Глава 6. Ядерные излучения служат человеку

Лучи и урожайность

Первые указания на то, что с помощью ядерных излучений можно добиться ускоренного прорастания семян культурных растений, были получены еще в конце прошлого столетия. Явлением радиостимуляции заинтересовались - ведь открывалась, казалось бы, возможность хозяйственного использования ионизирующей радиации. Но не всем и не всегда удавалось получить положительные результаты. Нередко вместо ожидаемой стимуляции начиналось угнетение роста и созревания растений, а иногда наступала даже гибель облученных растений.

Понадобились десятилетия упорного труда ученых, исследование чувствительности к радиации самых разнообразных видов и сортов растений, разных условий культивирования, стадий развития растений, прежде чем загадка радиостимуляции была в основном раскрыта. Первые в нашей стране опыты по применению ядерных излучений для ускорения развития растений и повышения урожайности были поставлены еще в 1932 г. профессором Л. П. Бреславец. Ей удалось показать, что облучение семян ржи (сухих - дозой 1000 р, намоченных - 250 р) не только ускоряло их прорастание, но и увеличивало количество колосьев ржи на засеянных облученными семенами делянках; число зерен в колосе, их вес и размеры также увеличивались. Однако в те годы результаты Л. П. Бреславец еще не могли найти широкого применения: не было специальных установок для облучения семян, обеспечивающих эффективную защиту персонала. Да и получение нужного количества изотопов для облучения было тогда дорогим и трудным делом.

Совершенно иначе обстоит дело в наши дни. Необходимая техническая база для использования радиоактивных изотопов и ядерных излучений в сельском хозяйстве создана. Чтобы использовать ее с максимальным эффектом, необходимы рациональные и четкие научные рекомендации, необходимо глубокое понимание процессов, протекающих в облученном растении, и умение управлять ими.

Существует четыре основных направления использования ядерных излучений в сельском хозяйстве, для облучения растений (и животных) на разных этапах их развития. Это семена, проростки, взрослые растения, плоды, ягоды, фрукты и другие виды продукции сельского хозяйства. Использование сравнительно небольших доз ионизирующей радиации (порядка 150 - 1000 р) для облучения семян сельскохозяйственных растений позволяет увеличить всхожесть и ускорить прорастание, повышает урожайность как количественно, так и качественно (т. е. увеличивает не только вес или объем собранной продукции, но и содержание в ней сухого остатка питательных веществ: углеводов, белков, витаминов, жиров, микроэлементов и т. п.).

Несколько более высокие дозы радиации вызывают отчетливую задержку роста и развития растений. И эта способность ядерных излучений нашла свое хозяйственное применение: она используется при облучении картофеля и овощей с целью увеличения сроков их хранения и сохранения качества хранимой продукции.

Еще более высокие дозы радиации, в том числе и вызывающие частичную гибель растений, используются в сельском хозяйстве ввиду их высокой мутагенной активности. Применяя большие дозы радиации, человек лишь многократно ускоряет естественный процесс возникновения мутаций, одной из движущих сил которого является естественный радиоактивный фон. Из большого количества мутаций, возникших в потомстве растений, выживших после большой дозы радиации, люди отбирают немногие хозяйственно ценные мутанты.

Мутагенному действию и его использованию в сельском хозяйстве посвящается один из последующих разделов книги.

Наконец, наиболее высокие, смертельные для всего живого дозы радиации используются для борьбы с вредными насекомыми, паразитическими червями и микроорганизмами, размножающимися в пищевых продуктах, с целью повышения сроков их хранения.

Долгое время при объяснении стимулирующего растения эффекта радиации ученые ссылались на так называемый закон Арндта - Шульце, согласно которому любые внешние воздействия (физические, химические и т. п.) в больших дозах повреждают и даже убивают, а в малых - возбуждают, стимулируют жизнедеятельность организма. Но к случаю ядерных излучений (как, впрочем, и к многим другим воздействиям) этот закон неприменим. Кванты и частицы высоких энергий даже в ничтожно малых дозах вызывают повреждение клеток, в частности, их генетического аппарата. А для получения эффекта радиостимуляции приходится облучать растения дозами в сотни и тысячи рентгенов, смертельными для многих и опасными для других живых организмов. Здесь предположения о "положительном" действии малых доз раздражителя звучат малоубедительно. Теперь бесспорно для всех, что эффект радиостимуляции дают дозы радиации (500 - 5000 р), оказывающие довольно серьезное повреждающее (раздражительное) действие на клетки того же растения. Как понять, как совместить эти два, казалось бы, противоположных эффекта?

В растительном организме, как и в животном, значительные дозы ядерных излучений вызывают прямо или косвенно появление в макромолекулах биополимеров свободных радикалов, ионов, возбужденных атомов и т. п. Если облучены воздушно-сухие семена, возникшие в них радикалы и другие активные продукты длительно существуют, не изменяясь. Но вот семена замочили или высеяли во влажную почву. Влага и кислород воздуха приводят в движение заторможенный механизм лучевого поражения: вместе с усилением обмена веществ быстро развиваются цепные реакции радиационного усиления; активируется ряд ферментов, усиливаются процессы окисления, более быстро мобилизуются запасы питательных веществ. Одним словом, в семенах, облученных соответствующими дозами радиации, процессы "пробуждения", выводящие семя из состояния покоя, идут значительно быстрее. Определенная степень повреждения внутриклеточных структур, дезорганизации ферментных механизмов оказывается в этом случае полезной, приводит к более полному и раннему прорастанию высеянных семян (рис. 12).

Рис. 12. Начальный рост кукурузы при воздействии разных доз гамма-излучения на семена (в тысячах рентгенов)

А более ранние и дружные всходы - хорошее начало дальнейшего роста, развития и созревания растений. Предпосевное облучение семян не только ускоряет прорастание. Его эффект проявляется на протяжении всей жизни растений, выросших из облученных семян. Обычно они раньше вытягиваются в длину, быстрее покрываются листьями, цветут, у них раньше и быстрее начинают наливаться плоды, которые затем на одну-две недели раньше созревают. И этот бесспорно положительный эффект, обеспечивающий, с одной стороны, ускоренное прорастание семян, а с другой - такое универсальное явление, как сокращение продолжительности жизни, имеет в своей основе процесс лучевого поражения живых клеток. То, что у животных и человека рассматривалось нами как раннее постарение, в применении к растениям означает ускоренное прохождение жизненного цикла, более быстрое вызревание, плодоношение.

Какое значение может иметь этот эффект в практических условиях, нетрудно представить. Ускоренное вызревание сельскохозяйственных культур где-нибудь в условиях Средней Азии, Казахстана, Поволжья обеспечивает более полную и целесообразную утилизацию влаги, уменьшает влияние засушливых месяцев. В районах с коротким летом укорочение периода вегетации на одну-две недели гарантирует вызревание культур до наступления холодов. В обоих случаях поражающее действие ядерного излучения оборачивается десятками центнеров дополнительного урожая с гектара посевной площади.

Но и этим не ограничиваются удивительные возможности ядерного луча. В растительной клетке, как и в животной, наиболее чувствительны к действию радиации наследственный аппарат клетки, механизм митоза. Поэтому облучение семян и проростков растений вызывает более или менее глубокое и длительное угнетение процесса клеточного деления, а значит, роста растений, увеличения его размеров. В то же время другие процессы жизнедеятельности, в первую очередь фотосинтетические процессы, обусловливающие накопление в клетках углеводов, белков, витаминов, липидов и сухих веществ, продолжаются, поскольку аппарат фотосинтеза устойчив к действию радиации. На фоне угнетения роста растения нормальная интенсивность синтетических процессов способствует большему накоплению ценных питательных веществ, ведет к улучшению качества продукции сельскохозяйственных растений.

Под влиянием предпосевного облучения существенно увеличивается сахаристость дынь, арбузов, тыкв, земляники, сахарной свеклы; повышается содержание крахмала в картофеле; увеличивается накопление белков, жиров, клетчатки в кукурузе. Облучение способствует и накоплению витаминов. В капусте, картофеле, редисе, моркови, в дыне и тыкве, в проростках кукурузы значительно увеличивается содержание витамина С. В моркови, тыкве более интенсивно накапливается пигмент каротин - предшественник витмина А. В зеленой массе гречихи значительно больше становится содержание рутина - одного из препаратов витамина Р.

Таким образом, предпосевное облучение семян сельскохозяйственных культур довольно значительными дозами радиации значительно ускоряет и увеличивает прорастание. В результате более быстрого физиологического старения облученные растения раньше зацветают, созревают и плодоносят. Наконец, лучевое нарушение функции генетического аппарата клетки при полном сохранении фотосинтеза повышает питательную и витаминную ценность продукции земледелия. Таким образом, вызванные радиацией сдвиги приводят к существенному увеличению урожайности.

Так, облучение сухих семян редиса гамма-лучами в дозе 500 р обеспечило увеличение урожайности в полевых условиях на 11 - 37% (в зависимости от сорта), а вес одного корнеплода возрос с 7,9 до 9,9 г. Для моркови стимулирующая доза - 2500 - 4000 р гамма-лучей. Прибавка урожая при этом достигает 24 - 26%, а накопление каротина с единицы посевной площади возросло на 56% (за счет увеличения урожайности и накопления витамина). Урожайность капусты из облученных 2000 р семян выросла на 21%, а содержание витамина Е в рассаде увеличилось на 46 мг%, в зрелых кочанах - на 9,1 мг%. Облучение семян кукурузы дозой 500 р увеличило урожайность с 321 до 389 ц/га - (на 21,2%, а количество белка с гектара площади возросло на 38%, жира - на 42%, Сахаров - на 35%. Количество кормовых единиц в зеленой массе кукурузы увеличилось на 25%.

Предпосевное облучение семян хлопка дозой 1500 - 2000 р увеличивает его урожайность на 3-6 ц/га, а волокно становится более тонким и эластичным; повышается и содержание хлопкового масла в семенах. Облучение семян льна не только увеличивает выход волокна, но и резко повышает его технические качества. В табаке при облучении увеличивается количество алкалоидов и т. п. Количество подобных примеров можно было бы значительно расширить.

И все же получение положительных результатов при предпосевном облучении семян - дело достаточно серьезное и требующее глубокого знания как физиологии растений, так и особенностей биологического действия излучений. Не случайно предпосевное облучение семян дает наилучшие результаты в хозяйствах с высоким агротехническим уровнем. Семена должны быть сортовыми, храниться в кондиционных условиях. Предварительно должны быть определены радиочувствительность семян данного сорта и стимулирующие дозы. Чистые сорта более чувствительны, гибридные - устойчивее к действию радиации. По мере хранения радиочувствительность семян возрастает. Очень большое значение имеет влажность. Чрезмерно сухие и влажные семена гораздо чувствительнее к радиации.

Неплохие результаты дает длительное облучение растущих растений малыми дозами радиации на так называемых гамма-полях: в центре участка на высоте помещается источник радиации. В лабораторных условиях неплохие результаты получены при замачивании семян в растворах радиоактивных изотопов. Однако в практике сельского хозяйства этот метод вряд ли найдет применение, ибо всегда будет существовать опасность сохранения какой-то, пусть ничтожной, доли радиоактивности в урожае.

В 1960 г. в Москве состоялось Всесоюзное совещание по предпосевному облучению семян, которое обобщило положительный опыт советских ученых в этой области, отметило некоторые трудности и важность строгого соблюдения научных рекомендаций для получения высоких результатов и обеспечения безопасности персонала. Совещание рекомендовало для практического использования предпосевное облучение некоторых овощей, а также кукурузы на силос и отметило целесообразность дальнейших исследований в этой области.

Увеличив дозу радиации, можно вместо стимуляции' роста вызвать его угнетение. Этот эффект оказывается полезным в тех случаях, когда нужно обеспечить длительное хранение овощей, картофеля, предотвратить их прорастание и максимально сохранить питательную и пищевую ценность. И здесь очень многое зависит и от качества хранимых овощей, и от правильного выбора дозы. Если она будет слишком велика, мы рискуем настолько подавить сопротивляемость картофеля или овощей, что они станут легкой добычей грибковых или бактериальных инфекций, и вместо продления сроков хранения будет достигнут противоположный результат. Наличие поверхностных повреждений клубней способствует развитию инфекции. А если доза радиации окажется слишком слабой, вместо подавления прорастания может быть получен эффект его стимуляции.

Рис. 13. Клубни картофеля после одного года хранения в неохлаждаемом складе. а - облучение дозой 10 тыс. р, 6 - 5 тыс. р, в - 3 тыс. р, г - контроль

По данным ученых, наиболее пригодны для целей подавления прорастания картофеля дозы 8 - 10 тыс. р. Эти дозы не вызывают в продуктах нежелательных изменений. Облучать рекомендуется только здоровые клубни, без серьезных механических повреждений, через две-три недели после уборки, когда заканчивается заживление мелких поранений. Чтобы уменьшить дозу радиации без ущерба для эффекта, ученые рекомендуют осуществлять облучение в два приема: 4 тыс. р и через 1 час еще 1 тыс. р. Облучать, очевидно, есть смысл только ту часть урожая, которая предназначена для длительного хранения (рис. 13).

В облученных клубнях, благодаря блокаде прорастания, к весне сохраняется гораздо больше питательных веществ, чем в необлученных; особенно велико значение сохранения витаминов. Через 7,5 месяца хранения облученные клубни содержали на 14,4% больше крахмала, на 11,1% сухого остатка и в четыре раза больше витамина С.

Сказанного достаточно, чтобы оценить полезность и перспективность использования ядерных излучений и как средства борьбы с прорастанием.

Однако прорастание - далеко не единственная и даже не главная причина порчи разнообразных пищевых продуктов. Гораздо чаще растительные и животные продукты приходят в негодность, теряют пищевые качества, а то и становятся вредными для здоровья вследствие деятельности микроорганизмов: бактерий, грибков, некоторых простейших, а также насекомых, гельминтов и т. п. К числу особо скоропортящихся относятся такие ценные продукты животного происхождения, как мясо, рыба, птица. Обычные методы их консервации - замораживание, добавление соли, а также действие высокой температуры - имеют существенные недостатки. Охлаждение и замораживание дороги, так как требуют сложной аппаратуры, много электроэнергии, выполнения больших строительных работ, серьезных эксплуатационных расходов. Посол дает временный эффект, к тому же серьезно ухудшает вкусовые качества продукта и способствует экстрагированию белков и других ценных веществ. Воздействие высокой температуры с последующим помещением в металлическую или стеклянную тару дорого и также сопровождается изменением вкуса продуктов.

Весьма заманчивой поэтому представляется возможность лучевого консервирования пищевых продуктов. Для этой цели приходится прибегать к очень большим дозам радиации. Облучение 1 - 2 млн. р практически убивает все вегетативные формы микробов и большинство спор во всей массе облученного продукта. Если принять меры к ограждению продукта от последующего проникновения инфекции (целлофановые пленки и т. п.), он может месяцами храниться при обычных температурах. Но, к сожалению, есть и некоторые ограничения у этого перспективного метода. Прежде всего какая-то часть спор микробов и после таких высоких доз радиации может сохраниться и впоследствии прорасти. А для полной ликвидации спор приходится повышать дозу до 10 - 20 млн. р, вызывающих уже изменения в самом продукте. Да и более низкие дозы, порядка 1 млн. р, оказывают определенное влияние на качество мяса и рыбы. Наиболее чуствительными оказываются жиры, в которых под влиянием облучения резко усиливаются процессы самоокисления, прогоркания, что ухудшает вкусовые качества мяса, в особенности говядины и рыбы. Свиной жир и жир птицы более стойки, и их лучевая консервация вполне возможна и реальна, хотя исследования безвредности этого метода еще не закончены.

Гораздо больше шансов на успех имеет комбинированный температурно-лучевой метод. Доза радиации порядка 10 тыс. р, уничтожая большинство вегетативных форм микробов и совершенно не влияя на вкусовые качества продукта, увеличивает в пять-шесть раз сроки его хранения, а при пониженной (0°, -2°) температуре он может сохраняться месяцами.

Одна из частых причин порчи мяса и его браковки - присутствие в нем личинок глист, так называемых трихин и финн. Располагаясь в толще мышц животного, эти паразиты способны переносить длительную варку и кипячение. Облучение в дозе 10 тыс. р полностью уничтожает опасного паразита и делает свиное мясо вполне пригодным к употреблению.

Много хлопот людям причиняют и такие вредители сельского хозяйства, как амбарный долгоносик, истребляющий большие количества зерна, паразиты сахарной свеклы и т. п. Ежегодно на борьбу с ними расходуются большие средства, применяются ядохимикаты, средства протравливания зерна и т. п., но без значительных успехов. И в этом случае облучение (дозой 10 тыс. р), полностью уничтожая яйца и личинки долгоносика, позволяет с меньшими затратами исключить возможность размножения вредителей.

Взрослые формы насекомых - мухи, жуки, бабочки - очень устойчивы к действию радиации. В то же время они наносят немалый ущерб посевам. Применение ядерных излучений все же оказалось весьма полезным и в ряде таких случаев (при учете особенностей биологии насекомых). У некоторых из них самка оплодотворяется самцом всего один раз в жизни, откладывает несколько сот яиц и затем погибает. А половые клетки насекомых обычно довольно чувствительны к радиации. Облучение большого количества личинок позволяет получить стерильных самцов, неспособных к оплодотворению, но способных к спариванию. Выпущенные на волю, стерильные самцы спариваются с самками, которые в результате откладывают стерильные, не дающие потомства яйца. Если несколько раз и в больших количествах выпустить на волю стерильных самцов, можно добиться почти полной ликвидации вредного вида насекомых в данной местности.

Особенно хороших результатов можно добиться этим методом в изолированных районах. Так, на острове Кюрасао у побережья Венесуэлы, площадью 435 км², в 1954 г. выпустили на 1 км² около 200 стерильных самцов калитроги - насекомого, наносящего большой ущерб скотоводству. Этого оказалось достаточно для полной ликвидации вредителя, причем затраты были во много раз меньше ежегодных затрат на борьбу с этим насекомым в предыдущие годы. Возможности биологического метода борьбы с вредными насекомыми изучаются и в нашей стране.

Итак, ядерные излучения завоевали прочное место в сельском хозяйстве, где их применение уже дает важные и ценные результаты, но неизмеримо большего можно будет достигнуть тогда, когда их возможности будут реализованы в полной мере.