Вездесущая естественная радиация

Публикуется с любезного разрешения редакции научно-популярного журнала "Химия и Жизнь", сайт этого журнала : http://www.hij.ru/index.shtml
(Статья, с точки зрения "современного читателя" великовата, по этому уставших и ленивых просим не беспокоиться 🙂 G)

С. П. ЛАНДАУ-ТЫЛКИНА

Жизнь в биосфере исходит из двух главных   источников  энергии — из солнечных излучений и атомной ра­диоактивной энергии. В. И. ВЕРНАДСКИЙ

О мирном и военном применении атомной (ядерной) энергии в наше время знают все. Однако о естественном радиационном фоне Земли и о его влиянии на живые существа пишут гораздо меньше. Это и понятно — за десятилетия, прошедшие пос­ле первых взрывов атомных бомб, внима­ние биологов, врачей, физиков и химиков было приковано к изучению повреждающе­го действия и защиты от искусственной, если можно так выразиться, радиации. У нас же речь пойдет о естественном, при­родном облучении.

ЧТО ТАКОЕ ЕСТЕСТВЕННАЯ РАДИАЦИЯ?

О том, что Земля летит сквозь ливень час­тиц высокой энергии, впервые узнали в 1912 году. Тогда австрийский физик Виктор Гесс поднялся на воздушном шаре и наб­людал расхождение листочков электроско­па. Ныне на высокогорных станциях и в экспедициях, стратосферными зондами и в орбитальных полетах исследуют космиче­ские излучения: их состав, интенсивность, энергию и судьбу.

Первичные космические лучи, приходя­щие из Вселенной в земную атмосферу, состоят в основном из протонов, а также «голых» ядер тяжелых элементов. Энергия частиц, прилетевших из космоса, в милли­арды раз больше энергии частиц в мощных ядерных ускорителях. В атмосфере косми­ческие частицы сталкиваются с ядрами га­зов, что обычно разрушает и частицы, и ядра. Продукты такого расщепления также могут обладать громадной энергией.  Их столкновение с другими ядрами порожда­ет новые разрушительные процессы. По­этому состав космических лучей при про­хождении атмосферы меняется, а энергия убывает.

Интенсивность космических лучей зави­сит от географической широты и высоты местности над уровнем моря. Например, на экваторе по сравнению с умеренным по­ясом она больше примерно на 10%. В уме­ренных широтах на уровне моря интенсив­ность космических лучей 28—30 мрад/год, на высоте 3000 м втрое или вчетверо боль­ше. Один рад (от английского   radiation absorbed dose) — единица   поглощенной дозы ионизирующего излучения — соот­ветствует поглощению в грамме вещества энергии в 100 эргов. Миллирад (мрад) — тысячная рада. Это очень мало: например, для нагрева 1 г воды на 1°С. нужно 42*10⁶ эргов.

Но естественный радиационный фон — это не только космическое излучение. Серьезную роль играют излучения радио­активных элементов, повсюду залегающих в поверхностном слое земной коры.  За последние десятилетия в разных странах проделали тысячи измерений природного радиоактивного фона. Стало ясно, что до­за облучения человека зависит от местно­сти, в которой он живет, от воды, которую он пьет, от материала, из которого постро­ен дом.

В деревянном доме радиоактивный фон такой же, как в близлежащем лесу или в none, — около 50 мрад в год. В кирпичном или бетонном доме фон вдвое выше, а если в составе бетона есть глинозем, то излучение может достигать 170 мрад в год. Среднее излучение почвы и, следователь­но, травы, которая тут растет, невелико — лишь 20—30 мрад в год. Зато там, где на поверхность выходят граниты, естественный радиоактивный фон может быть в двадцать раз выше. У воды самая высокая радио­активность — в глубоких колодцах. Радио­активность же речной воды зависит от по­род, слагающих долину реки. В книге И. М. Белоусова и Ю. И. Штукенберг «Ес­тественная  радиоактивность»  приведено множество таких сведений, упомянем лишь два: содержание урана в волжской воде (1,5—11)*10^-7 г/л, а в Сырдарье (60—100)*10^-7 г/л.

Так или иначе, средний уровень внешнего излучения от радиоактивности Земли принимают в 50 мрад в год. Общую среднюю дозу, которую человек получает от всего естественного радиационного фона, считают близкой к ста миллирад в год (рис. 1).

Естественный радиационный фон. Цифры у стрелок — годовая доза в миллиардах. Стрелки, идущие сверху,— от космического излучения, снизу — от радиоактивности Земли, ломаные стрелки — доза внутреннего облучения

Однако в горных районах, богатых ура­новыми или ториевыми рудами (например, на юго-востоке Индии, в восточной части Южной Африки), уровень излучения почвы, а следовательно, и общий радиационный фон всегда был в десятки раз больше.

Живые существа испокон веков прони­зывает и излучение радиоактивных изото­пов, входящих в состав самих организмов. Для человека это прежде всего радиока­лий (⁴⁰К), он концентрируется главным об­разом в мышцах и дает дозу облучения в 20 мрад/год. Общая доза от других радио­активных изотопов тела человека (¹⁴С, 3H, радий, радон, торон) лишь 2 мрад/год.

А вот для ряски, покрывающей летом зеленым ковром запущенные пруды, глав­ным источником внутреннего  излучения служит радий, который она извлекает из воды и копит в своем тельце. Другие ор­ганизмы испытывают пристрастие к другим радиоизотопам.

МОЖНО ЛИ УВИДЕТЬ, ПОЧУВСТВОВАТЬ РАДИАЦИЮ?

Судя по тому, что, даже получив смертель­ную дозу (при атомной бомбардировке или аварии), человек не чувствует и порой не знает, что облучен, на вопрос надо отве­тить отрицательно. Однако это не совсем так. Правда, специальных органов чувств, специальных  рецепторов для восприятия ионизирующего излучения у людей нет. Но в темноте человек может увидеть гам­ма- или рентгеновское излучение: оно ка­жется слабым, мерцающим, голубоватым светом.

Ощущение слабого света возникает при восьми миллирентгенах в секунду, а общая доза 50 миллирентген уже снижает свето­вую чувствительность глаза, при 100—1000 рентгенах мутнеет хрусталик (лучевая ка­таракта).

У животных сильное рентгеновское облу­чение, вероятно, порождает какие-то не­приятные ощущения. Так, садовая улитка закрывает мантийную полость, муравьи на­чинают волноваться, бегают, чистят усики (может быть, для того, чтобы получше ра­зобраться: что происходит?) и стараются уйти из облучаемой зоны. Крысы оставля­ют излюбленный темный угол клетки, если туда направлен поток излучения, и перебе­гают на освещенную, но необлученную сторону.

Но такие наблюдения сделаны при интен­сивности лучевого потока в сотни тысяч раз больших, чем естественный

ВЛИЯЕТ ЛИ ПРИРОДНАЯ РАДИАЦИЯ НА ЖИВЫЕ СУЩЕСТВА?

Важно ли для биосферы постоянное дей­ствие вездесущих малых доз радиации? Стоит ли говорить о мизерном естествен­ном количестве энергии? Да, стоит. Но нач­нем по порядку.

Когда начали  определять смертельную дозу, стало ясно, что радиочувствитель­ность организмов весьма разная; смертель­ная доза для обезьян 500—550 рад в сутки, инфузории же погибают лри 300 тыс. рад, а некоторые бактерии  могут жить даже внутри ядерного реактора, при чудовищ­ном облучении 10 млн. рад в сутки.

Особенно   чувствительны к облучению молодые, растущие организмы. Зато жи­вотные и растения в покое, во время спяч­ки или под наркозом, наоборот, менее чув­ствительны. Например, саженцы сосны втрое устойчивее к гамма-излучению зи­мой, когда они пребывают в состоянии по­коя. Сурки и белки во время спячки вы­держивают облучение в 10 раз большее, чем в бодром состоянии.

Даже индивидуальная  чувствительность животных одного вида, возраста, пола и ве­са разная. Так, в опытах с облучением группы мышей первая мышь погибла при дозе в 200 рад, половина животных рас­сталась с жизнью при 400 рад, а самые радиоустойчивые — только при 800 радах.

Для того чтобы понять, что происходит в организме при действии радиации, провели огромное количество исследований. Опре­деляли, какие изменения возникают в клетках, как ведут себя ДНК, РНК, белки, как меняется процесс деления.

Все начинается с того, что поглощенные кванты и частицы пронизывают организм. Их энергия в миллион и более раз превы­шает энергию связи между атомами   в органических молекулах, и молекулы раз­рываются. Образуются свободные радика­лы. Так, в первую же секунду облучения начинается второй этап действия радиа­ции — его можно назвать биохимическим. Измененные, химически активные молекулы нарушают нормальный ход биохимических реакций. Идет нарастающий процесс лу­чевого повреждения, изменение функций органов и их строения.

Мы не будем разбирать, что происходит в организме при мощном,  поражающем облучении. Для нас важно знать, что даже очень маленькие дозы воздействия (естественный радиационный фон) могут дать биологически значимый эффект.

РАДИАЦИЯ ПОДТАЛКИВАЕТ ЭВОЛЮЦИЮ

Известный советский радиобиолог Алексей Михайлович Кузин полагает, что естествен­ная ядерная энергия играла немаловажную роль в синтезе  первичных органических молекул и возникновении жизни на Земле. Свое мнение он обосновывает тем, что природный фон в те далекие геологиче­ские эпохи мог быть в тысячу и более раз выше современного. К тому же молекулы углеводородов не поглощают энергии уль­трафиолетового и видимого света, и толь­ко огромная энергия ядерной радиации могла расщепить их, породить активные радикалы, способные к дальнейшему син­тезу.

Весьма серьезно влияние естественного радиационного фона и на эволюцию все­го живого. Вот факты. Частота  спонтанных мутаций невелика: 10^-3—10^-6 на половые клетки организмов одного поколения. Кажется, какое значе­ние может иметь изменение единственного гена в одной из миллиона половых клеток? Но у сложного организма много тысяч ге­нов, и каждый из них может мутировать. Подсчитано, что при такой частоте мутации на гектаре пшеницы, где растет 2 млн. сте­бельков, у 40 тыс. растений будет изменен­ный, мутировавший ген. Полагают, что у человека 25% спонтанных изменений нас­ледственного вещества обусловлены влия­нием природной радиации.

Вероятно, доля спонтанных мутаций, по­рождаемых естественным излучением,  в прошлые геологические эпохи была куда серьезнее: уровень радиационного фона был много выше и, кроме того, организмы тогда еще не выработали систем защиты от радиации.

Взаимосвязь эволюции растений и радиоактивности земной коры

На рис. 2 показана эволюция растений и изменения радиоактивности земной коры. Эта схема поясняет, почему древние при­митивные виды более радиоустойчивы. Ведь они сформировались при более высо­ком естественном фоне.

То же и с животными. Очень устойчивы к облучению насекомые — их появление датируют силурийским периодом. Из поз­воночных животных выносливее всех прес­мыкающиеся: змеи, например, погибают

при 3—18 тыс. рад. Они радиоустойчивей рыб. Самые же нежные животные — «ве­нец творения», млекопитающие; летальная доза (от мышей до человека) примерно 350—550 рад.

РАДИАЦИОННЫЙ ФОН И ЖИВЫЕ СУЩЕСТВА

Вероятно, ныне влияние радиационного фона не столь властно, как в прошлые гео­логические эпохи. Причин тому две: пони­зился уровень естественной радиации, жи­вые существа приспособились к ней.

Косвенно об этом свидетельствуют опы­ты советских радиобиологов Ю. О. Раушенбаха и О. А. Монастырской. Мышей-поле­вок, обитавших в местах с разным уровнем естественной радиации, посадили в боль­шие клетки. В клетках полевки строили гнезда. И тогда под гнездом ставили кон­тейнер с цезием-137. Интенсивность излу­чения была в 30 тысяч раз больше естест­венной. Это сразу произвело сильное впе­чатление на полевок — уроженок районов с нормальным уровнем радиации. Они на­чали бегать, волноваться, а потом перета­щили гнездо в самый далекий от цезия угол клетки. Полевки же из районов, бога­тых радиоактивными рудами, не обратили внимания на облучение.

Все живое и днем и ночью получает свою толику радиации. И нет никаких оснований утверждать, будто природный радиацион­ный фон не влияет на биохимические про­цессы. Просто мы еще не знаем, что имен-но в нормальном функционировании орга­низмов зависит от всегда и всюду дейст­вующей на него естественной радиации — гамма-квантов и радиоактивных частиц.

Открытия тут могут быть самые неожи­данные. Например, Д. М. Гродзинский под­считал, что в корни ржи, растущей на квад­ратном метре почвы, за минуту проникает более миллиарда бета-частиц. Он предпо­лагает, будто синтезу органических веществ в корнях растений помогает именно эта природная радиационная энергия, посту­пающая из почвы.

Ну, а теперь надо поговорить о послед­них изменениях в радиационном фоне. Испытания ядерных и водородных бомб 1961—1962 годов повысили, например, со­держание ¹⁴ С в атмосфере почти вдвое (хотя абсолютное количество его невели­ко). Период полураспада этого изотопа 5600 лет, значит последствия очень дли­тельны.

Живые существа не только поглощают изотопы, но и накапливают их в своем те­ле. Поэтому даже небольшой прирост ра­диоактивных изотопов в какой-то местно­сти может обернуться бедой для тамошних растений и животных. Вот тому только одно подтверждение.

В 60-х годах у жителей американских го­родов, расположенных у устья реки Колум­бии, обнаружили повышенную радиоактив­ность. Оказалось, что заводы, стоящие вы­ше по реке, спускали в нее отходы с радио­активным цинком (⁶⁵Zn). А местные устри­цы, которых с удовольствием ели люди, накапливали цинк в своем теле. Концентра­ция цинка в устрицах была в 200 тысяч раз выше, чем в воде. В результате постра­дали и люди.

После гибели животных и растений изотопы возвращаются в почву, воду и снова начинают движение от одного организма к другому.

Пятого августа 1963 года в Москве был подписан Международный Договор о зап­рещении испытаний ядерного оружия в ат­мосфере, космическом пространстве и под водой. После этого уровень радиоактивно­сти, вызванной мощными взрывами, начал снижаться.

Что же касается некоторого повышения радиоактивного фона из-за мирного исполь­зования атомной энергии, то оно до опре­деленных пределов, по-видимому, не опас­но. В обоснование такой точки зрения мож­но сослаться на работу индийского учено­го А. П. Гопал-Айнгара. Он обследовал здоровье 70 тысяч жителей штата Керал, в котором радиационный фон из-за неглу­боко залегающих торцевых руд в 20 раз выше, чем в среднем на Земле. Никаких отклонений в сроках беременности, рожда­емости и смертности новорожденных он не обнаружил. Правда, большинство населе­ния этого штата—потомки многих поколе­ний людей, живших там, и, вероятно, они в какой-то мере приспособились к высокому радиационному фону.

Ныне человечество уделяет все большее внимание охране среды от губительных от­ходов цивилизации. Однако радиоактивных загрязнений от мирного применения атом­ной энергии особо бояться не следует: пре­дельно допустимые дозы установлены од­новременно с началом ее применения или даже раньше. Способы же защиты непре­рывно   совершенствуются. Это сделало атомную промышленность одной из самых безопасных отраслей хозяйства. Во всяком случае глобальный естественный радиоак­тивный фон она не увеличивает.

(Следует уточнить, что статья первый раз была опубликована в феврале 1977 года. До Чернобыля. G)