С того времени как были открыты природные радиоактивные вещества и их широкое распространение в почве, минералах, горных породах, обнаружено проникновение космических излучений в биосферу, показано присутствие радиоактивных веществ в организме, тканях, в каждой клетке (радиоактивный изотоп калия К40, углерода С14 и др.). Не раз высказывались предположения, что ионизирующие излучения естественного фона, быть может, играют и некоторую положительную роль в явлениях жизни, однако непосредственные, убедительные экспериментальные доказательства этих предположений до недавнего времени отсутствовали.
Большое внимание с этих позиций привлекал калий. Как известно, калий обязательно входит в состав живых организмов. Без него не могут существовать ни растения, ни животные. Калий не может быть заменен никаким другим элементом. Между тем природный калий состоит из трех изотопов: К39, К40 и К41, из которых К40 радиоактивен. Он имеет большой период полураспада (1,3 109 лет) и является β- и γ-излучателем. Правда, его содержание в естественной изотопной смеси очень невелико (около 0,01 %), но возможно это-то и необходимо для поддержания жизненных процессов.
В 50-х годах нашего столетия академик А. П. Виноградов поставил, казалось бы, решающие эксперименты, чтобы ответить на эти вопросы. Он получил калий, обогащенный радиоактивным изотопом (содержание последнего было повышено с 0,0119 до 1,34 %), и калий, содержавший в 50 раз меньше К40 (вместо 0,0119 % всего лишь 0,0002 %). Приготовили три питательные среды для роста простейшего грибка Aspergillus niger, одна из которых содержала обычный калий, другая — обогащенный и третья — обедненный. На эти среды высеяли грибок и в течение четырех суток визуально определяли рост грибка, а по прошествии четырех суток устанавливали вес сухой массы и количество щавелевой кислоты, выделенной грибком в окружающую среду.
Ни визуально, ни по сухому весу не удалось выявить различия в росте. Автор делает категорический вывод, что радиоактивность К40 не влияет на рост и развитие грибка. Можно ли полностью согласиться с автором? В статье приводятся данные о продукции щавелевой кислоты растущим грибком.
Эти определения приведены в табл. 15.
Если эти данные верны, можно сделать вывод о том, что даже небольшие вариации условий облучения сказываются на скорости обменных процессов, а это неизбежно связано со скоростью роста и развития.
Для проверки правильности такого предположения автор этой книги поставил серию экспериментов по наблюдению за развитием и образованием органических кислот грибком Aspergillus niger, растущим при повышенной мощности дозы от 0,1 до 76 рад/ч. Данные о сухой массе культуры и продукции щавелевой кислоты на седьмые сутки представлены на рис. 9, из которого видно, что если облучение при мощности дозы 0,1 рад/ч мало влияет на скорость роста, то облучение при мощности дозы 1,6–4,1 рад/ч более чем в два раза увеличивает сухую массу культуры и в 1,8 раза продукцию щавелевой кислоты; увеличение мощности дозы до 14 рад/ч резко снижает эффект стимуляции.
Следует подчеркнуть, что различие в росте стало выявляться лишь на 6–7-й день культивирования. Уникальные опыты А. П. Виноградова не позволяют сделать общих выводов по двум обстоятельствам: первое — это кратковременность наблюдения, второе (и, пожалуй, самое существенное) — снижение содержания К40 в питательной среде очень мало должно сказаться на общей облученности организма, так как окружающий естественный радиоактивный фон не был снят. Радиация от К40 составляет лишь 16 % от естественного радиоактивного фона, и, конечно, снижение облученности растущей культуры Aspergillus niger лишь на 16 % могло не сказаться в кратковременном эксперименте.
Более радикально подошел к решению вопроса о роли естественного радиоактивного фона в жизнедеятельности организмов французский исследователь Г. Планель. В 1966 г. на III Международном конгрессе по радиационным исследованиям в Кортино Д’Ампеццо (Италия) он впервые сообщил о своих экспериментах по наблюдению за темпом размножения простейшего организма парамеции (Paramecium caudatum) при экранировании от естественного фона радиации. Для экранирования он применил свинец толщиной в 5 и 10 см. Измерение активности γ-лучей сцинцилляционным счетчиком в области от 0 до 2 МэВ показало, что толщина свинца в 5 см снижает естественный фон облучения в 10 раз, а 10 см — примерно в 25 раз. В этих условиях за 10 дней наблюдения Планель с сотрудниками отметил снижение размножения парамеций. Оно было уже достоверно при 5 см свинца, и эффект увеличивался при защите в 10 см.
Рис. 9. Влияние мощности дозы γ-облучения на развитие Aspergillus niger
1 — сухая масса,
2 — продукция щавелевой кислоты
Чтобы убедиться в том, что снижение деления связано с экранированием от ионизирующей радиации, а не с какими-либо другими неучтенными факторами, были поставлены контрольные опыты, в которых за свинцовый экран толщиной 10 см вносили слабые источники радиации, восстанавливающие естественный уровень облучения. В этих условиях парамеции делились с той же скоростью, что и неэкранированные в контроле. Автор делает вывод, что ионизация, вызываемая природной радиацией, необходима для размножения клеток.
Свои эксперименты Планель продолжил в подземной лаборатории, расположенной на глубине 200 м в доломитовом массиве, что значительно снижало интенсивность космической радиации. В качестве защиты от слабой γ-радиации использовали свинец толщиной 5 см. Измерения интенсивности γ-радиации различной энергии показали значительное снижение естественного фона как высокоэнергетичных лучей (космический компонент), так и низкоэнергетичных от окружающих пород по сравнению с лабораторными условиями на поверхности Земли.
Рис. 10. Рост культуры Paramecium aurelia
1 — в надземной лаборатории без защиты,
2 — в подземной лаборатории со свинцовой (5 см) защитой
Сравнивали скорость размножения Paramecium aurelia в надземной и подземной лабораториях. Результаты, полученные за двое суток наблюдения, представленные на рис. 10, свидетельствуют о замедлении размножения. Оно еще более усилилось при использовании свинцового экрана. Удлинялось время, нужное для деления клеток. С шести часов оно удлинялось до восьми при наиболее полном экранировании от естественного фона, т. е. эффект достигал 33 %. Экранирование от естественного фона сказывалось и на скорости развития более сложных организмов.
Планель с сотрудниками поставил эксперименты по выяснению роли радиационного фона в развитии яиц дрозофилы. Стеклянные пробирки с яйцами Drosophila melanogaster на обычной питательной среде помещали в контейнер со свинцовыми стенками толщиной 10 см. Контрольные яйца находились в нормальных условиях. Температура и аэрация были строго идентичными. В случае экранирования от внешнего облучения вылупление личинок задерживалось на 24 ч. Авторы пришли к выводу, что естественный радиационный фон влияет на скорость прохождения определенных стадий развития дрозофил.
Чтобы подтвердить этот вывод, эксперименты были повторены, причем за развитием яиц наблюдали как в свинцовом контейнере, так и в контейнере с радиоактивным кобальтом, имитировавшим естественный радиационный фон (мощность дозы 125 мрад/год). Было показано, что задержка развития при защите от внешнего облучения свинцом полностью снимается в случае внесения Со60.