно пометить насекомых и растения

Так использование метода радиоактивных индикаторов оказалось полезным для науки об удобрениях растений.

Чем и как выгоднее подкармливать растения? В какие сроки? В какой форме вносить удобрения? Как на них влияют климатические условия? Как они транспортируются в растениях и где усваиваются?

Меченый по фосфору суперфосфат, гидроксилапатит и другие удобрения вносили в почву. И оказалось, что кукуруза через 2,5 месяца после посадки лучше всего усваивала фосфор из трехкальциевого фосфата, хуже из суперфосфата и еще хуже из гидроксилапатита. Обнаружили, что хлопчатник особенно нуждается в подкормке фосфором в возрасте 10-20 дней и во время цветения.

С помощью меченых атомов определили роль в жизни растений микроэлементов - кобальта, марганца, цинка, меди. Достаточно, например, внести в почву 1-3 килограмма бора на гектар пашни, и урожайность клевера резко возрастет. Марганец повышает урожайность сахарной свеклы, медный купорос - урожай зерновых на торфяных почвах.

Однажды на лекции по радиационной биохимии ко мне подошла студентка биологического факультета Московского университета. Она жаловалась, что в наше время доказана невозможность чуда. "Была какая-то надежда,- говорила она,- когда в печати появились сообщения о существовании "снежного человека" или предположение, что на Землю упал не тунгусский метеорит, а прилетал космический корабль с неведомых планет неземной цивилизации. Так нет тебе! Дотошные ученые быстро доказали, что этого быть не может".

Но разве исследователи не нашли маленькое чудо, когда установили, что отдельные деревья в лесу могут обмениваться между собой питательными веществами через сросшиеся корни? В дубовой роще радиоактивный бромистый калий, введенный в дерево, через 3 дня обнаруживался у пяти рядом расположенных дубов!

Особенно часто используются химические соединения, меченые радиоактивным углеродом, фосфором, серой. И конечно, микроэлементы и такие соединения, как калий, натрий, железо... Но нужно хорошо представлять задачу исследования, чтобы правильно выбрать радиоизотоп. Например, период полураспада радиоактивного углерода С¹⁴ около 6000 лет. Этот радиоизотоп слишком "молод" для изучения геологических процессов, но он незаменим для исследования процессов обмена веществ в организме животных.

Пользуясь радиоактивным углеродом, можно узнать, какие условия питания необходимы для достижения максимальной продуктивности животных или как усваиваются питательные корма и что нужно ввести в рацион коров, чтобы увеличить удои молока.

Без хорошей теории не может быть и хорошей практики. Возможности метода радиоактивных изотопов для решения самых сложных теоретических вопросов биохимии, физиологии, биофизики безграничны. Ученый в течение одного рабочего дня не успеет прочитать даже одни заголовки статей и исследований, в которых рассказывается об использовании радиоактивных изотопов для различных биологических целей. Даже специалистов нередко удивляют исследования, в которых используют меченые атомы.

Иногда сложные биологические задачи решаются просто. Иногда наоборот: казалось бы, простое биологическое явление расшифровывается путем многолетней и кропотливой работы.

Например, из каких составных, простейших частей образуется коровье молоко и в каких тканях?

Вопрос звучит просто, но для ответа на него потребовались усилия многих десятков ученых в течение многих лет.

Три четверти века назад о существовании радиоактивных изотопов знало всего несколько человек. Сегодня "полезная радиация" стала достоянием миллионов людей. Альберт Эйнштейн сказал: "Явления радиоактивности - самая революционная сила технического прогресса за все время с тех пор, как доисторический человек открыл огонь".