«Ядерные излучения и жизнь»

Ядерные излучения и жизнь (fb2) - Ядерные излучения и жизнь 4180K (книга удалена из библиотеки) скачать: (fb2) - (epub) - (mobi) - Вилен Абрамович Барабой - Борис Романович Киричинский

В.А. Барабой, Б.Р. Киричинский Ядерные излучения и жизнь

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[1]. 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)[2].

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?"[3].

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[4]. 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[5].

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.

Рис. 4. Фотореактивация. а - контроль: чашка содержит 368 колоний кишечной палочки, б - после воздействия ультрафиолетовыми лучами выжило и образовало колонии 36 бактерий, в - после ультрафиолетового облучения и освещения видимым светом количество колоний возросло до 93

Существуют различные объяснения этого интереснейшего факта. Если повреждение ДНК в большой мере вызвано действием образующихся внутри клетки радиотоксинов, то выдерживание клеток в водопроводной воде облегчает удаление ядовитых веществ. После облучения проницаемость клеточных оболочек увеличивается. И не исключено, что сдвиг проницаемости способствует восстановлению, облегчая и увеличивая отток из клетки радиотоксинов.

Но есть и другие предположения. Наиболее распространенная точка зрения состоит в том, что ядерные излучения повреждают молекулы ДНК в результате прямого попадания ионизирующей частицы или косвенно, через посредство водных радикалов или радиотоксинов. Но эти повреждения еще не носят необратимого характера, это, так сказать, потенциальные повреждения. Если внутриклеточная восстановительная система не успевает устранить повреждения в ДНК до начала деления, они в ходе митоза реализуются, становятся необратимыми.

Прошло еще несколько лет, и ученые получили первые данные о том, что же собой представляет восстановительная система клетки, как она работает. Этому помогли открытия в смежной области - защиты от ультрафиолетовых лучей.

Началось с того, что в 1949 г. двое ученых, даже не подозревавших о существовании друг друга: И. Ф. Ковалев в СССР, в Одесском институте глазных болезней им. В. П. Филатова, и А. Кельнер в США, в институте Карнеги, одновременно открыли новое явление, которое затем получило в науке название фотореактивации. Микроорганизмы, облученные большой дозой ультрафиолетовых лучей (И. Ф. Ковалев работал с инфузориями, а А. Кельнер - с кишечной палочкой и грибками актиномицетами), в темноте быстро погибали; на рассеянном солнечном свету или при специальном освещении (лампой дневного света, накаливания или ртутной), выживало уже 20 - 50% облученных микроорганизмов, а иногда даже до 70-80%. Очевидно, видимый свет способствует "выздоровлению" облученных клеток, ускоряет восстановление нанесенных им повреждений (рис. 4).

Вскоре удалось установить, что повреждающее действие ультрафиолетовых лучей прежде всего сказывается на нуклеиновых кислотах клетки. Ультрафиолетовые лучи с длиной волны 2500 - 2700 А, легко поглощаемые нуклеиновыми кислотами, обладают наибольшим бактерицидным действием.

Механизм поражающего действия ультрафиолетовых лучей и фотореактивации был более глубоко изучен и понят лишь после того, как удалось раскрыть структуру молекул ДНК и их роль в процессах жизнедеятельности клеток. Оказалось, что бактерицидное действие ультрафиолетовых лучей главным образом объясняется образованием в ДНК одного специфического дефекта. Энергия ультрафиолетовых лучей, поглощенных азотистыми основаниями ДНК, особенно тимином, расходуется на разрыв двойной связи в тиминовом кольце. Если одновременно разрываются связи в двух близко расположенных кольцах тимина, то между ними образуется двойная связь. Образование таких соединений- димеров тимина - облегчает спиральная структура молекулы ДНК.

Димеры тимина препятствуют удвоению молекулы ДНК Примерно так же, как два слившихся зубца в застежке-молнии мешают ее раскрытию. Клетки, в которых образовалось несколько таких дефектов, теряют способность делиться и гибнут. Образование димеров тимина - главная причина бактерицидного действия ультрафиолетовых лучей. Поэтому бактерии, у которых ДНК богата тимином, особенно чувствительны к ультрафиолетовой инактивации.

Каким же образом видимый свет, действующий после ультрафиолета (эффект воспроизводится в интервале трех часов) может устранять возникшие дефекты? Чисто физические механизмы оказались непригодными для объяснения. А само явление фотореактивации вызвало очень большой интерес у ученых, когда выяснилось, что оно наблюдается не только у бактерий и грибков, но и у простейших (инфузорий, кольпидий, амеб), иглокожих (морских ежей), водорослей, низших и высших растений, земноводных и млекопитающих.

Первое представление о работе этого механизма ученые получили тогда, когда удалось при длительном облучении разновидности кишечной палочки, особенно устойчивой к радиации, получить форму, отличающуюся очень высокой радиочувствительностью. Измененный микроорганизм во всех остальных отношениях не отличался от устойчивого штамма, но погибал при дозах радиации, не влияющих на здоровье исходной разновидности. Высокая чувствительность нового штамма связана, вероятно, с нарушением функции восстановительной системы. Поскольку возникшие изменения - результат нарушения продукции одного или нескольких ферментов, можно предположить, что и темновая реактивация, подобно фотореактивации, осуществляется одним или несколькими ферментами. Сейчас ученые выделяют эти ферменты и изучают их свойства; кое-что о механизме "починки" поврежденной ДНК мы уже знаем.

Если фермент фотореактивации попросту расщепляет димеры тимина, то ферменты темнового восстановления, имеющие дело с более грубыми и разнообразными повреждениями ДНК, действуют иначе (рис. 5). Сначала поврежденный участок молекулы ДНК (одной ее цепочки) удаляется вместе с соседними неповрежденными нуклеотидами; благодаря второй цепочке целостность молекулы при этом не нарушается. Затем к месту дефекта поступают строительные материалы: азотистые основания, фосфаты, сахара, и целостность "оперированной" нити ДНК восстанавливается. Азотистые основания на отремонтированном участке выстраиваются не как придется, а в том же порядке, в каком были в нити ДНК до облучения. Это достигается благодаря присутствию второй, комплементарной нити, каждое азотистое соединение которой подбирает себе строго определенную пару. Восстанавливается, таким образом, не только целостность структуры молекулы ДНК, но и полный объем наследственной информации, закодированной в ней. Каждый этап темновой репарации (удаление повреждения, расширение дефекта, синтез нового участка цепи, сшивание нити) осуществляется при участии отдельного фермента или ферментной системы.

Чтобы установить все детали этого процесса, ученым Р. Сэтлоу и П. Говард-Фландерсу пришлось осуществить очень тонкие опыты на культурах облученных микробов, размножающихся в среде с тимином, содержащим метку, - радиоактивный атом трития Н3 (тяжелого изотопа водорода). Им удалось показать, что у бактерий, чувствительных к облучению, вся метка оказалась включенной в ДНК, тогда как у устойчивой к радиации культуры микробов часть метки содержалась в небольших фрагментах ДНК, очевидно, удаленных из молекулы в процессе ее ремонта. В других исследованиях в качестве метки был использован искусственный аналог тимина - 5-бромурацил.

ДНК, отремонтированная группой ферментов темновой реактивации, способна, как показали специальные исследования, к удвоению и к передаче наследственной информации, что является гарантией высокого качества проведенного ремонта.

Итак, микроорганизмы и клетки более сложно устроенных живых существ обладают очень точным и быстродействующим ферментативным механизмом, осуществляющим "текущий ремонт" молекул ДНК, исправление возникающих в них лучевых дефектов - защиту ДНК от разрушительного действия излучений.

Рис. 5. Схема процесса темнового восстановления структуры ДНК, поврежденной радиацией а - двойная цепочка ДНК с дефектом (димер темина), б - разрыв дефектной цепи, в - удаление поврежденного участка нити ДНК, г - восстановление исходной структуры ДНК

Но не только излучения нарушают структуру ДНК, искажая смысл кодированных сообщений. Большая группа химических веществ, не только созданных руками человека, но и возникающих внутри организма в ходе процессов обмена веществ, взаимодействуя с азотистыми основаниями или другими компонентами ДНК, вносит ошибки в наследственный код. Такими свойствами обладают, в частности, хиноидные и липидные радиотоксины и другие необычные вещества, накапливающиеся в облученном организме. Очевидно, и многие повреждения ДНК, вызываемые химическими препаратами, устраняются в процессе восстановления. Очень интересно и важно было бы установить, существуют ли специальные ферментные механизмы для противодействия каждому из вредоносных агентов, или все эти повреждения устраняются одной восстановительной системой.

Чтобы ответить на этот вопрос, ученым также пришлось проделать огромную работу: изучить закономерности действия на ДНК различных физических и химических агентов, особенности восстановления в каждом случае, затем сопоставить их между собой. Лишь после этого был получен важный вывод: наряду со специфическим механизмом фотореактивации существует общий механизм исправления дефектов структуры ДНК самой разнообразной природы. Ферменты, осуществляющие процесс темновой реактивации, "распознают" не отдельные измененные или поврежденные азотистые основания, а те деформации и нарушения, которые эти дефекты вносят в спирально-осевую структуру молекулы ДНК в целом. Дефектный участок ДНК устраняется и заменяется аналогичным по структуре нормальным участком, независимо от причины и характера дефекта.

Очевидно, присутствие в клетках описанной восстановительной системы имеет значение не только в плане нейтрализации отдельных вредных воздействий. Роль этого механизма значительно шире и важнее: защита от разнообразных повреждений и воздействий такого вещества, как ДНК, выполняющего роль хранителя и передатчика наследственной информации, способствует сохранению постоянства признаков организмов и видов, обеспечивает повторение, воспроизведение в длинном ряду поколений прародительских свойств, одним словом, гарантирует постоянство наследственных задатков.

Свыше 100 лет тому назад немецкий ученый Август Вейсман попытался экспериментально разрешить вопрос, могут ли передаваться по наследству признаки, приобретенные на протяжении жизни отдельного организма. Несколько сот поколений лабораторных мышей прошло через его руки. Каждой из них до скрещивания ученый аккуратно отрезал хвост, а затем измерял длину хвоста у потомков. Несмотря на столь длительное повторное воздействие, длина хвоста у новорожденных не уменьшалась ни на миллиметр. Из своих опытов Вейсман сделал вывод, который в наши дни, на фоне успехов генетики, молекулярной биологии и других наук, звучит весьма странно и даже анекдотически: приобретаемые организмом свойства не наследуются, поскольку наследственное вещество, ответственное за передачу признаков организма, бессмертно и независимо от подверженного влияниям смертного тела.

И все же, при всей странности выводов Вейсмана, с современной точки зрения, в них содержалось важное рациональное зерно: большинство признаков, приобретенных организмом в процессе жизнедеятельности, действительно не передается потомкам. Простой житейский опыт убеждает, что дети молотобойца или грузчика не наследуют его мощной мускулатуры, так же как дети инвалида войны лишены его увечий. Постоянство видовых и индивидуальных признаков в длинном ряду поколений обеспечивается существованием сложного и стройного механизма кодирования, сохранения, воспроизведения и передачи наследственной информации, особенностями устройства и обмена ДНК (которая, в отличие от белков, неохотно вступает в большинство биохимических реакций). Теперь мы знаем, что в обеспечении постоянства наследственных задатков организмов, в защите их от влияний среды немаловажная роль принадлежит и общему механизму восстановления повреждений ДНК, механизму исправления ошибок генетического кода.

Но ведь постоянство видовых свойств все-таки относительно: время от времени среди массы особей данного вида возникают новые признаки, виды изменяются, появляются новые, весь органический мир развивается, эволюционирует - это хорошо известно со времен Дарвина. Значит, какая-то часть повреждений ДНК все-таки остается неустраненной, и за счет этих изменений - мутаций, появляются новые признаки и свойства; наряду с наследственностью существует и изменчивость организмов. Из массы возникающих изменений механизм отбора, естественного или искусственного, сохраняет наиболее ценные, полезные признаки, способствующие эволюции вида, его лучшему приспособлению к условиям среды.

Следовательно, для успешного развития вида, его эволюции и выживания необходимо оптимальное соотношение между наследственностью и изменчивостью, оптимальная частота возникающих новых признаков. Вид, создавший в ходе эволюции слишком совершенную систему устранения дефектов ДНК, становится консервативным, не поспевает в своем развитии за изменением среды и в конечном счете перестает эволюционировать, оказывается в тупике и даже может погибнуть.

Существование системы исправления повреждений ДНК имеет не только общебиологическое, эволюционное значение. Важна роль этой системы в регуляции устойчивости организма, отдельных его клеток и тканей к радиации. Познав в деталях механизм исправления дефектов, люди смогут управлять им, по желанию повышая сопротивляемость важных органов действию радиации или искусственно повышая чувствительность опухолевой ткани к лучевой терапии.

От каких же факторов зависит эффективность деятельности восстановительной системы? Некоторые из этих факторов нам уже известны. Прежде всего это частота митозов: если она достаточно высока, интервал между облучением и митозом по крайней мере частично обеспечивает возможность восстановления. Снижение частоты митозов, достигаемое любым возможным методом (гипотермия, гипоксия, введение антимитотических средств типа колхицина, уретана, адреналина и т. п.), дает более или менее значительный противолучевой эффект главным образом благодаря деятельности восстановительной системы.

Реакция торможения митозов является у высокоорганизованных живых существ стереотипным, неспецифическим ответом на самые разнообразные воздействия. Шум, яркий свет, электрические и механические раздражения, колебания температуры и действие других физических и химических агентов более или менее значительной интенсивности - все они вызывают кратковременную, но ясно выраженную реакцию торможения митозов.

Можно полагать, что эта реакция имеет двоякое значение для жизнедеятельности организма. С одной стороны, она как бы сосредоточивает клетки на выполнении их специфической деятельности, в той или иной степени необходимой для правильного ответа на действующий раздражитель; не отвлекаясь для митотического деления, клетки, ткани и органы, очевидно, функционируют более полноценно. С другой стороны, реакция торможения митозов как бы заблаговременно мобилизует организм на борьбу с возможной опасностью, переводит его в состояние максимальной устойчивости и сопротивляемости, причем важнейшее значение имеет создание оптимальных условий для деятельности восстановительной системы.

Помимо частоты митозов эффективность работы восстановительного механизма ограничивается еще и размером повреждения. Если в молекуле ДНК одновременно разрываются обе нити, то такой разрыв чаще всего уже не восстанавливается: отсутствует образец, по которому ферменты темновой реактивации осуществляют ресинтез поврежденной полинуклеотидной цепи. Виды излучений, отличающиеся большей величиной линейных потерь энергии, большей плотностью ионизации (нейтроны, протоны, альфа-частицы и более тяжелые многозарядные ядра), вызывают в клетках более грубые повреждения, чаще обусловливают появление двойных разрывов в молекулах ДНК, которые почти не восстанавливаются. В этом одна из причин высокой биологической эффективности подобных излучений, их опасности для живых клеток и организмов.

Итак, лучевое поражение - не мгновенный необратимый процесс, фатально определяющий судьбу облученной клетки в самый момент воздействия. Доказано, что в облученной клетке протекают сложнейшие процессы, усиливающие и ослабляющие тяжесть поражения, борются противоположные силы и влияния. Деятельность общего механизма исправления ошибок, ферментной восстановительной системы в значительной степени определяет исход борьбы, склоняя чашу весов в сторону сохранения жизнеспособности, выживания облученной клетки. Познав детали механизма восстановления, люди научатся управлять им, усиливать защиту от радиации жизненно важных органов, а в ткани опухоли искусственно повышать чувствительность к лучевому лечению. Власть над одним из важнейших механизмов живого позволит использовать его и для разработки более эффективных и быстрых способов выведения новых сортов культурных растений и пород животных, направленного изменения наследственности организмов и лечения наследственных болезней. Так сугубо научные и, казалось бы, далекие от жизни исследования рано или поздно начинают непосредственно служить людям, приносить конкретную пользу.

Глава 3. Организм после облучений

Острая лучевая болезнь

Итак, вызываемые ядерными излучениями сдвиги, нарушения в животном организме, начинаясь на уровне атомов, ионов, радикалов и молекул, постепенно нарастают, усложняются, увеличиваются под влиянием присущих живому организму механизмов усиления первичного эффекта. Конечный, видимый результат этого процесса - лучевая болезнь, острая или хроническая, либо более отдаленные последствия облучения, проявляющиеся на протяжении жизни самого облученного организма или его потомков. Впрочем, весьма нередка возможность сочетания всех указанных последствий облучения.

Попробуем разобраться в тех весьма серьезных нарушениях, которые возникают в организме, подвергшемся действию ядерных излучений.

Комплекс изменений, развивающихся вскоре после воздействия на весь организм значительных доз ионизирующей радиации, называется острой лучевой болезнью. Эта болезнь может быть вызвана при общем облучении организма дозами ионизирующей радиации в пределах примерно 100-1000 р. Меньшее количество излучения не вызывает серьезных нарушений самочувствия и состояния организма. Дозы, превышающие 1000 р., также вызывают тяжелую лучевую болезнь, но вследствие более быстрого развития процесса она называется острейшей, крайне тяжелой, а при дозах выше 10 - 20 тыс. р - молниеносной. Об этих формах лучевого поражения речь будет идти дальше.

Действие указанных доз радиации относится лишь к наиболее высокоразвитым животным организмам - млекопитающим. Вообще же в живой природе существуют чрезвычайно большие различия в чувствительности к действию лучей (так называемой радиочувствительности). Такие мельчайшие одноклеточные существа, как инфузории, почти в тысячу раз устойчивее к облучению, чем млекопитающие, а некоторые водоросли и грибы переносят, не погибая, облучение миллионом рентгенов. Это не значит, однако, что высокоорганизованные существа всегда более чувствительны к радиации, чем просто устроенные организмы. Оказывается, другие представители того же типа грибов погибают при облучении несколькими десятками рентгенов. Таким образом, радиация поражает все живые существа, но для получения одного и того же результата необходимы в разных случаях весьма различные дозы; максимальное различие - порядка миллиона рентгенов. Даже млекопитающие, достаточно близкие по уровню развития, имеют весьма различную чувствительность к радиации, которая зависит от вида животного, его возраста, пола и индивидуальных особенностей.

Каким же образом можно сравнивать чувствительность к действию радиации животных разных видов? Это можно сделать, пользуясь двумя основными показателями. Первый из них - так называемая доза половинной выживаемости, действие которой вызывает гибель половины облученных животных в течение месяца (30 суток) после действия лучей. Иначе такая доза называется полулетальной (полусмертельной) и обозначается для краткости ЛД 50/30. Уже один этот показатель - гибель половины животных, в то время как другие выживают - свидетельствует о существовании больших индивидуальных различий в чувствительности к радиации.

Второй показатель называется минимальной абсолютно летальной дозой радиации. (Это такое наименьшее количество лучей, которое вызывает гибель всех облученных животных данного вида в течение 30 суток после облучения). Обозначение дозы - ЛД 100/30. Естественно, что все дозы радиации, превышающие ЛД 100/30, также вызывают гибель всех облученных животных, но только в более короткий срок. Чем больше доза радиации, тем короче средняя длительность жизни облученных животных.

При минимальной абсолютно летальной дозе радиации средняя продолжительность жизни мышей и крыс- классических объектов экспериментального изучения действия радиации - около 12 суток. Из-за различий в чувствительности животных к излучению ученые нередко несколько увеличивают дозу, так что средняя продолжительность жизни мышей уменьшается до 6 - 10 суток. При дозе излучения примерно 1000 р. средняя продолжительность жизни укорачивается до 3 - 5 суток и сохраняется в этих пределах при дальнейшем увеличении дозы до 10 - 15 тыс. р. Лишь при более высоких дозах срок жизни животных начинает вновь укорачиваться, и при 20 - 30 тыс. р и более смерть животных наступает во время воздействия радиации - непосредственно "под лучом".

Следовательно, средняя продолжительность жизни облученных животных также может быть использована как показатель тяжести лучевого поражения. Пользуясь показателем ЛД 50/30 или чаще ЛД 100/30, можно сравнить биологическую эффективность разных видов ионизирующей радиации, радиочувствительность различные видов животных (табл. 2), возрастов, полов в рамках одного вида и оценить эффективность того или иного метода защиты, профилактики или лечения острой лучевой болезни.

Как же протекает острая лучевая болезнь у млекопитающих и в первую очередь у человека?

Наука располагает многочисленными наблюдениями над людьми, подвергшимися облучению значительными дозами радиации. Часть этих наблюдений относится к тому периоду, когда вредное действие рентгеновских лучей было еще неизвестно. Многочисленные данные получены при лучевом лечении онкологических больных. Наконец, в распоряжении ученых имеются наблюдения и данные опроса жителей Хиросимы и Нагасаки, а также подробные результаты изучения немногочисленных случаев облучения людей при авариях реакторов и т. п. Ниже приведены минимальные смертельные дозы рентгеновских лучей (в рентгенах):

Во всех случаях после действия значительной дозы рентгеновских или гамма-лучей у людей отмечаются возбуждение, сменяющееся угнетением, головная боль, слабость, головокружение, тошнота, рвота, потеря аппетита, снижение работоспособности и мышечной силы, повышенная утомляемость и т. п. В первые годы после открытия Рентгеном Х-лучей эти явления относили за счет действия озона, окислов азота, образующихся в рентгеновских кабинетах, и лишь со временем, после установления связи этого комплекса явлений с облучением, они получили название "рентгеновского похмелья". В настоящее время такое состояние человека рассматривается как первый период острой лучевой болезни, период начальных реакций. Для этого периода характерны также колебания пульса и артериального давления (с тенденцией к снижению), незначительное повышение температуры тела, бледность, потливость. Эти явления вместе или порознь наблюдаются и при многих других болезнях. Следовательно, они не составляют специфического характерного признака острой лучевой болезни. Картина "рентгеновского похмелья" представляет собой результат раздражения центральной нервной системы, совокупность проявлений, говорящих о нарушении ее функций.

Отмеченные выше явления в легких случаях лучевой болезни выражены слабо и продолжаются несколько часов. В тяжелых случаях период начальных реакций продолжается сутки и даже больше. Но затем все же наступает значительное улучшение: головная боль, головокружение и тошнота проходят, нормализуются температура тела и аппетит, и больной нередко считает себя выздоровевшим. В действительности же наступило не выздоровление, а второй период заболевания, который называется периодом скрытого течения лучевой болезни.

Это название правильно отражает сущность заболевания. Под покровом кажущегося выздоровления продолжают развиваться и накапливаться болезненные изменения, идут, постепенно ускоряясь и нарастая, цепные свободнорадикальные реакции, которые, по представлениям Б. Н. Тарусова, Н. М. Эмануэля и других ученых, приводят в конце концов к развитию основных симптомов, признаков острой лучевой болезни. Естественно, что чем выше доза облучения, тем больше начальное количество свободных радикалов и других активных продуктов облучения, тем быстрее идут порожденные ими биохимические реакции, тем раньше развивается картина болезни и короче должен быть скрытый период.

Действительно, такая закономерность имеет место: если в легких случаях скрытый период заканчивается через 20 - 25 (до 35) дней после облучения, то при облучении большими дозами радиации и при высокой чувствительности организма к излучению он может вообще отсутствовать. Вслед за периодом начальных реакций непосредственно развертывается картина лучевой болезни.

Чем короче скрытый период, тем тяжелее последующие проявления болезни, тем хуже ее прогноз. Поэтому длительность скрытого периода наряду с длительностью и тяжестью проявлений болезни в ее первом и третьем периодах служит основанием для классификации острой лучевой болезни по степени тяжести течения.

Легкая степень лучевой болезни, развивающаяся обычно после облучения небольшими дозами (150 - 250 р), характеризуется слабо выраженным и непродолжительным (несколько часов) периодом начальных реакций (иногда он вообще отсутствует); период мнимого благополучия продолжается около трех-четырех недель и постепенно переходит в период разгара болезни. Длительность (около недели) и глубина последнего невелики и сменяются периодом полного выздоровления. При еще меньших дозах (25 - 100 р.) у части облученных наблюдается лишь первый период болезни (однократная тошнота, рвота), а в дальнейшем отмечается лишь слабость и утомляемость.

В случаях лучевой болезни средней тяжести (дозы 300 - 450 р) период начальных реакций выражен ясно и продолжается 12 - 20 час; длительность скрытого периода составляет 5 - 15 суток. В разгаре лучевой болезни ярко выражены все ее основные симптомы, однако длительность этого периода не превышает 10 - 15 суток. Затем следует период выздоровления, который, однако, не всегда бывает полным: в некоторых случаях длительно сохраняется пониженная работоспособность, легкая утомляемость, наблюдаются постоянные колебания картины крови и другие признаки, указывающие на то, что болезнь принимает хроническое течение.

Рис. 6. Изменения веса тела, артериального давления у обезьян и количества лейкоцитов крови у обезьян и мышей после воздействия рентгеновских лучей (доза 600 р). а - динамика веса тела, б - изменение максимального артериального давления, в - динамика количества лейкоцитов крови: 1, 2 - максимальное и минимальное количества лейкоцитов в крови мышей в норме, 3 - исходный уровень лейкоцитов у обезьян, 4 - лейкоциты крови у облученных мышей, 5 - лейкоциты крови у облученных обезьян

При тяжелом течении лучевой болезни (после облучения дозами 500 - 1000 р) период начальных реакций продолжается одни-двое суток и характеризуется тяжелыми явлениями: судорогами, спутанностью сознания и т. п.; следующий период - мнимого благополучия - не превышает трех - шести дней. Период разгара лучевой болезни продолжается от двух недель до месяца и больше. Выздоровление происходит медленно и, как правило, бывает неполным. На третьей-четвертой неделе заболевания нередко бывает смертельный исход.

Но вернемся к скрытому периоду болезни. Несмотря на кажущееся выздоровление, в облученном организме неумолимо развиваются болезненные процессы; некоторые из них, протекающие на уровне атомов, радикалов и молекул, трудно проследить с помощью обычных клинических методов. Однако другие процессы, идущие на уровне клеток, тканей и органов, уже находятся в сфере наблюдения. Наиболее удобным для наблюдения объективным показателем развития заболевания является картина крови облученного животного.

Усиленно делящиеся клетки кроветворных органов - костного мозга, селезенки, лимфатических узлов - особенно чувствительны к действию радиации. Поэтому система крови наряду с нервной системой чрезвычайно быстро реагирует на облучение. В период начальных реакций, кроме описанных выше изменений функционального состояния нервной системы, наблюдаются изменения состава крови - увеличивается количество белых кровяных телец, особенно молодых. Эта реакция, по-видимому, тоже результат раздражения кроветворной ткани. Однако, как и в нервной системе, состояние раздражения костного мозга непродолжительно и сменяется угнетением.

С переходом облученного организма в период мнимого благополучия число лейкоцитов (белых кровяных телец) начинает снижаться. В тяжелых случаях падение лейкоцитов начинается почти сразу за облучением, без стадии подъема. Лимфоциты - наиболее чувствительные к облучению белые кровяные тельца - особенно рано и быстро реагируют на облучение: количество их в крови резко уменьшается. Снижение уровня лейкоцитов, особенно лимфоцитов, продолжается в течение всего скрытого периода.

Быстрота снижения уровня лейкоцитов в крови так же, как и продолжительность самого скрытого периода, в какой-то степени является показателем тяжести развивающегося процесса лучевого поражения, поэтому за ним внимательно следят (рис. 6).

При облучении уменьшается также число кровяных пластинок - тромбоцитов, участвующих в процессах свертывания крови, а также молодых красных кровяных телец, так называемых ретикулоцитов. Однако благодаря тому, что красные кровяные тельца живут довольно долго, до 120 - 140 дней, их уровень в крови снижается сравнительно медленно. Их снижение становится особенно заметным лишь в третьем периоде лучевой болезни - в периоде ее разгара.

После более или менее продолжительного периода мнимого благополучия развертывается картина собственно лучевого поражения - грозная картина нарушения всех основных жизненных процессов. Быстрота развития симптомов этого периода, их глубина и разнообразие непосредственно зависят от степени тяжести лучевой болезни. В легких случаях продолжительный скрытый период постепенно и почти незаметно переходит в период выраженных клинических проявлений болезни. О наступлении этого периода вначале свидетельствует лишь некоторое повышение температуры. В тяжелых случаях светлый промежуток между первым и третьим периодами болезни непродолжителен. Он сменяется резким подъемом температуры и возобновлением всей симптоматики, наблюдавшейся непосредственно после облучения: возобновляются головная боль, головокружение, слабость, тошнота, потеря аппетита, в тяжелых случаях поносы и рвоты. Кожа становится сухой и вялой, наблюдается выпадение волос, резко снижается число всех форменных элементов крови, которое в тяжелых случаях, связанных с истощением функции кроветворной системы, достигает очень большой степени. Лимфоциты полностью исчезают из крови, количество других белых кровяных телец уменьшается до 300 - 100 и даже до 50 клеток в 1 мм3, тогда как в нормальном организме их содержится 5- 8 тыс. Значительно уменьшается также количество тромбоцитов. Красные кровяные тельца страдают меньше: уменьшение их количества в некоторой степени компенсируется более значительным насыщением каждого эритроцита гемоглобином. Нарушается также состав белков сыворотки крови.

Таким образом, весьма постоянное и типичное проявление острой лучевой болезни - комплекс симптомов, или, как говорят медики, синдром угнетения функции кроветворных органов. Развитие этого синдрома имеет важное значение для состояния облученного организма и для исхода болезни. Уменьшение гемоглобина и эритроцитов в принципе могло бы нарушить доставку кислорода к тканям, однако обычно этого не бывает даже в тяжелых случаях острой лучевой болезни. Выздоровление или гибель наступают раньше, чем количество эритроцитов достигнет критического уровня. Зато поражение других форменных элементов крови имеет серьезное значение. Низкий уровень тромбоцитов - одна из причин нарушения процесса свертывания крови и развития кровоточивости. Характерное для острой лучевой болезни глубокое угнетение процесса образования лейкоцитов приводит к ослаблению защитных сил организма.

Как показал наш великий соотечественник И. И. Мечников, лейкоциты активно борются против проникшей в организм инфекции, будучи одним из факторов иммунитета - невосприимчивости к заразным заболеваниям. Уменьшение их числа - одна из причин развития в облученном организме инфекционных осложнений. Наконец, нарушение белкового состава сыворотки крови также имеет отношение к процессам свертывания и обмена веществ между кровью и тканями. Развитие синдрома поражения кроветворных органов - одна из главнейших причин гибели животных, облученных дозами 200 - 1000 р.

Другой весьма частый и характерный признак острой лучевой болезни - синдром кровоточивости, или геморрагический синдром. Развитие этого состояния наблюдается обычно на 8 - 10-е сутки после облучения, а при легком течении болезни - позже или может вообще не произойти. При крайне тяжелом течении заболевания гибель животного может наступить раньше, чем успевают развиться проявления геморрагического синдрома. У грызунов кровоизлияния образуются обычно вокруг глаз и носа, а также в брыжейке кишечника. У собак и морских свинок наблюдается кровоточивость сосудов слизистых оболочек ротовой полости, десен, языка, носа.

Кровоизлияния появляются под конъюнктивой глаза, реже в подкожной клетчатке, слизистых оболочках желудка, кишечника, мочевого пузыря. Весьма часты кровоизлияния в легкие, диафрагму, брыжейку и расположенные в ней лимфатические железы. В тяжелых случаях все внутренние органы оказываются затронутыми этим процессом. Примесь крови появляется в кале, моче, мокроте.

Развитие геморрагического синдрома приводит к более или менее значительной потере крови, что для организма, и без того ослабленного облучением, имеет серьезное значение. В некоторых случаях значительное внутреннее кровотечение (в брюшную полость, полость мочевого пузыря и т. п.) может быть непосредственной причиной падения артериального давления и гибели животных. Кровоизлияния во внутренние органы могут оказать серьезное влияние на их функцию. Наконец, появление значительных очагов кровоизлияний, связанных с нарушением целости стенки сосудов, способствует возникновению инфекционных очагов.

Еще один важный клинический синдром острой лучевой болезни - резкое снижение защитных сил организма и связанное с ним развитие инфекционных осложнений. Выше было отмечено, что уменьшение количества лейкоцитов неблагоприятно сказывается на способности организма противостоять инфекции. Серьезное значение в этом отношении имеет поражение селезенки, печени и других органов, в которых вырабатываются растворенные в крови факторы иммунитета - так называемые антитела. Они склеивают и разрушают микроорганизмы, проникшие в кровь. В облученном организме выработка антител в ответ на инфекцию замедляется, поэтому микроорганизмы успевают размножиться.

Каждый живой организм (человек в этом отношении не составляет исключения) соприкасается с огромным и разнообразным миром микробов. Многие представители этого невидимого мира постоянно живут на поверхности нашего тела (на коже и слизистых), а также в полости пищеварительного тракта и дыхательных путей. Эти микробы совершенно безвредны до тех пор, пока остаются на поверхности кожи и слизистых оболочек, они питаются отходами и отбросами макроорганизма и даже приносят определенную пользу (микробы кишечника частично разлагают клетчатку растительной пищи; они также синтезируют некоторые необходимые человеку витамины группы В).

Однако такое взаимовыгодное сожительство возможно только потому, что живой организм огражден от проникновения микробов специальными барьерами в виде кожи, слизистой оболочки, стенок сосудов, лимфатических узлов. Совершенно иные условия складываются в облученном организме. Целостность и прочность сосудов снижаются. Лимфатические узлы, в том числе сложный лимфатический аппарат кишечника, выделяющийся своей радиочувствительностью даже среди кроветворных органов, разрушаются и опустошаются. Значительно ослабляются клеточные и жидкостные факторы иммунитета, содержащиеся обычно в крови. В результате этого микроорганизмы, обитающие в кишечнике, в дыхательных и мочевыводящих путях, в ротовой полости и на коже, не встречают сопротивления со стороны организма-хозяина и устремляются внутрь его, в кровь, а с ней - во все внутренние органы. Уже в первые часы после облучения организма значительными дозами ядерных излучений можно обнаружить микробы, проникшие в лимфатические узлы кишечника и в кровь. А с наступлением периода разгара острой лучевой болезни этот процесс достигает больших размеров и оказывает нередко решающее влияние на развитие и исход всего заболевания. Наиболее важная роль в этом принадлежит микроорганизмам кишечника, и прежде всего самому распространенному из них - так называемой кишечной палочке.

Кишечные микробы, проникшие в кровь, вызывают повышение температуры, лихорадку, увеличение РОЭ - реакции оседания эритроцитов. При гибели и разрушении микроорганизмов выделяются токсины - яды, которые еще больше усиливают эффекты радиации - подавление функций кроветворных органов, увеличивают проницаемость и хрупкость сосудов, оказывают вредное влияние на деятельность всех внутренних органов. Так создается своеобразный порочный круг, весьма отягощающий течение острой лучевой болезни.

Рис. 7. Кривая длительности выживания мышей после общего однократного облучения в зависимости от дозы

Микробы, обитающие в дыхательных путях, легко проникают в ткань легких облученных животных, быстро размножаются в очагах кровоизлияний и нередко вызывают воспаление легких - еще одно тяжелое осложнение лучевой болезни. Воспалительный процесс в виде стоматитов, гингивитов, глосситов охватывает также ротовую полость. Развитие стоматитов всегда свидетельствует о достаточно тяжелом течении болезни. Многочисленные инфекционные осложнения, переходящие нередко в общее заражение крови - сепсис, являются одной из главных причин гибели животных, облученных дозами 300 - 1000 р, наступающей обычно на третьей-четвертой неделе болезни.

При увеличении дозы облучения более 1000 р животные гибнут в течение первых трех - пяти суток. За такой короткий срок не успевают развиться в полной мере ни синдром угнетения кроветворных органов, ни тем более геморрагический синдром. При этой острейшей форме лучевой болезни главное значение приобретает синдром поражения кишечника. Изменения в его лимфатическом аппарате, сосудах и в соединительнотканных барьерах настолько значительны, что становятся главной причиной ранней гибели животных.

Значительный вклад в изучение этой так называемой кишечной смерти внесли Кастлер и другие американские ученые. Им удалось доказать, что облучение большими дозами радиации одного только кишечника дает почти точно такие же изменения, как и общее облучение организма. При этом значение поражения кишечника состоит не только в раскрытии ворот для проникновения инфекции. Оказывается, облученные животные теряют через пораженный кишечник из-за развития тяжелых поносов большое количество жидкости, а с ней из организма удаляются и минеральные соли. В результате чрезвычайно быстро развивается истощение организма, всестороннее ослабление его жизненных функций, что вместе с инфекцией приводит к быстрой гибели животных (рис. 7, 8).

Увеличение дозы облучения от тысячи до 20 тыс. р приводит лишь к укорочению продолжительности жизни животных (от 3 - 5 до 1,5 - 2 дней), причем картина болезни отличается незначительно. Однако при облучении более 20 - 30 тыс. р происходит скачкообразное изменение: животные гибнут в первые минуты после облучения или даже непосредственно "под лучом". Как показали опыты отечественных и иностранных исследователей, в механизме молниеносной формы лучевой болезни главное значение имеет непосредственное, прямое разрушительное действие радиации на центры нервной системы.

Таким образом, мы рассмотрели многочисленные и тяжелые проявления болезни, развивающейся при однократном общем облучении организма ионизирующей радиацией. Познакомились с основными формами этой болезни, их зависимостью от дозы радиации, а также с главными периодами клинического течения и болезненными синдромами. Обсудили, насколько это возможно в рамках популярной работы, основные механизмы патологического процесса, характеризующие острую лучевую болезнь, и современные научные представления в этой области. Из всех материалов, собранных как в результате многочисленных экспериментов, так и на основе клинических наблюдений, можно сделать вывод о чрезвычайной сложности процессов, обусловливающих течение лучевой болезни, и о сложности защиты организма от поражающего действия ядерных излучений и лечения развившихся повреждений.

Рис. 8. Изменения стенки кишечника грызунов при общем однократном облучении. а - нормальная структура кишечной стенки: ворсинки выстланы эпителиальным покровом, в углублениях между ворсинками эпителий образует слой крипт: 1 - крипты, 2 - ворсинки, 3 - эпителий ворсинок, 4 - подслизистая оболочка, 5 - мышечный слой, 6 - серозная оболочка; б - первая стадия лучевого поражения кишечника: истончение слизистой оболочки; исчезновение слоя крипт без нарушения целости покрова ворсинок; в - вторая и третья стадии лучевого поражения кишечника: ворсинки лишены эпителиального покрова, в углублениях между ворсинками начинается восстановление эпителия и слоя крипт

Течение процесса восстановления после перенесенной острой лучевой болезни имеет важнейшее значение как для самого облученного организма, так и для его потомков. Выздоровление практически возможно не только в тех случаях, когда организм получил дозу, меньшую, чем абсолютно летальная, но и при облучении смертельными дозами, если принимались соответствующие меры профилактики и лечения.

Восстановление происходит постепенно. Снижается температура тела, прекращаются кровотечения, начинают рассасываться старые очаги кровоизлияний. Нормализация температуры свидетельствует о прекращении поступления микроорганизмов в кровь. Общее самочувствие и состояние улучшаются. Восстановление кроветворного аппарата начинается еще в период разгара болезни. Появляются ретикулоциты. Увеличивается количество лейкоцитов, тромбоцитов. В определенный период после облучения уровень кровяных элементов оказывается даже выше исходного. Затем происходят снижение и нормализация. Облысевшие участки кожи покрываются волосами.

В зависимости от степени тяжести болезни длительность периода выздоровления составляет от двух недель до месяца и больше. Во многих случаях, особенно при тяжелом течении болезни, полного выздоровления не наступает.

Остаточные явления перенесенной болезни могут исчезнуть в более поздний период, через 1,5 - 2 года, либо заболевание принимает хроническое течение.

Наиболее частое и стойкое последствие облучения - общее ослабление организма, которое проявляется в виде физической и умственной утомляемости, общей слабости, неустойчивости кроветворения, пониженной сопротивляемости действию различных вредных факторов, в частности инфекции. Способность организма приспосабливаться к меняющимся условиям жизни ослабляется, облученное животное легко выходит из строя при любых трудностях.

Следовательно, животное, перенесшее острую лучевую болезнь, не всегда полностью оправляется после этого тяжелого страдания. В значительной части случаев болезнь переходит в хроническую форму. Кроме того, даже полное выздоровление облученного организма еще не гарантирует его от опасности отдаленных последствии действия ядерных излучений, которые могут проявиться через много лет как у самого пострадавшего, так и у его потомства.

Описанная картина острой лучевой болезни возникает при общем более или менее равномерном облучении организма значительной дозой радиации извне. Среди людей такие случаи крайне редки, так как обычно бывают следствием аварии, несчастного случая, нарушения правил техники безопасности и т. п. Гораздо чаще приходится иметь дело с местным облучением определенного участка тела большими дозами радиации, применяемыми с целью лучевой терапии злокачественных опухолей. В этих случаях на опухоль и прилегающие к ней здоровые ткани воздействуют достаточно большими разовыми (150 - 500 р) дозами радиации. Всего за курс лучевого лечения больной может получить до 5 - 10 тыс. р, т. е. во много раз больше, чем доза, абсолютно смертельная для человека. Но благодаря тому, что облучается лишь небольшой участок тела, типичная лучевая болезнь не развивается. В большинстве случаев не бывает и местных осложнений. Среди последних, если они возникают, преобладают местные поражения кожи (дерматиты, кровоизлияния, эритема, трофические нарушения), при облучении живота и тазовой области - воспалительные процессы (колиты, циститы, проктиты), нарушения функции соответствующих органов. Общие изменения в виде слабости, раздражительности, головокружений, потери аппетита, снижения артериального давления и количества лейкоцитов и тромбоцитов в крови, повышенной кровоточивости и т. п. выражены обычно слабо и лишь при особенно массивных облучениях, главным образом области живота и таза. При общем неравномерном облучении организма на первый план обычно выступают нарушения отдельных органов и систем, подвергшихся преимущественному воздействию радиации.

Таким образом, в отличие от острой лучевой болезни, возникающей вследствие общего равномерного облучения организма значительными (свыше 100 - 150 р) дозами радиации, при местном или неравномерном облучении отсутствуют или слабо выражены общие изменения, связанные с глубоким нарушением деятельности систем регуляции (нервной, эндокринной, сердечно-сосудистой), а также кроветворной системы. Доминируют нарушения тех органов и систем организма, которые подвергались воздействию больших доз радиации. Если своевременно не обратить внимания на эти нарушения и не принять мер, дерматиты, колиты, язвы, трофические нарушения и т. п. приобретают стойкий характер и крайне медленно поддаются в дальнейшем излечению.

Особенности лучевой болезни, вызванной внутренним облучением и действием потоков нейтронов, протонов и т. п.

При попадании в живой организм значительного количества радиоактивных изотопов развивающиеся в нем изменения имеют совершенно ту же физическую природу, что и при воздействии излучений извне. Особенности внутреннего облучения носят поэтому главным образом количественный характер. Картина лучевого поражения во многом зависит от характера излучения, присущего данному изотопу (альфа-, бета- или гамма-излучатель), от его дозы и поведения в организме. Альфа-излучатели вызывают повреждение тканей на ограниченном участке, обычно в органе, в котором они накапливаются. Повреждения могут быть достаточно грубыми, ввиду высокой линейной плотности ионизации, присущей альфа-частицам. Изотопы, излучающие преимущественно бета- и гамма-лучи, дают более разлитое, менее локализованное повреждение тканей.

Серьезное значение имеет растворимость изотопа в жидкостях организма, способность всасываться через неповрежденную кожу (присущая главным образом жирорастворимым веществам), быстрота проникновения в кровь. За периодом всасывания изотопа, поступления в кровь наступает период его циркуляции по жидкостным системам организма и период постепенного связывания изотопа органами его фиксации. Соответственно особенностям поведения радиоактивных изотопов изменяется и картина лучевого поражения. Благодаря постепенности всасывания начало болезни протекает более постепенно, менее бурно, чем при внешнем облучении организма. Переходы от одного клинического периода болезни к другому выражены недостаточно четко. Поэтому в случае лучевого поражения, вызванного значительной дозой проникшего внутрь радиоактивного изотопа, правильнее применять термин "подострое", а не "острое" течение болезни.

Периоду циркуляции изотопа в крови соответствует состояние общего поражения организма, сходное с картиной третьего периода острой лучевой болезни, вызванной внешним облучением. В этот период преобладают симптомы раздражения нервной системы (головные боли, головокружения, раздражительность, повышение температуры), кроветворной системы (повышенное количество ретикулоцитов, молодых форм лейкоцитов в крови, кровяных клеток с определенными нарушениями), пищеварительного тракта (поносы) и т. п. Постепенно явления раздражения сменяются угнетением функций организма, в первую очередь угнетением кроветворения, сохраняющимся длительно и обусловливающим переход болезни (при фиксации в организме значительного количества изотопа) в хроническую форму. На фоне этого хронического процесса постепенно все более вырисовываются симптомы поражения отдельных органов, прежде всего тех, которые стали местом фиксации радиоактивного изотопа.

Изотопы, равномерно распределяющиеся в организме (тритий, натрий - 24, цезий - 137, рутений - 106, теллур - 127 и др.), дают картину тотального поражения организма, весьма близкую к картине острой или подострой лучевой болезни, вызванной внешним облучением. В поражающем действии других изотопов, имеющих в организме свое излюбленное место накопления, постепенно вырисовывается преимущественное поражение именно этих и соседних органов. Клиническая картина отравления организма такими изотопами имеет много общего с проявлениями местного или преимущественного поражения радиацией, действующей извне.

Изотопы, накапливающиеся в костях (стронций - 89 и - 90, кальций - 45, радий - 226, уран - 238, плутоний - 239, иттрий - 91, цирконий - 95), преимущественно поражают костную ткань, костный мозг и половые железы, что проявляется в длительном снижении уровня лейкоцитов, тромбоцитов, в малокровии, в неустойчивости и легкой ранимости кроветворной системы, в длительном бесплодии. В более отдаленные сроки реальна опасность развития злокачественных опухолей костей.

Радиоактивные изотопы, плохо растворимые в жидкостях организма и циркулирующие в них в виде коллоидных растворов (церий - 144, торий - 232, лантан - 140), захватываются элементами ретикуло-эндотелиальной системы и преимущественно поражают печень, селезенку, лимфатические узлы, вызывая уменьшение количества лимфоцитов и других форм белых кровяных телец, длительное нарушение выработки антител, крайнее ослабление защитных сил организма, облегчающее развитие воспалительных и иных болезненных процессов, нарушения функции печени и т. п.

Радиоактивный цинк накапливается в поджелудочной железе, молибден - в радужной оболочке глаза, железо - в эритроцитах крови. Отравление ими может приводить к поражению этих органов. Проникновение в организм радиоактивного йода приводит к быстрому его накоплению в ткани щитовидной железы. Поскольку радиоактивный йод излучает сравнительно мягкие бета-лучи, его действие ограничивается преимущественно тканью щитовидной железы. Этим пользуются врачи, применяя радиоактивный йод с лечебной целью когда необходимо разрушить часть ткани этой железы (опухоль, некоторые формы зоба и т. п.). Другие изотопы частично накапливаются в печени. При внутреннем облучении могут преимущественно поражаться органы, через которые изотоп удаляется из организма (почки, желчные пути, кишечник).

Органы, в которых накапливаются радиоактивные изотопы, или пораженные внутренним облучением, чаще становятся жертвой последствий действия радиации (лейкемий, злокачественных опухолей, нефросклероза и т. п.).

Большой интерес представляет изучение особенностей поражающего организма действия потоков частиц высоких энергий, в первую очередь нейтронов, протонов, а также электронов. Если мощные потоки нейтронов возникают главным образом в ходе ядерных и термоядерных реакций, осуществляемых человеком, то с потоками протонов и электронов люди сталкиваются при освоении космического пространства. Более подробно об этом будет говориться в соответствующем разделе книги.

Если протоны и электроны при соприкосновении с живым телом вызывают в нем все тот же эффект ионизации (а также возбуждения), подобный действию рентгеновских и гамма-лучей, то действие нейтронов сложнее. Будучи незаряженными, эти частицы способны проникать внутрь атомов, вызывая внутриядерные реакции и, в частности, образование искусственных радиоактивных изотопов. После нейтронного облучения более или менее длительно сохраняется так называемая наведенная радиоактивность. За счет этого процесса организм может дополнительно получить некоторую дозу радиации. Описанный эффект играет главную роль при действии лишь так называемых медленных нейтронов, обладающих малой скоростью и энергией. Быстрые нейтроны, сталкиваясь с ядрами атомов, отдают им часть своей энергии, превращая их в ядра отдачи, вызывающие вторичную ионизацию. Особенно быстро нейтроны отдают свою энергию ядрам водорода - протонам. Поэтому вода - один из лучших поглотителей нейтронного облучения, а биологическое действие быстрых нейтронов в большой мере обусловлено ионизирующей активностью протонов отдачи.

Физические эффекты, вызываемые различными ионизирующими агентами, весьма сходны, поэтому мало отличаются и их биологические эффекты. Однако количественные различия могут быть значительными. Дело в том, что линейная плотность ионизации для протонов, нейтронов, альфа-частиц, как правило, значительно выше, чем рентгеновских и гамма-лучей. В пределах одной клетки протон или нейтрон успевает вызвать гораздо больше ионизации, а значит, и повреждений, чем гамма-квант. Поэтому при одинаковой физической дозе излучения биологический эффект альфа-частиц, протонов, нейтронов (с энергией несколько миллионов электрон-вольт) оказывается в 5 - 10 раз выше, чем у гамма-лучей. Но с увеличением энергии и скорости ионизирующих частиц число пар ионов на единицу их пробега уменьшается, а относительная биологическая эффективность (вычисленная по выживаемости, средней продолжительности жизни животных, срокам наступления периодов лучевой болезни, тяжести клинической картины, изменениям крови и т. п.) сначала уменьшается до единицы, а затем падает еще ниже. По данным советских авторов, протоны с энергией в 126 Мэв (мегаэлектронвольт) примерно столь же активны, как гамма-лучи, а протоны 660 Мэв почти вдвое менее эфективны, чем гамма-лучи (ОБЭ колеблется по разным показателям от 0,5 до 0,9 - 1,0).

Так обстоит дело с ранними проявлениями лучевого поражения. Что же касается отдаленных последствий, то здесь опасность потоков быстрых частиц вырисовывается особенно наглядно. Оказывается, лучевые катаракты особенно часто возникают после нейтронного облучения. Что же касается наиболее грозного последствия облучения организма - злокачественных новообразований, то после воздействия нейтронных и протонных потоков опухоли возникают весьма часто и в больших количествах. Экспериментальные данные советских авторов Ю. И. Москалева, В. Н. Стрельцовой, Е. Е. Чеботарева и других показали, что сравнительно небольшие дозы нейтронного облучения вызывают появление разнообразных злокачественных опухолей у 30 - 50% облученных крыс, причем формы опухолей необычны для данного вида животных. Очевидно, более грубые повреждения, вызываемые этими излучениями, способствуют злокачественному перерождению клеток.

Наконец, животные, перенесшие нейтронное облучение, нередко гибнут через несколько месяцев, по-видимому, из-за глубокого повреждения иммунологических, защитных механизмов, из-за пониженной сопротивляемости организма. Таким образом, потоки частиц высоких энергий, наряду с общим ионизирующим действием, сходным с эффектом гамма-лучей, обладают и некоторыми специфическими отличиями, обусловленными иной линейной плотностью ионизации и проявляющимися как в ранний период, так и в отдаленные сроки после облучения.

Хроническая лучевая болезнь

Следствием неполного выздоровления после перенесенного острого радиационного поражения может быть хроническая лучевая болезнь. Однако эта болезнь может развиться и вне связи с острой формой под влиянием длительного воздействия на организм небольших доз внешнего облучения, а также при постоянном внутреннем облучении за счет осевших где-то в организме радиоактивных изотопов.

Начальные признаки хронической лучевой болезни, характерные для ее первого периода (легкая раздражительность, утомляемость, головная боль, головокружение, общая слабость) настолько неспецифичны, нестойки, что их легко относят за счет всяческих недомоганий, простудных заболеваний, переутомления и т. п.

Картина крови на этом - первом этапе развития болезни такая же, как при острой лучевой болезни: преобладают явления раздражения кроветворных органов, что проявляется в увеличении продукции лейкоцитов (в том числе и лимфоцитов), особенно молодых форм, а также ретикулоцитов. Наряду с явлениями стимуляции кроветворения могут быть и противоположные сдвиги в виде уменьшения уровня лейкоцитов, измененных форм клеток и т. п. Чаще всего наблюдаются волнообразные колебания числа клеток около уровня нормы, снижение кровяного давления, неустойчивость пульса. На этом этапе болезни изменения носят нестойкий, функциональный характер и в результате отдыха и лечения (нередко обычного санаторного) полностью проходят.

Однако при продолжающемся действии малых доз облучения болезнь прогрессирует, вступает во второй этап. Развивается потливость, снижается кровяное давление, выделение желудочного и кишечного соков, головная боль резко усиливается и становится постоянной, ухудшается память. Начинают появляться признаки повышенной проницаемости и ломкости сосудов: при легких ушибах или даже без них образуются кровоподтеки, часто возникают носовые кровотечения, стоматиты, усиливается выпадение волос. Количество лейкоцитов в крови падает ниже 2 тыс. Снижается количество тромбоцитов. Появляется много дегенеративных, токсических форм клеток крови. Нарушается функция желез внутренней секреции. Вследствие общего ослабления организма легко возникают инфекционные осложнения - бронхиты, воспаления легких, кишечника, желчных путей. Из-за ослабления реактивности организма эти воспалительные процессы протекают без сильной температурной реакции, но со значительным общим угнетением.

В последнем периоде хронической лучевой болезни все описанные явления прогрессируют, приобретая необратимый характер. Развивается глубокая дегенерация внутренних органов, организм почти утрачивает способность восстанавливать разрушенные клетки, кроветворение угасает. Стойкое понижение кровяного давления сочетается с множественными кровоизлияниями, легко возникают и тяжело протекают инфекционные процессы.

Однако такой тяжелый, далеко зашедший процесс наблюдается чаще всего в экспериментальных условиях. Люди же, подвергающиеся риску облучения малыми дозами ионизирующей радиации, находятся под постоянным медицинским надзором, у них систематически берется кровь на анализ. В случае появления самых первых, еще нестойких признаков хронического лучевого заболевания или только при подозрении они получают дополнительный отпуск и соответствующее общеукрепляющее лечение. Эти несложные, но своевременно принятые меры устраняют опасность тяжелых осложнений, развития лучевого поражения и гарантируют сохранение здоровья и работоспособности.

В тех редких случаях, когда мероприятий санаторного типа оказывается недостаточно, чтобы полностью устранить явления начавшегося хронического процесса, прибегают к медикаментозному лечению. Оно включает обязательно средства, успокаивающе действующие на нервную систему: бром, легкие снотворные из группы препаратов барбитуровой кислоты, а также средства, повышающие жизненный тонус (женьшень, китайский лимонник, элеутерококк, пантокрин и др.). При явлениях угнетения кроветворения повторно применяют переливание крови и ее компонентов (лейкоцитной и тромбоцитной массы, плазмы) или кровозаменителей (белково-солевых смесей), вводят витамины В6, B12, фолиевую кислоту, а также стимуляторы кроветворения - нуклеиновокислый натрий, лейкоген, тезан и др. Однако в тяжелых случаях стимуляторы неэффективны и даже вредны, так как могут ускорить истощение кроветворной системы. Поэтому при тяжелых формах хронической лучевой болезни ограничиваются переливаниями крови и ее компонентов, чтобы восполнить потребность организма (это так называемое заместительное лечение). Чтобы уменьшить проницаемость сосудов, дают аскорбиновую кислоту, рутин и другие препараты витамина Р, серотонин и его производные, е-аминокапроновую кислоту, викасол, хлористый кальций. Для лечения инфекционных осложнений применяют антибиотики.

Питание больных хронической лучевой болезнью во всех случаях должно быть обильным, полноценным, содержать в достаточном количестве витамины, белки, минеральные соли и быть легко усвояемым.

Отдаленные последствия облучения организма

Многолетние наблюдения за жителями Хиросимы и Нагасаки, пережившими атомное нападение, а также многочисленные экспериментальные исследования свидетельствуют о том, что в большинстве случаев в организме, который подвергался действию значительных доз радиации и перенес острую или хроническую лучевую болезнь, через много лет могут развиться самые разнообразные болезненные процессы. В одних случаях отдаленные последствия облучения прямо связаны с действием радиации и являются закономерным итогом скрыто текущего процесса. В других случаях облучение создает известные предпосылки, способствующие развитию нового тяжелого недуга. Однако в обоих случаях несомненная роль облучения побуждает отнести эти болезненные процессы к числу последствий лучевого поражения организма.

Какие же новые испытания ожидают организм, сумевший победить непосредственную опасность, связанную с лучевым повреждением? К числу отдаленных последствий облучения относятся лучевые катаракты, злокачественные опухоли, в том числе опухоли кроветворной ткани (лейкозы, эритремии), нарушения развития плода и потомства облученных организмов, нарушения деятельности многих систем организма, явления преждевременной старости, сокращение продолжительности жизни.

Лучевые катаракты (помутнения хрусталика) развиваются как при действии ядерных излучений на глаз, так и под влиянием общего облучения организма. Особенно часто наблюдаются катаракты при длительном действии нейтронов. Японские ученые установили, что у людей, находившихся на расстоянии до 4 км от места взрыва, лучевые катаракты развились в 25 - 30% случаев, причем с момента взрыва проходило от нескольких месяцев до 12 лет и больше.

Злокачественные опухоли возникают после перенесения как общего внешнего облучения, так и внутреннего облучения радиоактивными изотопами. Под влиянием мягких рентгеновских лучей и потоков электронов, не проникающих глубоко внутрь организма, через много лет могут развиться опухоли кожи и подкожной клетчатки. Жесткие рентгеновские и гамма-лучи, имеющие большую проникающую способность, со временем могут вызвать развитие опухолей в более глубоко расположенных органах. Когда ученые еще не знали о вредном действии этих лучей и не прибегали к каким-либо мерам предосторожности, через 20 - 30 лет после начала деятельности у врачей-рентгенологов в ряде случаев наблюдалось развитие рака кожи, особенно часто - кожи рук, которыми врачи под контролем рентгеновского экрана производили те или иные манипуляции. Первый достоверный рентгеновский рак кожи был описан немецким ученым Фрибеном в 1902 г., т. е. всего через шесть лет после открытия лучей Рентгена, у 33-летнего рентгенотехника, который четыре года занимался демонстрацией рентгеновских трубок, для чего подставлял под луч свои руки; на тыльной части правой кисти развился рак кожи. Одно из опаснейших последствий длительного облучения организма малыми дозами радиации и кратковременного действия большими мощностями - развитие опухолей кроветворной системы. Чаще всего опухолевый процесс поражает те клетки костного мозга, которые участвуют в образовании лейкоцитов крови и особенно чувствительны к действию лучей. Опухоль этой ткани обычно вызывает усиленное образование белых кровяных телец - белокровие, лейкемию, или лейкоз. Такая форма опухолевого процесса развивается весьма бурно и злокачественно. Как показали наблюдения за жителями Хиросимы и Нагасаки, число заболеваний лейкозами среди людей, перенесших ядерный взрыв, начало возрастать примерно через шесть-семь лет после окончания войны и в настоящее время превышает число заболеваний среди необлученных в три-четыре раза. У лиц, находившихся ближе к месту взрыва, лейкемия возникала чаще, чем у тех, кого отделяло от этого места большее расстояние, и примерно в 15 раз чаще, чем у необлученных. Значительно реже, чем лейкозы, развиваются опухоли красной кроветворной ткани - так называемые эритремии. Они протекают гораздо менее злокачественно и лучше поддаются лечению.

Под влиянием длительного вдыхания радиоактивной пыли, а также газообразных радиоактивных веществ - радона и его продуктов - развивается рак легкого. Именно рак легкого скрывался под маской так называемой "болезни рудокопов", наблюдавшейся в Иоахимстале (Чехословакия). Опасность рака легкого должна учитываться и при работе в урановых рудниках.

В случае проникновения в организм долгоживущих радиоактивных изотопов создаются условия для длительного облучения органов и тканей и, следовательно, для развития опухолей. При этом преимущественно поражаются именно те органы, в которых накапливаются изотопы и которые получают наибольшую дозу облучения. Изотопы, накапливающиеся в костях (радий, торий, стронций и др.), вызывают развитие саркомы костей. Саркома челюсти, развивавшаяся у работниц часовой фабрики, явилась следствием попадания в рот светящегося состава, содержавшего соль радия. Накопление в организме радиоактивного цезия-137 способствует возникновению опухоли печени.

Однократное воздействие значительной дозы радиации или длительное внешнее или внутреннее облучение организма относительно малыми дозами вызывает со временем и серьезные нарушения в системе кроветворения. Одним из распространенных последствий облучения, по данным эксперимента и клиники, является стойкое повышение артериального давления. Повреждение почечной ткани при выведении радиоактивных изотопов из организма приводит к замещению разрушенных клеток функционально неполноценной соединительной тканью. Этот процесс нефросклероза еще больше усиливает гипертонию. В облученном организме быстрее развиваются склероз сосудов, повреждения мышцы сердца, что также сказывается с возрастом. Таким образом, через десятки лет организм, перенесший мощное или длительное облучение, не гарантирован от возникновения опухолей и от других последствий действия радиации.

Облучение организма матери в период беременности оказывает серьезнейшее влияние на развитие плода. Большая доза лучей может вызвать внутриутробную гибель плода, преждевременные роды или уродства, нередко несовместимые с жизнью, а также аномалии внутренних органов, помутнения роговицы и т. п. Роды у матерей, облученных во время беременности, протекают тяжело из-за слабости родовой деятельности и разнообразных осложнений. Дети, облученные внутриутробно, подвергаются опасности развития лейкоза и тяжело переносят детские заболевания.

Опасность возникновения уродств существует и в тех случаях, когда будущие родители подвергаются облучению до зачатия. Повреждения нуклеопротеидных структур половых клеток родителей могут привести к временной стерильности и нарушению нормального развития плода.

Описанные отдаленные последствия облучения встречаются лишь у немногих лиц, подвергшихся облучению. Однако некоторые последствия в большей или меньшей степени наблюдаются у всех организмов, подвергшихся действию ядерных излучений. Многочисленными опытами и наблюдениями установлено, что после интенсивного или длительного облучения сокращается продолжительность жизни организма, во всех органах и тканях происходят изменения, которые можно охарактеризовать, как раннее, преждевременное старение. Чем больше доза радиации, тем значительнее укорачивается жизнь. Таким образом, благополучный исход острой или хронической лучевой болезни и отсутствие серьезных отдаленных последствий облучения не спасают живой организм от этого универсального эффекта. Даже в самом благополучном случае лучевая болезнь не проходит бесследно. Ее вредное влияние распространяется за пределы жизни данного облученного организма и может сказаться на протяжении жизни нескольких поколений его потомков.

Влияние радиации на потомство

Каждый организм, даже самый совершенный и сложно устроенный, ведет свое начало от одной - единственной клетки, которая образовалась в результате слияния половых клеток,- гамет - родителей. В гаметах, а затем и в оплодотворенной яйцеклетке - зиготе - заложены все основные наследственные качества будущего организма. В объеме, равном одной таблетке аспирина, можно поместить около двух миллиардов мужских гамет - сперматозоидов. Этого количества в принципе достаточно для удвоения численности населения Земли. Такое чудесное "консервирование" наследственных задатков целого организма в рамках одной микроскопически малой клетки возможно только потому, что в клетке существует специальный механизм, код, хранящий в зашифрованном состоянии наследственную информацию.

Многочисленными экспериментальными исследованиями установлено, что важнейшую роль в деятельности этого механизма играют биополимеры, особенно нуклеиновые кислоты. Полимерная структура нуклеиновых кислот представляет собой цепочку последовательно соединенных мономеров - нуклеотидов, каждый из которых состоит из молекулы сахара (рибозы или дезоксирибозы), молекулы фосфорной кислоты и азотистого основания. В состав нуклеиновой кислоты входят четыре основных азотистых основания, порядок расположения которых по цепочке кислоты вносит разнообразие в ее структуру и участвует в формировании генетического кода.

Главным хранителем информации является, очевидно, дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК), расположенная в ядрах клеток и входящая в состав сложной структуры хромосом. Как показали опыты английских исследователей Уотсона и Крика, молекула ДНК состоит из двух самостоятельных полинуклеотидных цепочек, связанных между собой водородными связями, но способных при определенных условиях разделяться. По последним данным, полученным профессором А. М. Кузиным и его учениками, молекулы ДНК способны объединиться в еще более сложные надмолекулярные структуры, имеющие немало общего со сложными хромосомными структурами. Молекулы ДНК служат как бы штампом, матрицей, на которой синтезируются, штампуются молекулы рибонуклеиновой кислоты (РНК), передающие наследственную информацию дальше - молекулам белхов, в том числе ферментативных. В свою очередь синтез нуклеопротеидных структур осуществляется при участии ряда ферментов.

Отдельные участки молекулы ДНК, носящие название генов или цистронов, хранят в закодированном виде сведения, планы устройства отдельных белков. Чтобы эта зашифрованная схема превратилась в реальную белковую молекулу, необходим очень сложный, но точно работающий механизм реализации наследственной информации.

Как же работает этот удивительный, ни с чем не сравнимый механизм? В спирально изогнутой двойной цепочке ДНК азотистые основания, соединяющиеся в пары с помощью водородных связей, образуют нечто вроде ступенек винтовой лестницы. Чтобы "прочесть" скрытую в них наследственную информацию и передать схему производства белков на специальные фабрики белков- рибосомы, нужно сначала разделить нити ДНК, разорвать водородные связи между азотистыми основаниями. Связи эти очень непрочны и в условиях клетки в нужный момент разрываются. Азотистые основания - ступеньки лестницы - молекулы ДНК - имеются четырех видов: аденин, гуанин, тимин и цитозин. Из них-то и состоят буквы наследственного кода. Простейшей единицей - мономером белка - является аминокислота. Чтобы сохранить в наследственной памяти клетки структуру белка, нужно располагать алфавитом минимум из 20 букв. Но азотистых оснований только четыре. Решение было найдено только в 1963 г. Оказалось, что каждой аминокислоте в будущем белке соответствует комбинация из трех азотистых оснований (триплет). А таких комбинаций из четырех оснований можно получить даже не 20, а 64.

Итак, первый вопрос ясен: триплеты азотистых оснований ДНК кодируют последовательность аминокислот в молекуле белка. Но ДНК находится в ядре клетки, а рибосомы - фабрики белка - в цитоплазме. Должен существовать, следовательно, какой-то посредник, переносчик информации от ДНК ядра к рибосомам цитоплазмы. Выполняет эту роль один из видов РНК - так называемая информационная РНК, или РНК переносчик. Размер ее молекулы точно соответствует размеру гена - участка ДНК, кодирующего структуру одной белковой молекулы. В пределах гена образование информационной РНК идет так, что каждому азотистому основанию гена соответствует определенное основание РНК. Следовательно, структура РНК полностью зависит от структуры гена, является ее зеркальным отражением. Наследственная информация вместе с самим зеркалом - молекулой информационной РНК -переходит из ядра в рибосому. А по другим каналам туда же доставляются строительные материалы - аминокислоты. Каждый вид сырья транспортирует специальный носитель. Эту роль исполняет другая форма РНК - транспортная, существующая в двадцати разновидностях (по числу аминокислот). В рибосомах проект будущей молекулы белка, доставленный РНК-переносчиком, встречается с потоками стройматериалов, доставленных транспортными РНК. Здесь проект облекается в плоть и кровь. Вдоль молекулы информационной РНК, в соответствии с порядком и структурой ее триплетов, выстраиваются аминокислоты. Они соединяются между собой, белковая цепь готова,

Вся эта, внешне простая схема передачи генетической информации от ДНК к белкам построена на основе длительных и кропотливых исследований. Особого внимания заслуживают фундаментальные работы лауреатов Нобелевской премии американских ученых Очоа, Корнберга, Ниренберга, советских академиков А. Н. Белозерского, А. С. Спирина и др.

Итак, наследственная информация в половых клетках хранится, размножается и передается благодаря существованию этого сложного, весьма точного и совершенного процесса, в котором роль главного хранителя информации и первичного штампа выполняют молекулы ДНК, расположенные в ядре клетки.

Важнейшая особенность генетических структур клетки - их уникальный характер. Молекулы ферментов и других биологически важных соединений всегда присутствуют в клетке в виде большего или меньшего количества одинаковых копий. Клеточные же структуры, ответственные за хранение наследственной информации, состоят из различных по составу и функции молекул. Даже в рамках одной полинуклеотидной цепочки ДНК, очевидно, существуют разнокачественные участки, несущие различную информацию.

Естественно, что даже минимальные повреждения генетических структур, ничтожные изменения их состава могут иметь самые серьезные последствия для клетки. Если же это клетка половая, печальные последствия могут быть как для всего будущего организма, так и для его потомков. Изменение устройства, "узора" первичного штампа повторяется, воспроизводится затем в сотнях и тысячах копий, передается через молекулы РНК молекулам белков, оказывает влияние на течение обменных процессов в клетке, нарушая их точную и совершенную координированность. Если описанное изменение "узора" матрицы произошло в половой клетке, оно воспроизводится во всех клетках организма, вырастающего из этой клетки, в том числе и в его половых клетках. Следовательно, это изменение может передаться по наследству и потомкам организма, по крайней мере некоторым из них. Большинство возникающих изменений структуры ДНК устраняется восстановительными системами клетки, о которых шла речь выше. Однако часть возникших изменений сохраняется и вызывает стойкое наследственное изменение того или иного признака организма. Такие стойкие и передающиеся по наследству изменения, наступающие в организме внезапно под влиянием определенной причины (в данном случае - действия ионизирующей радиации), получили в науке, по предложению голландского ученого де Фриза, название мутаций.

Ядерные излучения представляют собой один из самых мощных в природе мутагенных факторов. Вследствие неповторимости генетических структур клетки стойкое изменение наследственности - мутация - может возникнуть при попадании в половую клетку одной ионизирующей частицы или кванта. А это возможно при очень малом количестве ионизирующих лучей. Следовательно, мутации могут возникнуть (и они действительно возникают) даже под влиянием того ничтожного излучения, которое составляет радиоактивный фон и обусловлено действием космических лучей и естественной радиоактивностью воздуха, воды, почвы, окружающих предметов и нашего собственного тела. Естественный фон радиации существует постоянно и в любом месте земного шара, поэтому такое излучение наряду с другими природными мутагенными факторами, непрерывно воздействуя на весь органический мир, вызывает у его представителей периодическое появление новых стойких признаков, т. е. участвует в возникновении естественного мутационного процесса.

Вреден или полезен процесс образования мутаций? На этот вопрос невозможно ответить одним словом и даже одной фразой. Все зависит, согласно материалистической диалектике, от обстоятельств, места и времени. Прогресс органического мира, возникновение новых видов животных и растений, все более приспособленных к условиям изменяющейся среды, в которой они обитают, невозможны без изменения консервативной наследственной основы, без мутаций. Таким образом, в великом процессе эволюции органического мира мутации играют активную, революционную роль, создавая условия для появления новых органических форм.

Чем совершеннее устроен организм, чем более сложную совокупность признаков, структур и функций он собой представляет, чем лучше он приспособлен к условиям жизни, тем меньше возникает в таком организме полезных мутаций, способствующих дальнейшему прогрессу его организации. Наоборот, с усложнением организма резко увеличивается доля вредных мутаций, ослабляющих живое существо, снижающих его жизнеспособность и приспособленность к жизненным условиям. И это понятно: в сложнейшем механизме всякое, даже незначительное изменение почти наверняка означает поломку, и лишь в очень редких случаях такое изменение может оказаться полезным. Ведь излучения действуют на клетки хаотически, каждое отдельное повреждение генетических структур, каждая мутация случайны по отношению к общему процессу органической эволюции и к развитию данного организма и вида.

Но природа располагает миллионами индивидуумов и тысячами лет для осуществления своей творческой работы. Один-единственный новый полезный признак организма окупает миллионы неудачных попыток, появление сотен тысяч неполноценных особей, безжалостно устраняемых действием естественного отбора. Механизм образования мутаций, в том числе вызванных действием радиоактивного фона, играет в мастерской природы роль одного из важнейших инструментов прогресса.

Однако в применении к отдельным людям, равно как и ко всему человечеству, этот механизм оказывает в основном отрицательное влияние. Достигнув в условиях Земли наибольшего совершенства организации, вид Homo sapiens (человек разумный), естественно, больше других видов страдает от мутационного процесса. Даже редко встречающиеся положительные мутации не закрепляются естественным отбором и не служат прогрессу человеческого рода. Это происходит потому, что естественный отбор, имеющий решающее значение в эволюции всех диких органических форм, потерял ведущую роль в отношении людей и тех животных и растительных видов, которые культивируются и совершенствуются человеком. Судьбу отдельного человека (и целого человеческого коллектива) решает в обществе не сила мускулов, не крепость зубов и не быстрота бега. Главное значение для развития человечества имеют многочисленные факторы социальной жизни общества, действующие более быстро, интенсивно и однозначно и вызывающие несравненно более быстрые и серьезные изменения в жизни человека, чем естественные природные факторы. В этих условиях даже естественный мутационный процесс играет почти исключительно отрицательную роль, обусловливая появление врожденных уродств, наследственных; заболеваний у 2 - 3% рождающихся.

Совершенно ясно поэтому, что всякое увеличение скорости появления мутаций неблагоприятно и нежелательно. Вот почему так настойчиво и последовательно выступают все прогрессивные люди Земли за прекращение-испытаний ядерного оружия, ликвидацию его запасов и средств доставки. Повышение радиоактивного фона Земли вследствие выпадения радиоактивных изотопов - осколочных продуктов ядерных взрывов - способствует увеличению числа мутаций, оказывает незаметное на первый взгляд, но достаточно серьезное воздействие на всю живую природу. Особенно сильную опасность несет облучение такими долгоживущими радиоактивными продуктами, как цезий - 137 (период полураспада 33 года) и углерод - 14 (период полураспада 5600 лет).

Цезий - 137 распределяется в организме довольно равномерно и своим гамма-излучением повреждает половые железы. Углерод - 14 легко включается во все органические структуры и также может поражать половой аппарат. Что же касается стронция - 90, то он концентрируется в костях, и его бета-излучение, как правило, не достигает половых желез.

Неизбежным следствием увеличения радиоактивности на поверхности Земли является ускорение естественного темпа мутирования во всем органическом мире. Испытательные ядерные взрывы вызвали нарушение ряда природных закономерностей, положили начало процессам, последствия которых будут очень долго давать себя чувствовать, а размеры их возможного вреда для человечества пока не поддаются точному учету.

Мутационные изменения, как мы знаем, могут возникнуть в половых клетках млекопитающих под влиянием даже одной ионизирующей частицы. Это значит, что для мутагенного генетического действия радиации фактически нет предела, ниже которого оно не проявляется. С увеличением дозы облучения возрастает и опасность образования мутаций. Эта опасность весьма реальна для потомков лиц, перенесших тяжелую форму лучевой болезни, что побуждает врачей в некоторых случаях рекомендовать таким больным не иметь детей.

Рис. 9. Постепенное поседение шерсти у мышей после облучения

Генетические изменения, вызванные облучением в половых клетках млекопитающих, могут быть настолько серьезны, что плод, вырастающий из облученной клетки, оказывается нежизнеспособным и гибнет еще до рождения на свет. Это так называемые летальные мутации. В других случаях мутационные нарушения совместимы с жизнью, однако вызывают уродства, наследственные заболевания типа гемофилии и серповидноклеточной анемии.

Рис. 10. Доминантные и рецессивные мутации в потомстве мушки дрозофилы, облученной рентгеновскими лучами. Черная точка на брюшке указывает на присутствие рецессивного мутантного гена

Если один из родителей был облучен до зачатия ребенка, то мутационные изменения, возникшие в части его половых клеток, могут вообще не отразиться на состоянии здоровья потомка. Такой результат возможен при оплодотворении за счет здоровых гамет (рис. 10). Однако и в случаях оплодотворения мутировавшей гаметой последствия мутации могут сразу не проявиться. Это наблюдается в тех случаях, когда доминирует аналогичный мутировавшему признак здорового родителя. Такие мутации, не обладающие свойствами доминантных, называются рецессивными. В течение многих поколений рецессивные мутации могут скрыто сохраняться в генетическом аппарате потомков облученного организма и лишь при встрече с другой такой же рецессивной мутацией проявиться в виде гибели организма (рецессивные летали) или уродств, аномалий развития.

Увеличение радиоактивного фона, облучение ионизирующей радиацией значительных контингентов людей неизбежно ведут к накоплению рецессивных мутаций и создают серьезнейшую потенциальную угрозу для будущих поколений. Вот почему усилия Советского правительства, направленные на то, чтобы повсеместно и на вечные времена было запрещено применение и испытание ядерного оружия, наряду с огромным политическим и социальным имеют и общебиологическое значение.

Глава 4. Допустимые дозы и защита от ядерных излучений

Излучения в природе (радиоактивный фон)

Человек живет в радиоактивном мире и потому, хочет ли он этого или нет, независимо от рода его занятий, подвергается непрерывному действию ядерных излучений, исходящих от окружающей его природы. Эта доза облучения, получаемая человеком от природных источников, носит название природного, или естественного, фона облучения.

Природный фон облучения невелик, и повышенный интерес ученых к нему возник сравнительно недавно - в основном после того, как человек научился управлять энергией атома. И возник он не случайно. По мере дальнейшего расширения областей применения атомной энергии, радиоактивных изотопов и источников излучений все более стал расширяться круг лиц, подвергающихся действию этих излучений. Сразу же возник вопрос: какие дозы облучения безопасны для человека и какие представляют опасность? Вопрос этот оказался, однако, далеко не простым.

Коварная особенность рентгеновских лучей и ядерных излучений в том, что они не вызывают непосредственных болевых ощущений и между облучением и проявлением физиологических изменений в облученном организме может пройти значительный срок, измеряемый в ряде случаев многими годами. Вот тут-то и оказывается полезным знание природного фона облучения человека.

Дело в том, что радиоактивные элементы на Земле возникли задолго до появления на ней живых существ и, следовательно, с самого зарождения жизни организмы всех живых существ, в том числе и человека, непрерывно подвергались действию природного фона облучения. Имеющиеся в науке данные позволяют утверждать, что интенсивность природного фона облучения существенно не изменилась, во всяком случае за несколько последних десятков тысяч лет. Естественно допустить, что доза, которой человек облучается в течение многих тысячелетий, безопасна, поскольку за такой длительный срок организм человека должен был приспособиться к природному фону облучения.

Природный фон обусловлен источниками излучения, находящимися как вне, так и внутри человека. И внешнее, и внутреннее облучения имеют свои характерные особенности, поэтому мы рассмотрим их отдельно.

Источники внешнего облучения человека - радиоактивные вещества, содержащиеся в почве, окружающих нас горных породах, воздухе, строительных материалах, из которых построены наши жилища, и, наконец, лучи, приходящие к нам из глубин мирового пространства и носящие название космических лучей. Радиоактивные вещества, находящиеся вне организма (почва, горные породы, стройматериалы и др.), излучают все три вида радиоактивных излучений - альфа-; бета- и гамма-лучи. Из них только гамма-лучи принимаются в расчет при определении дозы, получаемой человеком. Малая проникающая способность бета- и особенно альфа-лучей является причиной того, что подавляющая часть их поглощается воздухом, органическими веществами, находящимися на поверхности земли, верхними слоями строительных материалов, одеждой человека и только незначительное количество их попадает на тело человека, да и оно поглощается поверхностным слоем кожи.

Многочисленные измерения, проведенные в различных местах земного шара, показывают, что за счет радиоактивных веществ, содержащихся в грунте и горных породах, человек получает в среднем дозу 1 - 2,4 мрад в неделю, или 50 - 130 мрад в год. Меньшие значения получены над уровнем моря, большие - над горными породами вулканического происхождения. Зимой эта величина меньше, чем летом, так как слой снега в 30 см уже снижает вдвое интенсивность гамма-излучения.

На земном шаре есть, однако, места, в которых природный уровень облучения значительно превосходит приведенные выше значения. Так, в Индии (штаты Керала и Мадрас) имеется узкая полоса земли шириной всего в несколько сотен метров, а длиной около 200 км. покрытая монацитными песками, содержащими значительное количество радиоактивного тория. Мощность дозы в пределах полосы составляет 130 - 2800 мрад/год. Такому облучению подвергается около 100 тыс. человек, живущих в пределах полосы. Аналогичные явления можно наблюдать в Бразилии (штаты Миранас, Жояс и Гояс), где годичная доза внешнего облучения доходит до 12 рад. Повышенный фон встречается и в других местах земного шара.

Большинство людей проводят значительную часть своей жизни в закрытых помещениях. Получают ли они при этом большую или меньшую дозу, чем те, кто находится на открытом месте? С одной стороны, стены домов должны защищать их от излучения грунта и горных пород, с другой - ряд строительных материалов (кирпич, бетон и др.) содержит в себе некоторое количество радиоактивных веществ. Чтобы ответить на этот вопрос, в 1954/55 г. в Швеции были проведены измерения природного фона облучения в 986 квартирах, расположенных в 677 домах, выбранных в 13 городах. Дома были построены до 1946 г., т. е. до начала массовых испытаний ядерного оружия. Данные измерений показали, что в деревянных домах мощность дозы несколько меньше, а в кирпичных и бетонных несколько больше, чем на открытом воздухе. Наибольшие значения фона получены в зданиях, построенных из гранита.

В атмосферном воздухе всегда содержится некоторое количество радиоактивных веществ - гамма-излучателей. Это радон, выделяющийся из радия, содержащегося в земной коре, продукты его распада, радиоактивные аэрозоли, образующиеся при выветривании горных пород, и радиоактивные изотопы, возникшие в воздухе под действием космических лучей. Доза, создаваемая всеми источниками, невелика и составляет в среднем около 0,013 мрад в неделю.

Наконец, к перечисленным источникам внешнего облучения человека необходимо добавить дозу, полученную за счет космических лучей. Для местности, расположенной в средних широтах (широта 50°), эта доза составляет около 50 мрад в год на уровне моря, значительно возрастая с высотой. На высоте 1 км над уровнем моря она возрастала до 90 мрад в год, а на высоте 5 км - до 800 мрад в год.

Кроме внешнего облучения организм человека подвергается еще внутреннему, источником которого являются радиоактивные изотопы, входящие в состав организма. Это - К40, содержащийся преимущественно в нервной и мышечной ткани, радий, отлагающийся в костной ткани, газообразные продукты распада радона, накапливающиеся в дыхательных путях, и радиоактивные изотопы углерода - С14, рубидия - Rb87 и полония - Ро210.

Внутреннее облучение по сравнению с внешним отличается рядом особенностей:

1. Если при внешнем облучении учитывалось только гамма-излучение, то при внутреннем основное действие оказывают альфа- и бета-излучения, имеющие возможность действовать непосредственно на жизненно важные ткани и органы человека.

2. Большинство радиоактивных изотопов накапливается в определенных тканях, что приводит к неравномерному облучению отдельных частей организма.

3. Внутреннее облучение действует все время, пока радиоактивные вещества находятся внутри организма.

Данные радиобиологических исследований показывают, что не все органы и ткани человеческого организма обладают одинаковой чувствительностью к облучению. Наиболее чувствительны гонады - половые железы и органы кроветворения. Поэтому помимо общей дозы облучения, получаемой человеком, необходимо также знать дозу, получаемую гонадами.

В приведенной ниже таблице представлены последние данные Научного комитета ООН по действию атомной радиации - мощности доз внешнего и внутреннего облучения от естественных источников в районах, не обладающих повышенным фоном радиоактивности[6]. В таблице отдельно показана доза, полученная за счет альфа-частиц и нейтронов, обладающих большей биологической эффективностью, чем гамма-лучи и бета-частицы.

Таблица 3. Годичные дозы, получаемые организмом человека в результате внешнего и внутреннего облучения от естественных источников

Приведенные данные для внешнего облучения могут изменяться в зависимости от географических условий. В этом отношении представляют интерес результаты измерения годовых доз фонового внешнего облучения для групп населения отдельных городов СССР[7]. Жители Баку, Владивостока, Еревана, Кишинева, Сочи, Якутска получают в год в среднем 60 - 80 мрад; Киева, Москвы, Новосибирска, Таллина, Тбилиси, Вильнюса - 80 - 100; Ашхабада, Иркутска, Львова, Минска, Риги - 100 - 120, Душанбе, Ленинграда, Ташкента - 120 - 140; Севастополя - 45 мрад.

Неожиданные источники облучения

В настоящее время фоновое облучение человека не ограничивается перечисленными выше естественными источниками излучений. С одной стороны, к нему добавляется излучение искусственных радиоактивных веществ, образовавшихся в результате испытаний ядерного и термоядерного оружия. С другой стороны, в наш быт прочно и повсеместно вошли и получили широкое распространение медицинские рентгеновские установки, часы и приборы со светящимися циферблатами, телевизоры, радиоустановки, в которых электронные лампы находятся под высоким напряжением, и т. п. Все они в той или иной мере источники ионизирующих излучений и в определенных условиях могут привести к увеличению фонового облучения человека. Со всеми этими источниками приходится сталкиваться большому количеству людей, далеких и от атомной промышленности, и от применения радиоактивных изотопов и излучений в тех или иных областях народного хозяйства. Интересно поэтому рассмотреть подробнее, в какой мере эти источники увеличивают природный фон облучения и могут ли они представлять какую-либо опасность для населения.

Наиболее серьезный источник дополнительного облучения населения - рентгеновское просвечивание. Ведь рентгеновские лучи по своей природе и биологическому действию аналогичны гамма-лучам радиоактивных изотопов. При этом рентгеновскому просвечиванию подвергается довольно широкий контингент населения. По данным Всемирной организации здравоохранения, в ряде стран (Скандинавские страны, Англия, США) на душу населения в год в среднем приходится 0,3 рентгенодиагностического исследования, а если учесть и массовые флюорографические обследования, то 0,5. По подсчетам английских ученых, средняя доза, приходящаяся за счет рентгеновского исследования на одного человека, составляет 20 - 25% от естественного фона облучения. Таковы средние цифры, но в отдельных случаях, когда исследования проводятся без надлежащего контроля, могут иметь место лучевые повреждения. Во избежание этого врачи ведут учет числа проводимых рентгеновских исследований с тем, чтобы в случаях, когда это не вызывается необходимостью, не подвергать больного излишнему облучению. Особенно стараются ограничить количество рентгеновских исследований беременных женщин, детей и подростков, организмы которых особенно чувствительны к облучению. При проведении рентгеновских исследований принимают меры к защите частей организма, расположенных по соседству с исследуемой областью, прикрывая их просвинцованной резиной, хорошо поглощающей рентгеновские лучи.

При рентгеновском исследовании не установлено предельно допустимых доз облучения. Возможность радиационной опасности устанавливается в каждом отдельном случае лечащим врачом на основании клинических данных. При этом учитывается то обстоятельство, что при просвечивании действию излучения подвергается не все тело человека, а только некоторые его участки. Особое внимание уделяется защите жизненно важных органов, в первую очередь гонад (табл. 4).

Таблица 4. Доза, получаемая гонадами при различных видах рентгеновского исследования (средние данные)

В последнее время при производстве рентгеновских исследований начинают все шире применять специальные электроннооптические усилители изображения, позволяющие в несколько раз уменьшить интенсивность рентгеновских лучей при просвечивании и тем самым значительно снизить дозу, получаемую больным.

Значительно меньшую потенциальную опасность в качестве источника облучения представляют часы и приборы со светящимися циферблатами. Источник излучения в данном случае - нанесенная на циферблат светомасса. В состав светомассы помимо люминесцирующего вещества - фосфора входит еще какое-либо радиоактивное вещество (чаще всего радий или мезоторий), излучение которого вызывает свечение фосфора. Количество радия, находящегося на циферблате часов, в большинстве случаев не превышает одного микрограмма, и потому опасность, которую представляют такие часы, для владельца относительно невелика. Доза, создаваемая такими часами на коже тыльной поверхности руки, составляет около 10 мрад в сутки и быстро убывает с расстоянием (на расстоянии одного метра она уже не превосходит уровня натурального фона). Так как часы обычно находятся на достаточном удалении от глаз и других чувствительных к облучению органов, то представляемая ими опасность незначительна. Так, проводившиеся в 1956 г. в Англии измерения показали, что за счет светящихся часов половые железы человека получают дозу, равную 1 % дозы от естественного облучения. Только в тех случаях, когда количество приборов со светящимися циферблатами велико или когда светящийся циферблат находится продолжительное время перед глазами, доза облучения может оказаться значительной. К непосредственному действию излучения добавляется еще действие радона, выделяющегося при распаде радия, входящего в состав светомассы. Газообразный радон может попадать в легкие людей, работающих с такими приборами.

Широкое распространение в наше время получили телевизоры: миллионы телевизоров находятся в пользовании населения. Поэтому, естественно, возникает вопрос о том, не представляют ли телевизоры радиационной опасности для лиц, пользующихся ими. Откуда же в телевизоре может взяться ионизирующее излучение? Дело, оказывается, в том, что в телевизорах изображение образуется электронным пучком, попадающим на флуоресцирующий экран. Известно, что при торможении быстро летящих электронов должны образовываться рентгеновские лучи. Это явление имеет место и в кинескопах телевизоров. Однако возникающие при этом рентгеновские лучи очень мягкие, и если анодное напряжение, ускоряющее электроны, не превышает 10 - 12 кв, как это имеет место в значительной части домашних телевизоров, то они практически полностью поглощаются стеклом стенки кинескопа. В тех случаях, когда напряжение выше 15 кв, стенка колбы кинескопа может пропускать рентгеновские лучи, причем степень излучения будет зависеть от толщины стенок колбы. При отсутствии специальной защиты могут представить опасность кинескопы, предназначенные для фотографирования телевизионных изображений и для проекции. Что касается домашних телевизоров, то, по данным ряда исследователей, создаваемая ими дополнительная доза составляет (средние данные) примерно 1 % от фонового облучения человека, т. е. практически доза отсутствует.

Говоря о дополнительных источниках облучения человека, нужно указать, что любая электронная лампа, работающая при достаточно большом напряжении, может быть источником рентгеновских лучей. Об этом может свидетельствовать хотя бы следующий случай.

8 марта 1960 г. в башне радиолокационной станции в Локпорте (Нью-Йорк) производились окончательные испытания нового передатчика типа FPS-7, принятого на вооружение военно-воздушными силами США. Однако работавшие там техники долго не могли наладить работу установки - при подключении высокого напряжения сверхвысокочастотные колебания не возникали. Тогда они решили снять с клистрона (электронная лампа, работающая в сверхвысокочастотном диапазоне) защитный чехол и попытаться вручную наладить его работу. Однако уже вскоре (через 20 - 30 мин.) двое из работавших, находившихся в непосредственной близости от клистрона, почувствовали сильную головную боль, тошноту, озноб и другие признаки заболевания, у остальных семи - аналогичные признаки появились позже. В госпитале, куда были отправлены заболевшие, был поставлен диагноз "переоблучение рентгеновскими лучами", причем у двух в тяжелой форме.

Откуда же взялись рентгеновские лучи в радиолокационной установке, да еще такой интенсивности, что за какие-нибудь полчаса вызвали тяжелое переоблучение? Причина здесь та же, что и в телевизорах,- рентгеновские лучи возникают в любой электронной трубке, если в ней имеет место резкое торможение электронов, ускоренных высоким напряжением. Источником рентгеновских лучей в данном случае явился клистрон, работавший при напряжении 150 кв; высокое приложенное напряжение стало причиной возникновения достаточно интенсивного излучения.

С подобным источником рентгеновского излучения можно столкнуться не только в радиолокационных установках. Всюду, где мы имеем дело с потоками электронов, ускоренными высоким напряжением, надо считаться с возможностью возникновения рентгеновского излучения (электроннолучевая плавка и сварка металлов, электронные микроскопы, высоковольтные кенотроны и др.). Поэтому в таких установках обычно устанавливают специальные защитные экраны для предохранения работающих от возможного рентгеновского излучения.

В связи с вопросом о дополнительных дозах облучения человека возникает еще и следующий. Поскольку в организме человека содержатся изотопы, излучающие гамма-лучи, то как действует радиоактивное излучение человека на его соседей? Производившиеся в этом направлении исследования показали, что если человек находится в толпе, где люди стоят тесно друг возле друга, то он получает от своих соседей дополнительно дозу излучения, равную приблизительно 0,01 мрад/час.

Ядерные взрывы и радиоактивное заражение местности

Природный фон облучения в определенных размерах колеблется в зависимости от географических условий и других факторов. Эти колебания фона, как правило, невелики и не представляют какой-либо опасности для человечества. Больше того, можно считать, что за время существования жизни на Земле человеческий организм уже приспособился к определенному фону облучения. Поэтому следует считать нежелательным и опасным для человека всякое более или менее значительное превышение природного фона.

С этой точки зрения значительную опасность представляют атомные взрывы, которые проводились (а некоторыми странами проводятся и в настоящее время) с целью испытания ядерного оружия, во время которых в атмосферу выбрасывается огромное количество радиоактивных продуктов взрыва. Наглядно это продемонстрировал всему миру трагический случай с моряками японского судна "Фукуру-Мару" ("Счастливый дракон"). 1 марта 1954 г. во время взрыва атомной бомбы на острове Бикини это судно находилось на расстоянии 160 км от места взрыва. После взрыва это судно было осыпано радиоактивными продуктами взрыва, в результате чего все 24 моряка, бывших на судне, заболели тяжелой формой лучевой болезни.

Случай этот привлек к себе всеобщее внимание и вызвал самые энергичные протесты прогрессивной общественности всего мира против ядерных испытаний.

Но при этом взрыве пострадал не только экипаж "Счастливого дракона". Лучевой болезнью заболели также 237 жителей соседних островов Ронгелан и Утерик.

Американский представитель в ООН Лодж заявил тогда, что правительство США "глубоко сожалеет" по этому поводу, и заверял, что будет проявлена наибольшая забота в отношении тех, кто был в районе испытаний. Английские ученые так оценили это заявление: "Любое проявление великодушия со стороны Соединенных Штатов Америки теперь напоминает великодушие взломщика, который, после того, как сбил хозяина дома с ног ударом по голове и переложил себе в карманы все его ценности, приготовил для своей жертвы чашку чая"[8].

Не лучшему обращению подвергаются и сами граждане США. Испытания ядерного оружия, проводившиеся на атомном полигоне в штате Невада, хотя и были покрыты глубокой тайной, но некоторые сведения о них все же просочились в печать. Так, например, жителям города Св. Георг (штат Юта), находящегося на расстоянии 200 км от полигона, как-то в течение трех часов после взрыва не разрешалось выйти на улицу. В течение нескольких дней загрязненность воздуха была так велика, что суточная доза облучения в 1260 раз превышала предельно допустимую дозу для работников атомной промышленности.

А вот и другой случай. В 1953 г., в результате неожиданного изменения метеорологических условий радиоактивное облако, образовавшееся после взрыва, начало двигаться над основными автострадами США. В результате доза облучения внутри автомашин, ехавших по некоторым автострадам, превысила 20 мр в 1 час. Это означает, что находившиеся в машинах люди за 5 часов получили дозу, равную годичной дозе от природного фона облучения.

Во время взрыва атомной бомбы образуется огромное количество радиоактивных продуктов, среди которых наиболее опасны долгоживущие изотопы стронция (Sr90) и цезия (Cs137). Подсчитано, что за время 1945 - 1962 гг. в результате испытаний ядерного оружия образовалось более 19 Мкюри (миллионов кюри) стронция - 90 и более 32 Мкюри цезия - 137.

Значительная часть радиоактивных веществ выпадает с дождями сравнительно быстро в прилегающем к месту взрыва районе. Более мелкие частицы в виде радиоактивного облака уносятся воздушными течениями далеко от места взрыва и могут несколько раз обогнуть земной шар, постепенно оседая вместе с дождями на его поверхности, иногда за много тысяч километров от места взрыва. Так, после взрыва американской атомной бомбы в Неваде 1 марта 1955 г. радиоактивные осадки выпали 8 - 10 марта в Англии, 11 марта - в Греции и Турции и 13 - 19 марта - в восточной части Европы.

При взрывах бомб большой мощности огромное количество радиоактивных продуктов взрыва вылетает за пределы тропосферы[9] в стратосферу и выше. Оседание этих веществ на поверхность Земли продолжается несколько лет.

Рассмотрим круговорот радиоактивного изотопа Sr90, который, накапливаясь в костной ткани, представляет собой наибольшую опасность для человека.

Выпадая вместе с дождями и снегом на поверхность Земли, Sr90 преимущественно концентрируется в верхних слоях грунта. Отсюда через корневую систему он попадает в растения. Вместе с растением Sr90 попадает в организм травоядных животных. Наконец, вместе с растениями, мясом и молоком животных он поступает в организм человека, где и откладывается в костной ткани.

Рис. 11. Схема путей циркуляции стронция - 90 из атмосферы в организм человека

Часть Sr90, попавшая в водоемы (моря, озера, реки), активно сорбируется водорослями и планктоном, где концентрация его может в тысячи раз превышать концентрацию в воде. Но планктон - это питательная среда для рыб, крабов, моллюсков, а отсюда прямой путь в организм человека. В 1954 г. радиоактивность рыбы в прилегающих к месту взрыва участках океана была настолько высока, что часть ее приходилось уничтожать. За 9 месяцев в Японии был уничтожен улов рыбы, доставленный на 856 судах.

На рис. 11 схематически показаны пути, по которым Sr90 попадает в организм человека. Значительное накопление этого элемента в организме опасно: распределяясь неравномерно в костях, он может вызвать в отдельных местах перерождение ткани и образование злокачественных опухолей.

Стремительный рост количества испытаний атомного и термоядерного оружия грозил человечеству лейкозом, раком и другими болезнями. Поэтому народы всего мира горячо приветствовали принятие в 1963 г. Московского договора о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой.

Уже подведены первые итоги подписанного в 1963 г. договора. Научно-исследовательскими институтами Академии медицинских наук СССР вместе с радиологическими группами санитарно-эпидемиологических станций Министерства здравоохранения СССР было установлено, что через год общая радиоактивность осадков уменьшилась в сотни раз по сравнению с периодом производства испытаний. За счет распада короткоживущих радиоактивных продуктов ядерных взрывов значительно снизился уровень внешнего дополнительного облучения человека. Постепенно начинает уменьшаться количество Sr90 и Cs137 в организмах людей[10].

Значит ли это, что проблемы радиоактивных выпадений уже не существует? Нет, и вот почему.

Еще некоторое время будут выпадать продукты ранее произведенных взрывов. Кроме того, не все государства подписали Московский договор. Французское правительство заявило, например, о своем намерении продолжить испытания ядерного оружия. В конце 1964 г. стало известно про первый взрыв атомной бомбы в Китае, за которым последовали и другие.

Границы лучевой угрозы (допустимые уровни облучения)

Условием безопасной работы с радиоактивными изотопами и источниками ядерных излучений является соблюдение таких правил, при которых ни один работник не смог бы получить дозу облучения выше допустимой, т. е. такой, при действии которой в организме не возникает необратимых генетических и соматических изменений.

При установлении допустимого уровня облучения учитываются не только непосредственные последствия воздействия ионизирующей радиации, но и возможные отдаленные результаты - сокращение продолжительности жизни, возникновение лейкозов и других злокачественных новообразований, уменьшение способности к воспроизведению потомства и, наконец, генетические последствия, которые могут появиться у потомства облученных людей.

Многолетние наблюдения показали, что у народов, живущих в течение тысячелетий в местах с повышенным вдвое и больше уровнем фона естественной радиоактивности (например, на нагорьях Тибета и Перу), наследственных аномалий обнаруживается не больше, чем у народов других местностей. Это дает основание для вывода, что мощность дозы, соответствующая удвоенному уровню натурального фона, совершенно безопасна для человеческого организма и не наносит серьезного ущерба наследственным факторам.

Действующие в Советском Союзе санитарные правила[11] устанавливают, что допустимый уровень дополнительного облучения для населения (за исключением лиц, так или иначе связанных с работой с радиоактивными изотопами и источниками ядерных излучений) не должен превышать 80 - 90 мрад/год, т. е. не должен быть больше уровня натурального фона.

Таблица 5. Предельно допустимые мощности дозы и относительная биологическая эффективность различных видов ионизирующих излучений

Для лиц, работающих с радиоактивными изотопами и излучениями, установлены предельно допустимые мощности дозы различных видов ионизирующих излучений, указанные в табл. 5. Эти дозы примерно в 100 раз превышают уровень натурального фона. Для лиц, работающих по соседству с помещениями, в которых ведутся работы с радиоактивными веществами и источниками ионизирующих излучений, но не занятых непосредственно на работах с изотопами и излучениями, предельно допустимый уровень облучения в 10 раз меньше - 10 мрад/неделю (для бета-, гамма- и рентгеновских лучей).

Указанные нормы приняты для облучения всего тела, гонад (половых органов), хрусталика и кроветворных органов. При облучении мышц, жировой ткани, печени, почек, желудочно-кишечного тракта предельно допустимые дозы облучения могут быть повышены в три раза, а при облучении кожи, щитовидной железы и костей - в шесть раз. Многочисленные эксперименты, проводившиеся на животных, а также контроль за здоровьем лиц, работающих с радиоактивными изотопами и излучениями, показывают, что такие дозы не вызывают в человеческом организме в течение длительного времени необратимых соматических и генетических изменений.

За последние 15 лет вопрос о предельно допустимых уровнях пересматривался дважды, так как по мере развития наших знаний о лучевых повреждениях и совершенствования методов экспериментальной техники было установлено, что прежние значения предельно допустимых уровней облучения завышены, так как они вызывали изменения (хотя и незначительные) в облученном организме. В результате тщательных исследований допустимый уровень был снижен с 1 рад/неделю до 0,1 рад/неделю, т. е. в 10 раз. Предельно допустимой концентрацией называется максимальная активность радиоактивного изотопа в единице объема или массы, поступление которой в организм естественными путями (с водой, пищей, воздухом) не создает в критических органах организма[12] или в организме в целом доз облучения, превышающих предельно допустимые. При этом, если только данный изотоп обладает свойством преимущественного накопления в тех или иных органах, обязательно должна учитываться доза в критическом органе. В санитарных правилах указаны предельно допустимые концентрации радиоактивных изотопов в воздухе, воде и пище.

Как измерить радиоактивность человека

Существуют разнообразные приборы, служащие для измерения внешнего облучения, т. е. дозы облучения, получаемого человеком от внешних источников. Но можно ли измерить дозу от радиоактивных изотопов, находящихся внутри организма, или по крайней мере определить, какие радиоактивные изотопы и в каком количестве находятся внутри человеческого организма?

Радиоактивность тела человека можно определить расчетным путем, зная среднее содержание различных радиоактивных изотопов в его организме. Но полученные таким образом данные будут относиться к какому-то "среднему человеку" и не дадут представления о радиоактивности отдельных индивидуумов, так как в зависимости от местных условий содержание радиоактивных элементов в организмах разных людей может различаться иногда в десятки и сотни раз.

О том, в какой степени радиоактивность окружающей природы влияет на радиоактивность животного организма, может свидетельствовать следующий случай. Однажды одному из авторов настоящей книги пришлось проверять радиоактивность ископаемых животных в зоологическом музее. При этом оказалось, что кости животных, умерших несколько десятков тысяч лет назад, обладали значительной радиоактивностью и стрелка прибора отклонялась, как только датчик подносили к костям. В то же время кости других животных не оказывали заметного влияния на счетчик радиоактивных излучений. В дальнейшем выяснилось, что радиоактивными были кости только тех животных, которые проживали в то время в определенной местности. По-видимому, дело было в том, что в отдельных местах радиоактивность растений, почвы и воды была выше обычной. Это в свою очередь привело к отложению в костном скелете повышенных количеств остеотропных радиоактивных элементов - урана и радия. Так как эти элементы обладают значительным периодом полураспада, то, накопившись в костях, они и до сего времени обладают заметной активностью.

Желательно поэтому уметь определять радиоактивность отдельного человека. Особенно это важно для тех, кто по роду своей работы должен сталкиваться с радиоактивными веществами, так как позволит установить, не попали ли радиоактивные вещества внутрь организма. Но измерение радиоактивности человека представляет собой значительные трудности, так как величина ее невелика и ее можно не заметить на фоне гамма-излучения естественно радиоактивных элементов почвы, строительных материалов и космических лучей.

Одно из первых измерений радиоактивности человека было произведено в Швеции. Для этого в скальном грунте вырубили специальную лабораторию. Большая толщина гранита (55 м) позволила значительно уменьшить влияние космических лучей. Чтобы не мешало излучение стен лаборатории, так как известно, что граниты содержат по сравнению с другими породами значительное количество радиоактивных веществ, стены, пол и потолок лаборатории были выложены стальными баками, наполненными водой, толщина которых составляла 1 м. Для наполнения баков привезли 160 т воды из Темзы (Англия), радиоактивность которой оказалась значительно меньшей, чем природная радиоактивность шведских вод. В результате принятых мер природный фон облучения в камере-лаборатории удалось снизить более чем в 30 раз. Для измерения активности служили 12 цилиндрических ионизационных камер размерами 200 x 40 см и объемом около 250 л, окружавших человека со всех сторон.

В настоящее время, благодаря созданию высокоэффективных сцинтилляционных счетчиков излучений, построены более простые, но высокоэффективные установки. В состав такой установки входят следующие элементы: камера для защиты от внешнего гамма- и космического излучения, сцинтилляционный детектор излучения и электронное анализирующее устройство.

Защитная камера служит для помещения исследуемого человека и детектора излучения. Для уменьшения влияния внешнего гамма-излучения и космических лучей стенки камеры делают из стали толщиной 13 - 15 см. Стальные стенки камеры снижают скорость счета от фонового излучения почти в 60 раз. Внутренние размеры камеры таковы, что человек в ней может разместиться в любом положении (сидя, лежа, стоя), в среднем - 2,4 X 2,4 X 2,2 м. Вес камеры 30 - 60 т. Камеру иногда устанавливают на глубине 5 - 10 м под землей для уменьшения фона от космического излучения. Связь и наблюдение за исследуемым осуществляются с помощью телевидения и двусторонней радиосвязи.

Чтобы внутрь камеры не попало радиоактивное загрязнение извне, исследуемый предварительно проходит через душевую, где его одежда заменяется другой, в которой нет радиоактивного загрязнения.

Детекторами для обнаружения и измерения излучений обычно служат большие кристаллы (размером 10 X 12 см) йодистого натрия, активированного таллием, в которых кванты излучения вызывают появление вспышек - сцинтилляций. Применение сцинтилляторов больших размеров позволило значительно повысить чувствительность современных установок: они могут обнаружить в теле человека 0,6 · 10-9 кюри (0,006 мккюри) радия.

Таблица 6. Содержание естественно радиоактивных изотопов в теле человека (средние значения для человека весом в 70 кг)

При измерении радиоактивности человека часто бывает необходимо не только измерить величину радиоактивности, но и узнать, какими радиоактивными элементами она вызвана. Для этого необходимо знать пектральный состав излучения изотопов, содержащихся в организме исследуемого, так как каждый радиоактивный изотоп дает гамма-излучение одной (или нескольких) строго определенной длины волны.

Эту задачу выполняет входящий в состав установки анализатор, принцип действия которого в следующем. Различные радиоактивные вещества, находящиеся в теле человека, излучают гамма-кванты различной энергии. Кванты, попадая на сцинтиллятор, вызывают импульсы тока, величина которых пропорциональна энергии квантов излучения. Эти импульсы поступают затем в анализатор, представляющий собой сложное радиотехническое устройство, сортирующее импульсы соответственно их амплитудам. Счетчик анализатора показывает числа импульсов различных амплитуд, содержащихся в общей совокупности импульсов, поступающих от измеряемого объекта. Соответственно количеству групп, на которые разбивает анализатор поступающие импульсы по амплитудам, различают 50-, 100- и более канальные анализаторы. На основании данных, полученных от анализатора, строится амплитудный спектр импульсов, представляющий графически зависимость количества импульсов от их амплитуды (от энергии квантов излучения). Описанные выше установки позволяют определять содержание в организме человека только гамма-излучателей. Однако большое значение имеет присутствие в организме человека радиоактивного бета-излучателя стронция-90. Для его определения Ю. М. Штуккенбергом предложен специальный прибор, датчик которого содержит небольшой сцинтиллирующий кристалл, прикладываемый к зубам исследуемого. Количество радиоактивного стронция определяется по интенсивности бета-излучения, выходящего из зубов человека.

Защита от ядерных излучений

Мероприятия по физической защите от вредного действия ионизирующих излучений должны обеспечить такие обязательные условия работы, при которых работающие не подвергались бы воздействию доз, превышающих предельно допустимые. Они охватывают контроль над мощностью излучения, непосредственно действующего на работников, и обеспечение защиты всех, кто соприкасается с излучением, в том числе лиц, хотя непосредственно не имеющих с ним дело, но живущих или работающих вблизи от источников излучения. Практически защитные мероприятия в отношении лиц, работающих с радиоактивными изотопами, направлены на то, чтобы исключить возможность попадания радиоактивных изотопов на поверхность кожи и внутрь организма, а также на то, чтобы путем применения специальных защитных экранов, удаления работающих от источников излучения и выбора времени нахождения вблизи источников излучения уменьшить величину дозы от наружного облучения ниже предельно допустимых значений.

Целью защитных мероприятий является уменьшение дозы внешнего облучения человека ниже предельно допустимого уровня облучения и предохранение работника от возможного попадания радиоактивных изотопов на кожные покровы тела и внутрь организма. Первая задача решается путем увеличения расстояния между рабочим местом, где находится обслуживающий персонал, и источником излучения, сооружения защитных экранов и ограждений из материалов, поглощающих излучения, и сокращения времени пребывания в сфере действия излучения.

На практике, как правило, используют все эти способы уменьшения дозы внешнего облучения человека, причем время пребывания в сфере действия излучений сокращают в тех случаях, когда нужные результаты не могут быть получены другими способами.

Защита расстоянием во многих случаях является достаточно эффективной, учитывая то обстоятельство, что для точечных источников рентгеновского и гамма-излучения интенсивность излучения уменьшается прямо пропорционально квадрату растояния от источника, т. е. при увеличении расстояния в три раза интенсивность излучения уменьшается в девять раз. При работе с изотопами, излучающими альфа- и бета-частицы невысокой энергии, учитывается, что пробег этих частиц в воздухе ограничен и для альфа- и мягкого бета-излучения измеряется сантиметрами. Например, бета-частицы серы - 35 проходят в воздухе путь до 25 см, а кальция - 45- до 45 см и т. д. Поэтому помещение изотопа на определенном расстоянии от работающего часто полностью защищает его от таких излучений.

Чтобы увеличить расстояние между источником и работником, пользуются различными манипуляторами - специальными инструментами с удлиненными рукоятками. Если при работе с большими активностями длина рукояток оказывается недостаточной, пользуются стационарными манипуляторами большей длины. Они рассчитаны таким образом, что передают усилия руки экспериментатора на значительные расстояния и позволяют находиться работникам за защитным экраном. Обычно применяют копирующий манипулятор, состоящий из двух частей, которые расположены в разных комнатах и согласованы между собой таким образом, что если с одной ветвью проводятся какие-либо манипуляции, вторая ветвь сама воспроизводит точно такие же операции. При работе с таким манипулятором оператор находится в помещении управления, отделенном от лаборатории, где находятся радиоактивные вещества, толстой защитной перегородкой со смотровым окном.

Иногда активность источника велика и защита расстоянием не позволяет в нужной степени уменьшить дозу излучения. В этих случаях между источником излучения и работающими устанавливаются защитные экраны, которые ослабляют мощность излучения в нужное число раз. Материалом для таких экранов могут служить свинец, железо, бетон, кирпич или любой иной материал, поглощающий излучения.

Длина пробега альфа-частиц невелика, поэтому надобность в специальных экранах для них отпадает. От бета-лучей, обладающих большей проникающей способностью, достаточную защиту может представить слой плексигласа толщиной 6 - 8 мм. Изготовленные из плексигласа экраны удобны еще тем, что, защищая тело работника, они вместе с тем не мешают ему наблюдать за работой.

При работе с бета-излучениями в качестве защитных средств нецелесообразно пользоваться свинцом и материалами, содержащими свинец или другой элемент с высоким атомным номером. В этом случае, в результате торможения бета-частиц в материале защиты, возникает так называемое тормозное гамма-излучение, обладающее значительной проникающей способностью. Поэтому изотопы, дающие только бета-излучение, хранят в коробках (контейнерах), изготовленных из пластмассы, и только в тех случаях, когда изотопы дают кроме бета- еще и гамма-излучение, следует применять контейнеры, изготовленные из свинца.

Более сложна защита от рентгеновского и гамма-излучения. В этом случае для расчетов необходимой кратности ослабления дозы используют специальные таблицы и графики. Под кратностью ослабления дозы понимают число, показывающее, во сколько раз должна быть уменьшена мощность дозы в результате применения защитного ограждения. Например, радиоактивный препарат активностью в 10 мг-экв на расстоянии 1 м создает мощность дозы 8,4 мр/час. Это в три раза превосходит предельно допустимый уровень облучения (2,8 мр/час для лиц, работающих с радиоактивными изотопами). Следовательно, данный препарат нуждается в таком защитном экране, который ослаблял бы интенсивность излучения в три раза в том случае, если работающий находится на расстоянии 1 м от препарата.

В качестве материала для изготовления защитных экранов от гамма-лучей применяют свинец, железо, бетон, кирпич. Наиболее сильно поглощает гамма- и рентгеновские лучи свинец. Но, если использование его целесообразно в рентгеновских установках, где толщина защитного слоя составляет всего несколько миллиметров, то для гамма-лучей применение его экономически невыгодно, так как в этом случае толщина защитных экранов должна составлять 10-15 см и больше. Поэтому свинец применяется только в контейнерах, служащих для перевозки гамма-активных изотопов. Для защиты помещений, в которых проводится работа с гамма-излучателями, обычно используют бетон, тяжелый бетон (бетон с примесями, поглощающими гамма-лучи), кирпич.

Для защиты от попадания радиоактивных изотопов на кожные покровы тела и внутрь организма работающего применяют такие меры, как специальную одежду из пластмассы и резиновые перчатки для предохранения кожи; работы с летучими радиоактивными веществами проводят либо в вытяжных шкафах, либо в специальных боксах, полностью изолирующих работника от соприкосновения с радиоактивными веществами. В наиболее опасных случаях работающие с изотопами одевают на лицо специальный респиратор "Лепесток" с фильтрующей тканью ФПП-15, которая поглощает 99,99% радиоактивных аэрозолей, содержащихся в воздухе, или же пользуются специальным изолирующим костюмом, в который подают воздух для дыхания с помощью специальной воздуходувки.

При работе с изотопами высокой активности пользуются так называемыми горячими лабораториями. В этих лабораториях все работы выполняются при помощи дистанционных манипуляторов, без непосредственного участия человека. Наблюдение за тем, что происходит в такой лаборатории, производится или через окно из свинцового стекла толщиной в несколько десятков сантиметров, или при помощи телевизионной установки.

Особые трудности возникают при защите от нейтронов, так как они обладают большой проникающей способностью и легко проходят через значительные толщи материалов, поглощающих гамма-лучи. Часть нейтронов захватывается ядрами атомов материала, из которого изготовлена защита. При этом атомы становятся радиоактивными, в связи с чем захват нейтронов сопровождается гамма-излучением. Такое гамма-излучение обладает высокой энергией (до 7 - 10 Мэв) и, следовательно, большой проникающей способностью. Следовательно, необходимо одновременно защищаться не только от нейтронов, но и от гамма-лучей. Поэтому защиту делают многослойной, чередуя слои, ослабляющие нейтроны (вода, парафин), со слоями, поглощающими гамма-лучи (тяжелый бетон, свинец). Например, в реакторе атомной электростанции АН СССР защита состоит из слоя бетона толщиной 2,3 м, слоя воды 1 м и слоя чугуна 25 см. Если защитный слой хотят изготовить из одного материала, выбирают такой, который одинаково хорошо поглощает и гамма-лучи и нейтроны - например, бетон достаточной толщины с наполнителем в виде железного скрапа (отходы мелкого лома, обрезков, стружек и т. д.).

Проблема радиоактивных отходов

В отдельных случаях причиной местного повышения радиоактивного фона может быть неправильное обращение с радиоактивными веществами и аварии на предприятиях атомной промышленности. Так, например, на установках по очистке урана в штате Колорадо (в США) длительное время радиоактивные отходы без всякой очистки спускали в реку Анимас. В результате содержание радия в воде реки значительно превзошло допустимый уровень. Это привело к тому, что выше допустимого уровня оказалось и содержание радия в овощах - горохе, салате, капусте и др., выращенных на берегах этой реки.

По данным Международной конференции по вопросам переработки и захоронения радиоактивных отходов, состоявшейся в Монако в ноябре 1959 г., количество радиоактивных отходов в связи со все более и более широким использованием атомной энергии увеличивается с каждым днем и должно в 1970 г. достигнуть огромной цифры - 26 млн. литров с общей активностью 3 млн. кюри, что по своей активности соответствует примерно 3 тыс. кг радия. Понятно, что если не принимать специальных мер по обезвреживанию радиоактивных отходов, то можно вызвать значительное повышение радиоактивного фона в ряде мест земного шара. Чтобы этого не случилось, в настоящее время принимают специальные меры.

Если количество радиоактивных отходов сравнительно невелико, то радиоактивные отходы высокой активности помещают в особые изолированные емкости, где их хранят до тех пор, пока активность вследствие распада не уменьшится ниже допустимой нормы. Отходы средней активности подвергаются обработке для выделения и концентрации содержащихся в них радиоактивных элементов, и только отходы малой активности выпускают в обычную канализационную систему.

Недопустимо непосредственное захоронение в грунте отходов средней и низкой активности. В Хансфорде (США) в течение 20 лет такие отходы сливались в траншеи и специальные колодцы. За это время было слито 23 млн. м3 отходов с общей активностью 3 млн. кюри. Радиоактивные изотопы распространяются с грунтовыми водами. В настоящее время они обнаружены в 22 км от места захоронения и уже загрязняют реку Колумбия. Продолжающееся распространение изотопов, особенно Sr90 и Cs37, угрожает радиоактивным заражением большому району.

В некоторых странах (США, Англия) радиоактивные отходы сбрасывают в океан в специальных контейнерах. Против этого на международных конференциях выступали представители СССР и ЧССР. Они указывали на то, что любой контейнер рано или поздно будет разрушен в результате действия морской воды, радиоактивные вещества растворятся в воде и по "пищевой цепочке" - вода - планктон и водоросли - рыбы и крабы - Человек - попадут в организм человека. Целесообразнее всего радиоактивные отходы вместе с цементным раствором заливать в заранее заготовленные траншеи с бетонными стенками и закрывать бетонными плитами. В этом случае они будут надежно защищены от воздействия почвенных и поверхностных вод.

Как показывают проведенные совещания и конференции, совершенно правильна позиция советских ученых, указывающих на недопустимость практикуемого в некоторых странах бесконтрольного сбрасывания радиоактивных отходов в окружающую среду. Основным критерием должно быть обеспечение радиационной безопасности окружающей среды в течение всего периода хранения.

Глава 5. Медицина против лучевой угрозы

Химические средства борьбы с лучевыми повреждениями

Потребность в химических методах защиты от действия ядерных излучений вызвана тем, что самая совершенная физическая защита не в состоянии полностью оградить живой организм от разрушительного действия радиации. Ни свинец, ни бетон полностью не могут поглотить электромагнитные ядерные излучения, такие, как гамма- и рентгеновские лучи. Физическая защита может лишь ослабить их поток, вызвать его рассеивание. Для значительного ослабления потока гамма-лучей нередко приходится создавать многометровые стены. Но такая защита не всегда возможна и удобна.

С трудом поглощаются и также требуют для своего ослабления тяжелой и громоздкой физической защиты потоки нейтронов. Отличительная особенность биологического действия нейтронов - их способность вызывать наведенную радиоактивность в тех веществах (в том числе и в тканях организма), которые стоят на их пути. Поэтому даже ничтожный по мощности поток нейтронов, ослабленный защитой, способен вызвать серьезные длительные последствия в организме.

Наконец, необычайно сложна задача физической защиты от космического излучения. Лишь тысячекилометровая толща земной атмосферы способна задержать и поглотить первичные космические лучи, обладающие громадной энергией. Но каждая частица космического излучения рождает целый ливень вторичных частиц, достигающих поверхности Земли. Трудно даже представить, какой толщины и веса должна быть оболочка космического корабля, чтобы полностью защитить космонавтов от лучевой опасности во время длительных полетов. А между тем каждый лишний килограмм массы космического корабля - это лишние тонны ракетного топлива, сотни килограммов массы каждой ступени ракеты, выводящей корабль на его траекторию.

Нельзя не учитывать также, что наладить совершенную физическую защиту во всех случаях, когда человек сталкивается с источниками ионизирующей радиации, необычайно трудно. В лабораторных и производственных условиях чрезвычайно сложно, почти невозможно рассчитать потребную защиту на все случаи жизни и на годы вперед. А ведь создание массивной физической защиты - дело не только дорогое и трудоемкое, но и длительное. И уж вовсе невозможно обеспечить физическими методами индивидуальную защиту людей, вынужденных работать в зоне действия ядерных излучений или подвергающихся многократному интенсивному местному облучению с лечебной целью, например при лучевой терапии злокачественных новообразований. Поэтому во всех случаях, когда физическая защита невозможна или дает недостаточный эффект, целесообразно использовать химические методы защиты, значительно менее громоздкие и более гибкие. Наконец, можно рассчитывать на ослабление радиационных повреждений при введении химических препаратов и после облучения, чего, разумеется, нельзя достичь с помощью физической защиты.

Каким же образом химические соединения, вводимые искусственно извне, могут оказать влияние на размер лучевых поражений, на тяжесть лучевой болезни, вызванной последующим облучением? Как, вообще, могла появиться мысль об ослаблении лучевой травмы с помощью химических средств?

Первые идеи о возможности химической защиты возникли из наблюдений и экспериментов, касающихся радиочувствительности различных организмов. Чем объяснить, что один организм погибает под влиянием дозы облучения в 500 - 600 р, а другой превосходно себя чувствует после 100 тыс. р? Насекомые, называемые наездниками, после облучения 180 тыс. р чувствуют себя даже лучше и живут дольше, чем без облучения. А бактерии Pseudomonas, по сообщению американских ученых, отлично размножаются в воде, окружающей ядерный реактор, где доза за 8 часов составляет 10 млн. р.

Несомненно, что чувствительность разных организмов к радиации зависит от многих причин. Более сложные высокоразвитые организмы, располагающие сложными системами регуляции жизненных функций, выходят из строя под влиянием таких малых доз излучения, которые еще не убивают отдельных клеток, а лишь нарушают координацию их работы. Однако на очень большом исследовательском материале, охватывающем представителей всех классов и типов животного царства, не было обнаружено прямой зависимости между сложностью организации и радиочувствительностью. Выяснилось, что в каждой группе животных есть виды более и менее чувствительные. Это натолкнуло ученых на мысль о том, что, быть может, устойчивость некоторых организмов связана с особыми химическими веществами, присутствующими в тканях и препятствующими действию радиации.

Каким же образом химические вещества могут вмешаться в биологический эффект радиации и ослабить его? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно обратиться к тем разделам книги, в которых было рассказано о сложнейших физических, химических и биохимических процессах, протекающих в живом организме после его облучения. Очевидно, защитные вещества могут действовать только тогда, когда они вмешиваются в реакции радиационного последействия, ослабляя или прерывая их.

Чем глубже познаем мы закономерности течения этих реакций, их последовательность, чем лучше изучим механизмы усиления первичного радиобиологического эффекта, тем целеустремленнее будут поиски защитных препаратов и тем скорее будет достигнут желанный успех. История успехов и неудач ученых-радиобиологов убедительно показывает, что каждый новый шаг в действительном познании механизмов лучевого поражения знаменуется почти немедленно открытием новых противолучевых средств.

Обширная область современной радиобиологии, изучающая методы химической защиты от действия излучений, ведет свою недолгую историю с 1949 г., когда ею были достигнуты первые реальные успехи. В этом же году американский химик Г. Баррон установил, что продукты, образующиеся во время облучения (радиолиза) воды, уменьшают активность ряда ферментных белков, содержащих сульфогидрильные (- SH) группы. Постепенно природа этих активных продуктов была выяснена, и оказалось, что сульфогидрильные группы особенно легко окисляются свободными водными радикалами и перекисями. Если для ферментативной активности белков необходимы эти группы, их окисление, естественно, сказывается на активности.

Тогда Баррону пришла счастливая мысль: нельзя ли с помощью веществ, восстанавливающих сульфогидрильные группы, восстановить и активность ферментов, утративших ее под влиянием облучения. Для "ремонта" окисленных - SH-групп белков логичнее всего было применить такие вещества, которые сами содержат неокис-ленные сульфогидрильные группы и могут подставлять их на место разрушенных свободными радикалами групп белков. Примененная Барроном аминокислота цистеин, содержащая в своей молекуле SH-группу и встречающаяся в живых клетках в свободном виде и в составе белков, действительно восстанавливала активность серу-содержащих ферментов (так называемых тиоловых ферментов), выделенных из организма и растворенных в воде.

Открытие Баррона было немедленно использовано в опытах на животных. Американцы Г. Патт и Е. Кронкайт значительно уменьшили гибель облученных мышей, вводя им перед облучением цистеин и глютатион (вещество, которое содержит сульфгидрильные группы и входит в состав нормальных клеток и тканей). Под влиянием первых обнадеживающих результатов, полученных этими исследователями, в разных странах мира многие ученые начали работать в этой области. Были испытаны тысячи серусодержащих соединений, и многие из них проявили противолучевое действие. Правда, защитный эффект всех этих веществ был непостоянным и наблюдался только в опытах на мелких животных (мышах, крысах). А некоторым ученым вообще не удалось повторить опыты своих коллег.

Новый серьезный шаг вперед был сделан в 1951 - 1952 гг., когда бельгийский радиобиолог 3. Бак для защиты мышей от действия облучения применил цистеамин - вещество, содержащее сульфогидрильную группу и очень близкое к цистеину. Цистеамин отличается от цистеина отсутствием кислотной (карбоксильной) группы:

Вводя мышам цистеамин непосредственно перед облучением, Бак предотвратил гибель всех мышей, облученных абсолютно смертельной дозой радиации (700 р).

Опыт Бака повторили ученые разных стран с неизменным успехом. В последующие годы противолучевое действие цистеамина изучалось очень широко и подробно (наряду с изучением других веществ, содержащих серу). Было установлено, что цистеамин защищает от облучения не только мышей, но собак и обезьян. С помощью внутривенного введения различных солей цистеамина удалось значительно ослабить лучевые реакции у больных, подвергавшихся рентгенотерапии и другим видам лучевого лечения. Таким образом, молодая отрасль науки, только что родившаяся на свет, одержала первые серьезные победы. В последующие годы было доказано, что продукт окисления цистеамина-дисульфид цистамин (он образуется, если от двух SH-групп отнять атомы водорода, за счет появления связи между атомами серы: - S - S -) не менее активен, а амино-этилизотиуроний (сокращенно АЭТ) даже превосходит цистеамин. Оба этих препарата дают более продолжительный (до 1 - 2 часов) защитный эффект, могут вводиться через рот и применяться в клинических условиях для ослабления побочных реакций у больных при лучевой терапии злокачественных опухолей.

Нужно учесть, что теоретические представления, которые легли в основу известных опытов Баррона и послужили толчком к испытанию противолучевых свойств сульфгидрильных соединений, в последующие годы претерпели серьезные изменения. Прежде всего оказалось, что те самые тиоловые ферменты, которые Баррон облучал в пробирках, совершенно иначе ведут себя в организме. Под влиянием даже смертельных доз радиации их активность не снижается. Наоборот, в ряде случаев в результате облучения наблюдалось увеличение их активности. Этот факт никак не вяжется с концепцией Баррона.

Однако защитное действие содержащих серу соединений было открыто. Пришлось срочно подводить под старую крышу новые стены, подыскивать новое объяснение фактам, обнаруженным на базе старой, ошибочной концепции. Теперь большинство ученых полагают, что механизм защитного действия соединений типа цистеина и цистеамина сводится к перехвату активных радикалов "на подходе" к белкам и другим биополимерным структурам. Благодаря сульфогидрильным группам эти вещества легко реагируют с любыми окислительными агентами. Окисляясь сами, они при этом обезвреживают, инактивируют свободные радикалы и перекиси, уменьшая их разрушительное действие на биополимерные структуры клетки.

Норвежские исследователи Элдьярн и Пиль предложили новую и оригинальную гипотезу защитного действия тиоловых соединений. Им удалось показать, что при введении в организм эти соединения вступают в связь с белками, а именно с их сульфогидрильными группами, образуя смешанные дисульфиды:

Сульфогидрильные группы белков, вступившие в такую временную связь, не боятся окисляющего действия свободных радикалов. Многие ученые в своих исследованиях подтвердили эту гипотезу. Так, советским радиобиологам В. Г. Яковлеву и Ф. Ю. Рачинскому с помощью меченого цистеамина (содержащего радиоактивную серу) удалось получить прямые доказательства образования смешанных дисульфидов белков и цистеамина.

Однако противолучевые вещества, содержащие - SH-группы, в опытах вне организма дают защиту полимеров, не содержащих серы, в том числе и нуклеиновых кислот; по-видимому, они защищают ДНК и в условиях организма. Это их действие нельзя объяснить с помощью теории образования смешанных дисульфидов.

В последние годы Бак и Александер выдвинули новые теоретические представления, позволяющие лучше понять механизм защитного действия тиоловых препаратов. Придавая особенно важное значение собственным биохимическим реакциям клеток организма на воздействие радиации, ученые пришли к выводу, что образование смешанных дисульфидов между введенным защитным препаратом и клеточными белками действительно имеет место, но это лишь первый шаг в механизме защиты. Вступив в соединение с белками клеток, защитные препараты оказывают сильное влияние на внутриклеточные процессы, вызывая набухание митохондрий, повышение проницаемости их мембран. Часть ферментов и более просто устроенных веществ выходит из митохондрий в протоплазму клетки и оказывает сильное влияние на все процессы ее жизнедеятельности.

Введение защитного вещества вызывает, таким образом, своего рода "биохимический шок" клетки, серьезную перестройку ее внутренней организации. Весь комплекс изменений или во всяком случае их часть таковы, что существенно повышают сопротивляемость клетки действию радиации, ее устойчивость в условиях облучения. Одно из проявлений "биохимического шока", имеющее, быть может, наиболее важное значение в механизме защиты, - увеличение в клетке количества свободных - SH-групп. Исследования советского радиобиолога Э. Я. Граевского и его сотрудников показали, что увеличение внутриклеточного уровня тиоловых групп происходит лишь частично (не более чем на 25 - 35%) за счет накопления . введенного извне радиозащитного вещества. Главное значение имеет мобилизация собственных ресурсов клетки. Освобождающиеся в клетке в процессе "биохимического шока" сульфогидрильные группы обладают высокой химической реактивностью, и именно они, очевидно, дают эффект защиты, перехватывая и обезвреживая водные радикалы на подходе к белкам и нуклеиновым кислотам.

Важную роль в механизме лучевого поражения играет растворенный в жидкостях организма кислопотт. Некоторые ученые высказали предположение, что тио-ловые защитные вещества связывают не только окислительные радикалы, но и кислород, уменьшая тем самым "кислородный эффект" облучения. Если цистеин связывает кислород и тем самым оказывает защитное действие, увеличение давления кислорода во вдыхаемом воздухе должно уменьшить его защитный эффект. И действительно, с помощью кислорода под давлением удалось снять противолучевое действие цистеина. Кислород под давлением, кстати говоря, совершенно самостоятельно вызывает повреждения, очень сходные с лучевыми.

Прямое определение кислорода в тканях живого организма осуществили в очень интересных и тщательно поставленных опытах советские ученые Э. Я. Граевский и М. М. Константинова. Они установили, что введение цистеамина и других сульфогидрильных соединений не оказывает достоверного влияния на уровень кислорода. Следовательно, в живом организме процессы происходят намного сложнее, чем это представляется некоторым ученым на основании модельных опытов в пробирке или даже экспериментов на мышах.

Однако мысль о возможности снижения глубины лучевых поражений путем уменьшения концентрации кислорода в клетках, вопреки первым неудачам, оказалась плодотворной. Снизить уровень кислорода в тканях - вызвать тканевую гипоксию - можно легче всего путем уменьшения количества кислорода во вдыхаемом воздухе. Такой опыт удобно осуществить на микроорганизмах, которые длительное время могут существовать в бескислородных условиях. Эти опыты, поставленные американским радиобиологом А. Холлендером и учеными других стран на бактериях (кишечной палочке и др.), водорослях, грибках, дали отличный результат. При одной и той же дозе облучения гибель микроорганизмов и задержка их деления были тем меньше, чем ниже концентрация кислорода в окружающей их среде.

В опытах на млекопитающих воспроизвести такие условия невозможно. Но все же снижение количества кислорода во вдыхаемом воздухе (до 5 - 7%) на 40 - 70% уменьшает гибель мышей, облученных летальными дозами радиации.

При понижении температуры тела животного (гипотермии) снижается интенсивность обменных процессов, в том числе окислительных процессов, связанных с поступлением кислорода в ткани и клетки. Установлено, что и гипотермия значительно уменьшает вредное действие радиации. Более того, оказалось, что животные (сурки, хомяки, суслики и др.), находящиеся в состоянии зимней спячки, без видимого вреда переносят такие дозы радиации, которые для них абсолютно смертельны в активном состоянии. Симптомы лучевой болезни у облученных животных проявлялись только после пробуждения от зимней спячки, когда с момента облучения прошло две-три недели. Эти исследования убедительно доказывают участие кислорода в механизме разрушительного действия радиации и перспективность методов защиты организма от облучения путем удаления кислорода из тканей или недопущения его в клетки.

Очень интересный опыт поставили сухумские ученые Л. Ф. Семенов, Б. А. Лапин и др. Они облучили обезьян в состоянии так называемой клинической смерти гамма-лучами радиоактивного кобальта в дозе, значительно превышающей смертельную. Обычно обезьяны после такого облучения погибали через несколько часов или суток. Но в состоянии клинической смерти, когда не бьется сердце, не работают легкие, кровь не доставляет клеткам тела свежие запасы кислорода, а температура тела падает, та же доза радиации не оказала заметного влияния на обезьян. Применив после облучения переливание теплой крови, насыщенной кислородом, согревание и другие мероприятия, ученые оживляли обезьян, и они оставались в живых, как будто и не подвергались облучению сверхсмертельной дозой радиации. Очевидно недостаток кислорода и снижение температуры тела настолько замедлили развитие реакции лучевого последействия, затормозили процессы усиления радиационного поражения, что оживленный организм без труда справился с ними.

Для достижения противолучевого эффекта снижают напряжение кислорода в органах подопытных животных путем введения в организм перед облучением различных химических веществ - антиокислителей. Было доказано, что введение веществ, нарушающих транспорт кислорода гемоглобином крови и тем самым концентрацию кислорода в тканях, оказывает защитное действие. Такие вещества, как нитрит натрия, метиленовая синька, превращают гемоглобин крови в метгемоглобин - вещество, не способное слабо и обратимо связывать кислород в легких, а затем отдавать его в капиллярах внутренних органов. Введение в организм метгемоглобинообразователей ослабляет тяжесть лучевой болезни.

Даже такой сильный яд, как синильная кислота и ее соли, в известных дозах оказывает противолучевое действие. Связывая ионы железа, меди и других металлов, входящие в состав активных центров дыхательных ферментов, цианиды, азиды, нитрилы и т. п. также оказывают антиокислительное действие, играющее существенную роль в механизме защитного эффекта. Окись углерода (угарный газ) проявляет противолучевое действие благодаря двум механизмам: образует довольно прочное соединение с гемоглобином крови (карбоксиге-моглобин) и связывает тканевые окислительные ферменты.

Наконец, существует довольно большая группа противолучевых средств, так называемые биогенные амины, которые существенно снижают вредное действие излучения, затрудняя доставку кислорода по сосудам к радиочувствительным органам. Эти содержащие аминогруппу вещества являются нормальными компонентами тканей млекопитающих и выполняют в организме очень ответственные функции гормонов, медиаторов (передатчиков нервного возбуждения), регуляторов обменных процессов. Таковы гормон мозгового вещества надпочечников адреналин, медиаторы норадреналин и ацетилхолин, сосудисто-активные вещества, серотонин и гистамин.

Один из них (адреналин, норадреналин, серотонин и их производные) дают противолучевой эффект, вызывая длительное и сильное сужение сосудов, снабжающих кровью костный мозг, селезенку и другие радиочувствительные органы, вследствие чего поступление кислорода и уровень его в них резко падают; это и дает защиту. Другие (ацетилхолин и гистамин), наоборот, расширяют сосуды внутренних органов, что приводит к резкому замедлению и даже остановке кровотока и в конечном счете дает тот же результат, что применение адреналина: тканевую гипоксию и увеличение устойчивости к облучению.

Выброс в кровь биогенных аминов - нормальная реакция организма на облучение, сопровождает также введение в организм наиболее эффективных радиозащитных препаратов (цистеамина, АЭТ, мексамина, а также нитрита натрия), обусловливая в некоторой степени их противолучевую эффективность. Применение биогенных аминов можно рассматривать как удачную попытку усиления собственных защитных сил организма.

Интересно, что биогенные амины, будучи антагонистами в своем физиологическом действии, в то же время усиливают противолучевой эффект друг друга. Л.Ф.Семенов установил, что комбинация адреналина с его физиологическим антагонистом - ацетилхолином - дает значительно более высокую защиту, чем применение каждого из препаратов в отдельности. Нам удалось выяснить один из механизмов этого взаимодействия: адреналин временно блокирует активность фермента (хо-линэстеразы), разрушающего ацетилхолин. Поэтому ацетилхолин, введенный в организм вместе с адреналином, дольше сохраняется и дает более сильный эффект.

Некоторый защитный эффект удается получить даже в том случае, если искусственно ограничить кровоснабжение отдельных участков тела, например путем наложения жгута на конечности или хвост мышей, крыс и т. п. Участки костного мозга в костях таких конечностей лучше переносят облучение и облегчают выздоровление облученного животного.

Таким образом, в результате многочисленных исследований открыта и изучена большая группа защитных противолучевых средств. Значит ли это, что задача химической защиты животных организмов от действия радиации решена?

К сожалению, этого сказать пока нельзя. Известные науке и подробно изученные противолучевые препараты в подавляющем большинстве обладают серьезными недостатками. Прежде всего, их защитное действие кратковременно: лишь при введении препаратов за 5 - 30 мин., максимум за 1 - 2 часа до облучения, удается эффективно уменьшить размер лучевых поражений. Ясно, что во всех тех случаях, когда момент лучевого воздействия заранее неизвестен (в полевых условиях, при авариях и т. п.) либо когда облучение продолжительно (при космических полетах) или многократно (лучевая терапия опухолей), такие защитные препараты практического значения не имеют.

Большинство сульфогидрильных препаратов легко окисляется, теряя свою эффективность. Поэтому срок их хранения ограничен. Все эти соединения не оказывают никакого влияния на размер лучевых поражений или даже осложняют их течение, если ввести их после облучения, даже через 20 - 30 секунд.

Далее, большинство защитных препаратов, таких как цистеамин, цистамин, АЭТ, цистафос, мексамин и др., в опытах на животных проявляют противолучевую активность, будучи введены в максимально переносимых, субтоксических дозах. Казалось бы, чем меньше доза облучения, тем меньше должна быть и доза защитного препарата. Но эксперименты на животных убедительно показали, что независимо от дозы радиации для получения защитного эффекта цистеамин нужно вводить в максимально переносимой дозе. А это значит, что самая небольшая погрешность в расчете потребного количества препарата или веса защищаемого организма может привести к передозировке и тяжелым последствиям для организма. Если учесть индивидуальные различия в реакции организма на введение лекарственных препаратов, то станет ясно, что применять в широких масштабах описанные защитные средства нельзя.

При введении людям препаратов, содержащих тиоловые и аминные группы, их дозировку (в расчете на килограмм веса тела) приходится уменьшать в десятки раз по сравнению с опытами на животных. Тем не менее при применении цистафоса, АЭТ и других препаратов нередко наблюдаются побочные реакции - тошнота, рвота, колебания артериального давления и т. п. Очевидно, при таком уменьшении дозировки препарата (повторяем, вынужденном уменьшении) действие на организм и механизм защиты будут совершенно иными, чем в опыте на животных. Более того, необходимо еще доказать, что в такой малой дозе препарат вообще оказывает противолучевое действие. А в клинических условиях доказать защитный эффект химического препарата применительно к человеку очень непросто. Во всяком случае методы, применяемые в опытах на мышах, собаках и даже обезьянах, для этой цели не подходят: ведь невозможно на людях определить сравнительную выживаемость после смертельной дозы облучения при защите исследуемым препаратом и без нее. А новых, специально "человеческих" методов пока еще никто не предложил.

Итак, высокая токсичность, кратковременность защитного эффекта, неэффективность при длительном, фракционированном и местном облучении (наиболее типичном для условий лучевого лечения опухолей), отсутствие методов учета защитного эффекта при облучении людей - все эти факторы крайне ограничивают возможности противолучевой химической защиты. К ним можно еще добавить, что применять защитный препарат в условиях лучевой терапии опухолей имеет смысл только в том случае, если твердо установлено, что этот препарат защищает от облучения здоровые ткани и не защищает (или даже делает более чувствительными к облучению) клетки опухоли. В эксперименте данные такого рода получены, но так ли это при защите людей - пока точно неизвестно. Таким образом, приходится сделать вывод, что, несмотря на немалые успехи, полученные при защите от облучения подопытных лабораторных животных, в целом проблема противолучевой химической защиты еще далека от разрешения.

Каковы же современные представления о механизмах противолучевого защитного эффекта и вытекающие из них основные направления поисков и экспериментальных исследований? .Перечислим прежде всего те защитные механизмы, о которых шла речь выше. Это перехват образующихся при облучении активных радикалов, защита сульфогидридных групп белков путем образования смешанных дисульфидов, увеличение уровня сульфо-гидрильных групп в клетках в результате "биохимического шока", создание тканевой гипоксии путем блокады поступления или транспорта кислорода, а также путем снижения уровня окислительных процессов в тканях (с помощью гипотермии или связывания ионов металлов с переменной валентностью, катализирующих перенос кислорода в ходе окислительных процессов). Благодаря новейшим достижениям науки намечаются новые перспективные направления вмешательства в течение процессов лучевого поражения с целью их ослабления.

Несколько лет назад английские исследователи Александер и Чарлсби высказали предположение, что некоторые защитные вещества могут, образуя временные соединения с биополимерами, отводить от них часть поглощенной и мигрирующей по макромолекуле энергии радиации. Тем самым была обоснована принципиальная возможность ослабления с помощью химических веществ не только косвенного, но и прямого действия радиации.

К этой точке зрения близка гипотеза советского ученого Г. Е. Фрадкина. Согласно гипотезе, значительная доля разрушительного эффекта радиации связана с излучением возбужденными атомами и молекулами организма, подвергшегося действию ионизирующей радиации, коротковолновых ультрафиолетовых лучей. Вводя в организм перед облучением некоторые вещества, поглощающие ультрафиолетовые лучи, Фрадкин получил определенный защитный эффект.

Наконец, весьма перспективны методы временной задержки, блокады синтеза и распада таких важнейших биологических структур, как белки и нуклеиновые кислоты, а также блокады клеточных делений, митозов. Такого рода воздействия защищают от разрушительного действия облучения самые радиочувствительные этапы и процессы биологических превращений биополимеров и развития клеток, повышая общую устойчивость организма к ядерным излучениям.

Большой размах и объем поисков новых противолучевых средств в разных странах, а также уже достигнутые в этом направлении успехи внушают надежду на разрешение в скором будущем важнейшей проблемы химической защиты организма от действия ядерных излучений. Решение этой задачи имеет жизненно важное значение для целого ряда областей техники, медицины, практической жизни, а также для научных экспериментов, от исследований дальнего космоса до проблем термоядерной энергетики.

Особенности защиты при облучении нейтронами, протонами и другими частицами

Потоки частиц высоких энергий (электронов, протонов, нейтронов, альфа-частиц и более тяжелых многозарядных ионов) при взаимодействии с молекулами вещества вызывают в нем главным образом ионизацию и возбуждение, т. е. те же основные процессы, что и рентгеновские и гамма-лучи - излучения электромагнитной природы. Во всех случах в роли основных факторов ионизации выступают вторичные электроны или ядра отдачи, расходующие энергию первичной ионизирующей частицы на ионизацию и возбуждение молекул вещества. Таким образом, все виды ядерных излучений оказывают на вещество, в том числе и на живое, принципиально одинаковое воздействие. Очевидно, и последующие процессы, развивающиеся в облученном объекте, будут сохранять сходство, а значит, и противолучевые мероприятий в главном должны быть аналогичны или во всяком случае сходны.

Однако такие физические различия, как различия в массе ионизирующих частиц, их энергии, скорости движения, линейной потере энергии и т. п., могут иметь решающее значение для последующего биологического эффекта и, следовательно, эффективности радиозащитного действия химических препаратов. В отличие от рентгеновских и гамма-лучей, распространяющихся всегда со скоростью света и обладающих поэтому более или менее стабильной и относительно небольшой (0,5 - 2 пары ионов на 1 мк пробега в веществе) линейной потерей энергии, потоки частиц могут обладать очень различной энергией и скоростью. Соответственно изменяется и плотность вызываемой ими ионизации на единицу пути пробега часгицы, различным бывает и биологический эффект. Известное значение имеют также размеры и масса ионизирующей частицы.

При относительно низких энергиях и скоростях частицы вызывают большое количество ионизаций по траектории полета, сравнительно быстро расходуют запас энергии и не проникают глубоко в облучаемую ткань. Классический пример - альфа-частицы, возникающие при радиоактивном распаде урана, тория, радия и т. п. Образуя 5 - 6 тыс. пар ионов на 1 км пути, они не проникают в глубь тела более чем на доли миллиметра. С увеличением энергии и скорости полета частицы быстро растет ее проникающая способность; одновременно снижается линейная потеря энергии. Когда скорость ионизирующих частиц приближается к скорости света, линейная плотность ионизации оказывается приблизительно того порядка, что и при гамма-облучении.

Соответственно изменяется и биологический эффект излучения. Советскими исследователями установлено, что поток протонов с энергией 660 Мэв[13], двигающихся с очень большой скоростью, по линейным потерям энергии и биологическому эффекту мало отличается от гамма-излучения. Относительная биологическая эффективность этого излучения по различным биологическим показателям составляет 0,6 - 1,0.

Применение средств химической защиты в этом случае оказалось приблизительно столь же эффективным, как и при облучении соответствующей дозой рентгеновских или гамма-лучей. Значительно ослабляют эффект протонного облучения цистеин, цистеамин, цистамин, АЭТ, понижение кислорода во вдыхаемом воздухе (гипоксия) и т. п.

При уменьшении энергии потока протонов возрастают линейные потери энергии и относительная биологическая эффективность. По существу то же наблюдается и при облучении нейтронами, альфа-частицами и более тяжелыми ядрами. Частицы, обладающие большой линейной плотностью ионизации и относительной биологической эффективностью 10 - 20, вызывают внутри облученной клетки значительно более грубые и серьезные повреждения, чем кванты электромагнитного излучения. На долю ядра, хромосом, отдельных молекул нуклеиновых кислот и белков приходится относительно гораздо больше ионизации и соответствующие повреждения бывают грубыми и значительно хуже поддаются восстановлению. Например, под влиянием плотно ионизирующих излучений гораздо больше случаев не восстанавливающихся разрывов обеих нитей в молекуле ДНК, чем при попадании гамма-квантов; соответственно выше доля необратимого поражения.

Наконец, особенность биологического эффекта плотно ионизирующих излучений - снижение доли поражения, зависящей от кислородного эффекта. Кислород препятствует взаимной нейтрализации (рекомбинации) возникших в результате облучения радикалов органических соединений и воды, способствует возникновению более долгоживущих радикалов и перекисей, что при гамма-рентгеновском облучении примерно втрое увеличивает поражение. Если в пределах одной молекулы биополимера возникает не одна, а несколько ионизации (это возможно лишь при действии плотноионизирующих излучений), сразу возникают грубые поломки, разрывы, и присутствие кислорода особого значения уже не имеет.

Так как действие радиозащитных препаратов направлено преимущественно против зависимой от кислорода части поражения, в условиях облучения организма потоками альфа-частиц, нейтронов, а также протонов относительно низких энергий, эффективность тиоловых препаратов (цистамина, цистеина, АЭТ и т. п.) оказыается значительно пониженной, а гипоксия, нитрит натрия, адреналин, серотонин либо совсем не дают эффекта, либо он незначителен. Очевидно, хорошо изученные, ставшие традиционными средства химической защиты мало применимы при лучевых поражениях, вызванных быстрыми нейтронами, альфа-частицами и т. п. Это подчеркивает необходимость активных поисков новых средств химической защиты, изыскания и изучения новых механизмов противолучевого эффекта, так как только в этом случае можно рассчитывать на положительный эффект при попытках вмешательства в течение лучевого поражения.

Как бороться с радиоактивными изотопами, попавшими внутрь организма

Если источник ионизирующей радиации проник внутрь организма, против него оказываются совершенно непригодными те методы борьбы, которые подробно рассмотрены выше и эффективны по отношению к внешнему облучению. Физическая защита от изотопов, попавших внутрь организма, невозможна. Наука не знает также и химических способов, с помощью которых можно было бы нейтрализовать изотопы, прекратить радиоактивный распад их ядер. Поэтому борьба против опасности внутреннего облучения организма строится на принципиально иных основах, чем защита от внешнего облучения. Наилучшие результаты, разумеется, дают те методы, которые предупреждают опасность поступления изотопов в организм или по крайней мере ее ослабляют.

Что же это за методы? Прежде всего важное значение имеют получение, хранение и работа с изотопами в условиях, исключающих возможность заражения ими. Для этого необходимо герметизировать источники излучения, использовать "механические руки" - дистанционные микроманипуляторы, которые помогают избежать соприкосновения с изотопом; хранить радиоактивные отходы атомной промышленности в специальных закрытых бетонированных хранилищах в условиях, обеспечивающих защиту почвы, воздуха, грунтовых вод от опасности радиоактивного загрязнения.

Однако все эти мероприятия не могут полностью предотвратить опасности радиоактивного заражения. Эта опасность реальна не только для работников атомной промышленности и научно-исследовательских радиоизотопных лабораторий, где не исключена возможность аварии, технической неисправности оборудования, ошибки управления и т. п. Радиоактивные изотопы необычайно широко используют в самых различных отраслях народного хозяйства: в геологоразведочных и геофизических исследованиях (так называемый нейтронный и гамма-каротаж); в металлургической, металлообрабатывающей, машиностроительной и других отраслях промышленности (в форме радиоактивных средств регулирования и контроля ряда производственных процессов); с целью гамма-дефектоскопии; для "холодной" стерилизации и пастеризации пищевых продуктов; для измерения массы, толщины, уровня материалов и т. п.

В перспективе следует ожидать еще большего расширения сферы применения радиоактивных изотопов. Следовательно, с каждым годом все больше людей будет соприкасаться с изотопами, г. е. будет увеличиваться опасность радиоактивного заражения людей в результате нарушения технических норм и правил, вследствие ошибок и аварий. А такие явления, как выпадение радиоактивных осадков при атомных испытаниях, вообще не поддаются контролю и оказывают влияние (пусть пока не ощутимое) на все человечество.

В 1959 г. вышла в свет книга известного американского ученого и писателя Ральфа Лэппа "Рейс "Счастливого дракона"", в которой подробно рассказано о судьбе японских рыбаков, ставших жертвами взрыва американской водородной бомбы в 1954 г. Описанный в ней факт, разумеется, исключителен, но разница между японскими рыбаками и миллионами людей, проживающих в сфере выпадения радиоактивных осадков, не качественная, а только количественная.

Что же можно сделать для уменьшения вредоносного действия изотопов, попавших внутрь живого организма? Обычные защитные препараты, применяемые при внешнем облучении, в данном случае малоэффективны, так как их кратковременное противолучевое действие не может оказать существенного влияния на размер поражений, вызываемых длительным внутренним облучением организма. Кроме того, особенностью действия большинства изотопов является преимущественное накопление в отдельных органах (и преимущественное их поражение). Противолучевой эффект может быть достигнут лишь в том случае, если защитный препарат тоже обладает свойством избирательного накопления в том же органе и действует также длительно, как изотоп. Такими препаратами наука пока не располагает.

Можно наметить два основных мероприятия, с помощью которых удастся ослабить вредное действие внутреннего облучения. Первое из этих мероприятий имеет в виду проникновение изотопов в организм через рот и исходит из того, что всасывание изотопов из пищеварительного аппарата в кровь представляет собой процесс, длящийся во времени. Если в этот промежуток времени в пищеварительный тракт зараженного организма ввести вещества, которые сами не всасываются, но зато способны задерживать находящиеся в кишечнике изотопы, то всасывание последних в кровь затруднится, и размер внутреннего облучения уменьшится. Для этой цели особенно пригодны высокомолекулярные индифферентные вещества - адсорбенты, в том числе некоторые ионообменные смолы. Эффективны и некоторые низкомолекулярные вещества (сернокислый барий и др.).

Этот путь особенно пригоден при заражении изотопами, сравнительно медленно всасывающимися из пищеварительного тракта и легко адсорбирующимися (радиоактивные изотопы церия, иттрия, циркония, рутения, прометия, а также радий, торий, плутоний).

Второе мероприятие можно осуществлять тогда, когда изотопы проникли в кровь и способны в связи с этим распределяться по различным внутренним органам, фиксироваться в некоторых из них. В этом случае весьма целесообразно применять вещества, которые ускоряют выведение из организма изотопа, т. е. вытесняют его или образуют с ним хорошо растворимые и легко выводимые из организма комплексы.

Веществами-комплексообразователями могут быть препараты относительно низкомолекулярные, хорошо всасывающиеся, легко растворимые в жидкостях организма. Они не должны вступать в химические реакции с веществами организма, т. е. быть "чуждыми" его обменным процессам, быстро образовывать прочные и хорошо растворимые комплексы с ионами изотопов и в таком виде свободно выводиться из организма с мочой или калом.

В качестве таких соединений наиболее пригодны по-лиаминокарбоновые кислоты, подробно изученные швейцарским ученым Г. Шварценбахом и получившие в литературе название клешневидных (хелатных) соединений, или комплексонов. Простейший представитель этой группы соединений - иминодиуксусная кислота, а наиболее широкое применение в качестве комплексона приобрела этилендиаминотетрауксусная кислота (ЭДТА):

Способностью образовывать комплексы обладают также и другие органические кислоты (щавелевая, лимонная), унитиол, пентацин, оксатиол и некоторые новые, менее токсичные и более эффективные препараты. Обширные исследования в направлении поисков более эффективных комплексных соединений и разработки методов ускорения выведения из организма радиоактивных изотопов ведутся сейчас во всем мире. В нашей стране известные в этой области достижения получены коллективами сотрудников, руководимыми А. А. Городецким и В. С. Балабухой.

Эффективность тех или иных комплексных соединений в каждом отдельном случае во многом зависит от свойств радиоактивного изотопа. Особенно легко образуют растворимые комплексы многовалентные изотопы церия, циркония, прометия, иттрия, плутония и других, т. е. как раз те самые изотопы, которые плохо всасываются из желудочно-кишечного тракта и которые можно связать и вывести из организма еще до момента их всасывания в кровь. Таким образом, по отношению к этой группе долгоживущих радиоактивных изотопов уже существуют достаточно эффективные и надежные методы борьбы. К сожалению, этого пока нельзя сказать о наиболее опасных изотопах, таких как цезий - 137 и стронций - 90. Эти изотопы, образующиеся в значительном количестве в результате ядерных испытаний, вследствие близости к стабильным элементам - калию и кальцию, легко переходят в растительные и животные организмы. Обладая хорошей растворимостью, они очень быстро (в течение 30 - 60 мин.) всасываются в кровь. В связи с этим первый путь воздействия на них малоэффективен из-за краткости времени, в течение которого возможна адсорбция изотопов в пищеварительном тракте.

Поступивший в кровь цезий - 137, подобно калию и натрию, к которым он химически чрезвычайно близок, довольно равномерно распределяется по всему организму. В крови он, так же как и калий, сосредоточивается главным образом в эритроцитах, а из всех тканей тела в наибольшем количестве накапливается в мышечной ткани.

Стронций - 90, подобно кальцию, не образует в крови более или менее устойчивых соединений и довольно быстро, в течение первых четырех суток, фиксируется в депо кальция, т. е. в костях. Депонированный стронций с большим трудом и то лишь в незначительном количестве может быть прижизненно извлечен из костей и удален из организма. Поэтому все мероприятия, направленные на ускорение выведения из живого тела этого изотопа, должны проводиться в течение первых нескольких суток после его попадания в организм, пока стронций-90 еще не осел полностью в костях. Когда этот процесс завершается, современными методами почти ничего сделать не удается. Длительность процесса распада стронция-90 (период его полураспада равняется 27,7 года) обеспечивает внутреннее облучение организма до конца его жизни.

Сложность борьбы с опасностью внутреннего облучения этими изотопами состоит в том, что против стронция - 90 и цезия - 137 пока малоэффективны мероприятия не только первого, но и второго типа. Эти изотопы крайне неохотно образуют комплексные соединения. Для ускорения выведения этих изотопов предлагались другие методы. Так, Э. Б. Курляндская предложила вводить в организм в большом количестве стабильные нерадиоактивные изотопы цезия и стронция. Однако этот метод успеха не имел. Очевидно, радиоактивного изотопа в жидкостях организма бывает относительно мало по сравнению с возможными размерами его растворения. Однако в применении к другим изотопам этот метод дал хорошие результаты. Например, Т. И. Сиваченко установила, что введение фосфатов в виде инъекций, а также питание продуктами, богатыми фосфором (например, куриными яйцами), значительно ускоряет выведение из организма радиоактивного изотопа - фосфора - 32.

Гораздо лучшие результаты дает применение нагрузки калием при отравлении радиоактивным цезием. В опыте на мышах этот метод приводит к значительному ускорению выведения цезия; натрий, примененный с той же целью, дал значительно худшие результаты. В течение первых дней после попадания в организм стронция некоторый эффект дает кальциевая нагрузка. Э. 3. Рябовой удалось несколько ускорить выведение из организма цезия-137 с помощью таких комплексооб-разователей, как щавелевая и лимонная кислоты, а также глюконат кальция.

По данным А. Н. Марея и В. А. Книжникова, некоторые виды пищи и питьевая вода, обогащенные кальцием и фтором, достоверно препятствуют всасыванию в организм некоторых радиоактивных изотопов и уменьшают их поражающее действие.

Что же касается методов борьбы со стронцием-90, то до сегодняшнего дня наиболее эффективными остаются методы его адсорбции в пищеварительном тракте. Борьба со стронцием, всосавшимся в кровь и особенно с осевшим в костях, весьма трудна. Как показали многочисленные исследования, с помощью нагрузки стабильным стронцием и кальцием удается достичь лишь весьма незначительного эффекта.

Таким образом, знакомство с основными достижениями в области борьбы с вредным действием внутреннего облучения организма убеждает нас в том, что и в этой области защиты организма от действия ионизирующей радиации имеются значительные успехи. Большие исследования, ведущиеся в разных странах, внушают серьезные надежды на то, что проблема выведения из организма стронция - 90 в ближайшие годы получит более полное разрешение.

Лечение лучевой болезни

Выше были рассмотрены методы лекарственной (химической) защиты организма от внешнего и внутреннего облучения. Однако и в тех случаях, когда предотвратить лучевое поражение человека не удалось, ученью и врачи не бессильны перед лицом радиационной опасности. Лечение острой лучевой болезни строится с уче-том главных направлений поражающего действия радиации, основных клинических синдромов заболевания. Картина лучевой болезни характеризуется большим разнообразием клинических проявлений, повреждением различных систем организма, поэтому терапия острой (и хронической) лучевой болезни носит комплексный характер.

Комплексная терапия лучевой болезни в соответствии с клиническими синдромами заболевания включает мероприятия, направленные на стимуляцию кроветворения; на борьбу е геморрагическим и кишечным синдромами, на предупреждение опасности аутоинфекции и на ликвидацию развившихся инфекционных и септических очагов.

Весьма эффективное средство - введение в кровь облученного животного суспензии клеток здорового костного мозга. Попадая с током крови в опустошенные радиацией костномозговые пространства облученного организма, введенные клетки оседают там и, энергично делясь, начинают снабжать организм миллионами свежих клеток крови. Однако на пути широкого применения этого метода существует серьезное препятствие. Дело в том, что даже клетки организмов одного вида отличаются по своему составу настолько, что, введенные в другой организм, они не развиваются в нем, гибнут, вызывая иногда тяжелую шоковую реакцию. Тем более опасно вводить клетки костного мозга, взятые от животных другого биологического вида. Каким же образом обойти это препятствие?

Некоторые зарубежные ученые предлагают такой способ. Пусть каждый человек, поступающий на работу, связанную с опасностью облучения, заблаговременно сдаст часть своего костного мозга в специальную лабораторию. Там костный мозг будет храниться неограниченно долго при температуре -70° С. В случае необходимости пострадавшему будет введен его собственный здоровый костный мозг и тем самым удастся избежать опасности осложнений. Этот метод может дать хорошие результаты, но он еще недостаточно изучен.

Есть еще один выход. Оказывается, в организме, подвергшемся действию больших доз радиации, иммунологическая реактивность настолько подавлена, что введение чужеродных клеток костного мозга даже от животных другого вида не вызывает никаких побочных реакций. Так, облученным смертельной дозой радиации мышам успешно вводилась суспензия клеток крысиного костного мозга. Но этот метод не абсолютно безопасен. Со временем, когда облученный организм выздоравливает, восстанавливается и его реактивность, тогда чужеродные клетки, прижившиеся в костном мозгу, вызывают более или менее сильную реакцию (в виде повышения температуры, озноба и т. п.).

Чем больше по своим генетическим и иммунологическим свойствам отличается пересаженная ткань от тканей реципиента (организма, которому произведена пересадка), тем быстрее развивается реакция вторичной несовместимости, тем тяжелее она протекает. Возможен и смертельный исход - уже не от лучевого поражения, а от реакции тканевой несовместимости - так называемой вторичной болезни, при которой наблюдаются атрофия и некрозы лимфатических узлов, лимфоидной ткани кишечника, поносы.

Свыше 10 лет назад во время аварии атомного реактора в Югославии смертельную дозу радиации (смешанного гамма-нейтронного облучения) получили шестеро югославских инженеров. Пострадавших доставили самолетом в Париж, в институт Кюри, и лечили всеми доступными средствами под наблюдением весьма квалифицированных специалистов, но состояние их непрерывно ухудшалось. Врачи решились (ввиду безнадежного положения) произвести впервые на людях пересадку костного мозга. Материал для пересадки был взят от ближайших родственников больных, наиболее близких в генетическом и иммунологическом отношениях, что и определило в конечном счете успех лечения. Один из облученных вскоре после пересадки скончался (опера-ил запоздала, и пересаженный костный мозг не успел оказать благотворного влияния). Остальные пятеро, несмотря на полученную смертельную дозу радиации, успешно перенесли лучевую болезнь и последующую реакцию несовместимости, практически выздоровели, работают по специальности, а двое из них имеют вполне здоровых детей, родившихся после аварии.

Разумеется, этот метод лечения не вполне безопасен. И все же, несмотря на эту очевидную опасность, метод пересадки клеток костного мозга весьма перспективен и скоре станет, вероятно, общепризнанным.

С целью замещения разрушенных радиацией клеток рови больным лучевой болезнью переливают кровь, лейкоцитную и тромбоцитную массу, иногда плазму. В легких случаях для стимуляции собственного кроветворения вводят витамины В12, В6, фолиевую кислоту, батиловый спирт, тезан, лейкоген, нуклеиновокислый натрий. Для борьбы с геморрагическим синдромом больным лучевой болезнью вводят серотонин, витамины С и Р, е-аминокапроновую кислоту, викасол (витамин К), хлористый кальций или глюконат кальция, тромбоцитную массу. В ранние сроки хорошие результаты дает обменное переливание крови (замена выпускаемой крови свежей), предложенное и примененное в клинической практике советскими учеными П. Д. Горизонтовым, Н. А. Куршаковым и др. Неплохие результаты дает введение плазмы крови и кровозаменителей: например, полученного В. А. Белицером в Институте биохимии АН УССР белкового кровезаменителя БК-8, полиглюкина, поливинилпирролидона, кровозаменителей Центрального института переливания крови и т. п., с помощью которых удается удалить и обезвредить часть ядовитых продуктов облучения, повысить реактивность организма. Наконец, важное место в комплексном лечении лучевой болезни занимает терапия антибиотиками. Аутоинфекция - один из самых постоянных синдромов лучевой болезни. С помощью антибиотиков удается предупредить проникновение микробов в кровь или устранить его, избежать появления инфекционных очагов и септических осложнений. Наилучшие результаты при лечении острой лучевой болезни дает сочетание пенициллина со трептомицином, а также бициллина (препарата пенициллина с длительным действием, вводимого один раз в течение трех-семи суток). Однако и другие антибиотики (тетрациклины, биомицин, хлорамфеникол) эффективны при лечении лучевой болезни.

Разработка методов и схем комплексного лечения острой лучевой болезни в значительной степени является достижением советской радиобиологии. Рациональные и эффективные схемы комплексного лечения этой болезни разработаны видным советским ученым профессором П. Д. Горизонтовым и его учениками, А. А. Багдасаровым, Н. А. Куршаковым и др. Эти схемы включают в качестве обязательных компонентов антибиотики, витамины и другие средства повышения устойчивости организма к вредным воздействиям, некоторые гормональные препараты, переливание крови, ее компонентов и заменителей, а также стимуляторов в определенных условиях и дозировках. Е. Е. Чеботарев получил неплохие результаты в опыте на собаках с помощью комплекса средств, включающего белковый кровозаменитель БК-8, витамин B12, батиловый спирт и антибиотик бициллин-3.

С целью замещения поврежденных структур и ускорения восстановления больным лучевой болезнью рекомендуется вводить достаточное количество легко усвояемых белков, витамины, а также некоторые исходные продукты синтеза нуклеиновых кислот: азотистые основания, нуклеотиды, гидролизаты нуклеиновых кислот, дрожжевые экстракты и т. п.

Таким образом, и в области лечения лучевой болезни имеются серьезные успехи.

Что же касается лечения хронической лучевой болезни, то, как было указано выше, в первом ее периоде отличный лечебный результат наблюдается при отдыхе и санаторно-курортном лечении. На более поздних этапах заболевания применяют те же средства стимуляции кроветворения, антигеморрагические и антибиотические средства, что и при острых лучевых поражениях. С целью повышения жизненного тонуса, реактивности и сопротивляемости организма лечение дополняется соответствующими стимуляторами нервной системы. Таковы современные методы лечения лучевой болезни.

Глава 6. Ядерные излучения служат человеку

Лучи и урожайность

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Меченые атомы в биологических исследованиях

Процессы обмена веществ, непрерывно происходящего в живых организмах,- один из основных вопросов биологии. Долгое время, однако, не было найдено такого метода, который позволял бы изучать динамику обменных процессов в клетках, органах и тканях животных и растений. Наиболее подходящим для этой цели представлялся метод метки, при котором вводимые в организм соединения метятся, чтобы в дальнейшем можно было проследить за их судьбой. В некоторых случаях те или иные вещества метили красителями. Однако этот метод имел существенные недостатки: а) метка по своей химической природе отличалась от того вещества, которое она должна метить, в связи с чем нельзя было утверждать, что поведение и самого вещества и метки во всех случаях одинаково; б) концентрацию метящего вещества иногда приходилось брать настолько большой, что это могло повлиять на течение процесса.

Широкие возможности в этом отношении открыл перед исследователями метод, основанный на применении радиоактивных индикаторов, получивший название метода меченых атомов. Его сущность заключается в том, что радиоактивные изотопы, добавленные к неактивным атомам, как бы метят их, позволяя следить за ходом течения различных процессов, в которых участвуют эти атомы. При исследовании к основной порции нерадиоактивного вещества добавляют небольшое количество активного, содержащего радиоактивный изотоп. Полученную смесь вводят внутрь организма, добавляют к продуктам питания и т. д. Так как при обычных химических процессах различные изотопы одного и того же элемента ведут себя одинаково, поведение атомов радиоактивного изотопа не будет отличаться от поведения нерадиоактивных атомов. Через определенные промежутки времени с помощью специальных приборов наблюдают за распределением радиоактивного изотопа в тканях организма. Полученная картина характеризует распределение и нерадиоактивного изотопа.

Естественно радиоактивные вещества использовались в качестве индикаторов в химических и биологических исследованиях в 1917 г. В. Н. Спицыным для определения растворимости солей тория в разных растворителях. Но широко этот метод стал применяться только после того, как научились изготовлять искусственно радиоактивные изотопы.

Метод меченых атомов имеет чрезвычайно высокую чувствительность, обусловленную применяемыми методами обнаружения и измерения ядерных излучений. Так, отдельные радиоактивные вещества могут быть обнаружены в количестве 10-15-10-20г, в то время как чувствительность спектроскопических измерений не превышает 10-10-10-12г. Другое достоинство этого метода - возможность измерения активности радиоактивных изотопов в присутствии значительного количества неактивного вещества без выделения вещества в чистом виде и очистки проб.

Для обнаружения радиоактивных индикаторов применяют такие чувствительные приборы, как описанные выше газовый и сцинтилляционный счетчики, позволяющие обнаружить ничтожное количество радиоактивных веществ и измерить даваемые ими излучения.

Рис. 14. Авторадиограмма листа

В некоторых случаях необходимо не только обнаружить радиоактивный изотоп и измерить активность, но и изучить распределение его в том или ином объекте. Если объект имеет большие размеры, для этой цели пользуются специальными приборами, если же размеры объекта невелики (отдельные органы и части органов животных, листья, корни и другие части растений и т. п.), прибегают к методике авторадиографии (рис. 14). Чтобы получить авторадиограмму, исследуемый образец в темном помещении прижимают к эмульсионному слою фотопластинки или фотопленки, которую проявляют через несколько дней. Места объекта, содержащие радиоактивные вещества, вызывают почернение расположенных рядом с ними участков пленки. Полученная таким образом авторадиограмма наглядно отображает распределение радиоактивного изотопа в исследуемом объекте.

Для проведения исследований этим методом необходимо затратить довольно много времени, но зато он дает наглядную картину распределения изотопа в том или ином участке организма. Точное место накопления радиоактивного изотопа можно установить методом микроавторадиографии. Чтобы удобнее было сравнивать авторадиограмму с самим объектом, поступают следующим образом. Тонкий срез исследуемого образца в темноте поливают жидкой фотоэмульсией. Эмульсия застывает, твердеет и в таком виде ее оставляют в контакте со срезом на несколько дней. После экспонирования фотослой вместе со срезом помещают в проявитель, после чего их кладут под микроскоп. Рассматривая одновременно и срез, и его микроавторадиограмму, можно точно определить места локализации радиоактивного изотопа.

Радиоактивные индикаторы используются в опытах на животных. Если необходимо исследовать поведение какого-либо вещества в организме животного, вместе с пищей или же путем подкожного впрыскивания вводят определенное количество радиоактивного изотопа в смеси с нерадиоактивным изотопом этого же элемента. Через некоторое время, поднося счетчик излучения к той или иной части тела животного, определяют интенсивность излучения. Для определения содержания радиоактивного изотопа в крови у животного берут пробу крови. Чтобы получить более точное представление о распределении изотопа в отдельных органах и тканях, животное через определенный промежуток времени забивают и приготовляют препараты различных органов. Для уменьшения объема и веса препараты высушивают и озоляют в муфельной печи, а затем измеряют их активность.

Метод меченых атомов позволяет биологам и медикам изучить физиологические процессы в условиях эксперимента, наиболее приближающихся к тем, которые имеют место в неповрежденном организме.

Уже вскоре после применения этого метода были получены очень интересные и важные результаты. Новым явилось для биологов прямое доказательство постоянного и непрерывного обновления всех составных частей организма и та неожиданная быстрота, с которой совершаются процессы перемещения вещества, сложные процессы белкового обмена и обмен минеральных веществ.

Ничтожно малое количество радиоактивного вещества, не нарушающее равновесия между протекающими в теле процессами, легкость выявления и определения местоположения изотопа, возможность в некоторых случаях проведения исследований на живом организме обусловили успешное применение метода радиоактивных индикаторов почти во всех областях биологии. Полученные этим методом данные в настоящее время широко используются в медицине и сельском хозяйстве. Например, через четыре часа после подкожного введения крысам фосфора 18,6% его было найдено в костях, 15,4% - в мышцах и 0,16% - в мозгу. Установлено, что 30% фосфора, находящегося в скелете белых крыс, обновляется в течение одного дня.

Обмен азота в белке многих тканей (печени, почках, крови) на меченый азот происходит с большой быстротой и заканчивается на протяжении трех-четырех суток. В таких тканях, как мышцы, сердце, селезенка, обмен идет медленнее, но не дольше одной-двух недель.

Исследования, проведенные с радиоактивным кальцием, показали, что в костной ткани молодого животного концентрируется 90% введенного кальция, в то время как в кости старого поступает только 40%.

При введении беременным крольчихам радиоактивного железа, связанного с β-1 глобулином, через 17 час. третья часть железа была обнаружена в организме плода. При этом 1 г печени плода, где главным образом концентрируется железо, оказался в 120 раз активнее такого же количества печени матери.

В области физиологии метод меченых атомов дал возможность получить интересные данные относительно перемещения вещества через клеточные оболочки и мембраны и естественные границы между органами и тканями. Так, при помощи воды, меченной тритием, было установлено, что в течение одной минуты 70% воды, содержащейся в русле кровотока, выходит за его пределы и до 70% воды возвращается в этот же срок обратно. С большой скоростью происходит проникновение ионов натрия и калия из русла кровотока во внесосудистую жидкость организма, а ионов калия - и внутрь клеток. Ценные результаты были получены при изучении скорости проникновения вводимых в кровь веществ в спинномозговую жидкость.

Вводя в кровяное русло радиоактивный изотоп, можно определить скорость кровотока. Для этого нужно измерить время, необходимое для того, чтобы радиоактивный изотоп, введенный в вену одной конечности,- был обнаружен счетчиком у другой конечности.

Интересно, что при введении в организм здорового животного солей железа только незначительная часть их поглощается организмом. В том случае, когда животному предварительно было произведено кровопускание, почти все введенное в организм железо усваивается.

При изучении функции щитовидной железы с помощью радиоактивного йода установлено, что уже через несколько минут после введения в организм небольшого количества йодистого калия концентрация радиоактивного йода в щитовидной железе во много раз выше, чем в других органах, тканях и крови. В то же время способность избирательного поглощения йода щитовидной железой значительно изменяется в зависимости от ее функционального состояния. Это позволило разработать применяемые в клинике методы исследования функциональной деятельности щитовидной железы.

В области энтомологии практически важные результаты были получены при изучении дальности и путей миграции различных вредных насекомых, вопросов физиологии насекомых, их питания, механизма действия инсектицидов, переноса насекомыми болезнетворных грибков, бактерий, вирусов. Исследуемых насекомых (или их личинки) метили либо при кормлении, вводя вместе с пищей радиоактивный изотоп, либо путем обработки тела насекомых радиоактивными препаратами. Оказалось, что основная масса домашних мух, являющихся переносчиками таких заболеваний, как дизентерия, в населенных местах перемещается на расстояние до 1 - 2 км от места вылета, а иногда и на более далекие расстояния - до 10 км. С помощью меченных фосфором пчел изучался вопрос о переносе заболеваний пчел из одного улья в другой.

Широко используется метод меченых атомов и в исследованиях по сельскому хозяйству. А. Л. Курсанов, А. М. Кузин, Н. Г. Крюков с помощью радиоактивного углерода - 14 обнаружили новую функцию корневой системы - поглощение корнями углекислоты из почвы и передачу ее в зеленые части растений.

Использование изотопов углерода позволило также лучше изучить один из наиболее сложных биологических процессов - фотосинтез.и наметить пути управления им. Как известно, растения в течение дня "вдыхают" из воздуха углекислый газ и под действием света вырабатывают из него углеводы. Процесс этот, протекающий с участием зеленого красителя растений - хлорофилла, имеет огромное значение в развитии жизни на Земле. Практическое управление этим процессом и возможность осуществления его в искусственных условиях могли бы привести к тому, что человечество не зависело бы, как сейчас, от урожаев сельскохозяйственных культур.

Декабрьский Пленум ЦК КПСС 1963 г. рассмотрел вопрос об ускоренном развитии химической промышленности - важнейшего условия подъема сельскохозяйственного производства и роста благосостояния народа.

Увеличение производства минеральных удобрений дает возможность добиться устойчивых урожаев сельскохозяйственных культур, повысить эффективность сельского хозяйства. Но для того чтобы минеральные удобрения давали наибольшую пользу, нужно уметь правильно их использовать, знать, когда, как и в каком количестве их следует применять. Тут может оказать огромную помощь работникам сельского хозяйства метод меченых атомов.

Путем введения радиоактивного изотопа фосфора - 32 в почву было установлено, что фосфор поступает в растения кукурузы через 2 мин., фасоли - через 5 и ячменя через 10 мин. после набухания семян. Следовательно, обмен веществ у растений с внешней средой начинается сразу же после того, как их семена набухнут или прорастут. Этим была обоснована необходимость внесения фосфорных удобрений в грядки под семена или совместно с семенами при посеве.

Тот же изотоп фосфор - 32 служит для установления коэффициента использования фосфора из удобрений, выбора способов внесения удобрений, оценки работы сельскохозяйственных орудий и машин для внесения удобрений. Применяя этот изотоп, а также радиоактивный углерод, удалось подтвердить выдвинутое советскими учеными положение о том, что основным местом синтеза сахарозы являются листья сахарной свеклы, а в корнях она только отлагается в запас, и что в повышении сахаристости свеклы важная роль принадлежит фосфатному питанию.

Изотопы хлор - 36 и натрий - 22 при решении задач мелиорации используются для изучения передвижения в почве воды и солевого режима почвы.

Целый ряд вопросов, связанных с удобрением почвы, нашел свое разрешение только с применением радиоактивных изотопов, потому что химическими исследованиями такие вопросы решить невозможно. Так, вносимые с удобрениями элементы фосфор, сера, калий всегда находятся в почве, поэтому химическим путем невозможно решить, откуда данный элемент поступает в растение - из удобрения или непосредственно из почвы. При использовании же меченых удобрений можно легко и быстро определить, как усваивает данное растение внесенное тем или иным способом удобрение.

Методом радиоактивных индикаторов было установлено, что хлопчатник, кукуруза, клевер усваивают фосфор лучше при местном введении удобрения, чем при разбрасывании. Картофель интенсивно использует фосфор удобрений в течение всего роста, кукуруза усваивает его особенно активно в ранние сроки вегетации, а соя почти весь нужный ей фосфор берет из почвы, несмотря на внесение большого количества удобрений. Исключительна роль метода радиоактивных индикаторов в изучении роли и значения микроэлементов в развитии сельскохозяйственных культур.

Микроэлементами называют такие элементы, которые поступают в организм в ничтожно малых количествах, но без которых невозможно его нормальное развитие. Медь, цинк, марганец, кобальт, молибден, бор находятся в почве в ничтожно малом количестве, а между тем их отсутствие вызывает заболевания растений. Многие растения обладают сильно развитым избирательным свойством в отношении микроэлементов. Некоторые элементы, присутствие которых не может быть определено в почве даже таким чувствительным методом, как спектральный анализ, накапливаются в растениях в сравнительно большом количестве. В зеленых огурцах обнаружено довольно много серебра, в чесноке - ванадия, в капусте - молибдена, циркония и др.

Таким образом, метод меченых атомов - весьма эффективное вспомогательное средство для изучения приемов улучшения питания сельскохозяйственных растений. Метод этот нашел применение и при изучении питания сельскохозяйственных животных. Так, использование радиоактивного углерода показало значение хлорофилла в питании животных. Оказалось, что углерод, входящий в состав хлорофилла, быстро включается в гемоглобин. Недостаток хлорофилла приводит к падению продуктивности, понижению способности к размножению, ослаблению сопротивляемости организма к заболеваниям. Радиоактивные индикаторы позволили изучить значение отдельных элементов кормов для животного организма. С помощью кобальта - 60 была установлена необходимость содержания в кормах кобальта, который в организме животных входит в состав витамина В12.

Интересный пример использования методики меченых атомов - применение ее для определения эффективности искусственного разведения молоди промысловых рыб Волго-Каспийского бассейна.

В нашей стране большое внимание уделяется рыбному хозяйству. Один из способов увеличения количества рыбы в водных бассейнах - выращивание в специальных нерестово-вырастных хозяйствах мальков промысловых рыб с последующим выпуском их в реку. Проведенные с помощью меченых атомов исследования (выпускаемые мальки снабжались радиоактивной меткой и определялся процент меченых рыб ко всему количеству рыбы в реке) показали, что выпуск выращенной молоди леща в реку малоэффективен, так как подавляющее большинство мальков становится жертвой хищных рыб, и 96% всего поколения приходится на долю естественного размножения. Вместе с тем вывоз выращенной молоди в море на места нагула позволяет повысить ее выживаемость по сравнению с выживаемостью в реке в девять раз.

Большое значение для определения возраста различных биообъектов имеет методика определения возраста по радиоактивному углероду С14.

В земной атмосфере под действием космических лучей происходит непрерывное образование радиоактивного изотопа углерода - С14. Ежегодно таким путем образуется около 9,8 кг С14. Общее же количество С14, содержащегося в земной атмосфере, является постоянным, так как приток нового С14 компенсируется радиоактивным распадом уже имеющегося и составляет около 1 т. Соединяясь с кислородом, этот изотоп образует радиоактивный углекислый газ, который вместе с обычным углекислым газом поглощается растениями, а оттуда переходит и к животным.

Имеющиеся данные показывают, что за последние 20 тыс. лет отношение содержания радиоактивного углерода С14 к нерадиоактивному С12 в атмосфере остается неизменным. Такое же соотношение устанавливается в результате непрерывно протекающих обменных процессов и в тканях растительных и животных организмов. В случае смерти организма обменные процессы прекращаются; новый радиоактивный углерод в организм не поступает, а старый постепенно распадается. Поэтому у мертвых растительных и животных организмов наблюдается непрерывное изменение соотношения С14 : С12 за счет уменьшения количества радиоактивного углерода С14 (рис. 15). Так как период полураспада С14 составляет 5568 лет, то кусок кости мамонта, пролежавший в земле пять с половиной тысяч лет, будет содержать вдвое, а пролежавший одиннадцать тысяч лет - вчетверо меньшее количество С14 по сравнению с живущими организмами. Метод этот очень удобен для объектов, содержащих углерод и имеющих возраст от 2 до 50 тыс. лет.

Многие из читателей нашей книжки увлекались в свое время рассказом известного норвежского путешественника Тура Хейердала о его путешествии на Кон-Тики. Когда перед Хейердалом встал вопрос о возрасте каменных идолов на Маркизских островах, он воспользовался тем обстоятельством, что под некоторыми из них был обнаружен пепел костров. Пользуясь радиоуглеродным методом, он установил, что старейшие из проб пепла, взятых под идолами, относятся приблизительно к 1300 г., а, следовательно, к этому же периоду следует отнести установку идолов.

В настоящее время помимо углеродного разработаны методы определения возраста ископаемых останков, основанные на распаде иных радиоактивных элементов (калия, рубидия, урана и других). Такие "радиоактивные часы" позволяют уже определять возраст в миллионы лет. Таким образом был определен возраст останков, представленных на рис. 16.

Рис. 15. Зависимость удельной радиоактивности изотопа С14 от возраста образца (а — ж)

Нами перечислена только небольшая часть работ, которые выполнены с применением радиоактивных индикаторов в области биологии. Однако и сказанного достаточно, чтобы показать, какие широкие возможности открыл этот метод для исследователя-биолога. Несмотря на свою универсальность, метод меченых атомов не во всех случаях может помочь биологам в решении стоящих перед ними задач. Возьмем, например, такой случай. Ботаникам и специалистам по сельскому хозяйству очень важно изучить распространение пыльцы растений. Мечение пыльцы радиоактивными элементами требует значительного количества этих элементов, это представляет собой опасность в отношении загрязнения местности и повышения радиоактивного фона, что, конечно, недопустимо. Как быть? Тут на помощь меченым атомам пришел новый метод исследования, получивший особое распространение в последние 5 - 10 лет, - радиоактивационный анализ.

Рис. 16. Ископаемые останки доисторического млекопитающего арсин-териума (а) и крылатого ящера птеродактиля (б), возраст которых (40 и 160 млн. лет) определен с помощью 'радиоактивных часов'

Метод этот основан на изучении наведенной радиоактивности, возникающей в исследуемом объекте при облучении его нейтронами. Нейтроны, как уже об этом было сказано выше, представляют собой частицы, не обладающие электрическим зарядом. Благодаря этому на них не действуют электрические силы, существующие внутри атома, и они легко проникают в ядра атомов. При этом происходят ядерные реакции, в результате которых атомы становятся радиоактивными. Полученные радиоактивные изотопы различаются друг от друга по энергии квантов и частиц, а также по периодам полураспада. Определив с помощью специального прибора (спектрометра) энергию квантов излучения образовавшегося радиоактивного изотопа и измерив период полураспада, можно установить, какому элементу (или каким элементам) принадлежит это излучение и, таким образом, узнать химический состав облученного образца.

Наиболее удобный для данной цели источник нейтронов - ядерный реактор, внутри которого интенсивность потока нейтронов доходит до 1013 - 1014 нейтронов на 1 см2 в секунду. При проведении радиоактивационного анализа исследуемый объект помещают в специальном канале, имеющемся для этой цели в защите реактора, поближе к его активной зоне.

Основное преимущество радиоактивационного анализа - очень высокая чувствительность. Для ряда элементов, например для мышьяка, марганца, ртути, меди, цинка, хрома, фосфора и других, она настолько высока, что эти элементы могут быть обнаружены в количестве 10-10 г, а диспрозий и европий обнаруживаются даже - 10-12 г. Это во много раз превосходит чувствительность спектрального анализа.

Активационный анализ явился ценным дополнением к методу меченых атомов. В приведенном выше примере с пыльцой растений поступили таким образом - пыльцу пометили ничтожными количествами стабильного изотопа. В таком виде она не представляла собой никакой опасности. Затем из ряда мест, где предполагалось наличие пыльцы, брали образцы. Их помещали в ядерный реактор, после чего исследовали излучение образовавшихся радиоактивных изотопов. Таким образом, можно было определить наличие или отсутствие в данном образце элемента, использованного для метки.

В настоящее время радиоактивационный анализ широко используется в биологии для решения самых разнообразных задач. Этим методом определено содержание микроэлементов (т. е. элементов, присутствующих в ничтожных количествах) в различных тканях и жидкостях организма человека и животных. Как показывают данные современной науки, микроэлементы, несмотря на небольшое количество, играют огромную роль в жизни человека, животных и растений. Радиоактивационным методом было определено содержание йода в крови нормальных людей и людей, страдающих расстройствами щитовидной железы.

Эффективным оказалось применение радиоактивационного анализа в токсикологии для обнаружения ничтожных следов ядов в организме. Так, при отравлениях мышьяком он легко, обнаруживается этим методом в волосах и ногтях, причем для исследования достаточно взять сотые доли грамма волос и ногтей. Если исследовать распределение наличия мышьяка по длине волоса, то, учитывая скорость роста волос, можно установить даже время отравления.

Так, проведенное расследование обстоятельств смерти Наполеона в 1821 г. показало, что содержание мышьяка в его волосах в 13 раз превосходило норму. Тщательные измерения, проведенные вдоль волоса (длина волос составляла 13 см), привели к выводу о том, что мышьяк вводился небольшими дозами в течение четырех месяцев.

Этим же методом была проверена историческая версия об отравлении ртутью шведского короля Эрика XIV в. 1568 г. При исследовании останков в них была обнаружена ртуть.

Изотопы ставят диагноз

Методика меченых атомов нашла широкое применение во многих областях науки. Один из наиболее интересных и практически важных случаев использования этой методики - применение ее в медицине для диагностики ряда заболеваний. Позволяя судить о перемещении тех или иных веществ в организме, характере накопления их в отдельных органах и тканях и выведения их из организма, они помогают обнаруживать начальные патологические сдвиги в организме, которые трудно, а подчас и невозможно обнаружить другими методами.

Первые попытки использовать радиоактивные изотопы для целей диагностики относятся к тому периоду, когда не было еще известно об искусственной радиоактивности. Так, в 1927 г. делались попытки использовать радиоактивный элемент - радий С для измерения скорости движения крови в организме. Попытка эта, однако, оказалась неудачной - радий С и долгоживущие продукты его распада накапливались в костях и очень плохо выводились из организма, представляя, таким образом, определенную опасность для больного. Только после открытия искусственной радиоактивности медики получили в свое распоряжение радиоактивные изотопы, пригодные для целей диагностики.

Началом радиоизотопной диагностики следует считать 40-е годы, когда начали появляться работы по применению радиоактивных изотопов в клинике для целей диагностики. В СССР в 1943 г. Г. М. Франк и И. Н. Верховская применили радиоактивный фосфор Р32 для изучения особенностей обмена фосфора в костях.

За прошедшие почти 30 лет метод радиоизотопной диагностики занял прочное место в клинической практике, показав свою высокую чувствительность и эффективность при диагнозе целого ряда заболеваний. В то же время тщательный подбор применяемых радиоактивных веществ и непрерывное повышение чувствительности методов регистрации излучений привели к значительному уменьшению доз, получаемых исследуемыми. Самые тщательные наблюдения в течение десятилетий над больными, которые подвергались обследованию с помощью радиоактивных веществ, не смогли выявить у них каких-либо вредных последствий. Большое достоинство данного метода - то, что при нем не происходит никакого нарушения нормальной жизнедеятельности организма.

В радиоизотопной диагностике в настоящее время используются радиоактивные изотопы натрия (Na24), фосфора (Р32), кальция (Са47), хрома (Сr51), криптона (Кr85), йода (I131, I132), ксенона (Хе133), золота (Аu198) и др.

Основное требование, предъявляемое к этим изотопам, - низкая радиотоксичность. Непригодны для целей диагностики изотопы, которые обладают длительным периодом полураспада и трудно выводятся из организма или преимущественно накапливаются в жизненно важных органах. С другой стороны, работа с короткоживущими изотопами, с периодом полураспада несколько минут, представляет значительные трудности и неудобства. Поэтому наиболее пригодны радиоизотопы с периодом полураспада от 10 часов до нескольких дней. Существеннее значение имеют также вид и энергия излучения взятого изотопа. Для регистрации излучения препарата, находящегося внутри организма, необходимо, чтобы энергия его была достаточна и излучение выходило наружу. Целесообразно для этой цели применять гамма-излучатели с энергией от 100 кэв и более. Слишком высокая энергия излучения создает дополнительные трудности с защитой приборов и обслуживающего персонала.

Большие перспективы перед радиоизотопной диагностикой открыла возможность получения разнообразных химических соединений, обладающих различными биологическими свойствами, в состав которых входят радиоактивные изотопы. Это дает возможность получения радиоактивных веществ, обладающих необходимыми для тех или иных исследований биологическими свойствами.

Радиоактивный изотоп вводится внутрь организма внутривенно или через рот. Затем при помощи специальных приборов определяют характер его распределения в различных органах и тканях или же регистрируют динамику перераспределения радиоактивных веществ в организме.

При лечении некоторых заболеваний, особенно заболеваний сердечно-сосудистой системы, для определения степени нарушения бывает необходимо измерить скорость движения крови в сосудах, определить состояние местного (органного) или общего кровообращения и тканевого кровотока. При таких болезнях, как облитерирующий эндоартериит, артериосклеротическая гангрена и др.. основной симптом - показатель тяжести нарушения периферического кровообращения. Для определения его больному вводят в локтевую вену 15 - 20 мккюри I131 и следят за показаниями радиографа, установленного у пятки стопы, который регистрирует на ленте время и скорость накопления активности в стопе. "

Широкое распространение получило применение радиоактивного йода для диагностики заболеваний щитовидной железы. При поступлении в организм йод из желудочно-кишечного тракта всасывается в кровь, затем некоторые количества его накапливаются в щитовидной железе, распределяются во внеклеточной жидкости и выводятся почками. Накопление йода в щитовидной железе происходит довольно быстро. В норме уже через 2 часа 20% содержащегося в крови йода удерживается в щитовидной железе, через 24 часа количество этого элемента увеличивается до 40%.

При различных заболеваниях щитовидной железы наступают характерные изменения в йодном обмене. При таких заболеваниях, как гипоплазия и аплазия щитовидной железы, старческая атрофия железы, тиреоидиты, эндемический зоб, имеет место снижения интенсивности йодного обмена. Наоборот, при гиперплазии щитовидной железы и некоторых формах эндемического и спорадического зоба интенсивность йодного обмена повышается.

Динамика накопления йода в щитовидной железе, содержание его в крови и выделение с мочой могут быть прослежены с помощью радиоактивного йода, который для этой цели вводится внутривенно.

Измеряется и скорость накопления йода в щитовидной железе.

Для определения топографии щитовидной железы, ее формы, размеров отдельных долей и относительной функциональной активности отдельных ее долей прибегают к методике скеннирования.

Рис. 17. Гамма-топограф, или скениер - прибор для изучения распределения радиоактивного вещества в организме человека. Интенсивности излучения, воспринимаемого специальным датчиком от отдельных точек объекта (а, б), соответствует интенсивность почернения тех же участков (а1, б1) на скеннограмме

Радиоизотопным скеннированием называется получение на бумаге штрихового изображения при помощи тех же участков (а б) на скеннограмме прибора, называемого скеннером или гамма-топографом, схема которого показана на рис. 17. Основная часть скеннера - датчик, чувствительный к радиоактивным излучениям. В качестве такового чаще всего используется сцинтилляционный счетчик, заключенный в свинцовый коллиматор, позволяющий излучениям падать на него только в определенном направлении. Вместе с коллиматором датчик непрерывно передвигается над обследуемым участком тела больного. Синхронно с передвижением датчика перемещается на бумаге перо самописца. Каждому импульсу, полученному счетчиком, соответствует штрих на бумаге. Чем больше активность в том или ином участке тела, тем больше импульсов зарегистрирует датчик и тем гуще будет чертить штрихи перо самописца. Так как самописец передвигается синхронно с датчиком, то на бумаге точно копируется распределение активности в теле больного. На бумаге при этом возникает определенная картина, на которой максимально заштрихованы те места, которые соответствуют участкам тела с максимальной активностью. Для большей наглядности штрихи проводят цветными красками, причем каждому цвету соответствует своя активность ткани. Полученное изображение органов на скеннограмме сопоставляется с топографией расположения их в теле больного.

Рис. 18. Нормальная скеннограмма головы человека (а) и скеннограмма больного с опухолью головного мозга (б), полученная после введения радиоактивной меди (Сu54)

Известно, что в борьбе с таким тяжелым заболеванием, как рак, большое значение имеет ранняя диагностика болезни. И тут врачу помогают меченые атомы. В тканях злокачественных опухолей обмен веществ происходит более интенсивно, чем в окружающих тканях, возрастает и скорость обмена фосфатидов. Это приводит к тому, что опухолевая ткань значительно больше поглощает фосфора, чем окружающая ее здоровая. Если в организм больного ввести некоторое количество радиоактивного фосфора, то уже через несколько часов с помощью радиометра можно обнаружить преимущественное накопление его в месте локализации опухоли.

Радиоактивный фосфор (Р32), дающий сравнительно мало проникающее бета-излучение, малопригоден для диагностики глубоко расположенных опухолей (например опухолей головного мозга). В таких случаях применяют изотопы, излучающие гамма-лучи. На рис. 18 приведены нормальная скеннограмма головы и скенограмма больного с опухолью головного мозга, полученные после введения Сu54 (по Г. А. Зедгенидзе и Г. А. Зубовскому).

Меченые атомы нашли себе применение и при исследовании функционального состояния печени и почек. Для этого используют свойство некоторых химических соединений избирательно поглощаться данными органами. В молекулы этих соединений в качестве меток вводят радиоактивные изотопы. Так, для определения функции печени используют краску - бенгальскую розу, меченную радиоактивным йодом, или коллоидный раствор радиоактивного золота (Аu198); при исследовании почек применяют диодраст или гиппуран, меченный йодом I131.

В результате радиоизотопного исследования печени могут быть получены данные, недоступные другим методам исследования, в отношении функциональной деятельности, топографии, формы и размеров печени. Радиоизотопное исследование почек позволяет установить расстройства функции почек при различных заболеваниях.

В последние годы начинает получать распространение метод функционального исследования легких. Больной вдыхает радиоактивный газ ксенон (Хе133); интенсивность излучения непрерывно регистрируется несколькими датчиками, установленными в различных местах обоих легких.

По характеру накопления и выведения радиоактивного ксенона судят о вентиляционной способности легких в целом и их отдельных участков.

Ядерные излучения лечат

Вскоре после открытия лучей Рентгена удалось установить, что их способность проникать сквозь ткани может быть использована в медицине. С помощью нового "всевидящего ока" врачи могли найти металлический осколок или иглу, застрявшие в тканях человека, увидеть туберкулезный инфильтрат или раковую опухоль в легких. Рентгеновские лучи остаются незаменимым помощником врача и сегодня. С их помощью можно поставить точный диагноз язвы желудка и митрального порока, плеврита и эхинококка печени. Техника рентгеновского исследования усовершенствовалась: современной аппаратурой можно производить послойное исследование легких для точной локализации в них болезненного процесса; с помощью современного флюорографа в течение нескольких часов можно обследовать жителей целого поселка. В наши дни не забывают об опасности частых повторных облучений, не практикуют без особой на то нужды массовых рентгеновских обследований населения, не подвергают опасности облучения беременных женщин. В каждом случае врач должен взвесить пользу и возможный вред от применения лучей Рентгена и принять правильное решение.

В медицине рентгеновские лучи применяются не только с целью диагностики. Ученые сумели использовать в интересах больного разрушительное, смертоносное действие больших доз этих лучей, направив их на ткани злокачественных опухолей. С помощью современных рентгенотерапевтических установок, в результате длительного курсового лечения, врачи достигают нередко поразительных успехов. Но ведь опухоли, как правило, лежат в глубине, среди здоровых тканей. Каким же образом удается разрушить опухоли, не повредив существенно кожу и здоровые ткани?

Это, несомненно, очень сложная задача. При лучевой терапии всегда в некоторой степени страдают здоровые ткани. Но и врач, и больной вынуждены идти на это во имя достижения основной цели - уничтожения злокачественной опухоли. Преимущественного разрушения ткани опухоли по сравнению со здоровой удается достигнуть прежде всего потому, что опухоль обычно обладает большей радиочувствительностью. Опухоль быстро увеличивается, прорастает в соседние здоровые ткани в результате частого деления клеток (митоза). А мы уже знаем, что частота митозов является показателем радиочувствительности любой ткани. Чем опухоль злокачественнее и быстрее растет, чем чаще в ней возникают митозы, тем чувствительнее она к действию радиации. Поэтому при одной и той же дозе и одинаковых условиях облучения опухолевая ткань разрушается больше, чем здоровая.

Однако в быстро растущих опухолях формирование кровеносных сосудов и кровоснабжение нередко отстают. Опухоль в целом, а ее центр в особенности, настолько плохо снабжается кислородом, что нередко даже происходит омертвение сердцевины опухоли. Поскольку при недостатке кислорода чувствительность клеток к радиации резко снижается, в такой опухоли создаются весьма невыгодные для лучевой терапии условия: бедность кислородом делает опухоль менее чувствительной к облучению, чем соседние здоровые ткани. В результате лучевое лечение либо не достигает цели, либо приводит к сильному повреждению тканей организма и к развитию лучевой реакции.

Разобравшись в причинах устойчивости к радиации некоторых опухолей, специалисты-радиобиологи вскоре нашли и выход. Если больного на время облучения поместить в камеру с повышенным до 3 атмосфер давлением кислорода, последний хорошо насытит ткань опухоли и тем самым в два-три раза повысит ее радиочувствительность. Что касается здоровых тканей, то они и без того отлично снабжались кислородом, и увеличение его давления уже не повлияет на их радиочувствительность. Применение такого мероприятия может повысить чувствительность опухоли к действию лучевой терапии, увеличить эффективность лечения. Однако этот метод может дать результаты лишь при некоторых видах опухолей, он требует специального технического оснащения. Кроме того, кислород под давлением может в некоторых случаях быть небезопасен.

Чтобы уменьшить действие облучения на здоровые ткани, прибегают к такому приему. Опухоль облучают с разных сторон таким образом, чтобы все пучки лучей пересекались точно в центре опухоли. Тогда каждый участок кожи получит дозу лучей, в несколько раз меньшую, чем ткань опухоли. В последние годы созданы специальные ротационные гамма-установки, в которых источник излучения во время сеанса непрерывно движется по дуге, составляющей часть окружности, центр которой лежит в опухоли. Кроме того, для уменьшения облучения здоровых тканей при лечении регулируют длину волны лучей, а вместе с ней и глубину их проникновения в организм. Если лучевое лечение назначается при раке кожи или некоторых других кожных заболеваниях (экземе, невродермите), врачи пользуются близкофокусной рентгеновской трубкой, дающей мягкие лучи с очень слабой проникающей способностью. Если же опухоль расположена глубоко под здоровыми тканями, применяют наиболее жесткие рентгеновские лучи или пользуются гамма-лучами специальных кобальтовых установок, которые поглощаются преимущественно на глубине около 10 см, тогда как кожа остается незатронутой.

Быстрое развитие ядерной физики, создание все более мощных и разнообразных ускорителей заряженных частиц - электронов, протонов, дейтронов, альфа-часстиц (ядер гелия) и еще более тяжелых частиц - раскрыли новые перспективы и перед лучевой терапией опухолей, особенно глубоко расположенных. Пучки тяжелых заряженных частиц легче фокусируются и меньше рассеиваются, меньше повреждают здоровые ткани; благодаря ограниченному пробегу в тканях, более высокой, чем у гамма-лучей, ОБЭ и увеличению линейной плотности ионизации с глубиной проникновения - потоки тяжелых частиц дают более эффективное и концентрированное разрушение опухолей, а здоровые ткани страдают при этом значительно меньше. Отсутствие кислородного эффекта, характерное для плотноионизирующих частиц высоких энергий, позволяет с успехом использовать протонные и другие ускорители для лечения и тех форм опухолей, которые из-за плохого кровоснабжения и гипоксии устойчивы к терапии рентгеновскими или гамма-лучами. В нашей стране уже созданы первые клиники, в которых больных злокачественными опухолями лечат потоками быстрых протонов.

Наибольшего эффекта можно ожидать от лечебного применения так называемых отрицательных пи-мезонов -o частиц с массой, промежуточной между массами электрона и протона (составляющей 270 масс электрона), впервые обнаруженных в 1947 г. в космических лучах. Сейчас установлено, что пи-мезоны (а они бывают и положительно заряженные, и нейтральные) выполняют в ядрах атомов роль своеобразного клея или смазки, скрепляющей нуклоны, т. е. протоны и нейтроны. Постоянный обмен пи-мезонами представляет собой основу тех ядерных сил, которые придают большинству ядер прочность и устойчивость.

Какие же преимущества перед другими видами лучевого лечения имеют потоки отрицательных пи-мезонов? Оказывается, в конце своего пробега (-) пимезон поглощается атомным ядром и вызывает его расщепление. А так как длина пробега этой частицы и время ее жизни (10-8сек.) хорошо известны, то можно очень точно навести мезонную пушку так, чтобы снаряд разорвался внутри цели - опухоли. Вылетающие из расщепленного ядра осколки рассеиваются в окружающей место "взрыва" ткани на расстоянии не более нескольких миллиметров, расходуя при этом очень большую энергию - до 30 Мэв. Благодаря этим особенностям мезонных пучков отношение дозы радиации, создаваемой ими в облучаемом очаге, к дозе в здоровой ткани (основной показатель эффективности и безопасности лучевой терапии) в несколько раз выше, чем для других ускоренных частиц, и в 10 раз выше, чем для рентгеновских и гамма-лучей. Строительство мезонных фабрик - дело достаточно сложное: они нуждаются в очень мощных протонных ускорителях. Однако недалек тот день, когда и в нашей стране потоки пи-мезонов станут применяться для лечения раковых больных.

Несмотря на все эти мероприятия, при лечении облучением все же создается опасность повреждения здоровых тканей, поэтому больным с профилактической целью назначают один из защитных противолучевых препаратов типа цистамина, цистафоса или аминоэти-лизотиурония и, таким образом, предупреждают опасность развития лучевой реакции.

Чтобы обеспечить максимальное облучение опухолевой ткани и свести к минимуму поражение здоровых тканей, иногда вводят радиоактивный излучатель - радиевую или кобальтовую иглу - непосредственно в опухоль. Хорошо поддаются лучевому лечению опухоли кожи, грудной железы, мозга, костей. Другие формы рака лечатся преимущественно хирургически.

В медицине широкое применение находят не только лучи Рентгена и гамма-лучи, но и ядерные излучения радиоактивных изотопов. Каждый из них, в силу только ему одному присущих свойств и особенностей, имеет определенную область применения.

Радиоактивный изотоп йода (I131), так же как его стабильная разновидность, попав в животный организм, очень быстро накапливается в ткани щитовидной железы. В состав каждой молекулы гормона щитовидной железы - тироксина входит четыре атома йода. Поэтому по быстроте, с которой введенный в кровь радиоактивный изотоп йода накапливается в щитовидной железе, можно судить о ее функции. Опытами установлено, что через сутки после введения йода в здоровой железе его накапливается от 15 до 45%. Пои повышенной функции щитовидной железы (это состояние носит название базедовой болезни, или гипертиреоза, и характеризуется целым рядом болезненных проявлений), через сутки в ней накапливается 50% и больше введенного йода, а при пониженной функции (наблюдаемой при микседеме и кретинизме) - меньше 10%.

Таким образом, определение скорости захвата йода щитовидной железой, а также динамики его содержания в крови и выделения с мочой позволяет составить точное объективное представление о функции щитовидной железы, поставить правильный диагноз болезни и назначить соответствующее лечение. В дальнейшем, повторяя периодически исследования, можно следить за динамикой развития болезни и выздоровления.

Возникает вопрос, каким образом можно точно определить количество радиоактивного йода, накопленного в щитовидной железе больного. Такое определение возможно потому, что щитовидная железа расположена очень удобно - на шее, прямо под кожей. Поднеся к железе счетчик излучения, можно уловить сравнительно мягкие бета-лучи, испускаемые изотопом.

Радиоактивный йод - 131 как будто специально приспособлен для того, чтобы оказывать только нужный нам эффект и не вызывать побочных последствий. Период полураспада этого изотопа - 8,1 дня, т. е. он довольно быстро теряет свою активность. Способность изотопа накапливаться в щитовидной железе избавляет остальные ткани организма от опасности облучения. Наконец, йод-131 излучает бета-лучи, достаточно жесткие для того, чтобы оказать влияние на ткань самой железы, но слишком мягкие, чтобы достичь других органов и вызвать их поражение. Благодаря такому уникальному сочетанию свойств йод - 131 широко применяется не только для диагностики состояния щитовидной железы, но и для лечения ее заболеваний. Гипертиреоз и диффузный зоб (увеличение щитовидной железы), сочетающийся с усилением ее функции, отлично поддаются лечению радиоактивным йодом. Для лечения вводится в сотни раз большее количество изотопа, чем при диагностике, однако и в этом случае другие ткани организма не страдают. Выполнив лечебную роль, разрушив часть клеток железы и нормализовав ее функцию, йод-131 распадается и исчезает из организма. Исцеленный больной возвращается к нормальной жизни и работе.

Широкое применение в медицине находит и другой радиоактивный изотоп - фосфор - 32. С помощью этого изотопа лечат эритремию (полицитемию) - заболевание костного мозга, при котором в крови у человека резко увеличивается количество эритроцитов (до 10 - 12 млн. в 1 мм3 крови, в то время как у здоровых людей их содержится около 5 млн.).

Фосфор как стабильный, так и радиоактивный интенсивно накапливается в тех тканях и органах, где усиленно идут процессы обмена веществ, синтеза фосфорсодержащих соединений (например нуклеиновых кислот), процессы деления клеток. Все эти процессы интенсивно идут и в здоровом костном мозгу. Но в кроветворной ткани, пораженной болезнью, эти процессы особенно усилены. С помощью радиофосфора часто удается достигнуть успеха там, где оказались безрезультатными все другие методы. Правда, следует отметить, что лечебное применение фосфора значительно менее безопасно, чем введение радиоактивного йода. Фосфор довольно равномерно распределяется по организму, период его полураспада больше, чем йода (14,3 дня), а его более жесткое бета-излучение обладает значительной проникающей способностью. Поэтому в настоящее время радиофосфором лечат только эритремию (и то лишь после того, как другие средства оказались неэффективными).

Изотопы успешно используют и в других областях медицины. С их помощью установлено,- что при срастании перелома сначала к нему направляется большое количество фосфора, тогда как кальций мобилизуется значительно позже. Поэтому теперь больному с переломом врачи назначают кальций только спустя две недели после перелома.

Вводя радиоактивную метку (атом серы - 35 или другого изотопа) в молекулы различных лекарственных веществ, ученые и врачи таким образом устанавливают характер распределения изучаемого вещества в организме, его способность накапливаться в тех или иных органах, быстроту и пути выведения из организма.

Некоторые изотопы находят довольно широкое лечебное применение и в качестве источников внешнего гамма-облучения. Известно, что в довоенные и первые послевоенные годы драгоценные ампулы с радием использовались для облучения некоторых злокачественных опухолей, расположенных в матке и некоторых других областях организма. В настоящее время вместо радия успешно применяется более дешевый и удобный изотоп - кобальт - 60. Более того, благодаря возможности получения радиоактивного кобальта в большом количестве (путем облучения нейтронами в атомном реакторе стабильного изотопа кобальта - 59) для телегаммате-рапии создают мощные источники излучения - так называемые кобальтовые пушки. Большой заряд радиокобальта помещается в центр свинцового шара со стенками толщиной 35 - 50 см. Пучок лучей, ширину которого можно изменять по желанию врача, вырывается из свинцовой бомбы через узкую щель. С помощью жестких гамма-лучей кобальта - 60 удается успешно облучать глубоко расположенные опухоли без существенного повреждения кожи. Однако жесткость излучения кобальтовых источников, а также применяемых в последние годы аппаратов с цезием - 137, который дает такие же жесткие лучи, но имеет период полураспада, больший (33 года), чем у кобальта (5,3 года), не позволяет производить с их помощью просвечивание и получать снимки. А перспектива замены сложного и громоздкого рентгеновского аппарата ампулой с изотопом весьма привлекательна. Есть основания полагать, что эта задача разрешима. Лучи нужной жесткости испускают такие радиоактивные изотопы: тулий - 170, ксенон - 133, европий - 155 и др. Возможно, что в ближайшие годы будут разработаны новые методы радиодиагностики и радиотерапии.

Новые возможности использования ядерных излучений в медицине связаны с их способностью подавлять имунные силы организма. Реакция несовместимости тканей - самое большое и трудно преодолимое препятствие на пути пересадки органов. Как уже говорилось, большие дозы радиации настолько угнетают нормальные механизмы иммунитета, что становится возможной пересадка костного мозга не только от особи данного вида, штамма, линии, но и от другого вида, например, от мыши к крысе, и наоборот. Если на фоне облучения возможна пересадка костного мозга, очевидно, возможны и другие пересадки. В настоящее время хирургия уже приступила к таким пересадкам органов. Успешно осуществляются пересадки кожи, костей, суставов, почек. Во всех случаях предварительное облучение способствовало приживлению пересаженного органа. Надо полагать, что первые успешные пересадки сердца также осуществляются и будут осуществляться с использованием ядерных излучений и так называемых иммунодепрессивных препаратов, к числу которых, например, относятся гормоны коры надпочечников и их синтетические аналоги.

За рубежом предпринято несколько попыток использовать ионизирующую радиацию и для лечения такого страшного и почти неизлечимого заболевания, как острый лейкоз (белокровие). Эту болезнь большинство ученых рассматривает как злокачественную опухоль кроветворной ткани. Если все тело больного лейкозом подвергнуть облучению большой дозой радиации (800 - 900 р.), весь аппарат кроветворения, пораженный болезнью, должен погибнуть. Вместе с ним погиб бы и сам больной, но в его организм, где механизмы иммунитета глубоко подавлены, можно пересадить клетки костного мозга от кого-нибудь из близких родственников, и тогда больной не только выживет после столь радикального лечения, но может и выздороветь от лейкоза. В большинстве случаев, если судить по сообщениям иностранных журналов, с помощью этого метода лечения удается продлить жизнь больного лейкозом на 1 - 2 года. Описано несколько случаев более длительного эффекта. В нашей стране общее облучение как метод лечения лейкоза пока ввиду его опасности не применялось. Да и за рубежом немного больных подверглись общему облучению, так что судить о его эффективности пока трудно. И все же трудно отказаться от мысли о том, чтобы использовать свойство излучений подавлять иммунитет для радикального излечения лейкозов и других злокачественных опухолей системы крови.

Излучения помогают переделывать природу живых организмов

Есть еще одна область, в которой ядерные излучения, чью разрушительную силу мы уже рассмотрели подробно, могут принести человеку большую пользу. Выше было указано, что естественный радиоактивный фон, являясь одним из активных двигателей прогресса органического мира, обеспечивает возникновение мутаций, новых признаков у организмов, из числа которых механизм естественного отбора сохраняет лучшие.

Но ведь человечество располагает сейчас в миллионы раз более мощными источниками ядерных излучений, чем природа. А вместо естественного отбора может быть применен искусственный. Таким образом, существует принципиальная возможность выведения новых пород растений и животных с помощью излучений. Правда, нельзя не учитывать того обстоятельства, что, пользуясь этим методом, желаемых результатов можно достичь лишь при очень большом объеме исследований и при условии, что гибель тысяч облученных организмов не нанесет ущерба исследованиям.

Честь открытия мутагенного действия лучей Рентгена принадлежит советским ученым Г. А. Надсону и Г. С. Филиппову. Исследованиями этих ученых доказано, что под влиянием ионизирующей радиации в культуре дрожжей появляются клетки, резко отличающиеся от обычных и передающие особенности своего строения по наследству. Последующими работами зарубежных ученых была реально осуществлена задача искусственного получения новых признаков у грибов, одноклеточных, у мушки дрозофилы и других организмов. Но лишь в последние годы радиационная селекция начинает развиваться по-настоящему. Несмотря на столь молодой возраст, новая наука может уже продемонстрировать и первые серьезные достижения.

Известно, что многие мощные антибиотические средства (пенициллин, стрептомицин, ауреомицин, тетрациклин и др.) до сих пор получают биосинтетическим путем при культивировании плесневых и лучистых грибков. Важное значение имеет увеличение "производительности труда" этих мельчайших помощников врача, выведение новых, более продуктивных штаммов грибков. Эта задача успешно решается именно благодаря применению методов радиационной селекции. Из бесчисленного множества грибков-мутантов, полученных в результате облучения, ученые бережно отобрали самых полезных, самых производительных, размножили их и получили новые высокоэффективные штаммы грибков. С получением новых радиационных мутантов и внедрением их в промышленность стоимость пенициллина снизилась в 100 раз, а урожайность штаммов и общий объем производства возросли в 1000 раз. Радиоселекционная работа в этой области продолжается. В нашей стране ее ведет профессор С. И. Алиханян с сотрудниками.

Рис. 19. Колос пшенично-пырейного гибрида - 99 (а) и радиационного крупноколосого мутанта (б)

С помощью методов радиационной селекции ученые добиваются повышения производительности микроорганизмов, синтезирующих не только антибиотики, но и другие биологически активные вещества: аминокислоты, лизин, метионин, глутаминовую кислоту (крайне необходимые для нужд медицины, животноводства, пищевой промышленности), витамины (В12, В15, В6 и др.), ростовые вещества типа гиббереллина, ферменты и т. п.

Большие исследования по выведению новых высокоурожайных сортов зерновых, бобовых и овощных культур методами радиационной селекции проводятся в Москве, В Сибирском отделении АН СССР, в Академии наук УССР и других научных центрах. В результате этих исследований выявлены так называемые критические дозы (дозы, вызывающие заметное угнетение развития) для большинства культурных растений и ведутся работы по отбору хозяйственно-ценных мутантов (рис. 19).

Благодаря широким многолетним радиоселекционным исследованиям зерновых в Швеции получены новые высокоурожайные сорта ячменя, улучшены хлебопекарные качества зерна и т. д. Шведским ученым с помощью методов радиоселекции удалось в 1000 раз усилить естественный мутационный процесс, а из каждой 1000 мутаций можно отобрать одну-две благоприятные.

В США с помощью радиоселекции получены сорта пшеницы и овса, устойчивые к ржавчине - весьма распространенной и опасной болезни растений, выведены более раннеспелые сорта зерновых и т. п. Достижения радиационной генетики во всем мире столь значительны, что ныне уже ни у кого не вызывают сомнений. Генетики и селекционеры нашей страны, широко пользуясь методами радиационного и химического мутагенеза, получили уже сотни новых хозяйственно ценных мутантов. Большинство из них дает начало новым высокоурожайным сортам пшеницы, ячменя, ржи, кукурузы и других культур. Радиационная генетика и селекция в нашей стране могут записать в свой актив и новые сорта картофеля, устойчивые к заболеваниям, и хлопчатник с крупными коробочками, дающий на 15% больше волокна, и сорта пшеницы с толстым неполегающим стеблем, устойчивые против ржавчины и других вредителей. Работы в области радиационной селекции только еще разворачиваются, и в ближайшем будущем от этой науки следует ждать новых больших достижений.

Радиация и некоторые химические мутагены типа колхицина обладают способностью в определенных условиях так нарушать деление клетки, что оно остается незаконченным: хромосомы разделились, а клетка нет. С помощью воздействий удается получить растения, все клетки которых содержат в два-четыре раза больше хромосом, чем исходные формы. Искусственное или естественное увеличение числа наборов хромосом получило название полиплоидии. Растения-полиплоиды обычно бывают более выносливыми и жизнеспособными, дают более высокий урожай. Интересно, что такие культурные растения, как пшеница, картофель, хлопчатник, многие плодовые растения - это естественные полиплоиды. Очевидно, наши предки подметили ценные свойства некоторых растений - "уродов", появившихся в результате естественного мутирования, и вывели на их основе новые культурные сорта. Современная генетика, получающая искусственно полиплоидные организмы и выводящая таким образом высокоурожайные сорта сахарной свеклы, пшеницы и других культур, в сущности следует законам и возможностям природы.

Достижения радиационной генетики применительно к животным гораздо скромнее. Здесь менее удобно воздействовать на половые клетки, труднее культивировать и искусственно скрещивать их. Животные развиваются и растут гораздо медленнее, чем культурные растения, поэтому отбор полезных мутантов, их выращивание и испытание требуют нередко десятков лет. И все же некоторые успехи достигнуты и в этой области.

Последние годы большим успехом на международном рынке пользуется мех норки, особенно мех необычной окраски - белой, зеленой, ярко-желтой и т. п. Исследования сибирских генетиков позволили в короткий срок создать ферму по размножению норки и выведению новых ее - пород с экзотической окраской меха. Закономерности наследования цвета шерсти хорошо изучены, и это облегчило задачу ученым.

Применяя малые дозы рентгеновских и гамма-лучей (порядка 1 - 2 р), ученые сумели увеличить с их помощью выводимость птенцов сельскохозяйственной птицы. Очевидно, как и при облучении семян, небольшая степень дезорганизации обмена веществ способствует усилению и ускорению процессов развития. Интересно, что куры, развившиеся из облученных зародышей, обладают более высокой (на 10 - 13%) яйценоскостью, что может дать большой экономический эффект.

С помощью ядерных излучений удастся достичь нового значительного прогресса и в сельском хозяйстве - отрасли, казалось бы, бесконечно далекой от физики и радиобиологии. Есть все основания надеяться, что в ближайшие годы с помощью методов радиационной селекции будут получены новые породы не только растений, но и животных, что ядерные излучения еще не раз проявят себя как друг и помощник человека.

Глава 7. Радиация в космическом пространстве

Лучи из мировых глубин

О существовании таинственных космических лучей стало известно сравнительно недавно. В начале нынешнего столетия с целью изучения особенностей радиоактивности горных пород Земли ученые стали исследовать интенсивность ионизации воздуха у земной поверхности. И выяснилось, что до определенной высоты ионизация воздуха падает с увеличением расстояния от Земли (что и следовало ожидать, если источник радиации - земная почва и горные породы). Но с определенного уровня интенсивность излучения, вызывающего ионизацию, начинает быстро расти и на больших высотах во много раз превышает уровень ионизации на поверхности Земли. Например, на высоте 9 км она выше, чем на уровне моря, в 10 раз.

Пришлось сделать вывод, что лучи, вызывающие ионизацию воздуха на больших высотах, имеют не земное, а космическое происхождение; они и получили название космических лучей. Так возникла еще одна интереснейшая научная проблема: что собой представляют космические лучи по физической природе? Как они возникли? Где находится источник (или источники) их образования? Каковы их роль в природе и действие на земную жизнь? До недавнего времени решение всех этих вопросов имело сугубо теоретическое значение, представляло интерес лишь для астрономов и специалистов в области ядерной физики и физики элементарных частиц. Но вот человечество вступило в эру освоения космического пространства. И космические лучи из сугубо научной проблемы стали проблемой непосредственной практики полетов за пределы земной атмосферы, одной из реальных опасностей, угрожающих смелым обитателям нашей планеты, ограничивающих возможности освоения космоса. Даже при полетах современных реактивных самолетов следует учитывать влияние космической радиации. На высоте 15 км за их счет доза облучения увеличивается. За 1 час полета это увеличение составит примерно 0,5% годовой дозы, получаемой за счет естественного фона. Однако время, проводимое на такой высоте пассажирами самолета, невелико, и увеличение фона не может иметь значения для их здоровья.

Задача исследования космических лучей была достаточно сложна. Ведь земную поверхность надежно защищает от космических "неприятностей" атмосфера, толстый покров которой поглощает губительные для жизни на Земле коротковолновые ультрафиолетовые, рентгеновские, гамма-лучи и космическое излучение. Пришлось ученым в погоне за космическими пришельцами подниматься на самолетах, воздушных шарах, карабкаться на высокие горы и поднимать за собой громоздкую и сложную научную аппаратуру.

Выяснилось, что космические лучи - это потоки материальных частиц, таких же, как и те, из которых построено вещество Земли и всей Солнечной системы. На 85% состоят они из протонов-положительно заряженных ядер водорода, самого легкого элемента. Основную массу остатка составляют альфа-частицы - ядра следующего за водородом элемента гелия, стоящего на втором месте в таблице Менделеева. На долю более тяжелых ядер приходится примерно 1,5 - 1,6% общего числа космических частиц. Среди них различают легкие ядра с атомным номером 3 - 5 (ядра лития, бериллия, бора), средние - с номером 6 - 9 (углерод, азот, кислород, фтор), тяжелые - с атомным номером 10 - 20 и сверхтяжелые - с номером свыше 20. На долю последних приходится всего около 0,1 % излучения.

Рис. 20. Схема образования вторичных космических частиц при попадании в атмосферу первичной частицы космического излучения

Двигаясь по бесконечным космическим просторам, эти частицы разгоняются, достигают скорости, близкой к скорости света, и несут с собой колоссальную энергию, превышающую 1020 эв. Чтобы представить себе более наглядно величину этой энергии, достаточно сказать, что она во много миллионов раз больше энергии, генерируемой в самых мощных ускорителях частиц, созданных руками человека. Врываясь в земную атмосферу, такая частица постепенно теряет свою энергию, растрачивая ее на многочисленные столкновения с молекулами воздуха. Осколки молекул, оказавшихся на пути космической частицы, приобретая часть ее энергии, сами становятся факторами ионизации, разрушая другие атомы и выбивая из них электроны и другие частицы. Первичная частица космического излучения, как правило, не достигает поверхности Земли. Но о ее появлении в пределах земной атмосферы свидетельствует лавина вторичных частиц, образовавшихся в результате ионизации атмосферных газов (рис. 20). По количеству и составу вторичных частиц, по площади лавины можно в какой-то степени судить и об энергии первичной частицы.

Существование "ливней" вторичных космических частиц было открыто советским ученым Д. В. Скобельцыным, исследования которого положили начало систематическому изучению физики космических лучей. Для изучения ливней вторичных частиц космических лучей создаются специальные системы. На площади в несколько десятков квадратных километров располагается большое количество счетчиков заряженных частиц, соединенных между собой так, что они срабатывают только при одновременном попадании в них множества частиц.

Поскольку в земных условиях ученые еще не научились получать столь высокие энергии частиц, они с успехом пользуются гигантским природным ускорителем, разгоняющим космические лучи, и для целей изучения строения вещества. Именно с помощью космических лучей удалось открыть существование таких элементарных частиц, как мю- и к-мезоны, некоторые виды гиперонов. "Характер" и "биографию" элементарных частиц ученые узнают по следам - трекам, оставляемым ими в фотопластинках, которые физики поднимают в верхние слои атмосферы с помощью шаров-зондов, стратостатов, ракет, самолетов, искусственных спутников Земли.

В среднем интенсивность космического излучения за пределами земной атмосферы составляет, по расчетам ученых, около 2 частиц на 1 см2 в секунду. Эта величина почти не зависит от времени суток, времени года и практически постоянна. Поскольку Земля совершает движения вокруг своей оси, вокруг Солнца, которые не влияют на интенсивность космического излучения, приходится сделать вывод, что лучи эти приходят к Земле отовсюду из мирового пространства с примерно одинаковой интенсивностью; А если так, то вряд ли их основным источником может быть Солнце.

Загадка происхождения космических лучей продолжает волновать ученых и сегодня, хотя многое для ее решения уже сделано. Прежде всего была выяснена роль Солнца. Она оказалась очень небольшой. Солнце главным образом ответственно за наблюдающиеся время от времени повышения интенсивности излучения, связанные со вспышками на Солнце. О них речь идет в следующем разделе.

Но, быть может, и другие звезды нашей Галактики излучают потоки частиц, которые и создают в совокупности космические лучи? Ученые проверили и это предположение. Оказалось, что если бы все звезды Галактики излучали с такой же силой, как наше Солнце, суммарная интенсивность космических лучей была бы в сотни раз меньше наблюдаемой в действительности. Кроме того, Солнце и другие "спокойные" звезды излучают частицы с меньшей энергией и иным составом, чем частицы космического излучения.

Пришлось допустить, что в пределах нашей звездной системы существуют гораздо более мощные источники космического излучения. Успехи радиоастрономии и других новых методов исследования мирового пространства позволили обнаружить основных "виновников" образования космических лучей. Ими оказались так называемые "сверхновые" звезды.

Тысячелетиями светит из необозримых мировых глубин крохотная звездочка, разглядеть которую можно лишь в самые мощные телескопы. И вдруг происходит чудо: на ее месте в просторах Вселенной вспыхивает новая звезда, свет которой может на какое-то время сравниться с блеском Солнца. Мы можем лишь догадываться о масштабах гигантской космической катастрофы, породившей такую звезду (ее-то и называют "сверхновой"). Ведь яркость ее свечения внезапно возрастает во многие миллиарды раз. Только поэтому свет сверхновой звезды, отделенной от нас расстоянием в тысячи световых лет, приближается по интенсивности к свечению Солнца - нашего ближайшего звездного соседа.

Свыше 900 лет назад, в 1054 г., произошла вспышка сверхновой, которая была столь велика, что звезду легко можно было видеть днем, о чем и сообщают китайские и японские летописи. А в наши дни на месте вспыхнувшей когда-то сверхновой ученые увидели так называемую Крабовидную туманность, отделенную от нас расстоянием в 4500 световых лет. За 900 лет, прошедших с момента взрыва, приведшего к образованию сверхновой (точнее, с момента, когда жители Земли увидели ее вспышку), массы выброшенного взрывом звездного вещества образовали оболочку туманности, которая и сегодня удаляется от ядра взорвавшейся звезды со скоростью 1000 км/сек. Такие-то космические катастрофы и являются основным поставщиком космических лучей в пределах нашей Галактики, где вспышки сверхновых происходят, по подсчетам ученых, каждые 10 - 100 лет.

Однако существует еще один возможный источник космического излучения, расположенный за пределами нашей Галактики. В последние годы ученые, открыли возможность еще более грандиозных космических катастроф, чем взрывы сверхновых: это взрывы галактических ядер - центральных, особенно плотных областей невероятно далеких звездных систем. Возникающие при таких взрывах потоки особенно тяжелых частиц, несущих колоссальную энергию, способны преодолевать гравитационные и магнитные поля своих Галактик, выходить в межгалактическое пространство и после блужданий в пространствах Вселенной достигать Солнечной системы. Возможно, что наиболее тяжелые космические частицы, обладающие максимальной энергией, имеют внегалактическое происхождение.

Солнечный ветер, солнечные пятна, солнечные вспышки

Солнце - ближайшая к нам звезда. Наша Земля, как известно, не более чем пылинка, порхающая вокруг светильника. Поэтому все происходящее на Солнце имеет к нам, землянам, самое непосредственное отношение. И прежде всего нас касается все, что связано с солнечным светом. Ведь он - важнейшее условие возникновения, развития и постоянного существования жизни на Земле, источник энергии синтеза всех органических веществ (фотосинтеза), превращающейся затем и в энергию мышечного движения, и в биение человеческой мысли, в улыбку девушки, и в открытие ученого. Всего одна двухмиллиардная часть солнечного излучения достигает Земли. Значительный процент этих лучей к тому же рассеивается, излучаясь обратно в мировое пространство, поглощается атмосферой. И все же оставшегося количества солнечного тепла достаточно, чтобы согреть Землю, превратить ее в уютную колыбель человечества.

Какое же гигантское количество энергии выбрасывает ежесекундно в безмолвные пространства космоса Солнце? По подсчетам ученых, оно составляет 3,7 · 1026 джоулей в секунду; этой энергии достаточно, чтобы растопить и довести до кипения слой льда вокруг Земли толщиной более 1000 км. Ни один из известных науке источников энергии, кроме процесса термоядерного синтеза тяжелых ядер из более легких, не в состоянии обеспечить постоянную выработку столь значительных количеств энергии.

Солнце, как, впрочем, и другие звезды, и представляет собой гигантский термоядерный реактор, в недрах которого ядра водорода, сливаясь, образуют ядра гелия, а последние в свою очередь - ядра углерода. Запасов топлива у нашего светила, по расчетам астрономов, вполне достаточно, чтобы обеспечить стабильное свечение еще не менее чем 5 - 6 млрд. лет. Ежесекундно в топке солнечного реактора сгорает 5 млн. т вещества. Чтобы Солнце уменьшилось вдвое, при этих темпах понадобилось бы 6 тыс. млрд. лет.

Если температура поверхности Солнца близка к 6 тыс. градусов, то в глубинах его она достигает 20 - 100 млн. градусов. Лучистая энергия, постоянно образующаяся в недрах Солнца, не может непосредственно пробиться наружу. Постоянно поглощаясь и вновь излучаясь веществом Солнца, сжатым гигантским гравитационным давлением, эта энергия достигает, наконец, такого сравнительно разреженного слоя солнечной материи, который уже не поглощает полностью идущий из глубин лучистый поток, хотя сам еще светится достаточно ярко. Этот-то слой, называемый фотосферой, и образует блестящую поверхность Солнца, четкие контуры солнечного диска.

Солнце излучает не только видимый глазом свет, но и более высокоэнергичные кванты ультрафиолетовых, рентгеновских и гамма-лучей, обладающие гораздо более сильным фотохимическим и биологическим действием. Эти лучи поглощаются атмосферой, а при космических полетах оболочка корабля также надежно от них защищает.

Иначе обстоит дело с корпускулярным излучением Солнца, с потоками частиц солнечного вещества. Наблюдения солнечной поверхности, ведущиеся постоянно, обнаруживают неспокойный, буйный характер нашего звездного соседа. Его видимая поверхность - фотосфера - находится в непрерывном движении, постоянно бурлит. В разных участках солнечного диска над ним возвышаются более или менее яркие волокна (флокгулы), язычки (спикулы) и еще более крупные выступы - протуберанцы, выступающие на многие тысячи километров над фотосферой, достигающие следующих слоев - хромосферы и солнечной короны. Все это местные извержения солнечного вещества, источники выброса его в окружающее пространство. Часть выброшенного вещества падает затем обратно на Солнце под влиянием притяжения. Потоки же вещества, достигшие скорости, превышающей 619 км/сек (вторая космическая скорость у поверхности Солнца), двигаются по радиусам во все стороны от Солнца, последовательно пересекая орбиты планет Солнечной системы.

Поскольку такие выбросы в больших или меньших размерах происходят на Солнце постоянно, создается постоянный поток вещества, главным образом протонов, от Солнца к Земле и далее в мировое пространство. Этот поток, названный "солнечным ветром", несет со скоростями 300 - 4000 км/сек к Земле около 1014 - 1015 г/сек протонов. Благодаря солнечному ветру концентрация вещества в межпланетном пространстве в сотни раз выше, чем за пределами Солнечной системы. Часть протонов солнечного ветра захватывается гравитационным полем Земли и входит в состав так называемых гравитационных поясов. Но о них - в следующем разделе.

Таким образом, верхние слои земной атмосферы подвергаются постоянной бомбардировке. Порывы солнечного ветра пополняют атмосферу легколетучим водородом, вызывают ее ионизацию. Земной поверхности протоны солнечного ветра не достигают; их энергия слишком мала для этого.

Однако время от времени солнечную поверхность потрясают бури, куда более грандиозные, чем самые большие из выбросов протуберанцев.

Возникновение таких катастроф странным образом связано с другими необычными явлениями, наблюдающимися на поверхности Солнца, - с пятнами. На ярком солнечном диске они кажутся темными, потому что их температура на 1100 - 1200° С ниже температуры фотосферы. Дно пятна лежит ниже поверхности фотосферы на 1000 - 1400 км. В области пятна более холоднее вещество поднимается из глубин и растекается по поверхности, медленно вращаясь. Направление этого вихревого движения в северном полушарии Солнца - по часовой стрелке, в южном - против.

Самое интересное свойство солнечных пятен состоит в том, что они представляют собой как бы полюса гигантских магнитов, расположенных по радиусам Солнца и скрытых в его глубинах. Напряженность их колоссальных магнитных полей (2 - 5 тыс. гаусс) в тысячи раз выше напряженности общего магнитного поля Солнца. И пятна, и сопутствующие им мощные магнитные поля - проявления гигантских термоядерных процессов, происходящих в недрах нашего светила.

Появление пятен на Солнце подчиняется строгой закономерности. Периоды максимума пятен повторяются каждые 11 лет. В эти периоды наблюдаются и особенно крупные пятна - до 100-230 тыс. км в поперечнике. Пятна диаметром более 40 тыс. км уже видны невооруженным глазом. Между максимумами солнечной активности пятен мало или нет совсем. Максимумы характеризуются не только большим количеством особенно крупных пятен; время от времени в тех местах солнечной поверхности, где конфигурация пятен особенно причудлива, а перепады магнитных полей особенно велики, происходят вспышки. Это - гигантские взрывы, продолжающиеся 15-30 секунд или несколько более. Яркость вспышки в максимуме может превышать яркость фотосферы в несколько раз; солнечный диск на ее фоне кажется темным. Температура солнечной материи в месте вспышки достигает 10 - 15 тыс. градусов и излучает она в несколько раз больше световой энергии, чем равный по площади участок фотосферы. Наиболее коротковолновое гамма-, рентгеновское и ультрафиолетовое излучение возрастает особенно сильно.

Наиболее серьезный результат солнечной, или хромосферной, вспышки - выброс в мировое пространство со скоростью 1 - 4 и более тыс. км в сек. масс солнечного вещества, быстро летящих частиц, главным образом протонов с энергией 100 млн. электрон-вольт и более, до 10 млрд. эв, а также электронов.

Рис. 21. Динамика солнечной активности (сплошная линия) и кривая заболеваемости дифтерией (штриховая линия). Вертикальная линия - момент начала профилактических прививок против дифтерии

Магнитные возмущения и бури, яркие полярные сияния, нарушения радиосвязи, радиошумы и помехи - вот наиболее частые спутники хромосферных протонных ливней, достигающих атмосферы Земли. Отличие этих потоков от обычного солнечного ветра не только количественное: протоны солнечных вспышек несут несравненно большую энергию, обладают большей проникающей способностью и вызывают при взаимодействии с веществом более значительные разрушения. Наиболее мощные и высокоэнергичные хромосферные потоки способны вызвать в атмосфере серьезные, хотя и непродолжительные, сдвиги, отражающиеся и на земной поверхности, и на биосфере (рис. 21).

Радиационные пояса Земли

Если хромосферные вспышки как-то связаны с изменениями, аномалиями солнечных магнитных полей, то магнитное поле Земли - виновник возникновения и существования околоземных радиационных поясов. Протоны и электроны солнечного ветра и хромосферных вспышек, движущиеся сквозь земную орбиту прочь за пределы Солнечной системы, частично захватываются магнитным полем Земли и начинают двигаться внутри "ловушки", вдоль магнитных силовых линий по винтовой, спиральной траектории. Другим источником заряженных частиц являются нейтроны (довольно быстро распадающиеся на протон и электрон), выбитые из атомов воздуха космическим излучением.

Двигаясь вдоль силовых линий земного магнитного поля и попадая в приполюсных районах в области с повышенным магнитным полем - так называемые "магнитные зеркала", - заряженные частицы отражаются от них и начинают двигаться в обратную сторону. Земля, таким образом, представляет собой гигантскую "магнитную ловушку", способную накапливать заряженные частицы.

Рис. 22. Схема радиационных поясов Земли. а - внутренний пояс, б, в - внешние пояса

Существование радиационных поясов Земли стало известно лишь после полетов советских и американских искусственных спутников Земли со специальной аппаратурой. Так называемый внутренний радиационный пояс расположен на высотах от 400 до 7 - 10 тыс. м над земной поверхностью (над областью магнитного экватора). По направлению к полюсам толщина внутреннего пояса и его высота над земной поверхностью постепенно уменьшаются. Над районами с повышенным магнетизмом, так называемыми магнитными аномалиями, пояс опускается ниже, до высот 320 - 350 км. Максимальная интенсивность радиации наблюдается на высотах 3,4 - 3,5 тыс. км. Основную массу частиц внутреннего радиационного пояса составляют протоны с энергиями главным образом 10 - 100 Мэв - миллионов электрон-вольт; максимум - 600 Мэв. Частицы с большей энергией земным магнитным полем не захватываются и не удерживаются. Средняя концентрация протонов во внутреннем радиационном поясе (на высоте 3,5 тыс. км) равна примерно 20 тыс. протонов, проходящих через 1 см2 в 1 сек. Кроме протонов, в состав внутреннего пояса входят электроны с энергиями 20 - 100 тыс. эв. (кэв) и в количестве примерно 10 млн. в 1 сек. (через 1 см2).

На более значительных расстояниях от земной поверхности (12 - 50 тыс. км) расположен еще один, внешний радиационный пояс, называемый еще электронным, поскольку содержит он преимущественно эти частицы с энергией 400 - 500 кэв (рис. 22). По направлению к полюсам высота этого пояса уменьшается особенно резко; кроме того, границы пояса подвижны и зависят от солнечных и иных магнитных возмущений.

Наконец, еще дальше от поверхности Земли, на высотах 50 - 75 тыс. км существует третий - самый внешний радиационный пояс, также состоящий из электронов, однако энергия их еще ниже и составляет в среднем всего 200 эв.

Незримый многослойный покров радиационных поясов в высоких широтах, прилегающих к магнитным полюсам, образует отверстия - это области входа и выхода магнитных силовых линий Земли. При выборе трасс будущих космических полетов ученые вынуждены учитывать существование радиационных поясов Земли и их толщину.

Космические лучи и жизнь на Земле

Космические лучи, в том числе и корпускулярные потоки солнечных вспышек, даже не достигая непосредственно земной поверхности, вызывают косвенно, за счет появления ливней вторичных частиц, увеличение числа ионизаций в приземном слое, в том числе и в биосфере. Поэтому мы можем утверждать, что излучения из космоса - составная часть естественного радиоактивного фона Земли, в условиях которого возникла и сформировалась земная жизнь, что космические лучи, как и другие компоненты радиоактивного фона, были и являются поныне мутагенными факторами, одной из причин изменчивости органических форм и в конечном счете - двигателями эволюции живого на Земле.

Если в среднем для Земли радиоактивность воздуха в приземном слое составляет 0,1 - 0,12 р в год, то на долю космических лучей из этого количества приходится около 0,03 - 0,04 р в год. Существенных колебаний интенсивности этого излучения за исторически сравнительно короткие промежутки времени не происходит. Лишь хромосферные вспышки на Солнце вносят небольшие вариации в величину потока космических лучей, достигающего Земли.

Но жизнь на Земле, по подсчетам ученых, существует 3 - 4 млрд. лет. За такой срок интенсивность космического излучения могла меняться более существенно, а это оказало бы серьезное влияние на развивающуюся земную жизнь. Исследовав эту возможность, советский астроном И. С. Шкловский показал, что за время жизни на Земле интенсивность жесткого космического излучения могла возрастать в десятки раз при вспышках сверхновых. В пределах Галактики такие вспышки происходят в среднем раз за 10 - 100 лет. Влияние на земную жизнь может оказать лишь вспышка сверхновой, происшедшая в относительной близости от Земли, на расстоянии порядка 10 - 20 световых лет. По подсчетам И. С. Шкловского, такие вспышки могут возникать примерно раз в 750 млн. лет. Это значит, что на протяжении достаточно долгой биографии Земли, а также жизни на ней, появление соседки - сверхновой - могло произойти по крайней мере один-два раза.

Что произошло бы в этом случае? Образовавшаяся вокруг сверхновой туманность, расширяющаяся со скоростью нескольких тыс. км в секунду и уносящая с собой массы звездного вещества и в том числе мощные потоки частиц высокой энергии, через 10 тыс. лет достигла бы Солнечной системы. В последующие несколько десятков тысячелетий Земля вместе со всей Солнечной системой оставалась бы погруженной в эту туманность, где плотность первичных космических лучей в десятки, а местами и в сотни раз выше обычной.

Такое длительное и значительное увеличение радиационного фона не могло бы не оказать серьезного влияния на земную жизнь. Особенно сильное потрясение должны были пережить долгоживущие органические формы. Если для удвоения частоты мутаций у микроорганизмов, водорослей, простейших многоклеточных требуется увеличение радиоактивного фона в сотни и тысячи раз, то для человека и других высокоразвитых и длительно живущих организмов доза радиации, удваивающая частоту мутаций, составляет что-то около 1 р в год. Иными словами, вспышка сверхновой в космических окрестностях Земли могла бы привести к гибели наиболее долгоживущих органических форм и к общему ускорению мутационного процесса.

И. С. Шкловский полагает, что повсеместная на Земле гибель гигантских пресмыкающихся в конце мелового периода могла быть вызвана вспышкой сверхновой. Серьезным подтверждением этой гипотезы было бы доказательство одновременной в течение десятка тысячелетий гибели динозавров на всей Земле. К сожалению, современные методы оценки возраста ископаемых остатков пока недостаточно точны для этих вычислений.

Что касается более ранних этапов развития жизни на Земле, то значительное возрастание радиоактивного фона могло бы сыграть роль толчка, дополнительного двигателя эволюции или даже фактора, стимулировавшего само возникновение жизни на Земле.

Космические лучи и жизнь на других планетах

Человечество пока не располагает точными фактами и доказательствами существования жизни вне Земли. Разнообразные гипотезы, существующие ныне, опираются на более или менее достоверные аналогии, предположения и относительно небольшое количество фактов. Одна из существующих ныне гипотез была впервые сформулирована еще в 1907 г. шведским химиком Сванте Аррениусом. Он предположил, что жизнь на Земле не возникла из неживого, а была занесена из других миров в виде спор микроорганизмов. Ведь известно, что такие споры могут без вреда переносить космический холод и вакуум мирового пространства, а световое давление, открытое и доказанное нашим соотечественником профессором П. Н. Лебедевым, могло бы явиться тем "двигателем", который облегчил бы ничтожным частичкам живого осуществление грандиозных космических путешествий.

Теория С. Аррениуса никем не была опровергнута. Но возражения главным образом философского характера сделали ее малопопулярной. Между тем гипотеза Аррениуса ни в коей мере не противоречит положениям материалистической философии, ибо не отвергает материальной природы жизни.

В последние годы гипотеза Аррениуса была подкреплена новыми данными. По расчетам американского астронома Сагана, световое давление может "помочь" частицам (в том числе и живым) покинуть планету и даже целую планетную систему, если размеры этих частиц будут в пределах 0,2 - 0,6 мк. Такие малые размеры имеют вирусы и споры. Следовательно, споры в принципе могут покидать пределы родной планеты и под влиянием светового давления путешествовать в межпланетном и даже межзвездном пространстве.

Но на пути путешествующих "молекул живого" наряду с холодом и вакуумом встает еще одно, весьма существенное препятствие - космическая радиация, как корпускулярная, так и квантовая (ультрафиолетовые и рентгеновские лучи). Насколько серьезно это препятствие? Если ультрафиолетовые и мягкие рентгеновские лучи, в силу своей малой проникающей способности, могут полностью поглощаться оболочкой спор и не причинять им существенного вреда, то проникающая корпускулярная радиация безусловно достигает живой протоплазмы и действует на нее. Очевидно, по достижении определенной суммарной дозы радиации споры-путешественницы погибают. Таким образом, космическое излучение ограничивает во времени, а значит, и в пространстве, возможности "опыления" безжизненных планет живой космической пылью.

По расчетам Сагана, выброшенные за пределы земной атмосферы споры уже через несколько недель могут достигнуть орбиты Марса, а через несколько лет - орбиты Нептуна. Для достижения соседних звездных систем может понадобиться несколько десятков тысяч лет. Трудно сказать, как далеко могут долететь споры земных микроорганизмов, гонимые солнечным ветром. Во всяком случае устойчивость некоторых из них к действию радиации столь велика, что путешествие внутри Солнечной системы, по-видимому, осуществимо.

Окончательно принять или отвергнуть гипотезу Аррениуса можно будет только тогда, когда люди получат прямые данные о наличии и особенностях жизни на Луне, Марсе и других планетах. И не исключено, что там мы встретимся со старыми, хотя немного и изменившимися, земными знакомыми.

Покорение космоса и лучевая опасность

Необъятные просторы космоса таят лучевую опасность не только для крохотных частиц земной жизни. "Земля - колыбель человечества, но нельзя вечно жить в колыбели", - эти слова К. Э. Циолковского оказались пророческими. Мы живем в такое время, когда человечество начинает покидать свою земную колыбель.

Дети Земли, люди, как и все живое, приспособлены к жизни в земных условиях. За пределами плотных слоев земной атмосферы их ожидают совершенно непривычные, несовместимые с жизнью, экстремальные условия: космический холод и мрак, отсутствие кислорода и атмосферы вообще, повышенная гравитация при взлете и посадке и невесомость все остальное время полета. Чтобы выжить в этих условиях, космонавты захватывают с собой частицу родной земной колыбели - космический корабль, защищающий их и от холода, и от вакуума, и от других опасностей. Немалое значение имеют наземная тренировка, тренировочные полеты и т. п.

Радиация - космические лучи, протоны солнечных вспышек, радиационные пояса земли - одно из наиболее труднопреодолимых препятствий на пути освоения космоса. Конечно, герметическая оболочка космического корабля, оберегающая его обитателей от космических температур и вакуума, в какой-то мере защищает и от радиации. Смертоносное ультрафиолетовое и рентгеновское излучение Солнца полностью поглощается оболочкой корабля. Несколько иначе обстоит дело с корпускулярными потоками. Наиболее высокоэнергичные из них, и прежде всего более тяжелые частицы космических лучей, свободно пронизывают оболочку корабля, расходуя при этом лишь часть своей энергии и несколько замедляясь.

Однако действие их на находящихся внутри корабля космонавтов при этом не слабеет, а может даже несколько усиливаться. Замедление тяжелых частиц приводит к увеличению линейных потерь энергии и, следовательно, к увеличению биологического эффекта.

Попытаемся сопоставить и оценить размер возможной опасности для здоровья космонавтов трех основных источников радиации в заатмосферном пространстве.

Проще всего обстоит дело с радиационными поясами Земли, поскольку космические корабли будущего, направляющиеся к Луне, Марсу, Венере, будут преодолевать их в течение нескольких минут, или десятков минут, при взлете и посадке. Наиболее реальную опасность представляют протоны внутреннего радиационного пояса. С учетом того обстоятельства, что протонное излучение при одинаковой ионизирующей способности может вызывать более значительный биологический эффект (ОБЭ - относительная биологическая эффективность - больше 1), доза радиации в отсутствие защиты может достигать в области внутреннего радиационного пояса 190 - 200 бэр/час (бэр - биологический эквивалент рентгена). В условиях защиты оболочкой корабля доза может достигать 10 - 50 бэр/час. Это означает, что более 2 - 3 часов в области максимума внутреннего радиационного пояса космический корабль задерживаться не должен. По-видимому, в реальных условиях космические корабли преодолевают и будут преодолевать эту область за значительно более короткий срок.

Что касается электронов внутреннего и внешнего радиационных поясов, то преодолеть оболочку космического корабля они не в состоянии. Зато при их ударе об оболочку и торможении возникает так называемое тормозное гамма-излучение, обладающее высокой проникающей способностью. Вклад этого тормозного излучения в суммарную дозу радиации при прохождении радиационных поясов не превышает, по-видимому, 10%.

В целом можно утверждать, что опасность, создаваемая радиационными поясами Земли, не является непреодолимой и может быть сведена к минимуму с помощью сравнительно несложных мероприятий. Наиболее эффективное из них состоит в том, что космический корабль будет быстро проходить опасную зону; возможны и траектории космических полетов, направленные в обход поясов, через высокоширотные, приполярные области. Конструкция оболочки корабля может быть построена с учетом требований радиационной безопасности, что в то же время не противоречит и общим задачам. По-видимому, наиболее эффективна слоистая защита, включающая металлическую оболочку и слой полиэтилена.

Одним словом, современная наука и техника располагают достаточными средствами для преодоления опасности, создаваемой радиационными поясами Земли. Тем не менее их существование необходимо учитывать при создании более или менее длительно существующих обитаемых космических станций. Сейчас уже ясно, что создавать их на высоте 1000 км над поверхностью Земли, как предполагал К. Э. Циолковский, нельзя. Очевидно, их придется располагать на высотах до 500 км или выше 10 - 15 тыс. км.

Гораздо более серьезную проблему составляет существование первичного космического излучения. Оболочка корабля, как уже сказано, не является препятствием для наиболее жесткой части этого излучения - тяжелых частиц. При определенных условиях она даже способствует увеличению биологической эффективности этих лучей (несколько замедляя частицы и увеличивая удельную плотность производимой ими ионизации). На этом основании приходится сделать вывод, что физическая защита от действия первичного космического излучения неэффективна.

Но нужна ли эта защита? Быть может, интенсивность космических лучей столь невелика, что их действием можно пренебречь? Как теперь установлено, это, к сожалению, не так. Доза радиации, которую космонавты будут получать за счет космического излучения за пределами атмосферы, примерно в два-три раза выше допустимой дозы облучения в земных условиях, при работе с источниками излучения и радиоактивными изотопами. Но благодаря высокой биологической эффективности наиболее тяжелой части космических лучей их воздействие на организм космонавта будет еще несколько сильнее. И все же превышение допустимой дозы радиации в случае первичных космических лучей галактического происхождения не настолько велико, чтобы ограничить возможность космических полетов на Луну, а также к Венере и Марсу. Согласно расчетам ученых, при полетах вокруг Луны и обратно космонавты получают суммарную дозу около 0,5 р, т. е., примерно столько же, сколько при производстве простейшего рентгеновского исследования - рентгеноскопии. Лишь при более длительных полетах, продолжающихся многие месяцы и годы, постоянное воздействие космической радиации может оказать более или менее серьезное воздействие. Очевидно, для таких полетов следует продумать и эффективные меры защиты, в том числе и химической, поскольку физическая, как уже сказано, неэффективна.

Наибольшую опасность для здоровья и даже жизни космонавтов при полетах в околоземном пространстве представляет корпускулярное излучение солнечных хромосферных вспышек. При особенно мощных солнечных вспышках потоки протонов бывают настолько плотными, что доза радиации за пределами атмосферы и в условиях отсутствия защиты достигает тысяч рентгенов в час, т. е. превышает абсолютно смертельную для человека дозу. Правда, оболочка корабля поглощает значительную часть быстрых частиц и ослабляет энергию других, но взамен возникает тормозное рентгеновское и гамма-излучение, так что доза радиации внутри корабля все же может оказаться очень высокой. Кроме того, многое зависит и от масштабов вспышки. При особо мощных вспышках возникают наиболее высокоэнергичные частицы, способные преодолевать оболочку корабля, что, естественно, увеличивает их опасность для космонавтов.

Каковы же меры борьбы с лучевой опасностью в космосе? Преодолима ли она? Не ограничивает ли она дальность полетов в космосе и время пребывания в нем людей?

Меры борьбы различны, поскольку существуют различные виды радиационной опасности. Что касается радиационных поясов Земли, то их преодоление не составляет очень больших трудностей. Оболочка космического корабля существенно ослабляет их потенциальную опасность. Время пребывания космического корабля в пределах наиболее опасного внутреннего радиационного пояса весьма ограничено, и доза радиации, получаемая при его прохождении, мало отличается от допустимой. Но ее можно избежать, если рассчитать трассу полета таким образом, чтобы корабль покидал плотные слои атмосферы в высоких широтах, в районе расположенного над геомагнитным полюсом окна в радиационных поясах Земли. Стационарные же космические станции, очевидно, следует располагать вне пределов радиационных поясов, т. е. ниже 400 - 500 км или выше 10 - 20 тыс. км над земной поверхностью.

Наилучшим способом защиты от излучения солнечных вспышек явилось бы совершение космических полетов в период между вспышками. Реализация этой возможности упирается в эффективность и надежность прогнозирования вспышек. Наиболее безопасны в этом смысле годы спокойного Солнца, когда число пятен на его поверхности минимально, а вспышки редки. Таковы будут 1971 - 1975 гг., но и в годы высокой солнечной активности космические полеты могут и должны продолжаться.

Астрономическая служба Солнца СССР, США и некоторых других стран, осуществляющая постоянное за ним наблюдение, позволила изучить некоторые закономерности возникновения вспышек и тем самым с известной степенью надежности предсказывать место и время их возникновения. А это, разумеется, облегчает задачу планирования и обеспечения безопасности полетов. Надо иметь в виду, что не всякая вспышка опасна: от места ее возникновения на солнечном диске зависит направление корпускулярных потоков, и лишь при определенных локализациях вспышек эти потоки направляются в сторону земной орбиты.

Наконец, и при самых неблагоприятных условиях в распоряжении космонавтов будет минимум несколько часов от момента возникновения и регистрации вспышки до момента, когда потоки протонов достигнут корабля. За эти часы космонавты могут успеть посадить корабль на Землю, укрыть его в тени Луны либо принять другие меры защиты.

На случай, если все эти мероприятия окажутся недостаточными, в конструкции корабля заранее предусматриваются способы физической защиты. Первая линия обороны при всех условиях - это оболочка космического корабля, во много раз ослабляющая мощность потока солнечных корпускул и его опасность для космонавтов. Сложное внутреннее оборудование корабля, многочисленные приборы, панели, кресла и т. п. конструируются и компонуются так, чтобы максимально оградить космонавта, его наиболее чувствительные органы от губительного излучения. Это - своеобразная вторая линия обороны. Наконец, в кораблях, предназначенных для полетов к Луне и другим планетам, будут создаваться специальные миниатюрные радиационные убежища, где космонавты смогут переждать опасные часы, предоставив управление кораблем автоматике, а специальные приборы известят их, когда опасность снизится до минимума. Такова третья линия обороны от лучевой опасности, также имеющая чисто физическую природу.

Оборона, таким образом, строится надежная. И все же потребность в дополнительной защите есть. Она удовлетворяется с помощью химических и биологических противолучевых средств, применение которых совершенно необходимо для защиты от первичного космического излучения при дальних полетах (ввиду неэффективности физической защиты), от тормозного излучения и частично от протонных потоков.

Химическая защита в этих условиях неизбежно приобретает ряд особенностей, связанных с длительным непрерывным действием сравнительно малых доз радиации, с неравномерным облучением тела космонавта, так как разные его области в различной степени экранированы. Кроме того, при разработке средств химической защиты приходится учитывать, что на организм космонавта действуют и другие факторы космического полета: повышенная гравитация при взлете и посадке, невесомость, шум и вибрация, психологические факторы и т. п. Необходимо, чтобы средства химической защиты, ослабляя действие радиации, в то же время хотя бы не усиливали вредного действия других факторов полета. Все это достаточно усложняет задачу.

И тем не менее многочисленные эксперименты, поставленные в земных лабораториях и при полетах экспериментальных животных, убеждают, что задача эта разрешима и что в арсенале средств защиты космонавта от действия радиации будут состоять и радиозащитные препараты. Это и хорошо известные нам уже серу-содержащие вещества - цистамин, АЭТ и другие - и аминосоединения типа серотонина, 5-метокситриптамина, способные повысить устойчивость организма на период опасности при солнечных вспышках. Это вещества, вызывающие длительное повышение радиационной устойчивости (комплексы витаминов и т. п.). Ученые нашей страны и за рубежом ведут большую работу в этой области. К сожалению, пока ее результаты нельзя признать удовлетворительными.

Все сказанное до сих пор относилось к космическим полетам в пределах Солнечной системы, в основном к ближайшим планетам. Но ведь человечество не остановится и на этом. Правда, еще не созданы двигатели, способные придать кораблю скорость, близкую к световой (а это необходимо для полета к другим звездным системам), не разработаны и соответствующие конструкции кораблей. Но в наш век разрыв между самой необузданной фантазией и реальностью невелик и все сокращается. Попробуем же заглянуть в завтра.

Как отразятся на человеке околосветовые скорости полета и какова будет в этом случае лучевая опасность? Что касается скорости, то сама по себе она не окажет существенного влияния: на человека воздействует не скорость, как таковая, а ускорения; в корабле, завершившем разгон, люди не будут испытывать неудобств, связанных со скоростью. Что же касается ускорений, то для их преодоления весьма важны предварительный отбор и тренировка космонавтов, совершенствование конструкции кресел, костюмов, в частности, применение гидравлических капсул-кресел, о которых писал еще К. Э. Циолковский.

А как же радиация? В корабле, летящем с субсветовой скоростью, создадутся совершенно особые условия. Космическое пространство, при всей его пустоте, содержит от одной до десяти частиц в каждом кубическом метре. При столкновении с космическим кораблем каждая такая частица будет вести себя так, как будто это она летит с околосветовой скоростью. Самая мощная оболочка не будет достаточным препятствием для потока встречных частиц, пронизывающих корабль насквозь. Ничто живое не сможет существовать в таких условиях.

Значит ли это, что межзвездные полеты принципиально невозможны? Будем осторожны с прогнозами. История науки знает немало примеров того, как самые, казалось бы, бесспорные предвидения опрокидывались прогрессом науки и техники. Возможно, межзвездные и галактические корабли будущего будут вооружены сверхмощным магнитным полем, отклоняющим в стороны поток встречных частиц; быть может, полезным в этом отношении окажется лазерный луч. Да и наука не стоит на месте. Пройдет десяток лет, и космонавтика - одна из самых молодых и перспективных отраслей человеческой деятельности, шагнет так далеко вперед, что наши сегодняшние сомнения окажутся почти наверняка несерьезными, а трудности - преодолимыми.

И все же лучевая опасность остается одним из самых серьезных препятствий на пути освоения космического пространства, и чем дольше человек будет находиться вне Земли, тем важнее будет защитить его от радиационной угрозы.

Литература

Амирагова М. И., Дужвнкова Н. А., Савич А. В., Шальное М. И. Первичные радиобиологические процессы. М., Атомиздат, 1964.

Ауэрбах Ш. Генетика в атомном веке. М., Атомиздат, 1968.

Бак 3. М. Химическая защита от ионизирующей радиации. М., Атомиздат, 1968.

Бак 3., Александер П. Основы радиобиологии. М., ИЛ, 1963.

Барабой В. А. Луч жизни. Киев, "Наукова думка", 1966.

Бегоунек Ф. Человек и радиоактивность. Прага, 1964.

Борисов В. П., Журавлев В. Ф., Иванов В. А., Северин С. Ф. Неотложная помощь при острых поражениях радиоактивными веществами. М., Атомиздат, 1968.

Белоусова И. М., Штуккенберг Ю. М. Естественная радиоактивность. М., Медгиз, 1961.

Брэстрап К. Б., Упкофф Г. О. Руководство по радиационной защите. М., Медгиз, 1962.

Васильев И. М. Лучи смерти и жизнь растений. М., Изд-во АН СССР, 1963. Воздействие ионизирующей радиации в чрезвычайных обстоятельствах. М., Атомиздат, 1963.

Генин А. М., Гуровский Н. Н., Емельянов М. Д., Саксонов П. П., Яздовский В. И. Человек в космосе. М., Медгиз, 1963.

Гинзбург В. Л. Космические лучи у Земли и во Вселенной. М., "Наука", 1967.

Городецкий А. А., Киричинский Б. Р., Липкан Н. Ф. Очерки по радиобиологии. Киев. Изд-во АН УССР, 1961.

Городецкий А. А., Сиваченко Т. П., Хомутовский О. А., Рябова Э. 3. Выведение из организма некоторых радиоактивных веществ. Киев, Госмедиздат УССР, 1959.

Гродзенский Д. Э. Радиобиология. М., Атомиздат, 1966.

Гуськова А. К. Радиация и здоровье. М., "Медицина", 1966.

Даренская Н. Г., Козлова Л. Б., Акоев И. Г., Невская Г. Ф. Относительная биологическая эффективность излучений. Фактор времени облучения. М., Атомиздат, 1968.

Дубинин Н. П. Молекулярная генетика и действие излучений на наследственность. М., Атомиздат, 1963.

Киричинський Б. Р. Радiоактивнiсть у природi Киiв, "Наукова думка", 1966.

Корогодин В. И. Проблемы пострадиационного восстановления. М., Атомиздат, 1966.

Кротков Ф. Г. Человек и радиация. М., "Знание", 1968.

Кузин А. М. Чем угрожают человечеству атомные взрывы. М., Изд-во АН СССР, 1959.

Кузин А. М. Радиационная биохимия. М, Изд-во АН СССР, 1962.

Кузин А. М. Молекулярные механизмы биологического действия радиации высоких энергий. М., "Наука", 1968.

Кузин А. М. Структурно-метаболическая гипотеза в радиобиологии. М., Атомиздат, 1970.

Кузин А, М., Березина Н. М. Атомная энергия в сельском хозяйстве. М., Атомиздат, 1964.

Липкан Н. Ф. Основы радиационной биологии и биохимии. Киев, "Здоров'я", 1968.

Лучник Н. В. Почему я похож на папу. М., "Молодая гвардия", 1966.

Лучник Н. В. Почему я похож на папу. М., "Молодая гвардия", 1968.

Лэпп Р. Рейс "Счастливого дракона". М., ИЛ, 1959.

Перцов Л. А. Природная радиоактивность биосферы. М., Атомиздат, 1964.

Радиационная медицина. М., Атомиздат, 1968.

Радиотоксины. Сб. под ред. А. М. Кузина. М., Атомиздат, 1966.

Романцев Е, Ф. Радиация и химическая защита. М., Атомиздат, 1968.

Саксонов П. П., Антипов В. В., Давыдов Б. И. Очерки космической радиобиологии. М., "Наука", 1968.

Сауков А. А. Радиоактивные элементы Земли. А., Атомиздат, 1961.

Тарусов Б. Н. Первичные процессы лучевого поражения. М., Атомиздат, 1962.

Тимофеев-Ресовский Н. В., Корогодин В. И., Иванов В. И. Применение принципа попадания в радиобиологии. М., Атомиздат, 1968.

Чеботарев Е. Е. Комплексное лечение острой лучевой болезни. Киев, "Наукова думка", 1965.

Чижевский А. Л. Солнце и мы. М., "Знание", 1963.

Шкловский И, С. Вселенная, жизнь, разум. М., "Наука", 1965.

Эйзенбад М. Радиоактивность внешней среды. М., Атомиздат, 1967.

Примечания

1

(А. Ф. Иоффе. Встречи с физиками. М., Физматгиз, 1962, стр. 17.

(обратно)

2

В 1903 г. Нобелевская премия была присуждена Пьеру и Марии Кюри и А. Беккерелю за работы в области радиоактивности. Вторично Нобелевскую премию М. Кюри получила в 1911 г. за выделение радия в чистом виде.

(обратно)

3

В. И. Вернадский. Статьи и речи. Пг., 1922 г.

(обратно)

4

Электрон-вольт - единица, применяемая в ядерной физике для измерения энергии. Это - количество энергии, которое приобретает частица с зарядом, равным заряду электрона при действии разности потенциалов 1 в; Мэв - 10 6 эв.

(обратно)

5

"Атомная энергия", 1969, т. 26 № 2, стр. 112.

(обратно)

6

IV Доклад Научного комитета ООН по атомной радиации. "Атомная энергия", 1967, т. 23, № 3, стр. 270.

(обратно)

7

Н. А. Бочвар, А. А. Моисеев, Т. И. Просина, В. В. Якубик. Измерение фонового облучения населения городов СССР "Атомная энергия", 1967, т. 22, № 1, стр. 59.

(обратно)

8

Сб.: "Радиационная опасность". М., 1958, стр. 76.

(обратно)

9

Тропосфера - часть атмосферы, достигающая высоты 10 - 11 км в полярных и умеренных широтах и 14 - 17 км - в тропиках. Далее, до высоты 40 км идет стратосфера, а за ней - мезосфера, ионосфера и экзосфера.

(обратно)

10

"Известия" от 18 марта 1964 (официальное сообщение).

(обратно)

11

Санитарные правила работы с радиоактивными веществами и источниками ионизирующих излучений. М., Атомиздат, 1960.

(обратно)

12

Критическим органом считается такой орган тела, в который преимущественно поступает радиоактивный изотоп, вызывая наибольшие повреждения организма. Для радиоактивных изотопов радия, стронция, кальция, фосфора критическим органом является костный скелет.

(обратно)

13

Протоны с такой энергией получены па синхроциклотроне Объединенного института ядерных исследований в Дубне.

(обратно)

Оглавление

Предисловие

Глава 1. Человек живет в радиоактивном мире

  Открытие явления радиоактивности

  Загадки радиоактивности

  Лучи из недр атомов

  Радиоактивные элементы Земли

  Радиоактивность вокруг нас

  Как обнаружили и измерили радиоактивность

  От рентгеновской трубки до синхрофазотрона

Глава 2. Ядерные излучения и живой организм

  Луч действует на клетку

  Прямое и косвенное действие радиации

  Особенности биологического действия разных видов излучения

  Внешнее и внутреннее облучение организма

  Что происходит в организме при облучении?

  Облучение и лучевая болезнь

  Восстанавливаются ли лучевые повреждения?

Глава 3. Организм после облучений

  Острая лучевая болезнь

  Особенности лучевой болезни, вызванной внутренним облучением и действием потоков нейтронов, протонов и т. п.

  Хроническая лучевая болезнь

  Отдаленные последствия облучения организма

  Влияние радиации на потомство

Глава 4. Допустимые дозы и защита от ядерных излучений

  Излучения в природе (радиоактивный фон)

  Неожиданные источники облучения

  Ядерные взрывы и радиоактивное заражение местности

  Границы лучевой угрозы (допустимые уровни облучения)

  Как измерить радиоактивность человека

  Защита от ядерных излучений

  Проблема радиоактивных отходов

Глава 5. Медицина против лучевой угрозы

  Химические средства борьбы с лучевыми повреждениями

  Особенности защиты при облучении нейтронами, протонами и другими частицами

  Как бороться с радиоактивными изотопами, попавшими внутрь организма

  Лечение лучевой болезни

Глава 6. Ядерные излучения служат человеку

  Лучи и урожайность

  Меченые атомы в биологических исследованиях

  Изотопы ставят диагноз

  Ядерные излучения лечат

  Излучения помогают переделывать природу живых организмов

Глава 7. Радиация в космическом пространстве

  Лучи из мировых глубин

  Солнечный ветер, солнечные пятна, солнечные вспышки

  Радиационные пояса Земли

  Космические лучи и жизнь на Земле

  Космические лучи и жизнь на других планетах

  Покорение космоса и лучевая опасность

Литература Fueled by Johannes Gensfleisch zur Laden zum Gutenberg