Текст книги "Ядерные излучения и жизнь"

Автор книги: Вилен Барабой

сообщить о нарушении

Текущая страница: 16 (всего у книги 18 страниц)

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).