Ядерные излучения и жизнь

Барабой Вилен Абрамович

Киричинский Борис Романович

Авторы книги знакомят читателей с достижениями сравнительно молодой пауки - радиобиологии. В книге рассматривается роль ядерной радиации в эволюции жизни на Земле, воздействие этого вида радиации на живые организмы, искусственная радиоактивность и способы получения атомной энергии. Особое внимание авторы уделяют мирному использованию атомной энергии в медицине, сельском хозяйстве, промышленности и в исследованиях Космоса. Книга рассчитана на широкий круг читателей, интересующихся достижениями отечественной науки.

 

Академия наук СССР

Серия "Проблемы современной науки и технического прогресса"

Утверждено к печати редколлегией серии научно-популярных изданий Академии наук СССР

Редактор В. Н. Вяземцева

Художественный редактор В. Н. Тикунов

Художник В. Ф. Соболев

Технический редактор С. Г. Тихомирова

 

Предисловие

Около миллиарда лет тому назад на нашей планете начались сложные химические процессы, постепенно приведшие к образованию разнообразных, малых и гигантских, молекул, необходимых для возникновения жизни. Ядерная радиация являлась важным физическим фактором, способствовавшим этим процессам. В ту далекую эру существования нашей планеты количество радиоактивных веществ и уровень ядерной радиации на Земле были неизмеримо выше современных. Возникавшие под влиянием ядерной радиации активные свободные радикалы простейших углеродистых соединений давали начало все более сложным молекулам. Распад и синтез веществ шли тысячелетиями, подготавливая условия для зарождения жизни.

500 млн. лет отделяет нас от эры возникновения первых живых организмов. Первые миллионы лет существования простейших форм жизни протекали, по-видимому, в сильно радиоактивной среде. Первичные организмы значительно отличались от ныне существующих. Ядерная радиация изменяла структуру их макромолекул, хранящих в своем строении наследственную информацию, вызывала возникновение все новых и новых вариаций. Таким образом, ядерная радиация, являясь мощным мутагенным фактором, играла важную роль в эволюции жизни на Земле.

В процессе эволюции возникали и более или менее устойчивые к радиации разновидности. Проходили миллионы лет. Благодаря радиоактивному распаду, все более снижался уровень ядерной радиации на земле. В периоды эволюционного развития современных форм жизни радиоактивный фон нашей планеты стабилизировался. В последние сотни тысяч лет он был относительно постоянен. Это объясняет нам, почему у современных организмов в процессе эволюции не развились специальные органы восприятия ядерных излучений, как это произошло, например, с рецепторами на видимый свет, постоянно меняющийся в окружающей нас среде. Отсутствие таких рецепторов у человека привело к тому, что в течение своей тысячелетней истории человек и не подозревал о наличии ядерной радиации в окружающей его среде. Только около 70 лет назад радиация была открыта и началось ее интенсивное изучение.

Вновь открытый вид лучистой энергии (лучи Рентгена, лучи радия) усиленно исследовался. Изучение радиоактивности позволило проникнуть в тайны строения атома. Проблемы ядерной радиации и жизни стали привлекать внимание все большего круга ученых. В 40-х годах нашего столетия была открыта искусственная радиоактивность и найдены способы получения атомной энергии. Были созданы ядерный реактор и атомная бомба. Варварское применение американской военщиной первых атомных бомб в Хиросиме и Нагасаки, гибель сотен тысяч людей от ядерных излучений привлекли к проблеме "ядерная радиация и жизнь" внимание всего человечества.

Начиная с 1954 г. в результате испытания ядерного оружия впервые за всю историю нашего существования радиоактивный фон окружающей нас среды стал неуклонно повышаться. Крупнейшие ученые Советского Союза обратились ко всем ученым мира с призывом, в котором указывали на серьезную опасность для жизни заражения нашей планеты радиоактивными осадками, на опасность, грозящую человечеству от военного использования ядерного оружия.

Но гонка ядерного вооружения не прекращается. Над человечеством висит угроза ядерной войны. Советский Союз, поддерживаемый передовыми силами мира, прилагает все усилия, чтобы предупредить возникновение ядерной войны с ее смертоносными ядерными излучениями.

С другой стороны, мирное использование атомной энергии, использование ядерных излучений в медицине, сельском хозяйстве, биопромышленности сулит богатые перспективы. Радиоактивные изотопы, новые источники ядерных излучений, вошли в нашу жизнь, стали доступны для использования в народном хозяйстве.

Последнее Десятилетие ознаменовалось новым Достижением человеческой мысли, науки и техники - прорывом в Космос. Здесь снова встала проблема космических излучений. Их действие на космонавтов и все живое в ракетах дальних космических полетов стало в центре внимания.

Из всего сказанного ясно, какой большой интерес и актуальность имеет тема этой книги. Авторы в популярной форме, но в то же время на достаточно высоком научном уровне увлекательно и интересно развертывают перед читателем проблему ядерной радиации и жизни в ее многообразии и сложности. Я уверен, книга будет с интересом встречена самым широким контингентом читателей.

Член-корреспондент АН СССР А. М. Кузин

 

Глава 1. Человек живет в радиоактивном мире

 

Открытие явления радиоактивности

В конце 1895 г. весь ученый мир был взволнован появившимися в печати сообщениями об открытии профессором Вюрцбургского университета Вильгельмом Конрадом Рентгеном лучей, обладавших необычными свойствами. Эти лучи, названные Рентгеном Х-лучами, свободно проходили через дерево, картон и другие предметы, не прозрачные для видимого света. Впоследствии они получили название рентгеновских лучей в честь открывшего их ученого.

Открытие Рентгена вызвало наряду с большим количеством новых серьезных исследований и появление своеобразной лучевой горячки. Одно за другим появлялись сообщения об открытии новых таинственных лучей, которые, впрочем, так же быстро и опровергались, (N-лучи профессора Греца в Мюнхене, N-лучи профессора Блондло в Нанси и другие) при попытках других ученых получить эти лучи.

По словам известного советского физика А. Ф. Иоффе, Рентген в то время говорил, что после его открытия появилось столько сенсаций, что они сделались "дурным тоном" у физиков: описания всяких излучений и их воздействий производили впечатление чего-то несолидного. Может быть, по этой причине многими учеными не было замечено другое крупнейшее открытие конца прошлого столетия - открытие французским ученым Анри Беккерелем явления радиоактивности.

А началось это с одной научной ошибки. Подобно ученым всего мира, открытием Рентгена заинтересовались и французские ученые. И вот в один из понедельников зимой 1895 - 1896 г. (по понедельникам в Париже происходили заседания французской Академии наук) академик Пуанкаре демонстрировал первые снимки, изготовленные во Франции с помощью новых лучей, а также установку, на которой эти снимки были получены.

В первых рентгеновских трубках не было анода, и рентгеновские лучи возникали в том месте стеклянной стенки трубки, на которое попадал поток электронов; оно ярко флуоресцировало. Это навело Пуанкаре на мысль, что флуоресценция, независимо от ее происхождения, всегда сопровождается испусканием рентгеновских лучей. Проверить такое предположение, как мы теперь знаем, неправильное, взялся А. Беккерель, занимавшийся подобно своему отцу изучением явления флуоресценции.

Первоначально эксперименты как будто бы подтвердили предположение Пуанкаре. И уже через месяц, 24 февраля 1896 г. на очередном заседании Академии наук Беккерель сделал сообщение об открытии им нового проникающего излучения, вызванного действием света. Продолжая свои опыты, вдумчивый и внимательный экспериментатор Беккерель вскоре понял ошибочность своих выводов. Обнаруженное им излучение вовсе не являлось результатом флуоресценции использованной им в опытах соли урана и в этом отношении проведенные опыты были неудачными. Но, как говорят ученые, открытие часто начинается там, где кончается неудачный эксперимент. Так было и в данном случае. Вскоре Беккерель сообщил на заседании Академии наук, что наблюдавшиеся им лучи, проникавшие подобно рентгеновским лучам через непрозрачные для света предметы и вызывавшие почернение фотопластинки, спонтанно, без всякого вмешательства извне, излучаются некоторыми веществами. Так как было установлено, что новые лучи присущи веществам, в состав которых входит уран, вновь открытые лучи Беккерель назвал урановыми.

Таким образом, человечество узнало о веществах, самопроизвольно испускающих лучи, по своим свойствам похожие на рентгеновские. Как мы уже говорили раньше, открытие Беккереля в противоположность открытию Рентгена прошло не замеченным ученым миром. Выступая с отчетом о деятельности Академии в 1896 г., ее президент Корню много внимания уделил работам Рентгена и только мимоходом упомянул об открытии Беккереля. Характерно, что в 1896 г. только по вопросу применения рентгеновских лучей в медицине было опубликовано 49 книг и более 1000 журнальных статей. Никто из физиков первое время серьезно не занимался изучением лучей, открытых Беккерелем.

Дальнейшая история новооткрытых лучей тесно связана с именами молодого польского физика Марии Складовской, приехавшей в Париж для завершения своего образования, и ее мужа - французского физика Пьера Кюри. Супругам Кюри наука обязана тщательным всесторонним изучением вновь открытого явления, которое, по предложению Марии Кюри-Складовской, было названо радиоактивностью.

Много лет упорно работали супруги Кюри. После смерти Пьера Кюри (1906 г.) Мария Кюри сама успешно изучала природу радиоактивности и свойства радиоактивных веществ.

Почти без средств, не имея оборудованной лаборатории, ученые работали в сарае, где зимой температура часто опускалась ниже 5 - 6°. Они провели здесь большое количество выдающихся исследований и обогатили науку рядом крупных открытий.

В июле 1896 г. они открыли новый элемент, испускавший радиоактивные лучи, подобно урану. В честь родины Марии Кюри он получил название полоний и занял пустовавшее до того времени 86-е место в периодической таблице элементов Менделеева. Конец 1896 г. ознаменовался открытием еще одного элемента, названного радием. Излучение нового элемента по своей интенсивности в миллион раз превышало интенсивность излучения урана и других известных радиоактивных элементов. Этот элемент разместился в 88-й клетке периодической системы элементов. По словам французского физика Ж. Перрена, открытие и получение чистого радия явились фундаментом, на котором выросла вся наука о радиоактивности.

Работы Кюри привлекли к явлению радиоактивности внимание ученых всего мира, в том числе таких выдающихся, как Э. Резерфорд, Ф. Содди и К. Фаянс. Количество работ в этой области стало быстро возрастать.

Огромное значение работ М. Кюри дважды отмечалось Нобелевскими премиями по физике. Она состояла членом большого числа заграничных академий наук (в том числе - почетным членом Академии наук СССР) и в 1922 г. явилась первой женщиной Франции, избранной в одну из ее академий (Парижскую академию медицинских наук).

После радия было открыто еще несколько радиоактивных элементов и, в частности, установлено, что все элементы с атомными номерами от 84 до 92 радиоактивны.

Одним из первых ученых, оценивших всю важность открытия радиоактивности, был русский ученый академик В. И. Вернадский. Блестящим примером научного предвидения являются слова, написанные им в 1911 г.:

"Мы подходим к великому перевороту в жизни человечества, с которым не может сравниться все, когда-либо им пережитое. Недалеко то время, когда человек получит в свои руки атомную энергию - такой источник силы, который позволит ему строить свою жизнь так, как он захочет. Это может случиться через столетие, но ясно, что это обязательно случится. Сможет ли человек воспользоваться этой силой, направив ее на добро, а не на самоуничтожение?".

К первой половине 30-х годов нашего столетия уже был собран огромный материал, характеризующий радиоактивность различных элементов земной коры. Имелись данные о радиоактивности атмосферного воздуха, воды в океанах, морях, озерах и реках. Стало известно свойство растений и животных накапливать в себе радиоактивные вещества. Наконец, было обнаружено, что и сам человек радиоактивен. Присутствие радиоактивных элементов в метеоритах свидетельствовало о том, что явление радиоактивности не ограничивается нашей планетой, а встречается и в иных образованиях Вселенной.

Человек убедился окончательно, что со всех сторон его окружают радиоактивные элементы и излучения, что он живет в радиоактивном мире.

 

Загадки радиоактивности

Сразу же после открытия радиоактивности перед наукой встал ряд новых вопросов: что собой представляют открытые лучи, каковы их природа и свойства, насколько широко радиоактивные вещества распространены в природе, какое действие они оказывают на человека и окружающую природу. Понадобилось, однако, несколько десятков лет, чтобы получить ответ на поставленные вопросы.

Удивительно то, что оказались неудачными все попытки ученых хоть в какой-либо степени повлиять на радиоактивность: хотя бы незначительно изменить интенсивность излучения радиоактивных веществ. Оказались бессильными и нагрев до максимальных температур и охлаждение до сверхнизких температур, и огромные давления, достигнутые техникой того времени, и помещение радиоактивных веществ в вакуум, и, наконец, действие любых химических реактивов. Вместе с тем было замечено, что интенсивность излучения любого радиоактивного, вещества самопроизвольно уменьшается со временем по определенному закону. Для каждого радиоактивного вещества характерен период полураспада, т. е. время, в течение которого интенсивность излучения уменьшается вдвое. Период полураспада радия составляет 1620 лет, полония-138 дней, урана - 4,5 млрд. лет и т. д.

Загадкой было и то, откуда берется энергия, которая излучается радиоактивными веществами. Еще в 1903 г. Пьер Кюри обратил внимание на то, что недавно открытый элемент - радий всегда теплее окружающих предметов. Было подсчитано, что 1 г радия может самопроизвольно выделить количество тепла, которое в 400 тыс. раз превышает количество тепла, выделяющегося при сгорании 1 г каменного угля.

Глубокое изучение свойств радиоактивных элементов оказало огромное влияние на существовавшие в то время представления о строении вещества и привело в 1911 г. английского физика Резерфорда к созданию так называемой планетарной модели строения атома. Этой моделью, усовершенствованной датским ученым Нильсом Бором, мы. пользуемся и до настоящего времени, поскольку она помогает понять целый ряд явлений, в частности, явление радиоактивности, хотя и известно, что в действительности строение атома значительно сложнее, чем это следует из модели атома Резерфорда - Бора. Познакомимся с этой теорией несколько подробнее.

Все тела окружающего нас мира представляют собой совокупность разнообразных химических соединений. Количество известных в настоящее время соединений превосходит 400 тысяч. Все они состоят из молекул и атомов. Молекула - наименьшая частица вещества, полностью сохраняющая его свойства, атом-частица химического элемента. Молекулы представляют собою более сложные образования, чем атомы. В состав молекул органических веществ входят иногда десятки тысяч атомов. Если количество видов молекул очень велико и равняется количеству химических соединений, то количество разновидностей атомов немногим больше ста.

Размеры атомов очень малы - поперечник атома составляет около 10-8 см, следовательно, в 1 см можно уложить 100 млн. атомов. Масса самого легкого атома - атома водорода - составляет 1,67 · 10-24 г; атома курчатовия, занимающего 104-е место в таблице Менделеева, в 260 раз больше. В качестве единицы измерения пользуются 1/16 массы атома кислорода. При этом масса атома водорода приблизительно считается равной единице.

Несмотря на свои незначительные размеры, атом имеет сложное строение и состоит из центрального положительно заряженного ядра и двигающихся вокруг него по орбитам электронов - отрицательно заряженных частиц, в 1840 раз меньших, чем атом водорода. Основная масса атома (99,95%) сконцентрирована в ядре, поперечник которого в несколько десятков тысяч раз меньше поперечника атома. Если бы мы могли увеличить атом до величины основного корпуса Московского университета, ядро атома имело бы размеры горошины.

Количество электронов в атоме не случайно - оно соответствует атомному номеру данного элемента, который определяет его место в периодической таблице Менделеева, а суммарный отрицательный заряд всех электронов равен положительному заряду ядра. Двигаются электроны по орбитам, располагающимся отдельными группами, называемыми слоями, или оболочками. Количество слоев у тяжелых атомов с большим количеством электронов может доходить до семи. Электроны, расположенные на внешней, наиболее удаленной от ядра оболочке, слабее всего связаны с ядром, и поэтому легко могут вступать во взаимодействие с другими атомами. Количество этих электронов определяет химические свойства данного элемента, т. е. способность его образовывать соединения с другими элементами.

Ядро атома имеет сложное строение; в состав его входят частицы двух видов - протоны и нейтроны. Протоны - ядра атомов водорода - обладают положительным электрическим зарядом, равным заряду электрона, и массой, равной единице. Масса нейтрона, так же как и протона, равна единице. Но в отличие от протонов нейтроны не имеют электрического заряда, а потому они нейтральны.

Протон и нейтрон имеют сложное строение и могут превращаться друг в друга. В составе ядра протоны и нейтроны прочно удерживаются ядерными силами, природа которых еще окончательно не выяснена. Отличительная особенность ядерных сил - проявление только на очень близких расстояниях (не более 10 - 13 см), в то время как силы тяготения или электрического взаимодействия проявляются на любом расстоянии.

Количество протонов, входящих в состав ядра, равняется количеству электронов в оболочке атома. Это объясняется тем, что атом в целом нейтрален, а заряды электрона и протона равны по величине, но противоположны по знаку. Количество нейтронов, входящих в состав ядра, равно разности между атомной массой элемента и его атомным номером, определяющим количество протонов. Так, ядро атома железа (атомный номер 26, атомная масса 56) содержит 26 протонов и 30 нейтронов.

Атомы одного и того же элемента не одинаковы. Исследования показали, что большинство химических элементов имеют изотопы, атомы которых обладают одинаковыми химическими свойствами, но отличаются друг от друга по атомной массе. Изотопы одного и того же элемента имеют одинаковое количество протонов и электронов, но отличаются друг от друга количеством нейтронов, входящих в состав ядра.

В настоящее время известно более 1300 изотопов 104 элементов, входящих в таблицу Менделеева. Из общего числа изотопов только 250 стабильные, а остальные радиоактивные. Для удобства изотопы принято обозначать химическим символом элемента, к которому внизу добавлен атомный номер, а вверху - атомная масса. Например, изотопы водорода обозначаются H11, Н12 H13; изотопы хлора - Cl1735 и Cl1736 и т. д.

В связи с тем, что химические свойства изотопов одного и того же элемента одинаковы, разделить их химическим путем невозможно. Для этой цели пользуются некоторыми их физическими свойствами, зависящими от массы атома.

Выше мы уже отмечали, что в нормальном состоянии атом нейтрален. Однако при некоторых процессах, когда атому сообщается дополнительная энергия, один или несколько внешних, наиболее слабо связанных с ядром электронов, можно либо удалить за пределы атома, либо передвинуть с одной оболочки на другую (ближе к внешней). Атом, у которого удален один или несколько электронов, называется ионизированным, или ионом. Такой атом в целом будет иметь положительный заряд, так как заряд его ядра останется прежним, а отрицательный заряд оболочки уменьшится. Ионы, сохраняя в общем все свойства данного элемента, отличаются от атомов тем, что могут образовывать иные химические соединения. Атом, электрон которого перемещен на внешнюю орбиту, называется возбужденным; в отличие от ионизированного он остается нейтральным.

Возбужденное и ионизированное состояния неустойчивы, так как атом стремится при первой возможности вернуться в свое нормальное состояние. Это может осуществиться либо в результате притяжения электрона извне (ионизированный атом), либо за счет перехода электронов с внешней орбиты на свободные места на внутренней орбите (возбужденный атом). И тот и другой процесс сопровождается выделением энергии в виде светового излучения, ультрафиолетовых или инфракрасных лучей (при переходе электронов в периферийной части атома) и рентгеновских лучей (при переходе электронов на внутреннюю орбиту и освобождении большего количества энергии).

 

Лучи из недр атомов

В результате многих лет упорной работы физикам, наконец, удалось найти разгадку явления радиоактивности. Помогла им в этом планетарная теория атома.

Прежде всего удалось решить вопрос о природе лучей, испускаемых радиоактивными атомами. Было установлено, что это сложное излучение, в состав которого входят лучи трех видов, отличающиеся друг от друга проникающей способностью. Наименее проникающие лучи получили название альфа-лучей (α-лучей), более проникающие - бета-лучей (β-лучей), и, наконец, лучи, имеющие наибольшую проникающую способность - гамма-лучей (γ-лучей).

Альфа-лучи оказались потоком частиц с массой, равной четырем, и двойным положительным зарядом, т. е. потоком ядер атомов гелия. Эти частицы вылетают из ядра со скоростью 15 000 - 20 000 км/сек, имея энергию 2 - 9 Мэв. Альфа-частицы обладают очень малой проникающей способностью. В зависимости от энергии частиц в воздухе они могут пройти путь 2 - 9 см, в биологической ткани - 0,02 - 0,06 мм; они полностью поглощаются листом писчей бумаги.

Бета-лучи - это поток бета-частиц (электронов), вылетающих из ядер со скоростью, близкой к скорости света. Максимальная энергия бета-частиц радиоактивных изотопов может различаться в широких пределах - от нескольких тысяч до нескольких миллионов электрон-вольт. В табл. 1 приведены значения максимальной энергии бета-частиц для некоторых изотопов, применяемых при биологических исследованиях. Проникающая способность этих частиц значительно больше, чем у альфа-частиц. Бета-частицы с энергией 3 Мэв (наибольшая энергия этих частиц изотопов, применяемых при биологических исследованиях) могут пройти в воздухе до 15 м, в воде и биологической ткани - до 12 мм и в алюминии до 5 мм.

Гамма-лучи представляют собой электромагнитное излучение с длиной волны 10-8- 10-11см. Проникающая способность гамма-лучей очень велика - значительно больше, чем у альфа- и бета-частиц. Чтобы ослабить гамма-излучение радиоактивного кобальта вдвое, нужно взять слой свинца толщиной 1,6 см или слой бетона толщиной 10 см. Чем короче длина волны, тем большую проникающую способность имеют гамма-лучи.

Альфа- и бета-лучи относятся к корпускулярным излучениям, т. е. они представляют собой поток быстро летящих заряженных частиц (корпускул). Гамма-лучи - электромагнитное излучение (подобно рентгеновским лучам); они характеризуются длиной волны и частотой. К электромагнитным излучениям относятся также радиоволны, видимый свет, инфракрасные и ультрафиолетовые лучи, отличающиеся друг от друга только длиной волны. Все эти излучения распространяются со скоростью 300 000 км/сек,.

Деление ядерных излучений на корпускулярные и волновые хотя практически и удобно, но не совсем правильно, так как корпускулярные излучения имеют в определенной степени свойства волновых излучений, и наоборот. Так, электронные пучки, представляющие собой поток быстро летящих частиц - электронов, ведут себя подобно световым волнам. Они также могут преломляться и собираться с помощью электронных линз. На этом свойстве основано устройство одного из широко применяемых в научных исследованиях приборов - электронного микроскопа, с помощью которого можно получать огромные увеличения (в десятки и сотни тысяч раз), недоступные обычным световым микроскопам. Согласно квантовой теории, энергия, связанная с электромагнитными излучениями, в данном случае рентгеновскими и гамма-лучами, излучается и поглощается не непрерывно, а отдельными порциями - квантами (или фотонами). При этом величина квантов будет тем больше, чем больше частота и, следовательно, чем меньше длина волны излучения. Энергия квантов Е, выраженная в электрон-вольтах, связана с длиной волны λ соотношением

Е = 1230 / λ (эв),

где λ - выражена в нанометрах (1 нм = 10-9м).

После того, как была выяснена природа радиоактивных излучений, установлено, что источником этих излучений являются ядра атомов, а возникают они в результате происходящих в них процессов, которые получили название радиоактивного распада.

В чем же причина распада ядер радиоактивных элементов? Между частицами, входящими в состав ядра, действуют, с одной стороны, ядерные силы, скрепляющие ядро, а с другой - электрические силы отталкивания, возникающие между одноименно заряженными частицами - протонами. Ядра атомов устойчивы только тогда, когда существуют определенные соотношения между числом протонов и нейтронов. Если эти соотношения нарушены, происходит перераспределение частиц. Этот процесс сопровождается вылетом частиц из ядра, в результате чего образуются ядра элементов, обладающих иными химическими и физическими свойствами.

Таблица 1. Радиоактивные изотопы, применяемые при биологических исследованиях

Известны два основных вида радиоактивного распада:

I. Альфа-распад, сопровождающийся вылетом из ядра альфа-частицы. Примером такого распада может служить распад ядра радия с образованием радона:

Альфа-частица состоит из двух протонов и двух нейтронов. Следовательно, после вылета из ядра альфа-частицы образуется новое ядро, у которого атомный номер будет на два, а атомная масса на четыре меньше, чем у исходного ядра.

II. Бета-распад, при котором из ядра вылетает бета-частица, либо отрицательная, представляющая собой электрон, либо положительная, называемая позитроном. Масса позитрона равняется массе электрона, а заряд его по величине равен заряду электрона, но только имеет знак плюс. Позитрон - неустойчивая частица и при первой же возможности соединяется с электроном, в результате чего возникает гамма-излучение.

Примером бета-распада служит распад радиоактивных изотопов фосфора и бария:

В обоих случаях бета-распада, так же как при альфа-распаде, получаются новые элементы с отличными от исходного элемента свойствами.

При бета-распаде из ядра атома вылетает либо отрицательная, либо положительная бета-частица. Но в состав ядра входят только протоны и нейтроны. Откуда же берутся вылетающие из ядра бета-частицы? Дело в том, что и нейтрон и протон имеют сложное строение и могут превращаться друг в друга. Если один из нейтронов превращается в протон, при этом освобождается отрицательная бета-частица; если же протон превращается в нейтрон, освобождается положительная бета-частица. Этим объясняется и то, что в первом случае количество протонов, входящих в состав ядра, увеличивается, а во втором - уменьшается.

Гамма-лучи могут излучаться и при альфа-, и при бета-распаде. Если ядро, образовавшееся в результате радиоактивного распада, обладает избытком энергии, т. е. находится в возбужденном состоянии, оно излучает избыток энергии в виде кванта гамма-излучения. В этом случае альфа- или бета-излучение сопровождается гамма-излучением.

Гамма-лучи принято характеризовать энергией квантов излучения. В таблице 1 приведены значения энергии гамма-квантов, возникающих при распаде некоторых радиоактивных веществ. Чем больше энергия кванта, тем больше проникающая способность гамма-лучей.

Гамма-лучи и рентгеновские лучи обладают одинаковыми свойствами, однако энергия квантов рентгеновских лучей меньше, чем у гамма-лучей. Рентгеновские лучи получают в специальных рентгеновских трубках при торможении быстро летящих электронов. Таким образом, в отличие от гамма-лучей, рентгеновские лучи возникают вне ядра. Благодаря одинаковым свойствам рентгеновские лучи часто используют вместо гамма-лучей для экспериментального облучения животных и семян растений. Рентгеновские установки, применяемые для этой цели, дают лучи с максимальной энергией - 0,2 Мэв.

Иногда ядро, образовавшееся в результате радиоактивного распада, само является радиоактивным и распадается, образуя новое ядро. Так, ядро радона, образовавшееся в результате распада радия, радиоактивно и в свою очередь распадается с выделением альфа-частицы. Таким образом возникают цепочки, или ряды атомных ядер, каждое из которых возникает из предыдущего в результате альфа- или бета-распада. Цепочка распада продолжается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро. Такой ряд радиоактивных элементов носит название семейства. Например, в семействе урана родоначальником является уран-238, а в числе 16 продуктов распада имеются такие широко используемые в медицине радиоактивные элементы, как радий и радон. Заканчивается этот ряд стабильным изотопом свинца Pb 20682

У радиоактивных элементов в результате непрерывно происходящего распада ядер количество радиоактивного вещества постоянно убывает. Это убывание происходит по определенному закону, называемому законом радиоактивного распада, который гласит, что количество атомов, распадающихся за 1 сек, пропорционально количеству имеющихся активных атомов. Число актов распада, происходящих за 1 сек., называется активностью данного препарата.

На практике для измерения активности пользуются единицей, называемой кюри. Это такое количество радиоактивного вещества, в котором за 1 сек. происходит 3,7 · 1010 распадов. Можно считать, что примерно такую активность имеет 1 г радия.

Часто пользуются единицами меньше кюри: мкгори - милликюри и мккюри - микрокюри (1 мкюри = 0,001 кюри; 1 мккюри = 0,001 мкюри = 0,000 001 кюри).

Для измерения гамма-активности часто пользуются единицей грамм-эквивалент. Под грамм-эквивалентом понимают количество радиоактивного вещества, которое дает такое же гамма-излучение, как и 1 г. радия.

Между кюри и грамм-эквивалентом существует определенная зависимость, различная для разных изотопов. Так, для кобальта - 60 имеем 1 кюри = 1,6 г-экв, для радия 1 кюри = 1 г-экв и т. д.

Скорость распада радиактивного вещества всегда постоянна и не зависит от внешних условий. Удобнее всего ее характеризовать периодом полураспада. Радиоактивные изотопы, применяемые в биологии и медицине, имеют периоды полураспада от нескольких минут до многих тысячелетий.

 

Радиоактивные элементы Земли

Данные точных измерений показывают, что и сам человек, и все окружающие его объекты живой и неживой природы радиоактивны. Познакомимся ближе с теми радиоактивными элементами, которые обусловливают радиоактивность окружающего нас мира. В настоящем разделе речь будет идти только о так называемой естественной радиоактивности, т. е. о тех радиоактивных веществах, которые уже давно существуют в природе. Их возникновение не связано ни с испытаниями ядерного и термоядерного оружия, ни с развитием атомной промышленности.

Естественнорадиоактивные вещества в небольших количествах содержатся во всех оболочках и в ядре Земли. Особое значение для человека имеют радиоактивные элементы биосферы, т. е. той части земной оболочки, где обитают животные, растения и человек. Радиоактивные элементы рассеяны во всей биосфере, хотя редко встречаются в сколько-нибудь значительных количествах. Возникновение их относится к периоду образования Земли. По-видимому, несколько миллиардов лет тому назад, накануне образования нашей планеты, вещество Земли находилось в таких условиях, которые благоприятствовали возникновению радиоактивных и нерадиоактивных элементов. В этот период времени возникает основная масса радиоактивных изотопов, как долгоживущих, сохранившихся до настоящего времени, так и короткоживущих, в настоящее время уже полностью распавшихся. В зависимости от их происхождения все естественнорадиоактивные элементы Земли можно разделить на три группы.

К первой группе относятся элементы, объединенные в три радиоактивных семейства. Кроме долгоживущих родоначальников этих семейств - урана, тория и актиноурана - сюда входят и продукты их распада, в том числе и относительно короткоживущие - радий, радон, мезоторий и др. Количество радиоактивных элементов этой группы постепенно уменьшается в соответствии с законом радиоактивного распада. Наиболее широко распространенными элементами этой группы являются уран, количество которого в земной коре больше, чем серебра или ртути, и торий. Природный уран является смесью трех изотопов - урана - 238 (99,28%), урана - 235 (0,71%) и урана - 234 (0,006%). Уран - 238 и уран - 235 (актино-уран) - родоначальники двух радиоактивных семейств.

Один из продуктов распада урана - 238 - радий, о котором уже говорилось выше. Несмотря на сравнительно небольшой период полураспада, содержание радия в земной коре относительно стабильно, так как уменьшение его количества в результате распада компенсируется непрерывным образованием нового радия за счет распада урана.

Радий нашел себе широкое применение в медицине не только как источник гамма-лучей для облучения больных (в этой области его вытесняют значительно более дешевые искусственные радиоактивные вещества), но и как источник радона для радоновых ванн, часто применяемых физиотерапевтами.

Радон, период полураспада которого 3,8 дня, представляет собой радиоактивный газ, образующийся в результате распада радия. Ванны из воды, содержащей растворенный радон, применяются для лечения заболеваний сердечно-сосудистой системы, суставов, периферической нервной системы, гинекологических и других заболеваний. Для таких ванн используют либо воду природных радиоактивных источников, либо обычную пресную воду, искусственно насыщенную радоном.

Торий, которого в природе значительно больше, чем урана, также нашел себе применение в ядерной энергетике. Из продуктов распада тория в медицине применяется радий-мезоторий (период полураспада 6,3 г). Применяется он для облучения вместо радия, так как стоимость его значительно ниже, чем радия. Мезоторий часто используется для изготовления светосоставов, наносимых на циферблаты часов и других приборов.

Вторую группу радиоактивных элементов Земли составляют радиоактивные изотопы элементов, не входящие в состав радиоактивных семейств. Они также возникли в период образования Земли, и количество их постепенно уменьшается за счет радиоактивного распада.

Из элементов этой группы наибольшее значение имеет калий, радиоактивность которого была открыта в 1906 г. Калий - один из наиболее распространенных элементов. Его доля составляет 1,1% общего числа атомов, образующих земную кору. Калий необходим для нормального развития растений, а также является неотъемлемой составной частью любого живого организма, в том числе и человека. Природный калий представляет собою смесь трех изотопов К39, К40 и К41, из которых радиоактивен только один - К40. Количество этого изотопа в природной смеси невелико - всего 0,0119%; в 1 г природного калия происходит около 30 распадов в секунду. Несмотря на такую, казалось бы, незначительную по сравнению с радием и ураном активность, калий благодаря своей распространенности играет в природе большую роль.

Из других радиоактивных элементов второй группы заслуживает внимания рубидий Rb, обладающий свойством накапливаться в некоторых растениях (1 л виноградного сока содержит 1 мг рубидия). Однако вызванная им активность значительно меньше, чем К40.

Третью группу естественнорадиоактивных веществ, входящих в состав биосферы, образуют радиоактивные изотопы, возникающие в атмосфере в результате действия космических лучей, о которых подробнее мы будем говорить ниже. К таким изотопам относятся радиоактивный углерод (С14), фосфор (Р32) и некоторые другие. Количество этих изотопов в природе относительно невелико и обусловленная ими активность не имеет существенного значения.

 

Радиоактивность вокруг нас

Итак, мы уже знаем, какие радиоактивные элементы встречаются на Земле. Познакомимся теперь с круговоротом радиоактивных элементов в природе и с тем, как эти элементы распределяются в окружающей нас биосфере.

Основная масса радиоактивных элементов Земли содержится в горных породах, составляющих земную кору. Отсюда радиоактивные элементы переходят в грунт, затем в растения и, наконец, вместе с растениями попадают в организмы животных и человека. Этот круговорот радиоактивных элементов, непрерывно происходящий в природе, наглядно показан на рис. 1.

Большая роль в этом круговороте принадлежит подземным водам. Они вымывают радиоактивные элементы горных пород, переносят их из одних мест в другие и осуществляют обмен между живой и неживой природой. Другой процесс, приводящий к распространению радиоактивных веществ в биосфере, - выветривание горных пород. Мельчайшие частицы, образовавшиеся в результате разрушения горных пород под действием воды, льда, непрерывных колебаний температуры и других факторов, переносятся ветром на значительные расстояния.

Рис 1. Круговорот естественных радиоактивных изотопов в природе

Радиоактивные элементы распределены в толще Земли отнюдь не равномерно. Наибольшая концентрация их наблюдается в верхнем слое земной коры, толщина которого не превышает 15 км. С глубиной радиоактивность постепенно уменьшается, и в ядре Земли она приблизительно в 30 раз меньше, чем в магматических породах (гранитах, базальтах и др.).

Промежуточным этапом в процессе перехода радиоактивных элементов из неживой природы в живую являются грунты. Как правило, радиоактивность грунтов заметно выше, чем у материнских грунтообразующих пород. Объясняется это тем, что некоторые радиоактивные вещества, содержащиеся в атмосфере, поглощаются растениями (непосредственно и из осадков), а после смерти растения переходят в состав грунтов. Интересно, что в большинстве случаев более плодородным грунтам соответствует и более высокий уровень естественной радиоактивности.

В 1 кг грунта содержится 1,1 · 10-9-1,9 · 10-9 г радия, 1,10-4-1,8 · 10-3г урана и 1-30 г калия, гамма-излучение которых и обусловливает радиоактивное излучение земной поверхности (благодаря своей малой проникающей способности бета- и альфа-излучение практически не имеют значения).

Хорошо известно, какую огромную роль играет в жизни человека и в природе вода, которой покрыта большая часть нашей планеты. Поэтому, вполне естественно, нас интересует радиоактивность воды океанов, морей, озер, рек и других водоемов.

Радиоактивность воды морей и океанов обусловлена главным образом калием и составляет 3 - 5 · 10-10кюри на 1 л. Воды рек и озер в большинстве случаев имеют значительно меньшую радиоактивность. Зато повышенной радиоактивностью, в сотни раз больше, чем вода морей и океанов, обладают воды некоторых радиоактивных источников (Цхалтубо, Белокуриха, Миргород, Мироновка и др.).

Питьевая вода в городских водопроводах подвергается очистке и фильтрации и потому содержит относительно небольшое количество радиоактивных веществ.

Воздух, которым мы дышим, также радиоактивен. Его радиоактивность обусловлена газообразными продуктами распада радиоактивных элементов земной коры (в первую очередь - радоном) и аэрозолями - мельчайшими частицами горных пород, образовавшимися в результате их выветривания. В зависимости от содержания радиоактивных элементов в почве может изменяться и радиоактивность находящегося над ней атмосферного воздуха.

В процессе своей жизнедеятельности растения усваивают, а некоторые растения и накапливают в себе радиоактивные вещества, содержащиеся в почве, воде и воздухе. Из всех радиоактивных веществ лучше всего усваивается растениями калий. В золе некоторых растений (бобовые, грибы, злаки, папоротники) содержание калия достигает 25 - 30%.

Количество радиоактивных веществ (радия, урана) в растениях может значительно изменяться в зависимости от содержания их в почве. Содержание урана и радия в золе растений обычно повышается там, где имеется большое количество этих элементов в почве.

Радиоактивность растений увеличивается от применения калийных удобрений, которые приводят одновременно к увеличению урожайности и улучшению качества различных сельскохозяйственных культур (повышение сахаристости сахарной свеклы, крахмалистости зерен озимой пшеницы и др.).

Радиоактивность животных организмов и растений в основном зависит от присутствия калия. У молодых животных радиоактивность тканей и органов больше, чем у старых.

Некоторые ткани животного организма обладают способностью накапливать в себе радиоактивные элементы. Так, например, радий концентрируется преимущественно в костной ткани. У некоторых животных и растений концентрация радиоактивных элементов может быть во много раз большей, чем в окружающей среде. Радиоактивный стронций (образующийся при ядерных взрывах) концентрируется в костях морского окуня в количестве, которое в 20 - 30 тысяч раз больше, чем в воде. В отдельных случаях, например, во время испытаний ядерного оружия в 1954 г., такую рыбу нельзя было употреблять в пищу.

В радиоактивности растений и животных - причина радиоактивности пищевых продуктов. Вместе с пищей радиоактивные вещества попадают в организм человека. В табл. 2 приведены приблизительные данные содержания калия в различных продуктах, потребляемых человеком.

Таблица 2. Количество калия, употребляемого человеком с пищей

Помимо калий, в организм человека попадают также радий и иные радиоактивные элементы. Так, в среднем активность радия, попадающего в организм человека, составляет 1 · 10-12-1,5 · 10-11кюри.

Интересно, что в процессе кулинарной обработки продуктов питания содержание радиоактивных элементов в них может существенно измениться. Так, масло, приготовленное из молока, содержащего радиоактивный стронций, практически не радиоактивно, так как весь стронций переходит в сыворотку. Если варить рыбу, содержащую радиоактивный стронций, в нейтральной или слабощелочной среде, то в бульон переходит около 10% стронция. Этот процент увеличивается до 40, если рыбу варить в кислой среде.

Вместе с пищей, водой и воздухом определенное количество радиоактивных элементов попадает в организм человека. Если бы все они оставались в организме, то радиоактивность человека была бы велика. Однако это не так - некоторая, притом довольно значительная их часть выделяется из организма вместе с мочой, калом, потом и др. Поэтому общая радиоактивность человека в значительной степени зависит от интенсивности обменных процессов.

Радиоактивные изотопы, поступившие в организм человека, взаимодействуя с веществами, входящими в состав тканей и плазмы, образуют ряд соединений, которые отлагаются в отдельных органах и тканях. Калий - основной элемент, определяющий радиоактивность человека, концентрируется преимущественно в нервной и мускульной ткани; уран, радий и стронций - в костной ткани и т. д.

Некоторые ученые заинтересовались тем, какие изменения в радиоактивности человека произошли за прошедшие тысячелетия и отличаются ли по радиоактивности современный человек и его предки. Для того чтобы получить ответ на эти вопросы, проделали следующий эксперимент. В музее взяли ребро египтянина, умершего 4 тыс. лет назад, и измерили его радиоактивность. Оказалось, что она близка к среднему значению радиоактивности костей человека нашего времени.

 

Как обнаружили и измерили радиоактивность

Как мы уже говорили раньше, большинство радиоактивных элементов возникло задолго до зарождения жизни на Земле. Следовательно, с самого своего появления человек жил в радиоактивном мире и на него действовали радиоактивные излучения. Чем же объяснить тот факт, что еще 100 лет тому назад человек не имел никакого понятия о радиоактивности и не подозревал, что он живет в радиоактивном мире?

Все это объясняется тем, что ни человек, ни животные не имеют специального органа, или рецептора, который воспринимал бы радиоактивные излучения подобно тому, как глаз воспринимает свет, а ухо - звук. Ведь естественная радиация в силу своей равномерности и постоянства не несла практически никакой полезной информации о среде, окружающей нашего первобытного предка. Правда, опыты на животных (крысах, мышах) показали, что при облучении половины клетки ядерной радиацией большой мощности или импульсным излучением животные собираются на необлучаемой половине клетки. Очевидно, невидимые лучи все же как-то воспринимаются живым организмом. Ученые полагают, что чувствительным органом в этом случае является сетчатка глаза, в которой ионизирующие частицы как бы высекают отдельные искорки, вспышки, и животное избирает более спокойное место. Реакция сетчатки на ядерную радиацию - это результат грубого, непривычного, резкого воздействия очень мощного излучения, подобно "искрам из глаз" при сильном ударе.

Природа не создала специальных органов чувств для восприятия малых количеств ядерных излучений, и человек для обнаружения радиоактивности окружающих его предметов вынужден прибегать к различным косвенным методам. Таким средством в опытах Беккереля оказалась фотопластинка, которая и помогла ему открыть явление радиоактивности. В современных приборах для обнаружения и измерения излучений чаще всего используют либо способность радиоактивных излучений ионизировать воздух и другие газы, через которые они проходят, либо свечение различных веществ при попадании на них ядерных частиц или квантов излучения.

Для обнаружения излучений чаще всего пользуются газовым счетчиком. Он представляет собой металлическую трубку, наполненную газом, по оси которой натянута тонкая нить, соединенная с положительным полюсом источника тока высокого напряжения. Попавшая в счетчик ядерная частица ионизирует находящиеся там молекулы газа. Образовавшиеся отрицательные ионы (электроны) устремляются к положительно заряженной нити, по пути вызывая дополнительную ионизацию молекул газа. Попав на нить, ионы частично нейтрализуют ее заряд, создавая таким образом импульс тока. Импульс затем усиливается и регистрируется счетным устройством, а на нить снова подается напряжение от источника тока. Весь этот процесс длится около 0,0001 сек.

В последнее время все шире и шире начинают применять сцинтилляционные счетчики, использующие люминофоры, т. е. вещества, в которых попадание ядерной частицы вызывает появление кратковременной микроскопической вспышки света. В счетчике эти вспышки регистрируются при помощи специального устройства.

При изучении биологического действия ядерных излучений необходимо знать зависимость между количеством излучения, попавшего на организм, и вызванным им биологическим эффектом, а для этого нужно уметь измерять излучения.

Для количественной оценки ионизирующих излучений пользуются понятием дозы. Доза - мера излучения, основанная на его ионизирующей способности, определяется по степени ионизации воздуха. За единицу измерения принимают дозу, которая в 1,293 · 10-6 кг воздуха производит такое количество ионов каждого знака, что их общий заряд равняется

1 / 3·109

кулона. Эта единица называется рентгеном. Иначе рентген - это такая доза, при которой в 1 см3 воздуха при нормальных условиях (температуре 0°С и давлении 1,013 бар или 760 мм рт. ст) образуется 2,082 · 10-9пар ионов.

Для того чтобы можно было себе наглядно представить, что такое рентген, приведем некоторые данные. Предельно допустимой безопасной дозой для лиц, работающих с радиоактивными изотопами и ядерными излучениями, считают 5 рентген (р) в год. Дозы свыше 100 р, полученные одномоментно, вызывают лучевую болезнь, дозы 500 - 600 р смертельны для человека. Смертельный исход может наступить и призначительно меньших дозах - 250 - 450 р.

Измеряя дозу в рентгенах, мы характеризуем пучок лучей, направленный на облученный объект. Но сам облучаемый объект может различно реагировать на излучение в зависимости от того, как вещество объекта поглощает излучение. Поэтому, когда речь идет о количестве излучения, полученном объектом, мы говорим о поглощенной дозе, которая измеряется радами. Рад - это такая доза, когда энергия, поглощенная 1 кг вещества, равна 0,01 джоуля или 105 эргов.

Одной и той же падающей на объект дозе могут соответствовать различные значения поглощенной дозы. Поэтому встает вопрос, существует ли связь между обоими значениями? На этот вопрос можно ответить положительно. При облучении гамма-лучами мягких тканей животного организма дозой в 1 р поглощенная доза излучения равняется 1 раду (точнее 0,9 рада).

Для измерения активности радиоактивных препаратов и дозы излучения используют измерительные приборы двух типов: 1) приборы, служащие для счета количества ядерных частиц и квантов, так называемые радиометры; 2) приборы для измерения дозы излучения, или дозиметры.

Приборы первого типа регистрируют каждую отдельную частицу, попавшую на воспринимающую излучение часть прибора. Эти приборы имеют высокую чувствительность и особенно удобны для измерения небольших активностей. Обычно такие измерения проводятся путем сравнения в одинаковых условиях количества частиц, излучаемых исследуемым препаратом и эталоном известной активности.

Дозиметры менее чувствительны, чем приборы первого типа, и показывают не количество отдельных частиц, а общую дозу излучения в рентгенах, полученную измерительной камерой прибора за определенное время.

При работах с радиоактивными изотопами и излучениями иногда важно знать, какую дозу излучения получил тот или иной работник. Для этой цели применяют специальный индивидуальный дозиметр, который имеет вид авторучки и помещается в боковом кармане халата. После окончания рабочего дня проверяют его показания и узнают, какая доза излучения получена человеком, работающим с излучениями.

Для измерения радиоактивности земной поверхности и поисков месторождений радиоактивных минералов пользуются приборами, установленными на автомашинах и на самолетах. Приборы автоматически отмечают радиоактивность грунтов и горных пород, над которыми проезжает или пролетает такая лаборатория. Кроме указанных выше приборов для выявления и изучения распределения радиоактивных веществ в различных объектах широко используется методика авторадиографии. Сущность этой методики заключается в том, что исследуемый объект, содержащий радиоактивные включения, на некоторое время прижимают к светочувствительному слою фотопластинки или фотопленки. Поскольку радиоактивные излучения действуют на фотоматериалы подобно свету, на фотопластинке после проявления образуется изображение, показывающее характер распределения радиоактивных веществ в исследуемом образце (минерале, листке растения).

Первое применение авторадиографии в биологии относится к 1904 г., когда отечественный ученый С. Лондон получил авторадиограмму лягушки, которую перед этим заставлял вдыхать радон.

Ценное преимущество авторадиографии в том, что она позволяет не только выявить в том или ином объекте радиоактивные вещества, но и установить точное их местоположение. Другое преимущество этого метода - высокая чувствительность, обусловленная способностью фотографических эмульсий суммировать действие слабых излучений. Применяя длительные (до нескольких месяцев) экспозиции, этим методом можно выявить крайне незначительное количество радиоактивных веществ. Методом авторадиографии часто пользуются биологи при изучении распределения радиоактивных веществ в тканях животного организма или растения.

 

От рентгеновской трубки до синхрофазотрона

Еще долгое время после открытия рентгеновских лучей и явления радиоактивности рентгеновская трубка и естественно радиоактивные вещества, встречающиеся в природе в относительно небольших количествах, были единственными источниками ионизирующих излучений. Получение радиоактивных элементов сопровождалось значительными трудностями и большими затратами.

Для получения одного грамма радия требовалось добыть и переработать 3 т урановой соли. Не удивительно поэтому, что радий стоил чрезвычайно дорого и приобретать даже небольшие количества его могли только наиболее богатые учреждения. Общее количество добытого во всем мире радия не превышало 1 кг.

Поэтому с радиоактивными элементами и излучениями сталкивалось очень небольшое количество лиц. Защита от излучений, с которыми приходилось иметь дело, не представляла особых трудностей - количества радиоактивных элементов были невелики, а энергия рентгеновских лучей не превышала 200 - 300 кэв.

Это продолжалось до середины 30-х годов, пока не научились получать радиоактивные изотопы искусственным путем и не началось строительство мощных ускорительных установок, дающих излучения высоких энергий.

В настоящее время большинство радиоактивных изотопов получают искусственным путем. Это не только обходится во много раз дешевле, но и позволяет значительно расширить круг применяемых изотопов - ведь в природе встречается только небольшое количество радиоактивных элементов.

Искусственное получение радиоактивных элементов стало возможным после того, как люди научились проводить такие реакции, в которых принимают участие ядра атомов.

При обычных химических реакциях взаимодействуют только электроны, находящиеся на внешних оболочках атомов. Эти взаимодействия не касаются ядер атомов. Поэтому химическим путем невозможно решить ту задачу, которую в течение ряда столетий пытались решить алхимики древности и средневековья - превратить один элемент в другой.

Особенность радиоактивного распада в том, что, как уже говорилось выше, никакие внешние причины не могут заметно повлиять на его скорость. Причина этого заключается в очень большой величине ядерных сил. Чтобы освободить ядерную частицу из ядра, нужно затратить энергию в миллионы электрон-вольт, В то же время энергия, освобождаемая в результате, например, химических реакций, не превышает 3 - 4 эв. Поэтому то количество энергии, которое принимает участие в обычных химических и физических процессах, может воздействовать на электронную оболочку, но его недостаточно, чтобы повлиять на ядро атома.

В 1919 г. английскому физику Резерфорду впервые удалось показать, что стабильные ядра могут быть разрушены, если в качестве снарядов для бомбардировки ядер использовать излучаемые радиоактивными элементами альфа-частицы, обладающие энергией 3 - 5 млн. эв, Бомбардируя азот быстрыми альфа-частицами, Резер-форд превратил азот в изотоп кислорода с атомной массой 17. Эту реакцию, называемую ядерной, так как в ней принимают участие ядра атомов, можно представить в следующем виде:

Открытие ядерных реакций доказало возможность превращения одних элементов в другие. Первое время, однако, такие превращения ограничивались ядрами наиболее легких элементов.

В 1934 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, проводя эксперименты с бомбардировкой алюминия альфа-частицами, впервые получили искусственным путем радиоактивный изотоп фосфора. Это открытие имело огромное значение, дав в руки ученым удобный способ получения радиоактивных изотопов любых элементов.

Однако альфа-частицы естественных радиоактивных элементов малоудобны для подобных экспериментов, так как их энергии достаточно для внедрения только в ядра атомов легких элементов, имеющих небольшой заряд ядра. Ядра тяжелых элементов имеют большой положительный заряд, поэтому они сильно препятствуют проникновению в них положительно заряженных альфа-частиц. Кроме того, для получения значительных потоков альфа-частиц необходимо большое количество естественно радиоактивных изотопов.

Для проведения ядерных реакций более перспективна бомбардировка ядер атомов протонами и дейтронами, обладающими единичным положительным зарядом. Вследствие того, что радиоактивные изотопы не испускают ни протонов, ни дейтронов, были созданы специальные приборы, в которых этим частицам сообщалось большое количество энергии. В таких приборах, получивших название циклотронов, фазотронов, синхротронов, синхрофазотронов, заряженные частицы, получая энергию в несколько миллиардов электрон-вольт, приобретают большие скорости.

Для получения искусственных радиоактивных изотопов особенно удобно применять нейтроны. Действительно, нейтроны не обладают электрическим зарядом и не подвержены силам электрического отталкивания при приближении к ядрам атомов: они беспрепятственно могут проникать в любые ядра, вплоть до самых тяжелых. Вероятность захвата нейтрона ядром зависит от времени его пребывания вблизи ядра, поэтому чем медленнее движется нейтрон, тем она больше. В результате захвата нейтрона в ядре нарушается устойчивое соотношение между протонами и нейтронами, вследствие чего атом становится радиоактивным.

Большое количество нейтронов возникает в атомных реакторах, в которых ядро изотопа урана-урана - 235 под действием нейтронов делится на два ядра с атомными номерами, близкими к 30 - 49 и 50 - 63. В процессе деления из ядра урана вылетает два-три нейтрона. Некоторые из этих нейтронов затрачиваются на поддержание цепной реакции деления ядер атомов урана, а остальные, разлетаясь в разные стороны, могут служить для активации различных материалов. В современных реакторах возникают мощные потоки нейтронов - до 1013 - 1015 нейтронов на 1 см2 в секунду.

Реактор является удобным прибором для получения искусственно радиоактивных изотопов. В настоящее время большинство их получают на атомных реакторах. Ускорителями пользуются для получения тех изотопов, которые не могут быть получены в атомном реакторе.

Если мы посмотрим в таблицу радиоактивных изотопов, то увидим, что некоторые из них имеют очень короткий период полураспада, измеряемый минутами, а иногда даже и секундами. Такие изотопы нужно как можно быстрее извлекать из реактора. Для этой цели служит так называемая пневмопочта - специальное быстродействующее устройство, в котором давлением сжатого воздуха за 0,1 сек образец может быть введен в канал реактора либо перемещен из зоны облучения реактора в лабораторию для исследования.

За пять лет (1964 - 1968 гг.) Всесоюзная контора Изотоп поставила народному хозяйству различных искусственно радиоактивных изотопов на сумму 49 млн. рублей. В числе потребителей - свыше 500 лечебных учреждений.

Итак, за каких-нибудь 30 лет мы являемся свидетелями небывалого скачка в области развития науки о радиоактивности и практического использования радиоактивных изотопов и ядерных излучений в медицине, биологии, народном хозяйстве. В миллионы раз возросло количество радиоактивных изотопов, применяемых в науке и промышленности. Возникла совершенно новая область техники - атомная энергетика. Многочисленные ядерные реакторы используются для проведения научных исследований, изготовления радиоактивных изотопов, промышленного получения электроэнергии, движения морских судов, опреснения морской воды и т. д.

Изменилась энергия частиц и квантов, с которыми работают в лабораториях. Сравним хотя бы рентгеновскую трубку начала 30-х годов, работающую при напряжении несколько сотен тысяч вольт, с современными ускорительными установками, создающими потоки частиц и квантов с энергиями порядка сотен миллионов и даже миллиардов электрон-вольт. В СССР работает крупнейший в мире Серпуховский синхрофазотрон на 70 гэв (семьдесят миллиардов электрон-вольт).

Все это привело к тому, что в настоящее время во много раз возросло количество лиц, работающих с радиоактивными изотопами и ядерными излучениями. Возникли новые серьезные задачи по изучению биологического действия различных видов излучений на человека и окружающую его природу, защите от излучений, предохранению природы от радиоактивных загрязнений.

 

Глава 2. Ядерные излучения и живой организм

 

Луч действует на клетку

Ядерные излучения оказывают на живой организм столь сложное и многообразное действие, что разобраться в нем, понять скрытые пружины лучевого поражения далеко не так просто, как это может представляться на первый взгляд. Что происходит при облучении в мельчайших кирпичиках живого организма - в отдельных живых клетках? Увидеть устройство клетки, узнать, как она живет и изменяется под влиянием облучения, можно только в микроскоп, потому что размеры клеток очень малы - их диаметр составляет сотые доли миллиметра. При увеличении в 1 - 1,5 тыс. раз, которое дает обычный световой микроскоп, можно рассмотреть ядро, иногда с ядрышком, и некоторые другие детали. Но сложнейшее строение живой клетки полностью раскрывается при увеличении в сотни тысяч и миллионы раз, которое может быть получено лишь с помощью электронного микроскопа.

Что же происходит в покоящейся клетке, которую подвергли облучению? Увидеть эти изменения даже в микроскоп можно только в том случае, если клетка облучена большой дозой радиации. При этом клетка выглядит так, как будто она убита высокой температурой или действием яда: она уплотняется или, наоборот, подвергается разжижению, ядро увеличивается в размере, а затем разрушается, оболочка клетки теряет свою непрерывность, клетка умирает.

Меньшие дозы радиации, смертельные для целого организма, могут не оказать видимого влияния на отдельную живую клетку. Однако клетка далеко не всегда успешно сопротивляется действию радиации. Оказывается, и у нее есть своя ахиллесова пята: это период, когда клетка делится.

С тех пор как немецкие ученые Шлейден и Шванн открыли, что все живые организмы состоят из клеток, многие исследователи, наблюдавшие в микроскоп за жизнью клетки, видели, что в ее недрах, как бы мала она ни была, рано или поздно происходят странные и сложные превращения. Внутри клеточного ядра вдруг появляются, становятся видимыми нити или тяжи, состоящие из хроматина,- хорошо окрашивающегося вещества. Оболочка ядра исчезает, а образовавшиеся тяжи - хромосомы - располагаются по экватору клетки в виде звезды. От каждой хромосомы тянутся белые прозрачные нити, которые, сходясь к специальному клеточному центру, или центриоли, образуют фигуру веретена. Проходит некоторое время, и вдруг оказывается, что сначала вместо одной центриоли образовалось две, а затем и каждая хромосома разделилась вдоль на два тяжа. От каждого из них идут к одной из центриолей нити, образующие в клетке два веретена. Половинки хромосом постепенно расходятся к полюсам клетки. Веретена уменьшаются и исчезают, хромосомы свиваются в два клубочка, вокруг которых появляются ядерные оболочки. Еще несколько минут - и по экватору клетки образуется перегородка; сложнейший и строго последовательный процесс деления клетки, процесс митоза, или кариокинеза, завершен - вместо одной клетки возникло две.

Ученые, изучавшие процесс митоза, уже давно обратили внимание на одно важное обстоятельство. У всех растений и животных он совершается в основных своих чертах одинаково. Очевидно, последовательность его фаз, строгий порядок перемещений хромосом - не случайное явление. Создается впечатление, что главная задача митоза - как можно точнее распределить пополам между дочерними клетками хроматин - сильно окрашенное ядерное вещество, из которого состоят хромосомы. Сейчас стало ясно, что это наблюдение верно: хромосомы содержат в зашифрованном виде всю колоссальную по объему информацию о строении и работе клетки, и от правильности ее передачи зависит, будут ли дочерние клетки нормально расти и развиваться или окажутся неизлечимыми инвалидами. Основой структуры хромосом, той волшебной магнитной лентой, на которой записана, закодирована вся жизненная программа клетки, являются длинные полимерные молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты, или сокращенно ДНК. Об этом единственном в своем роде веществе нам придется говорить неоднократно. Пока отметим лишь, что на каждой молекуле ДНК записано (если продолжить сравнение с магнитофонной записью) много разных мелодий. Основное содержание каждой из них - это шифрованная запись структуры одного из клеточных белков. Ведь именно белки - ферменты, гормоны и т. п.- являются основными двигателями обмена веществ, всей жизнедеятельности клетки. Тот участок ДНК, на котором записана схема одной белковой молекулы, ученые называют геном, или цистроном.

Назначение митоза и состоит в том, чтобы сначала обеспечить удвоение хромосом, изготовить точную копию каждой магнитной ленты, каждой шифрованной телеграммы, адресованной потомкам, а затем доставить все телеграммы по назначению, не перепутав, не исказив и не потеряв ни одной. Именно этот сложнейший и ответственнейший в жизни клетки процесс оказался и наиболее ранимым, самым чувствительным к действию ионизирующей радиации.

Представим себе, что делящаяся клетка оказалась на пути потока квантов ядерного излучения. Клетка осталась жива; она дышит, поглощает питательные вещества, растворенные в окружающей жидкости, она растет, двигается и выполняет другие, свойственные ей функции, но клетка эта не делится. При небольших дозах радиации угнетение клеточного деления оказывается временным; проходит несколько часов, а иногда и дней, и процесс деления возобновляется. Если же поток ионизирующих квантов или частиц был велик, способность к делению у клетки может исчезнуть вовсе. Такая клетка растет, увеличивается, достигает гигантских (сравнительно с другими клетками) размеров и в конце концов гибнет, не оставив потомства.

Следовательно, предательская роль облучения не ограничилась простым торможением митоза. В одном случае ионизирующие частицы повреждают тонкую структуру хромосом, в результате разрывов хромосом и неправильного соединения отломков нарушается процесс деления, часть хромосом не может разделиться. Между половинками сохраняются мостики, перешейки, в связи с чем расхождение хромосом затрудняется. В другом случае ядерное вещество разделяется неравномерно, отломки хромосом не срастаются и погибают или срастаются неправильно. Дочерние клетки, лишенные необходимого количества ядерного вещества или содержащие значительный его избыток, не могут нормально развиваться и гибнут, иногда предварительно разделившись. Таким образом, вредоносное действие проникающей радиации может сказаться во втором, третьем поколении клеток, а иногда даже позже.

Ядерные излучения могут вызвать и менее грубые изменения хромосом. Ионизирующая частица, пролетая через ядро, может разрушить или повредить всего один какой-нибудь ген. Тогда в клетке нарушится выработка лишь одного белка. Но и это, казалось бы, небольшое повреждение (в клетке тысячи разных видов белковых молекул) может иметь серьезные последствия и даже привести к гибели, если недостающий белок выполнял в клетке жизненно важную роль и его отсутствие влечет за собой выпадение одной из обменных реакций, а с ней - и обрыв всей цепи обмена веществ. В менее тяжелых случаях наблюдается дезорганизация обмена веществ, накапливаются ядовитые вещества - продукты нарушенного обмена, которые отравляют не только поврежденную клетку, но и соседние здоровые клетки, а иногда с током крови достигают отдельных органов, возможно, даже не подвергшихся облучению, и вызывают в них нарушения, подобные лучевым.

Вот каковы лишь некоторые из повреждений живой клетки, вызываемые проникающей радиацией. Многое при этом зависит от количества, или дозы радиации. Но немало зависит и от самой клетки. При одной и той же дозе и прочих равных условиях клетки разных органов и даже отдельные клетки одного органа реагируют на облучение неодинаково.

Клеточные элементы, входящие в состав крови, имеют различную продолжительность жизни. Красные кровяные тельца-эритроциты - живут 110 - 130 дней, и в каждый момент в состоянии деления находится меньше 1% клеток - предков эритроцитов. Белые кровяные клетки - лейкоциты - живут несколько суток, а одна из их разновидностей - лимфоциты - и того меньше: от нескольких часов до суток; поэтому размножение этих клеток идет относительно быстро. Наблюдая за жизнедеятельностью клеток после облучения, ученые установили, что особенно быстро уменьшается в крови количество лимфоцитов. Та же участь постигает другие белые кровяные тельца, и меньше всего от облучения страдает процесс образования эритроцитов.

Чем больше клеток находится в стадии деления в данном органе или ткани, чем чаще происходят в них митозы, тем большая часть клеток органа повреждается при облучении, тем чувствительнее данный орган к действию радиации. Это установили еще в 1906 г. французские ученые Бергонье и Трибондо.

Однако неправильно было бы думать, что клетка чувствительна к действию ионизирующих лучей только тогда, когда она делится. Нарушить жизнедеятельность любой клетки и даже убить ее можно в любой момент, не дожидаясь наступления митоза. Правда, для этого нужно во много раз увеличить дозу облучения, увеличить количество тех частиц или квантов энергии, которые слагают эту дозу.

Что же происходит в такой пораженной лучами клетке? Какие ее участки, "органы" или, вернее, органоиды (так выражаются цитологи, изучающие строение и жизнь клеток: "цитос" по-гречески означает клетка) страдают в первую очередь?

Многие иностранные специалисты (Айверсон, Гертвиг, Гизе и др.) утверждают, что ядро клетки особенно чувствительно к облучению. В цитологических лабораториях неоднократно проделывались такие тонкие и очень интересные опыты: лучами Рентгена облучали яйцеклетки лягушек, насекомых и других животных. Затем с помощью специальных приспособлений осторожно выделяли ядра облученных клеток и пересаживали в протоплазму необлученных клеток, ядра которых в свою очередь перемещали на место облученных. Таким образом, искусственным путем были получены клетки-гибриды, или клетки-химеры двух видов.

Клетки, у которых облученное ядро оказывалось в окружении здоровой, необлученной протоплазмы, очень часто оказывались неспособными к нормальному росту, развитию, оплодотворению. Некоторое время они жили, но это не была нормальная клеточная жизнь. Поврежденное облучением ядро не справлялось со своими обязанностями, к числу которых, как мы знаем, относится способность к оплодотворению и делению.

В клетках-гибридах второго рода облученная протоплазма со всех сторон окружала ядро, перенесенное сюда волей ученого из здоровой клетки. Однако, несмотря на такое "больное" окружение, здоровое ядро часто не испытывало никаких неудобств. Гибридная клетка росла, сохраняла способность к оплодотворению, а затем делилась, давая начало новому организму. Иногда и в пересаженном здоровом ядре появлялись болезненные изменения: неравномерная окраска, пустоты (вакуоли), отслойка ядерной оболочки и т. п. Все эти опыты очень наглядно продемонстрировали важную роль ядра в жизнедеятельности клетки вообще и при радиационном поражении, в частности.

Интересные результаты, подтверждающие правильность такого вывода, получил и советский ученый академик Б. Л. Астауров. Изучая в течение многих лет закономерности размножения шелкопрядов, Астауров обнаружил у этих насекомых не только партеногенез (т. е. развитие организма из одной материнской яйцеклетки, без оплодотворения), что наблюдается и у некоторых других насекомых, но и андрогенез (развитие из отцовской клетки). Оказалось, что с помощью рентгеновских лучей можно убить ядро материнской яйцеклетки, однако она сохраняет способность к оплодотворению. И хотя в оплодотворенной яйцеклетке остается лишь отцовское ядро, она делится и дает начало организму, очень похожему на отцовский. Таким образом, в этом случае мы имеем дело по существу с особой разновидностью андрогенеза, в котором принимает участие и протоплазма материнской клетки, оставшаяся живой после гибели ядра.

Если с помощью тончайшего пучка ионизирующих частиц - протонов - облучить участок хромосомы, она разрушается и теряет способность к раздвоению. Облучение тем же пучком прилегающего участка протоплазмы не вызывает никаких видимых изменений. Не значит ли это, что только ядро ответственно за гибель облученной клетки? Можно ли думать, что вся остальная масса клетки, которую мы объединяем словом протоплазма, или правильнее - цитоплазма, совершенно нечувствительна к действию лучей? Конечно, нет.

Более высокая чувствительность ядра, по-видимому, связана с теми его структурами, которые играют важную роль во время митоза. Однако все живое вещество, вся масса клетки в той или иной степени страдает от действия лучей, которые нарушают ее внутреннюю жизнь, строго определенные, последовательно сменяющие друг друга процессы обмена веществ.

В клетках и тканях, особенно чувствительных к действию радиации, кроме гибели клеток во время деления и в связи с ним, наблюдается и гибель в период между делениями, так называемая интерфазная гибель (интерфазой называют период между завершением одного митоза и началом следующего, т. е. период жизнедеятельности клетки). В причинах интерфазной гибели клеток (к тому же лишь наиболее чувствительных к радиации) ученые еще полностью не разобрались. С помощью электронного микроскопа ученые рассмотрели, что не только вся клетка окружена оболочкой, но и многие ее элементы имеют мембраны (перегородки). Ядро отделено от цитоплазмы тонкой оболочкой. Лишь во время митоза она исчезает, а к концу его появляется вновь.

Сложную двухслойную оболочку и такие же перегородки внутри имеют митохондрии - "силовые станции" клетки, вырабатывающие энергию для ее жизнедеятельности. В электронный микроскоп видна и так называемая эндоплазматическая сеть - сложное переплетение канальцев, разделенных дамбами и плотинами. Все эти многочисленные перегородки, мембраны, оболочки разделяют клетку на множество отсеков, в каждом из которых совершается своя особая, неповторимая и важная, хотя и незаметная работа (рис. 2).

Рис 2. След тяжелой частицы с ответвлениями вторичных электронов

После того, как невидимый луч пронзил эту сложную живую систему, на первый, взгляд ничего не изменилось в клетке. Но это не так. Смертоносный луч оставил немало разрушений. На его пути встретилось всего несколько десятков белковых молекул. Если учесть, что только в одной клетке таких молекул в десятки миллионов раз больше, такая убыль не кажется серьезной. Однако даже небольшое отверстие в плотине может иметь роковые последствия для всего сооружения. Поэтому разрушение даже нескольких молекул, образующих вместе с тысячами других многочисленные внутриклеточные мембраны, перегородки, может привести к дезорганизации всей жизни клетки.

Основные двигатели обмена веществ в каждой живой клетке - особые белки-ферменты, которые смело можно назвать биологическими катализаторами. Каждый школьник знает, что катализаторы - вещества, которые в ничтожных примесях во много раз ускоряют течение различных химических реакций. Живая природа создала много тысяч особых катализаторов - ферментов, каждый, из которых участвует в ускорении какой-то определенной биохимической реакции. Бесчисленные реакции складываются внутри каждой клетки в единый сложный процесс обмена веществ только благодаря строжайшей упорядоченности внутренних клеточных структур. Каждый фермент в нормальной клетке имеет свое строго определенное место и назначение. Питательные вещества, попавшие в клетку, проходя по внутриклеточным структурам, последовательно подвергаются действию различных ферментов, изменяются под их влиянием и либо полностью сгорают, отдавая заключенную в них энергию клетке, либо расходуются на построение частей клетки.

Итак, достаточно было лучу повредить в нескольких местах внутриклеточные мембраны, как ферменты вышли из своих привычных, строго определенных отсеков и начали действовать на структуры самой клетки. Удивительная последовательность обменных реакций нарушилась, и началось беспорядочное, хаотическое разрушение деталей еще недавно идеально работавшего сложнейшего механизма. Ферменты, освобожденные радиацией из тесных рамок внутриклеточной структуры, начинают действовать особенно активно, изменяют и расщепляют вещества клеточной протоплазмы. В клетках накапливаются вещества, которые в нормальных условиях либо совсем не образуются, либо возникают в ничтожных количествах и существуют недолго. В облученной клетке концентрация таких необычных веществ - продуктов воздействия ядерных излучений - может оказаться настолько высокой, что жизнедеятельность клетки нарушится, и она погибнет. Название этих веществ - радиотоксины - удачно подчеркивает как их ядовитые свойства (токсин-яд), так и происхождение, связанное с воздействием радиации. Накопление радиотоксинов и повреждение хромосомного аппарата клетки - одна из важнейших причин интерфазной гибели клеток.

Клетки различных тканей и органов отличаются по своей структуре, по интенсивности и характеру обменных процессов. Одна и та же доза радиации вызывает в них различную дезорганизацию обмена, количество образующихся радиотоксинов и чувствительность к ним клеток тоже неодинаковы. Поэтому в одних клетках интерфазная гибель не происходит вовсе, в других наблюдается изредка, в третьих является главным результатом лучевого поражения. Чувствительность ткани или органа к радиации зависит, таким образом, и от интенсивности процесса клеточного деления (митотическая гибель), и от особенностей обмена веществ, определяющих степень выраженности интерфазной гибели клеток.

Накопление радиотоксинов не только приводит к гибели клеток, в которых они образовались под влиянием облучения, но и через кровь оказывает воздействие на отдаленные от облученной области органы. Вот к какому результату может привести один единственный луч, разрушивший в начале всего несколько десятков молекул.

Что же происходит при пролете ионизирующей частицы через живую систему?

 

Прямое и косвенное действие радиации

Мы уже знаем, что основной результат действия проникающей радиации на вещество - ионизация молекул и атомов этого вещества. Ионизирующая частица (или квант энергии рентгеновских и гамма-лучей), пролетая через пространство, заполненное атомами вещества, неизбежно сталкивается с некоторыми из них. Путь ионизирующей частицы отмечен появлением множества пар ионов. Отсюда и происходит название частиц и всего излучения - ионизирующее.

Для понимания закономерностей биологического действия радиации очень важно иметь в виду еще два обстоятельства. Во-первых, способность частицы ионизировать атомы и молекулы вещества не ограничивается ее траекторией. Если исходная энергия частицы достаточно велика, электроны, выбитые ею из атомов, приобретают настолько большую энергию и скорость, что в свою очередь вызывает вторичную ионизацию. Эти вторичные электроны отдачи увеличивают зону вредного действия ионизирующих частиц.

Во-вторых, действие ионизирующей радиации приводит к образованию не только ионов. Если частица почему-либо отдает встреченным атомам небольшую порцию энергии (это бывает в тех случаях, когда она, пролетая, только задевает электронную оболочку атома), то ее оказывается уже недостаточно для того, чтобы выбить электрон из пределов атома. Электрон лишь на короткое время (одну миллионную долю секунды) отдаляется от ядра (такой электрон называется возбужденным), а затем скачком возвращается на свое обычное место, отдавая избыточную энергию в виде кванта ультрафиолетового излучения, тепла или химической энергии взаимодействия.

Таким образом, в результате пролета ионизирующей частицы в веществе образуются ионы и возбужденные атомы, лежащие как вдоль траектории первичной частицы, так и в стороне от нее, по пути движения вторичных электронов отдачи. Но это чисто физическое представление может служить лишь отправным пунктом для понимания сложнейших изменений, порождаемых радиацией в живой ткани.

Живая клетка, как мы уже отмечали, представляет собой очень сложную систему. Какие же последствия будет иметь образование в живой клетке ионов и "возбужденных атомов? Прежде всего надо иметь в виду, что в сложной клеточной организации есть молекулы веществ разного строения и разной сложности. Основную массу живого тела (от 50 до 80%) составляет вода. Она является растворителем органических веществ, входящих в состав организма, фоном, на котором протекают все жизненные обменные процессы. В воде растворены или взвешены молекулы солей, простых Сахаров, жирных кислот, аминокислот, а также большие сложные полимерные молекулы белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов.

Ионизирующие частицы, естественно, наталкиваются на атомы и молекулы вещества клетки без всякого разбора, так как движутся прямолинейно. Однако для живого вещества, для жизни и здоровья отдельной клетки и всего организма в целом вовсе не безразлично, какие именно молекулы встретились на пути смертоносной частицы. Если в результате облучения оказались разрушенными несколько десятков или даже сотен молекул воды, в общей массе клеточной жидкости эта ничтожная потеря не может играть серьезной роли. Но если пострадали молекулы нуклеиновых кислот и белков - наиболее важных структур клетки, тех самых веществ, которые обеспечивают протекание всех жизненных процессов в нужном порядке и последовательности, а также передачу признаков организма по наследству, такое повреждение уже не безразлично как для организма в целом, так и для отдельных его клеток.

Гигантские молекулы белков и нуклеиновых кислот состоят из десятков и сотен тысяч атомов. Даже прямое попадание ионизирующей частицы в такую молекулу неспособно ее разрушить полностью. Слишком большое количество связей объединяет отдельные атомы в целостную сложную систему. Разрыв нескольких связей, казалось бы, не может иметь серьезных последствий - ведь если общая структура молекул сохранена, разорванные связи могут со временем восстановиться. Как показывает опыт, такое восстановление возможно и происходит в действительности.

Однако наряду с процессом восстановления в молекулах биологических полимеров наблюдаются процессы другого порядка. Это прежде всего разрыв связей между атомами в молекуле белка или другого биополимера, образование ионов и свободных валентностей, которые резко увеличивают биохимическую реактивность поврежденных молекул. Разорванные связи стремятся соединиться, свободные валентности - заполниться. Но они могут быть заполнены любым химически активным атомом, а таких в протоплазме клеток немало. Таким образом, на место атома, входившего в состав белковой молекулы, может стать другой атом, с новыми свойствами. Это само по себе нежелательно, но главную опасность представляет все же другой процесс.

Из числа веществ, всегда присутствующих в растворенном состоянии в каждой клетке и межклеточной жидкости организма и обладающих большим химическим сродством, наибольшее значение имеет кислород. Он особенно легко соединяется с атомами и молекулами, имеющими свободные связи, и вызывает их окисление, сгорание, разрушение. Присоединяясь по месту разорванных связей в белковых структурах, молекулы кислорода как бы расширяют брешь, пробитую снарядом атомной артиллерии - ионизирующей частицей. Но разрушительный процесс не ограничивается быстрым окислением. Образуются разнообразные органические перекиси, которые надолго сохраняют окислительную способность и могут вызвать дальнейшее разрушение биополимерных структур спустя несколько часов и даже дней после облучения.

Наконец, энергия излучения, поглощенная молекулами белков и нуклеиновых кислот, не уменьшаясь, может перемещаться по цепочкам атомов, достигать самых слабых мест и разрушать молекулу не в месте попадания ионизирующей частицы, а довольно далеко от него.

Теперь ясно, какие разнообразные и сложные процессы возникают в гигантских молекулах биологических полимеров при попадании в них ионизирующих частиц, т. е. при прямом действии радиации. Под влиянием взаимодействия различных компонентов протоплазмы и в зависимости от структуры самих макромолекул первоначальный разрушительный эффект радиации многократно усиливается и нарастает. Однако вредоносное действие радиации не ограничивается прямым эффектом. Разрушение молекул воды ионизирующими частицами может оказывать на биополимерные структуры клетки и непрямое, вторичное действие.

При бомбардировке молекул воды Н2O ионизирующими частицами образуются такие обломки, как атомы водорода Н и гидроксилы ОН. Иногда они несут электрический заряд: Н+ и ОН-, но чаще остаются нейтральными. И все же, несмотря на отсутствие заряда, эти обломки резко отличаются от нейтральных молекул: они обладают свободными валентными связями. Такие обломки молекул называются свободными или активными радикалами, ибо, стремясь заполнить свободную связь, они чрезвычайно легко вступают в химические реакции с молекулами и другими радикалами. Эти обломки называют также окислительными, так как они, присоединяясь к молекулам, вызывают их окисление. Это относится прежде всего к гидроксилу - ОН, а также к продуктам его взаимодействия с кислородом - перекиси водорода Н2О2 и радикалу гипероксиду НО2.

Все активные продукты, образующиеся при облучении молекул воды в присутствии растворенного в ней кислорода, способны вступать в реакции взаимодействия с нейтральными молекулами белков, нуклеиновых кислот и других важных клеточных структур, вызывая их окисление, разрушение. При реакции между свободным радикалом и нейтральной молекулой всегда образуются новая молекула и новый радикал. Иными словами, свободная валентность, присущая радикалу, во время реакции не исчезает, а переходит. Радикалы воды, образовавшиеся при воздействии ионизирующей радиации на живые системы, взаимодействуя с молекулами биополимеров, передают им свои свободные валентности. Нейтрализуясь, они вызывают образование органических радикалов. Но точно такие же радикалы образуются и при прямом действии радиации на молекулы нуклеиновых кислот и белков.

Таким образом, прямое и косвенное действие ядерных излучений приводит в сущности к одним и тем же результатам - к разрушению самых важных, сложных и ответственных соединений, без которых немыслима жизнь клетки и всего организма. Действие радиации на живую клетку значительно усиливается в присутствии кислорода и, наоборот, может быть существенно ослаблено, если удалить кислород или хотя бы уменьшить его концентрацию. Различие заключается только в том, что в случае косвенного действия лучей повреждение биополимерных макромолекул происходит не сразу, а как бы во вторую очередь, после взаимодействия лучей с молекулами воды. Но это различие носит в сущности второстепенный характер. С одной стороны, активные водные радикалы существуют всего десятитысячную долю секунды и успевают за столь короткое время вступить в реакцию с другими радикалами или молекулами. С другой стороны, при прямом попадании ионизирующей частицы в белковую молекулу поглощенная молекулой энергия не полностью и не сразу обусловливает разрыв тех или иных связей. Часть энергии как бы консервируется, переходит в скрытую форму, и лишь при определенных условиях проявляется в виде дополнительного повреждения.

Такова общая схема процессов, которые возникают в живой клетке под действием ядерных излучений. Однако общая схема еще не раскрывает всей сложности механизмов лучевого поражения, всех деталей разрушительной работы, первый толчок которой дает ионизирующая частица. Изучение этих сложнейших процессов продолжается, так как даже специалистам-радиобиологам далеко не все еще ясно.

 

Особенности биологического действия разных видов излучения

Выше говорилось, что ионизирующим действием обладают как электромагнитные колебания большой частоты (рентгеновские и гамма-лучи), так и потоки разнообразных частиц с высокой энергией (протоны, электроны, нейтроны, альфа-частицы и более тяжелые ядра). Все эти излучения способны проникать в организм на большую глубину и даже пронизывать его насквозь; они вызывают ионизацию атомов и молекул. Но при всем сходстве физических свойств и биологического эффекта между ними существуют и серьезные различия. Да и может ли быть иначе? Если легкие кванты рентгеновских или гамма-лучей без труда проскальзывают между атомами вещества, лишь изредка задевая их электронные оболочки, то тяжелые частицы альфа-лучей как мощные танки сокрушают все встречающиеся на их пути препятствия, ломают электронные заграждения и быстро растрачивают свою энергию. На пути в 1 мк альфа-частицы образуют около 5000 пар ионов, электроны (в зависимости от скорости и энергии) - от 5 до 20 пар, а рентгеновские и гамма-кванты - от 0,5 до 2 пар. Следовательно, на единицу пути пробега в живых тканях альфа-частицы оказывают действие в тысячи раз более сильное, чем гамма-лучи, и в сотни раз более интенсивное, чем электроны (бета-частицы).

Для оценки силы разрушительного действия разных видов ядерных излучений важное значение имеет не только удельная плотность ионизации, но и глубина проникновения лучей, внутрь тела. По этому признаку описанные излучения располагаются в обратном порядке. Мы знаем, что рентгеновские и гамма-лучи способны проникать в живое тело на глубину в десятки сантиметров и даже проходить насквозь; электроны обычно не проникают глубже 4 - 5 см, а для альфа-частиц даже поверхностный слой кожи толщиной в 0,1 - 0,2 мм - непреодолимое препятствие. Если сравнить альфа-, бета-и гамма-излучения по их опасности для здоровья и жизни живого организма, а не клетки, станет ясно, что именно гамма- и рентгеновские лучи представляют наибольшую опасность. Правда, тут следует сделать серьезную оговорку. На проникающую способность протонов, альфа-частиц и более тяжелых ионизирующих ядер серьезно влияют величина их энергии и скорость движения. Чем больше скорость, тем глубже способны они проникать и тем меньше линейная плотность ионизации. При очень больших скоростях (150 - 200 тыс. км/сек) протоны по проникающей и ионизирующей способности приближаются к гамма-лучам.

Таким образом, суммарный эффект действия на организм того или иного вида ядерного излучения зависит от многих факторов: размеров, скорости и энергии частиц, от их проникающей способности и линейной плотности ионизации. Поэтому сравнить вредоносное действие разных излучений на организм можно только в опыте на животных. Облучая животных одинаковой физической дозой различных излучений, по вызываемому ими биологическому эффекту можно составить представление об их относительной биологической эффективности. В зависимости от избранного показателя (выживаемость, изменения в крови, выпадение волос и т. п.) относительная эффективность может колебаться.

Если принять эффект рентгеновских и гамма-лучей за единицу, то относительная эффективность потока электронов составит 0,3 - 3, протонов и быстрых нейтронов- 0,5 - 10, медленных нейтронов - 4 - 5, альфа-частиц - 1 - 6,5. Наиболее высока относительная биологическая эффективность - ОБЭ - нейтронов с энергией от 100 кэв до 1 Мэв (так называемые нейтроны деления и близкие к ним нейтроны с промежуточной энергией и умеренно быстрые нейтроны). Если судить по отдаленным и поздним последствиям облучения, то особенно опасны потоки нейтронов. Они особенно сильно поражают хрусталик глаза (вызывая катаракты), половые железы, что влечет за собой бесплодие, уродства развития плода и т. п. Высокой ОБЭ отличаются также протоны с энергией 0,6 Мэв и альфа-частицы с энергией 3,4 - 6 Мэв. На различные органы и процессы в теле млекопитающих они оказывают поражающее действие, которое в один-шесть раз сильнее, чем действие такой же физической дозы рентгеновских лучей. Протоны же с энергией 660 Мэв действуют подобно рентгеновским или гамма-лучам или еще слабее (ОБЭ 0,5 - 0,6 - 0,75 - 1,0).

 

Внешнее и внутреннее облучение организма

До сих пор мы рассматривали главным образом такой случай, когда источник ядерных излучений (ускоритель элементарных частиц или атомный реактор, рентгеновский аппарат или кобальтовая пушка) расположен где-то вне живого организма и извне облучает организм ионизирующими лучами. Именно к этому случаю относится наше утверждение о сравнительно серьезной опасности для организма излучений с небольшой плотностью ионизации, подобных рентгеновским лучам, из-за высокой проникающей способности.

Однако ядерные излучения коварно подстерегают живой организм и действуют на него не только извне. Нередко бывают и такие случаи, когда источник радиации тем или иным способом проникает внутрь организма. Такая ситуация возможна потому, что ядерные излучения рождаются не только в недрах реакторов или рентгеновских трубок, но и при внутриядерных превращениях целого ряда элементов.

Способные к такому радиоактивному распаду изотопы могут проникать в живой организм разными путями. Вдыхаемый животными атмосферный воздух может при некоторых особых условиях содержать радиоактивные изотопы кислорода, азота и углерода (в составе углекислоты), газообразный продукт распада радия - радон (эманация радия). Кроме того, образующиеся во время ядерных взрывов изотопы разносятся по атмосфере в виде пылинок и в таком состоянии также могут поступать в легкие. Некоторые изотопы в виде жирорастворимых солей способны всасываться через неповрежденную кожу. Наконец, необходимо иметь в виду, что изотопы могут проникать в организм через рот с пищей и водой. Это возможно в случаях заражения пищевых продуктов и водоемов радиоактивными осадками, при загрязнении ими кожи рук и лица.

В сравнительно ранние сроки после атомного взрыва наибольшую опасность представляют радиоактивный изотоп йода - йод - 131, а также стронций - 89, рутений-108, цезий - 137, которые составляют значительную часть осколочных продуктов цепной реакции распада урана и быстро отдают энергию в виде излучения. В более отдаленные сроки наибольшую опасность представляют долгоживущие изотопы, способные накапливаться в теле человека, такие как стронций - 90 и цезий - 137.

Радиоактивный изотоп стронция - стронций - 90 по своим химическим свойствам очень близок к кальцию - элементу, широко распространенному в живой природе и играющему важную биологическую роль. Достаточно сказать, что кальций входит в состав наших костей, присутствует во всех жидкостях организма, участвует в процессе свертывания крови и т. п. Не менее разнообразные функции выполняет кальций и в растительном организме. Стронций, подобно кальцию, способен накапливаться во многих зеленых растениях, в частности, в зернах злаков. Так как злаковые растения- один из основных продуктов питания, то выпавший из атмосферы и накопившийся в злаках стронций может поступить в организм животных и человека. Стронций может длительно находиться в теле домашних животных, например у коров, и выделяться в довольно значительном количестве с молоком. Этот весьма распространенный и часто употребляемый продукт является вторым после хлеба источником поступления в наш организм радиоактивного стронция. Выпавший над поверхностью океана стронций легко поглощается некоторыми рачками и другими мелкими организмами, входящими в состав планктона. В свою очередь эти рачки .становятся пищей определенных видов рыб, в теле которых концентрация радиоактивного стронция может быть в десятки тысяч раз выше, чем в морской воде. Следовательно, рыба - третий распространенный пищевой продукт, с которым в наш организм может поступать стронций - 90.

Таким образом, существует немало способов проникновения в живой организм изотопов радиоактивных элементов. В связи с этим весьма реальна опасность внутреннего облучения организма. Ясно, что в таких условиях особенно опасно излучение альфа-частиц, которые всю свою большую энергию полностью растрачивают на сравнительно небольшом участке пробега и вызывают поэтому наиболее глубокие местные поражения, оказывающие влияние на весь организм. Гамма-лучи с их высокой проникающей способностью успевают покинуть организм, не растратив всей своей энергии, поэтому их поражающее действие относительно невелико. Следовательно, в условиях внутреннего облучения организма наиболее опасны плотно ионизирующие лучи, а их проникающая способность играет меньшую роль, чем при внешнем облучении.

Размер поражающего действия изотопов, проникших внутрь организма, зависит и от других причин. Очень важное значение имеет скорость распада. Чем быстрее идет этот процесс, тем больше выделяется ионизирующих частиц, но зато процесс облучения более ограничен во времени. Существенное значение имеет также способность изотопа накапливаться в отдельных органах и тканях. Естественно, что в том органе, в котором накапливается наибольшее количество изотопа, максимальным будет и размер повреждений. Такие изотопы, как стронций - 90, радий - 226, накапливаются в костях, поэтому наибольшие разрушения наблюдаются в органах, близко соприкасающихся с костями: в костном мозге, половых железах и т. п.

Наконец, не менее важное значение имеет растворимость изотопа в жидкостях организма, скорость его всасывания и способность к выведению из организма. Некоторые изотопы настолько плохо растворимы, плохо всасываются, что транзитом проходят через желудочно-кишечный тракт, не успев причинить серьезного вреда. Другие хорошо всасываются, но не накапливаются в отдельных органах и быстро удаляются из организма через почки. Третьи (это все тот же стронций-90, а также радий, цезий, уран и некоторые другие радиоактивные вещества), всосавшись в кровь, оседают в костях или других местах организма, где остаются десятками лет, до конца жизни организма, непрерывно продолжая свою разрушительную работу.

Вот почему ученые-радиобиологи не могут ограничиться физической характеристикой каждого изотопа, его способностью излучать те или иные ионизирующие лучи, а всегда внимательно изучают условия проникновения изотопов в организму, их поведение, растворимость, способность накапливаться, пути и условия выведения из организма, способы искусственного ускорения этого процесса.

 

Что происходит в организме при облучении?

Как уже говорилось выше, клетки особенно чувствительны к действию ионизирующей радиации в период деления, поэтому сильнее всего повреждаются в организме именно те органы и ткани, в которых особенно часто происходят акты деления. В них легко развивается и процесс интерфазной гибели клеток. Какие же это органы? К ним в первую очередь относятся костный мозг и селезенка, непрерывно вырабатывающие форменные элементы крови, слизистая оболочка кишечника, желудка, дыхательных путей, в которых интенсивное размножение клеток возмещает убыль слущивающихся, половые железы и некоторые другие органы.

Но организм - единое целое, а не сумма слагающих его клеток. Поэтому и лучевое поражение организма ни в коей мере не является простой суммой повреждений, нанесенных отдельным клеткам. Преимущественное поражение какого-нибудь органа тотчас же нарушает ту великолепную согласованность работы всех частей тела, которая характерна для всякого организма и отражается на деятельности всех органов. Например, поражение костного мозга приводит, в частности, к резкому уменьшению количества циркулирующих в крови лейкоцитов, которые участвуют в защите организма от проникновения микробов, возбудителей различных болезней. Это обстоятельство - одна из причин инфекционных осложнений, которые часто бывают при лучевой болезни.

Повреждение слизистой оболочки кишечника приводит к нарушению всасывания питательных веществ в кровь. Одновременно вследствие массовой гибели клеток увеличивается проницаемость слизистой оболочки для воды, минеральных солей, микроорганизмов, проживающих в просвете кишечника. Проникновение микробов способствует развитию воспалительных процессов, поносов, уносящих значительные количества воды, солей и быстро истощающих организм, особенно в сочетании с отсутствием аппетита и нарушением всасывания. Микробы и выделенные ими ядовитые вещества еще более ослабляют организм, его сопротивляемость лучевой болезни.

Гибель организма может наступить не только тогда, когда глубоко повреждены все его клетки. Гораздо чаще бывает иначе: смерть наступает, если выходит из строя один какой-то жизненно важный орган. При попадании пули в сердце и в ногу размер разрушений (количество погибших клеток) может быть одинаков. Но мгновенная смерть в первом случае обусловлена не величиной поражения как таковой, а выходом из строя сердца - органа, без которого невозможна жизнь организма как целого, хотя слагающие его клетки и ткани еще живы и могли бы жить дальше.

При облучении целого организма проникающей радиацией страдают в большей или меньшей степени все органы и ткани, но причиной гибели всегда является выход из строя какой-то одной системы органов, пораженной особенно глубоко. При облучении млекопитающих ядерными излучениями в дозах 300 - 900 р критической (определяющей исход лучевой болезни) является система органов кроветворения - костный мозг, лимфатические узлы, селезенка. Так называемая "костномозговая" гибель облученных животных наблюдается обычно на 7 - 15 сутки после воздействия радиации. При более высоких дозах гибель наступает на 3 - 5 сутки, т. е. в сроки, когда поражение костного мозга еще не успело развиться полностью. Причиной гибели в этом случае является поражение кишечника. В еще более ранние сроки ("под лучом" или в первые часы после облучения) смерть может наступить под влиянием массового разрушения нервных клеток. Но для этого необходимы дозы в 20 - 50 тыс. р и более.

Таким образом, лучевая гибель всегда наступает в результате выхода из строя одной из систем организма. Однако существенное значение имеет и нарушение нормального взаимодействия между органами. В животном организме существуют системы регуляции, назначение которых состоит в координации деятельности всех органов и систем. В нашем организме координирующую работу выполняют нервная и эндокринная системы. Рассмотрим такой пример. Олень почуял запах волка. Почувствовав опасность, олень медленно поворачивает голову в направлении, откуда доносится ненавистный ему запах, чуткие ноздри втягивают воздух, уши насторожены, мышцы тела напряжены. Все эти движения животное совершает под влиянием нервных импульсов, родившихся в обонятельных чувствительных клеточках слизистой оболочки носа и через кору головного мозга достигших соответствующих мышц. Но вот сигнал опасности повторился, и кажущаяся неподвижность животного сменяется стремительным бегом. Эндокринные железы выбрасывают в кровь гормоны: адреналин, кортикостероиды, которые улучшают питание мышц и значительно повышают их работоспособность. Через нервную систему осуществляется сложнейшая координация работы отдельных мышц и групп мышц. Сердце работает с десятикратной нагрузкой, вновь и вновь прогоняя через легкие кровь из организма и обогащая ее кислородом. В мышцах, печени и других органах мобилизуются запасы питательных веществ, необходимые для работы. И вся эта сложнейшая деятельность осуществляется слаженно, целесообразно благодаря координирующей работе нервной системы и эндокринных желез.

Рис. 3. Изменение биоэлектрической активности мозга кролика в процессе мощного лучевого воздействия а - исходное состояние, б - медленные высокоамплитудные волны с 'эпилеп-тоидными' разрядами (8 мин. облучения, доза 5800 р), в - экзальтация с переходом в угнетение (32 мин. облучения, доза 23 тыс. р), г - глубокое угнетение в терминальном периоде (42 мин. облучения, доза 300 тыс. р)

Под влиянием облучения в большей или меньшей степени страдают все органы и системы организма. Но повреждение регулирующих систем имеет особо важное значение, так как вторично отражается на работе других органов, увеличивая размеры поражения. Большие и сложно устроенные клетки нервной системы делятся редко. Благодаря этому обстоятельству массовая гибель нервных клеток происходит только при очень больших дозах радиации. Однако эти клетки выполняют настолько сложную, тонкую и многообразную работу, что даже самые незначительные нарушения в их обмене веществ и жизнедеятельности, невидимые в микроскоп, уж отражаются на функции, а через нее - на деятельности других органов животного. Исследованиями советских ученых А. В. Лебединского, М. Н. Ливанова, Н. Н. Лифшиц, П. Д. Горизонтова установлено, что при дозах радиации, даже незначительно превышающих обычный радиоактивный фон, наблюдаются функциональные изменения в деятельности нервной системы. Процесс начинается с периферии, с биохимических нарушений и сдвигов в отдельных органах и тканях. Чувствительные нервные окончания, разбросанные по телу животного, информируют центральную нервную систему о сдвигах и нарушениях, вызывая соответствующую нервно-эндокринную реакцию, которая вторично отражается по типу рефлекса на деятельности других органов.

На рис. 3 показано, как влияет облучение на биотоки коры головного мозга. В данном случае подопытные животные - кролики подвергались действию потока гамма-лучей мощностью 7,5 р/сек. Под влиянием облучения отчетливо заметно уменьшение амплитуды и резкое учащение колебаний биопотенциалов. Если учесть, что состояние центральной нервной системы, коры головного мозга немедленно отражается на работе всех внутренних органов (это хорошо известно со времен классических опытов академика И. П. Павлова и его учеников), станет ясно, что нарушение состояния системы регуляции способствует распространению и усилению повреждений, вызванных радиацией.

Все сказанное целиком относится к деятельности желез внутренней секреции, тесно связанной с работой нервной системы. Изменения, возникшие под влиянием гормонов - веществ, вырабатываемых в этих железах, в свою очередь оказывают влияние на течение обменных процессов в тканях, увеличивая и без того значительные нарушения, вызванные в этих тканях непосредственным действием радиации.

В ответ на влияние любого вредоносного агента в организме развиваются и защитные реакции, имеющие целью уменьшить наносимый ущерб и увеличить сопротивляемость организма. Простой пример: вы укололи случайно палец иголкой - палец отдергивается. Если тем же пальцем коснуться горячего предмета, может отдернуться вся рука. Если же палец оказался укушенным свирепым псом, вы обращаетесь в бегство, или. наоборот, пускаете в ход палку. Во всех этих случаях наблюдаются различные реакции на действие вредного агента, но они в одинаковой степени носят защитный характер и осуществляются при участии нервной системы.

Защитные реакции организма, вне всякого сомнения, имеют место и при облучении; они также осуществляются с помощью системы регуляции. Специальными опытами установлено, например, что если облучать ионизирующей радиацией одну половину клетки с крысами, через некоторое время все животные соберутся во второй, необлучаемой части клетки. Очевидно, Несмотря на отсутствие специальных органов чувств, способных воспринимать действие ядерных излучений, животные ощущают их вредоносное действие и пытаются защититься, переходя в необлучаемую часть клетки.

Вероятно, имеют защитный характер уменьшение дыхания и газообмена животных после облучения (это способствует уменьшению количества кислорода в тканях), торможение митозов в клетках, выделение некоторых гормонов и т. п. Однако в общей массе изменений, происходящих в облученном организме, чрезвычайно трудно разобраться и понять, что является результатом поражающего действия самой радиации, а что представляет собой, по выражению И. П. Павлова, защитную физиологическую меру против болезни. Кроме того, в условиях облучения многие реакции организма, имеющие защитный характер, настолько углубляются и усиливаются, что переходят в свою противоположность.

В теле человека и животных есть маленькие железы внутренней секреции, которые по месту своего расположения называются надпочечниками. В коре надпочечников вырабатываются гормоны, (кортикостероиды), которые повышают сопротивляемость тканей и всего организма действию всевозможных раздражителей. Действует ли на организм холод или тепло, электрический ток или сильнейшая трещотка, подвергается ли животное хирургической операции или действию ядерных излучений - в ответ всегда повышается выработка этих гормонов. Начало изучению роли надпочечников положил А. А. Богомолец. Канадец Селье подробно исследовал деятельность их гормонов в реакции на внешние раздражения. Работами многих советских и иностранных радиобиологов установлено, что выработка кортикостероидных гормонов резко усиливается в первые минуты и часы после облучения организма. Но эта защитная по своему существу реакция приобретает при больших дозах радиации настолько сильный и длительный характер, что избыточное количество гормонов начинает оказывать вредное влияние: усиливает угнетающее действие облучения на органы кровотворения (костный мозг, селезенку и лимфатические узлы), задерживает развитие процессов восстановления. Кроме того, перевозбуждение коры надпочечников довольно скоро сменяется угнетением их функции в результате истощения. Это в свою очередь отрицательно сказывается на течении лучевой болезни у облученных животных.

Защитную направленность имеют и реакции нервной системы и других эндокринных желез. Так, советские ученые Даренская и Цыпин установили, что кролики, у которых после облучения наблюдается высокая электрическая активность головного мозга, чаще выживают и меньше гибнут, чем животные, у которых эта активность выражена слабо. Но и эти защитные реакции при чрезмерном усилении могут влиять отрицательно. Поэтому при некоторых формах лучевой болезни, но данным Л. Ф. Семенова и др., полезно применение наркотических и снотворных средств, уменьшающих нервное возбуждение, а также применение средств, ослабляющих реакцию коркового вещества надпочечников. Многое здесь, разумеется, зависит от дозировки препаратов, сроков их применения и состояния организма.

В организме млекопитающих есть специальная система, назначение которой - защищать живое тело от различных вредных влияний. Клетки и волокна этой системы образуют основу всех органов тела, обеспечивают их питание, доставку кислорода и удаление отбросов. Они превращают наружные покровы организма - кожу, слизистые оболочки - в прочные барьеры, непроницаемые для большинства микроорганизмов и ядовитых веществ, оберегающие внутренние органы от ушибов, ранений и других травм. А если враг (будь то микроб, заноза или ядовитое вещество) все же проник в организм, клетки этой системы тысячью различных способов пытаются его обезвредить, удалить из организма, а вызванное им повреждение - ликвидировать. Система эта называется ретикуло-эндотелиальной. Наш соотечественник, академик А. А. Богомолец, предложил более широкое и точное название - "физиологическая система соединительной ткани". Белые тельца крови - лейкоциты - и их ближайшие родственники в тканях поедают и уничтожают проникшие в тело микроорганизмы, удаляют из легких проникшие туда с воздухом частицы пыли, шипы и занозы. Мечников первый установил эту чудесную способность клеток крови и соединительной ткани, назвав их фагоцитами - клетками-пожирателями. Гнойник, образующийся на месте занозы или инфекции,- громадное скопление фагоцитов.

Но защитная роль этой системы не ограничивается фагоцитозом, образованием барьеров между внутренней средой организма и окружающим миром. Клетки физиологической системы соединительной ткани, расположенные в лимфатических узлах, печени, селезенке, костном мозге, могут вырабатывать тысячи защитных веществ - так называемых антител. Пока организм вне опасности, эти фабрики оружия не работают; они законсервированы. Но вот в кровь проник опасный микроб или ядовитое вещество, чужеродный белок. И где-то в сокровенных глубинах организма все приходит в движение. Уже через несколько часов с невидимых конвейеров в кровь непрерывным потоком устремляются молекулы- противоядия, антитела. Это белковые молекулы, каждая разновидность которых рассчитана на уничтожение одного определенного врага. Наше тело способно вырабатывать специальные антитела против микробов брюшного тифа, крови иной группы, дифтерийного токсина и против собственных поврежденных тканей.

Все чужеродные агенты, главным образом белки, носят название антигены. Антитела склеивают, осаждают, растворяют невидимого врага и удаляют антиген из крови, из организма. Враг уничтожен, исчез. Но в крови еще долго, иногда до конца жизни, сохраняются антитела как память о перенесенном сражении и победе, как предостережение и гарантия на будущее.

Чтобы разобраться в сложных процессах, протекающих в облученном организме, совершенно необходимо оценить в них роль физиологической системы соединительной ткани. С таким врагом, как ядерные излучения, невидимые, подкрадывающиеся исподтишка, внезапно обрушивающиеся, мгновенно исчезающие, живые организмы на земле, как правило, не встречаются. В природе постоянно действуют ничтожные по интенсивности излучения, но мощные источники радиации-дело рук человека, дело немногих десятилетий. Естественно поэтому, что физиологическая защитная система организма не приспособлена к борьбе с таким врагом. Однако радиация вызывает в организме столь значительные и серьезные изменения, что ретикуло-эндотелиальная система очень рано и интенсивно вовлекается в процесс.

Под влиянием облучения замедляется и останавливается продукция лейкоцитов и других клеток - пожирателей в лимфатических узлах, селезенке и костном мозге. Количество фагоцитов в крови и тканях быстро снижается, а это делает облученный организм в значительной степени беззащитным перед инфекцией.

Еще более важное значение имеют нарушения выработки антител, устраняющих чужеродные белки. В облученном организме вследствие гибели массы клеток появляются ядовитые продукты распада белков. Это еще одна разновидность радиотоксинов, подробно изученная профессором П. Д. Горизонтовым и его сотрудниками.

Есть в облученном организме еще один внутренний источник появления чужеродных белков. Дело в том, что радиация повреждает молекулы ДНК - наследственного кода, хранящего информацию о структуре клеточных белков. Повреждение гена может полностью прекратить производство соответствующего белка. Более часто повреждение приводит к образованию измененного белка, более или менее чужеродного по отношению к организму. Против него вырабатываются соответствующие антитела, которые частично взаимодействуют и с нормальными тканями организма и тем самым также усиливают повреждающее действие радиации. По мнению профессора Н. Н. Клемпарской, реакции антиген-антитело играют важнейшую роль во всей картине лучевой болезни. Антитела против собственных тканевых белков носят название аутоантител.

Таким образом, в результате облучения в каждом живом организме и в особенности в организме млекопитающих развиваются очень сложные и многообразные, изменения, сдвиги, нарушения, являющиеся результатом поражающего действия радиации на клетки, ткани, органы и нарушения координации, слаженности, согласованности в работе всех частей организма, как следствия расстройства регуляции. Развитие защитных реакций организма вносит в сложную сумятицу явлений еще большие осложнения. Все это чрезвычайно затрудняет анализ наблюдаемых явлений и препятствует рациональному вмешательству в течение процесса с целью возвращения к норме нарушенного облучением механизма жизни.

Несмотря на большие успехи, достигнутые учеными радиобиологами в последние годы, еще далеко не все ясно в этом важнейшем вопросе. Однако общая схема последовательности процессов, происходящих в облученном организме, уже существует. Можно не сомневаться в том, что открытия и исследования ближайших лет внесут в нее существенные поправки. Однако в своих основных чертах она правильно отражает современный уровень научных знаний в области радиобиологии и может служить основой для разработки различных методов защиты от действия радиации и лечения вызванных ею повреждений.

Попытаемся же подвести итоги сказанному и разобраться в том, что же происходит в организме с момента облучения до развития лучевой болезни.

 

Облучение и лучевая болезнь

При общем облучении ионизирующей радиацией такого сложного организма, как человек или его ближайшие "родственники" - млекопитающие, смерть наступает от доз в 500 - 1000 р. Много это или мало? Сколько требуется энергии для того, чтобы убить облучением такое высокоорганизованное существо?

Оказывается, если перевести такое количество лучевой энергии в обычные, понятные для всех величины тепловой энергии, получится ничтожная величина. Смертельная для человека доза ядерных излучений эквивалентна всего 210 - 250 дж. С помощью этой энергии можно нагреть стакан воды на четверть градуса (по Цельсию). Однако каждый из нас за обедом принимает пищу, несущую с собой в сотни раз большие энергетические запасы, и при этом ничего кроме удовольствия не ощущает. Следовательно, дело не в величине энергии, а в способе ее воздействия на организм и в устройстве самого организма.

Если сопоставить, с одной стороны, ту ничтожную энергию, которая является причиной, с теми колоссальными последствиями, к которым приводит ее действие, становится ясно, что в живом теле существуют какие-то механизмы, с помощью которых незначительные начальные нарушения многократно усиливаются, нарастают подобно лавине и приводят в конце концов к гибели организма,

Учеными созданы различные схемы этого процесса, в которых учитывались особенности организма. Наиболее всеобъемлющей, отвечающей современному уровню развития науки, является, по нашему мнению, схема, выдвинутая нашим соотечественником членом-корреспондентом АН СССР профессором А. М. Кузиным.

Начальный этап лучевого поражения, согласно этой теории, - образование в тканях организма под влиянием облучения активных центров в результате ионизации и возбуждения молекул. Под действием облучения в каждой клетке активируется первоначально всего одна из 10 млн. молекул. Белки и нуклеиновые кислоты составляют сравнительно небольшую часть массы клетки (15 - 18%). Но их большие молекулы образуют в клетке правильную структуру, включающую в себя не менее четверти всей массы клеточной воды. Вместе с ней на долю нуклеиновых кислот и белков приходится примерно 45% массы и объема клетки. Следовательно, удельный вес прямого действия радиации на эти важнейшие биологические структуры будет близок к 45%; остальные 55% энергии излучения расходуются на активацию молекул неструктурированной воды, т. е. реализуются в виде косвенного действия радиации. Учитывая величину пробега и срок жизни активных водных радикалов, можно полагать, что от 25 до 50% их реагирует с нуклеопротеидными структурами клетки.

Итак, почти вся поглощенная клетками организма энергия излучения достигает молекул белка и нуклеиновых кислот и вызывает в них соответствующие изменения. И вот тут-то вступают в силу разнообразнейшие механизмы усиления действия радиации.

Энергия излучения, поглощенная белковыми структурами, без потерь может перемещаться по цепочке углеродных атомов, проявляя свое разрушительное действие в определенных, наиболее уязвимых пунктах структуры. В результате этого первого, физического пути усиления радиационного эффекта энергия излучения, несмотря на случайный характер возникновения первичных актов ионизации, закономерно достигает самых уязвимых мест структуры и в полной мере проявляет свое действие. Такими слабыми участками в ядерной нуклеиновой кислоте - дезоксирибонуклеиновой кислоте, или ДНК, являются азотистые основания с пиримидиновыми кольцами. В белках, быть может, легче всего повреждаются сульфгидрильные группы - SH и др. Существование в белковых структурах клетки длительно возбужденных состояний способствует накоплению таких очагов консервации энергии по мере облучения, а также значительно усиливает его эффект.

Образовавшиеся на первой стадии процесса радикальные и перекисные структуры белков, нуклеиновых кислот, липидов и полисахаридов вступают в химические реакции с молекулами воды, с растворенным в ней кислородом и соседними молекулами. При этом могут возникнуть и, по-видимому, действительно возникают цепные реакции окисления. Кинетику и закономерности этих реакций подробно изучили лауреат Нобелевской премии академик Н. Н. Семенов и его ученик академик Н. М. Эмануэль. При взаимодействии свободного радикала с нейтральной молекулой всегда образуется новый радикал и новая молекула:

R·1 + R2 → R1 + R·2

В(Новь образовавшийся радикал в свою очередь может реагировать с молекулой и т. д. В ходе таких цепных реакций время от времени происходит распад молекулы с образованием двух новых радикалов, вследствие чего количество активных продуктов постепенно возрастает, а цепной процесс ускоряется. В результате процесса свободнорадикального взаимодействия количество продуктов облучения в клетке довольно быстро увеличивается, т. е. опять имеет место механизм усиления первичного эффекта, на этот раз химический.

Если поражаются даже единичные белковые молекулы, входящие в состав внутриклеточных мембран, это, как показал советский ученый А. Г. Пасынский, может также привести к освобождению дотоле связанных и строго локализованных ферментов, активация которых нарушает нормальное течение обменных процессов (о чем уже говорилось выше), способствует появлению необычных, ядовитых химических веществ и т. п. Этот механизм также усиливает разрушения, причиняемые реакцией. Под влиянием освобождающихся ферментов начинается разрушение и распад основных структур клетки - тех веществ, из которых построены внутриклеточные мембраны и основные "органы" клеток.

Нарушение обмена веществ приводит к накоплению необычных и ядовитых для организма веществ - радиотоксинов. Их образование в растительном организме очень убедительно показано А. М. Кузиным и его сотрудниками. Если облучить лист растения большой дозой (5 - 10 тыс. р) ионизирующей радиации, через несколько часов стебель растения перестает расти, деление клеток в точке роста прекращается. Но ведь сама точка роста не подвергалась облучению! Очевидно, облученный лист как-то на нее повлиял. У растений нет нервной системы. Значит, это влияние осуществилось через жидкие среды растения. Как это доказать?

Облученный лист стали удалять сразу после окончания облучения и спустя разные промежутки времени. И вот выяснилось, что лист, удаленный в течение получаса после облучения, не оказывает на ростовую точку никакого влияния. Если же лист срезали в более поздние сроки, торможение роста отчетливо наблюдалось. Эти опыты были поставлены около 10 лет назад. С тех пор многое стало ясно. Оказалось, что виновниками торможения роста растений являются вещества, образующиеся в облученном листе при окислении аминокислоты - тирозина. Окисление тирозина происходит и в нормальных условиях, но количество окисленных веществ - хинонов - невелико. Облучение усиливает процесс окисления тирозина, а накопление радикалов и перекисей, освобождение окислительных ферментов еще более усиливает этот процесс. Он имеет место, как теперь установлено, и в организме животных, где накопление хинонов также вызывает прекращение клеточного деления, нарушение процессов синтеза и других жизненных процессов и может привести клетки к гибели как в месте облучения, так и в отдаленных от него участках тела.

Исследования советских ученых Б. Н. Тарусова и его ученика Ю. Б. Кудряшова показали, что облучение нарушает не только обмен тирозина и аминокислот в целом, но и жировой обмен. При окислении жирных кислот, особенно ненасыщенных (олеиновой, линолевой, линоленовой, арахидоновой), образуются токсические вещества - радикалы и перекиси. В нормальном организме они очень быстро разрушаются, не успевая вызвать нарушений. При облучении этот процесс резко усиливается, и накопление радиотоксинов жировой или, правильнее, липидной природы вызывает остановку делений в костном мозге, селезенке и других органах, разрушение клеток крови и т. п.

Липидные радиотоксины, как и хиноидные, накапливаются вследствие нарушения обменных процессов, вызванного радиацией, и в свою очередь усиливают ее вредоносное действие. Продукты распада белков тканей и образующиеся вследствие накопления чужеродных веществ белковой природы аутоантитела действуют аналогично. Здесь мы имеем дело уже с биохимическим путем усиления. При нарушении физиологических механизмов координации функций отдельных органов развивается четвертый - физиологический, механизм усиления первичного эффекта радиации. Сочетание этих механизмов - физического, химического, биохимического, физиологического - и приводит к тому, что ничтожное по величине и энергетическому эквиваленту первоначальное воздействие ионизирующей радиации многократно и лавинообразно усиливается, реализуясь через определенный срок в виде многочисленных тяжелых повреждений, составляющих в целом картину лучевой болезни.

 

Восстанавливаются ли лучевые повреждения?

Еще совсем недавно - в 40 - 50-х годах нашего столетия, ученые были убеждены, что повреждения, нанесенные живым клеткам ядерными излучениями, мгновенны и необратимы, что они являются следствием попадания ионизирующего кванта или частицы в "мишень" - наиболее уязвимую и чувствительную часть клетки, которую обычно отождествляли с ее ядром или хромосомами. Согласно этой теории, попадание в мишень означало неотвратимую гибель клетки. Чем больше доза радиации, тем больше количество поврежденных клеток, тем сильнее страдает функция органа и всего организма. Восстановление пострадавшего органа и организма относили за счет усиленного размножения уцелевших от поражения клеток.

Однако вскоре появились первые доказательства того, что в действительности дело не столь безнадежно, что пораженная радиацией клетка сохраняет запас жизненных сил и при определенных условиях способна полностью ликвидировать нанесенный ей смертельный урон.

Назовем имена исследователей, открывших новую главу в книге знаний о действии ядерных излучений на живые клетки. Это американцы Альпер и Кимболл, советские исследователи В. И. Корогодин, Н. В. Лучник и Л. С. Царапкин. Работы этих ученых не опровергли полностью теорию "мишени": ведь в клетке действительно существуют участки более или менее важные, более или менее чувствительные к действию радиации. Новое заключалось в доказательстве того, что попадание ионизирующей частицы в мишень-наиболее чувствительный и ответственный участок клетки - еще не означает автоматической ее гибели.

Чтобы познакомиться с деятельностью механизмов восстановления клетки, следует прежде всего разобраться в вопросе, какие именно структуры клетки соответствуют понятию "мишень", повреждение чего ведет обычно к гибели клетки. Уже давно ученые пришли к выводу, что мишень локализуется в ядре. Ионизирующая частица, пролетая, вызывает в ядре и в цитоплазме одинаковые в физическом смысле изменения. Особая чувствительность мишени связана, очевидно, с тем, что ее функция необходима для нормальной жизнедеятельности клетки, а повреждение вызывает глубокие, несовместимые с жизнью изменения.

Итак, мишень - жизненно важные, единственные в своем роде, уникальные внутриклеточные структуры. Очевидно, под это понятие больше всего подходят хромосомы, в особенности важнейшая их составная часть - молекулы ДНК, каждая из которых несет свой особый, уникальный набор генов, необходимых для синтеза клеточных белков. Значит, основная проблема восстановления пораженной радиацией клетки - восстановление поврежденной ДНК. Все остальные компоненты клетки, даже ферментные белки, содержатся в клетке в виде более или менее значительного количества дубликатов. Разрушение нескольких из них еще не фатально. Кроме того, при целости исходного штампа, матрицы - ДНК - клетка всегда имеет возможность отштамповать нужное количество копий.

Поврежденный же участок молекулы ДНК (ген) может способствовать производству измененного белка вместо нормального либо вообще окажется непригодным для синтеза белка. Само по себе это еще не очень опасно: имевшихся в клетке до облучения молекул фермента может быть достаточно для жизнедеятельности. Но вот в жизни клетки наступает момент, когда выявляются, становятся очевидными все дотоле скрытые повреждения генетического аппарата. Это деление клетки, митоз. Его необходимой предпосылкой является самоудвоение ДНК, призванное обеспечить каждую из дочерних клеток полным комплектом наследственной информации. Начинается процесс с расхождения нитей ДНК, на каждой из которых синтезируется новая. Попадание ионизирующей частицы могло привести к разрыву обеих нитей ДНК; тогда молекула оказывается разделенной на два отломка. В процессе митоза один или оба отломка могут потеряться либо неправильно соединиться. Если в результате попадания образуется прочная поперечная связь между нитями ДНК, они не смогут разойтись и приступить к самоудвоению. Разрыв одной нити ДНК не удается выявить до наступления митоза никакими методами. Зато после расхождения нитей ДНК дефект сразу становится явным и может привести к гибели дочерней клетки или ее потомков.

Существуют и другие виды повреждений ДНК ядерными излучениями. Во всех этих случаях клетка гибнет, так как митоз не может осуществиться либо он приводит к образованию неполноценных клеток, гибнущих при попытке разделиться. Митоз, таким образом, оказывается переломным периодом в жизни клетки, своеобразным строгим экзаменом на жизнеспособность и полноценность.

Может ли клетка самостоятельно, без помощи и вмешательства извне устранить образовавшийся дефект? Как доказать наличие в клетке такого восстановительного механизма?

Ученые долго работали над этой проблемой, а решение, как часто бывает, оказалось простым. Дефекты ДНК, как мы уже знаем, отчетливо обнаруживаются в момент вступления клетки в митоз. А что, если увеличить промежуток времени между моментом воздействия излучения и митозом? Если никакого внутриклеточного восстановления не происходит, задержка митоза не повлияет на количество поврежденных клеток в ткани или в культуре вне организма. Если же восстановление имеет место, то отсрочка митоза облегчит ремонтные работы и увеличит количество восстановленных клеток; размер повреждения достоверно уменьшится.

Такого рода эксперименты были поставлены. Известно много способов искусственной задержки митоза. Если суспензию бактерий, дрожжей, культуру клеток млекопитающих перенести в среду, содержащую мало питательных веществ или лишенную некоторых витаминов, клетки в таких условиях не делятся или делятся с большим опозданием. Если суспензию дрожжей сразу после облучения дозой радиации, вызывающей гибель 50% клеток, разделить надвое и поместить одну половину в обычную питательную жидкость, а вторую - в водопроводную воду, то уже через сутки можно получить ответ на интересующий нас вопрос. Дрожжи, попавшие в жидкую питательную среду, начинают интенсивно почковаться. Если через несколько часов высеять их на твердую питательную среду, то каждая живая неповрежденная клетка образует за сутки микроколонию из нескольких сотен и даже тысяч клеток, хорошо видную под микроскопом. А поврежденные радиацией клетки либо совсем не делятся, либо образуют нити или микроколонии из нескольких клеток.

Дрожжи, выдержанные несколько часов в водопроводной воде и затем высеянные на твердую среду, образуют, как показал опыт, вдвое больше микроколоний, чем содержавшиеся после облучения в питательной жидкости, и почти столько же, сколько образуют в этих же условиях необлученные дрожжи.

Выходит, такое простое мероприятие, как искусственная задержка митозов на несколько часов, способствует почти полному устранению вреда, нанесенного большой дозой ядерных излучений. Значит, восстановительная система клетки существует, и задержка митоза облегчает ее функционирование, повышает эффективность.