ЭНЦИКЛОПЕДИЯ ПРИРОДЫ

Что изучает радиобиология

Ионизирующая радиация окружает нас всюду. Мощное развитие ядерной энергетики создало условия для широкого получения искусственных радиоактивных изотопов. Радиоактивные вещества образуются также в результате атомных взрывов и выпадают в виде радиоактивных осадков. Радиобиология — наука, изучающая действие ионизирующих излучений на биологические объекты, способы защиты от ее повреждающего действия и возможности практического использования излучений в различных областях медицины, сельского хозяйства и биологии.

В некоторых районах земного шара встречаются места, где уровень радиационного фона несколько повышен. Это связано с тем, что здесь по различным причинам происходит концентрация естественных (уран, радий, торий) или искусственных (стронций, цезий) радиоактивных веществ на поверхности Земли. Особый раздел радиобиологии — радиоэкология — изучает распределение радиоактивных элементов в природных условиях, их накопление, перемещение и действие на животные и растительные организмы.

Ионизирующие излучения, возникающие при радиоактивном распаде, имеют различные свойства. Альфа-частицы представляют собой дважды ионизированные ядра гелия. Они состоят из двух протонов и двух нейтронов, несут два положительных заряда и имеют массу 4. Бета-частицы, представляющие собой поток электронов, имеют отрицательный заряд и очень малую массу. Гамма-кванты — это фотоны жесткого электромагнитного излучения. Они не имеют заряда. Масса покоя гамма-квантов равна нулю.

При облучении живых организмов альфа-, бета-частицами и гамма-квантами в их тканях происходит ионизация, которая приводит в дальнейшем к большим изменениям в обмене веществ, в наследственных свойствах. Самая важная особенность радиационных излучений в том, что альфа-частицы, бета-частицы и гамма-кванты, обладая одинаковой энергией, имеют разную длину пробега и способны вызывать разную степень ионизации:

Радиобиология изучает реакции, происходящие в организме, облученном ионизирующей радиацией. Радиобиологи установили, что биологическое действие ионизирующей радиации в большой степени зависит от вида частиц и их энергии, поглощенной в живом веществе. Вот почему в радиобиологии уделяется большое внимание точному измерению интенсивности и дозы ионизирующих излучений.

Для измерения радиоактивности служит единица, называемая кюри — в честь французских исследователей, открывших явление радиоактивности. 1 кюри — это такое количество радиоактивного вещества, в котором происходит 3,7*10¹⁰ распадов в секунду. Имеются и меньшие единицы: милликюри, микрокюри. Количество гамма-квантов и рентгеновых лучей измеряется в других единицах — рентгенах (Р). Для измерения энергии ионизирующей радиации, поглощенной единицей массы облучаемого вещества, используется особая единица — рад. Доза в 1 рад соответствует количеству поглощенной энергии в 100 эрг/г. Для воздуха при экспозиционной дозе в 1 Р поглощенная доза равна 0,88 рада.

Таким образом, перед радиобиологией стоят важные задачи: во-первых, точно измерить дозу ионизирующего излучения, попадающую в организм; во-вторых, изучить само действие ионизирующих лучей на живые организмы; в-третьих, найти средства и методы для защиты живых организмов (в особенности людей) от повреждающего действия радиации; в-четвертых, изыскать способы для использования ионизирующих излучений в народнохозяйственных и лечебных целях.

Радиобиологи обнаружили, что облучение вызывает различные изменения в организме животных, растений и микроорганизмов. Причем большое значение имеет длительность облучения, его энергия, а также физиологическое состояние организма (будут ли это семена или проростки растений, молодые или взрослые животные).

В основе биологического действия ионизирующей радиации лежит ее способность вызывать образование ионов в организме. При этом в клетках и тканях организма, и в особенности в их генетических структурах — хромосомах ядра, происходят большие изменения (см. ст. «Наследственность»). Ученые установили, что чувствительность организмов к радиации очень различна. Так, средняя доза, при которой организм погибает, у животных составляет 200— 1000 рад (у насекомых —1000 — 100000), у растений — 1000 — 150000, у микроорганизмов — до 1000000 рад.

Под действием радиации изменяются клетки и ткани организма, нарушается обмен веществ, в результате чего подавляется рост, появляются организмы, отличные от нормальных, называемые мутантами. Большая часть мутантов погибает, но у оставшихся в живых могут наблюдаться свойства, полезные для человека (см. т. 6 ДЭ, ст. «Новые пути в селекции растений»).

Получать радиомутанты можно при облучении сухих семян в лаборатории или при длительном облучении растений на специальном поле (гамма-поле), где установлен источник ионизирующей радиации. На таком поле высаживают различные культуры — пшеницу, ячмень» горох, землянику, яблони, груши — и облучают их непрерывно в течение всего вегетационного периода. За время такого длительного облучения растения получают различные дозы радиации. Поскольку радиоактивное излучение очень опасно для человека, гамма-поле огораживают, охраняют и устанавливают специальные щиты со знаком, указывающим, что там находится радиоактивная зона. При необходимости источник ионизирующей радиации автоматически закрывается и с помощью особого устройства погружается в глубокий подземный колодец. В это время исследователи собирают образцы растений для анализа, урожай семян и плодов.

Очень важно, что ионизирующая радиация используется для борьбы с вредителями сельскохозяйственных растений. Оказалось, что взрослые насекомые-вредители устойчивы к облучению и смертельные дозы радиации для них составляют сотни тысяч рад. Однако их яйца и личинки погибают при значительно меньших дозах облучения. Например, если зерно перед загрузкой в элеватор на хранение облучить дозой 10 000 рад, то яйца и личинки амбарного долгоносика не будут развиваться и зерно можно хранить без потерь. Облученное зерно безопасно для человека, и его можно использовать в пищу, но для посева оно не годится. В радиобиологии используются не только большие, но и малые дозы ионизирующей радиации. Оказалось, что малые дозы радиации в некоторых случаях ускоряют рост растений и животных, т. е. оказывают стимулирующее влияние. Имеются данные, что у растений в результате стимуляции увеличивается содержание витаминов, ускоряются процессы обмена, повышается урожайность, сокращаются сроки созревания плодов. Стимулирующие дозы радиации для различных видов и сортов сельскохозяйственных растений не одинаковы и колеблются от 100 до 4000 рад. Все эти явления еще требуют тщательного и всестороннего изучения.

Стимулирующее действие небольших доз радиации отмечается не только для растений, но и для других организмов. Но животные очень чувствительны к облучению, и поэтому стимулирующие дозы для них в сотни раз меньше, чем для растений. Например, при облучении яиц, находящихся в инкубаторах птицефабрик, дозой 1—2 рада уже отмечается положительный эффект: увеличивается количество вылупившихся цыплят, а выросшие из них куры обладают большей яйценоскостью — за год они дают больше яиц, чем необлученные.

Особое значение в радиобиологии имеют меченые атомы, или изотопные индикаторы. Такое название дано изотопам, главным образом радиоактивным, потому что, распадаясь, они как бы сами себя обнаруживают, отмечают свой путь. Если радиоизотоп в составе какого-либо вещества ввести в организм, то по частицам, испускаемым во время распада изотопа, можно узнать о превращениях и перемещениях в организме данного вещества. Поэтому ученые широко используют радиоизотопы, чтобы узнать, что происходит в организме с различными солями, питательными веществами, как усваиваются удобрения растениями и молоко молодняком животных и многие другие процессы, совершающиеся в живых организмах. Расскажем лишь о некоторых работах, проведенных с помощью радиоизотопов.

Так, например, выяснены некоторые особенности в жизни пчел. Пчел метили радиоактивным фосфором (³²Р), который добавляли в сахарный сироп, съедаемый насекомыми. Отлавливая пчел на различных расстояниях от улья, можно было установить дальность и скорость полета пчел, распределение их на опытном участке, где они посещают цветы, и т. д. Если же из всего улья метилась лишь одна пчела, то счетчик, поставленный у входа в улей, отмечал каждый раз момент ее появления. Так удалось выяснить, сколько вылетов в день совершает рабочая пчела и как долго она отсутствует.

При помощи радиоизотопов удалось изучить многие процессы, совершающиеся в живом организме. Например, было установлено, что при фотосинтезе кислород выделяется не из углекислого газа, как думали раньше, а в результате разложения молекул воды. При этом было обнаружено, что фотосинтез идет с большой скоростью, так как углекислота, меченная углеродом, сразу же обнаруживается в десятках различных органических соединений. Удалось установить, что скорость передвижения органических веществ в клетках зеленого листа тоже очень велика — до 100 мм/ч.

Было установлено, что и скорость обновления тканей в организме животных очень велика. Так, белки мышц в организме заменяются наполовину за 80 дней, а в печени еще быстрее — за 8 дней. С помощью радиоизотопа ¹⁴С установили, что сахар усваивается организмом сразу и тотчас же используется в дыхании клеток.

С помощью изотопов удалось установить, что растения усваивают питательные вещества не только через корневую систему, но и при так называемой внекорневой подкормке. Этот метод оказался очень эффективным, так как растения сразу получают через лист элементы, необходимые для роста и развития. Лесоводы с помощью радиоизотопов узнали, что деревья могут обмениваться питательными веществами через корневую систему. Для этого в одно из деревьев в дубовой роще вводили радиоактивный бромистый калий. Через несколько дней этот радиоизотоп был обнаружен в соседних деревьях, которые росли на расстоянии 4 м от первого.

Радиоизотопы широко используются в медицине для постановки диагноза и лечения некоторых заболеваний.