А. М. КУЗИН
НЕВИДИМЫЕ ЛУЧИ
ВОКРУГ НАС
Ответственный редактор
доктор биологических наук
Е. Ф. РОМАНЦЕВ
© Издательство «Наука», 1980 г.
ВВЕДЕНИЕ
Вселенная, мировое пространство пронизано лучистой энергией. Если скопления материи в виде звезд, планет, загадочных пульсаров и квазаров, блуждающих комет и метеоритов в масштабах Вселенной — редкие явления, то потоки лучей, порождаемые ими, наполняют все пространство. В каждой его точке ежесекундно можно обнаружить потоки излучений — радиацию. Огромные массы вещества в недрах звезд, вступая в ядерные реакции, превращаются в лучистую энергию, выделяемую в окружающее пространство. Вспышки новых звезд, рождение и гибель галактик, сжатие и концентрация вещества при затухании звезд, взрывы образующихся звезд-карликов и другие еще далеко не познанные, но постоянно происходящие во Вселенной превращения материи сопровождаются огромными выбросами лучистой энергии в виде электромагнитных колебаний всех диапазонов и потоков элементарных частиц и корпускул, начиная от неуловимого нейтрино и кончая тяжелыми ядрами атомов.
В 1923 г. в Петрограде выдающийся ученый и мыслитель академик Владимир Иванович Вернадский писал в своем основополагающем труде «Биосфера»: «Из невидимых излучений нам известны пока немногие. Мы едва начинаем сознавать их разнообразие, понимать отрывочность и неполноту наших представлений об окружающем и проникающем нас в биосфере мире излучений, об их основном с трудом постижимом уму, привыкшему к иным картинам мироздания, значении в окружающих нас процессах… Кругом нас, в нас самих, всюду и везде, без перерыва, вечно сменяясь, совпадая и сталкиваясь, идут излучения разной длины волны… Благодаря космическим излучениям биосфера получает во всем своем строении новые, необычные и неизвестные для земного вещества свойства…»[1]
Вернадский был твердо уверен, что наши представления о роли радиации, которой пронизана вся Вселенная и биосфера Земли, расширятся в ближайшем будущем, дав более полное представление об их роли в возникновении и развитии биосферы. В те годы наши знания о лучах из мировых глубин были еще очень отрывочны. Следует удивляться предвидению В. И. Вернадского, высказывавшего мысли о теснейшей связи и зависимости земных процессов от излучений, пронизывающих Вселенную. Эти идеи с каждым годом приобретают новое звучание и значение.
В настоящее время физика дает почти исчерпывающие сведения об электромагнитных излучениях окружающего нас мира. В табл. 1 представлены основные данные об этих лучах. При ее рассмотрении внимание специалистов различных областей науки заинтересуют разные ее разделы. Астрономы, использующие гигантские радиотелескопы, сосредоточат внимание на многометровых радиоволнах. Специалистов радио и телевидения привлекут метровые и дециметровые радиоволны. Для радарной техники наиболее интересен сантиметровый и миллиметровый диапазон. Химиков, особенно фотохимиков, заинтересуют инфракрасная, видимая и ультрафиолетовая (УФ) части спектра. Лазерная техника, незаменимая в космической связи и во многих производствах, всецело связана с видимой и УФ-областью электромагнитных излучений. Специалисты в области радиационной химии, дефектоскопии металлов, бурно развивающейся атомной энергетики все свое внимание уделят коротковолновым, высокоэнергетичным излучениям — ионизирующим излучениям.
А теперь посмотрим на эту таблицу глазами биолога. Какую роль играют электромагнитные излучения в возникновении, развитии, существовании жизни на нашей планете? Как они воздействуют на живые организмы? Что новое и важное появилось в науке за последнее время о взаимосвязи лучистой энергии с жизнью на Земле?
Отвечая на эти вопросы, следует прежде всего подчеркнуть, что человечество с глубокой древности знало только о сравнительно небольшой части спектра электромагнитных излучений — узкой полосе видимого света. Благотворное влияние солнечного света, под живительными лучами которого поспевают урожаи на полях, стало первым знанием человека о зависимости жизни на Земле от лучистой энергии Солнца. Прошло много столетий, прежде чем человечество поняло, что вся энергия, используемая при сжигании дров, нефти, каменного угля — это лучистая энергия Солнца, аккумулированная земной растительностью.
Учение о фотосинтезе как глобальном процессе, благодаря которому существует жизнь на нашей планете, возникло в прошлом столетии и получило блестящее развитие в трудах К. А. Тимирязева, М. Кельвина, А. Н. Теренина, А. А. Ничипоровича и других ученых. О нем написаны монографии и научно-популярные брошюры.
Другое замечательное явление в биологии, тоже связанное с видимой частью спектра, — возникновение у живых организмов специальных фоторецепторов, начиная от фототропизмов у простейших и растений и кончая зрением у животных и человека.
Зрение, позволяющее воспринимать всю красоту и многокрасочность окружающего мира и ориентироваться в пространстве, также исследуется в течение столетий. В настоящее время хорошо известны и оптическое устройство глаза, и тонкие фотохимические реакции, преобразующие кванты света в нервные импульсы. Мы знаем и о замечательном устройстве зрительных центров в центральной нервной системе, позволяющем с огромной скоростью анализировать интенсивность, длины волн и пространственное расположение потоков квантов, падающих на сетчатку глаза. Этому явлению тоже посвящены многочисленные специальные издания. Излучение в диапазоне видимого света, несмотря на его исключительный интерес для биологии, остается за рамками этой книги.
Область невидимых излучений лежит как в стороне более длинных, так и более коротких волн. Диапазон радиоволн только начинает интересовать биолога. Еще не ясно, воздействуют ли они на живые системы. Все больший интерес вызывают сантиметровые и миллиметровые волны. В последние годы стали накапливаться факты об их воздействии на биологические объекты. Использование этих излучений в промышленности возрастает, поэтому их возможное влияние на человека — вопрос, имеющий не только теоретический интерес. Ультракороткие и инфракрасные волны оказывают тепловое воздействие на ткани организмов, что широко используется в медицинской практике и сельском хозяйстве.
Основное внимание в этой книге мы уделим ионизирующей радиации, обладающей чрезвычайно сильным и многообразным влиянием на живые организмы. Значительный прогресс в этой области достигнут именно за последние годы. Полученные данные, пока еще мало известные, заставляют по-новому оценить и переосмыслить значение ионизирующих излучений для эволюции и жизнедеятельности на нашей планете.
Не менее интересна для биолога и область корпускулярных ионизирующих излучений, таких, как α- и β-лучи радионуклидов, потоки электронов и протонов, генерируемые современными ускорителями, нейтроны атомных реакторов или π-мезоны и ядра тяжелых нуклидов — космических лучей. Корпускулярные излучения обладают высокой энергией, часто большой проникающей способностью, активно взаимодействуют с атомами и молекулами живых организмов, вызывая ионизацию, образование высокореактивных свободных радикалов, ядерные реакции. Все это может иметь глубокие последствия для жизнедеятельности клетки, ткани, организма. Ввиду сходства воздействия на вещество корпускулярных и таких электромагнитных излучений, как рентгеновские и γ-лучи, их часто объединяют в группу ионизирующей радиации.
Для биолога, исследующего последствия действия ионизирующей радиации на живые организмы, их сообщества и биосферу в целом, первостепенное значение имеет количественная характеристика поглощенной дозы. В качестве единицы измерения поглощенной ионизирующей радиации в современной единой системе единиц принято такое ее количество, которое соответствует энергии в 1 Дж, поглощенной 1 кг ткани. Эта единица получила название грей (Гр) в честь крупного английского радиобиолога Л. Грея. Однако она принята сравнительно недавно и еще прочно не вошла в радиобиологию. В качестве единицы измерения ионизирующей радиации чаще используют величину в 100 раз меньшую — рад[2].
2
1 рад соответствует энергии в 100 эрг, поглощенной 1 г ткани, 100 рад=1 Гр. Меньшие единицы: 0,001 рад=1 мрад. Когда имеют дело с большими дозами, в качестве единицы используют 1000 рад = 1 крад=10Гр или 106 рад = 1 Мрад = 104Гр. Энергию излучений обычно измеряют в электронвольтах (эВ); широко используют следующие единицы: 1 кэВ = 103эВ и 1 МэВ = 106эВ.