Реферат: Загрязнение и здоровье окружающей среды

--PAGE_BREAK--Типы ионизирующего излучения
Излучение с очень высокой энергией, которое способно отнимать электроны от атомов и присоединять их к другим атомам с образовани­ем пар положительных и отрицательных ионов, называется ионизирую­щим излучением в отличие от света и большей части солнечной радиа­ции, которые не обладают способностью к ионизации. Полагают, что ионизация является основной причиной радиационного повреждения цитоплазмы и что степень повреждения пропорциональна числу пар ионов, образовавшихся в поглощающем веществе. Источником ионизи­рующего излучения служат радиоактивные вещества, содержащиеся в горных породах; кроме того, оно поступает из космоса. Те изотопы

элементов, которые испускают ионизирующее излучение,    называются радиоактивными изотопами.

Из трех видов ионизирующего излучения, имеющих важное эколо­гическое значение, два представляют собой корпускулярное излучение (альфа- и бета-частицы), а третье — электромагнитное (гамма-излу­чение и близкое ему рентгеновское излучение). Корпускулярное излуче­ние состоит из потока атомных и субатомных частиц,.которые передают свою энергию всему, с чем они сталкиваются. Альфа-частицы, или ядра атома гелия, имеют огромные по сравнению с другими частицами раз­меры. Правда, длина их пробега в воздухе составляет всего несколько •сантиметров, их можно остановить листком бумаги или слоем омертвев­шей кожи человека. Однако, будучи остановленными, они вызывают сильную локальную ионизацию. Бета-частицы — это быстрые электро­ны. Их размеры гораздо меньше, длина их пробега в воздухе равна не­скольким метрам, а в ткани — нескольким сантиметрам. Свою энергию они отдают на протяжении более длинного следа. Что касается ионизи­рующего электромагнитного излучения, то оно сходно со световым, толь­ко длина волны у него короче (фиг. 48). Оно проходит в воздухе боль­шие расстояния и легко проникает в вещество, высвобождая энергию на протяжении длинного следа (рассеяние излучения). Гамма-лучи, на­пример, легко проникают в живые ткани; они могут.пройти сквозь орга­низм, не оказав никакого воздействия, или же могут вызвать ионизацию на большом отрезке своего пути. Действие гамма-лучей зависит от их числа и энергии, а также от расстояния между организмом и источни­ком излучения. Важные свойства альфа-, бета- и гамма-излучения схе­матически показаны на фиг. 222. Таким образом, в последовательности: альфа-, бета- и гамма-излучение, проницаемость возрастает, а плотность ионизации и локальное повреждение уменьшаются. Поэтому биологи нередко называют радиоактивные вещества, испускающие альфа- и бе­та-частицы, «внутренними излучателями», так как они обладают наи­большим эффектом, будучи поглощены, заглочены или оказавшись

Фиг. 222. Сравнение трех типов ионизирующего излучения, представляющих наиболь­ший экологический интерес.

Показана относительная проникающая способность и специфический ионизационный эффект. Это чисто качественная схема, совершенно не отражающая количественных соотношений. А. Источ­ник излучения снаружи. Б. Источник излучения внутри.

<img width=«374» height=«278» src=«ref-1_638805906-13339.coolpic» v:shapes="_x0000_i1034">

каким-то иным способом внутри или вблизи живой ткани. Радиоактив­ные вещества, испускающие преимущественно гамма-лучи, относят к «внешним излучателям», так как это проникающее излучение, которое может оказывать действие, когда ее источник находится вне организма. Некоторые другие типы излучения также представляют хотя бы косвенный интерес для эколога. Нейтроны — это крупные незаряжен­ные частицы, которые сами по себе не вызывают ионизации, но, выби­вая атомы из их стабильных состояний, создают наведенную радиоак­тивность в нерадиоактивных материалах или тканях, сквозь которые они проходят. При равном количестве поглощенной энергии «быстрые» нейтроны вызывают в 10, а «медленные» — в 5 раз большие поражения, чем гамма-лучи. С нейтронным излучением можно встретиться вблизи реакторов и в местах ядерных взрывов, но, как указано выше, они игра­ют главную роль при образовании радиоактивных веществ, которые за­тем широко распространяются в природе. Рентгеновские лучи представ­ляют собой электромагнитное излучение, очень близкое гамма-лучам, но образующееся на внешних электронных оболочках, а не в ядре атома и не испускаемое радиоактивными веществами, рассеянными в окру­жающей среде. Так как действие рентгеновских и гамма-лучей одина­ково и так как рентгеновские лучи легко получать на специальной уста­новке, их удобно применять при экспериментальном изучении особей, популяций и даже небольших экосистем. Космические лучи — это излу­чение, приходящее к нам из космического пространства и состоящее из корпускулярной и электромагнитной компонент. Интенсивность косми­ческих лучей в биосфере мала, однако они представляют собой основную опасность при космическом путешествии. Космические лучи и ионизирующее излучение, испускаемое природными радиоактивными веществами, содержащимися в воде и почве, образуют так называемое! фоновое излучение, к которому адаптирована ныне существующая биота. Возможно, что поток генов в биоте поддерживается благодаря нали­чию этого фонового излучения. В разных частях биосферы естественный фон различается в три-четыре раза. В этой главе мы сосредоточим вни­мание главным образом на искусственной радиоактивности, которая до­бавляется к фону.

Единицы измерений

Для изучения радиационных явлений необходимы два типа измере­ний: I) измерение количества радиоактивного вещества по числу проис­ходящих распадов; 2) измерение дозы излучения в терминах поглощен­ной энергии, которая может вызвать ионизацию и повреждения.

Основной единицей активности служит кюри (Ки), определяемое как такое количество радиоактивного изотопа, в котором каждую секун­ду распадается 3,7-1010 атомов, т. е. происходит 2,2-1012 актов распада в минуту. Реальный вес вещества, соответствующего одному кюри, очень различен у долгоживущих, т. е. медленно распадающихся, и у коротко-живущих, т. е. быстро распадающихся, изотопов. Например, для радия 1 Ки соответствует 1 г, а для только что образовавшегося радиоактивного натрия — гораздо меньшее количество, около 10~7 г! С биологи­ческой точки зрения 1 Ки — активность довольно высокая, и поэтому на практике широко пользуются более мелкими единицами: милликюри (мКи) = 10~3 Ки; микрокюри (мкКи) = 10~6 Ки; нанокюри (нКи) = = 10~9 Ки; пикокюри (пКи) = 1012 Ки. Возможный диапазон активностей так велик, что следует быть очень внимательным к запятым в десятич­ных дробях. Активность, выраженная в кюри, показывает, сколько аль­фа- или бета-частиц или гамма-лучей испускает источник радиоактивности, но это ничего не говорит о действии, которое они производят на организмы, попавшие «под обстрел».

Другой важный аспект излучения — его доза — измеряется в раз­ных шкалах. Наиболее удобной единицей для всех типов излучения слу­жит рад. Один рад — это такая доза излучения, при которой на 1 г тка­ни поглощается 100 эрг энергии. Более старую единицу дозы — рентген (Р) — строго говоря, можно использовать только для гамма- и рентге­новских лучей. Однако, пока речь идет о воздействии на живые орга­низмы, рад и рентген — почти одно и то же. В 1000 раз меньшие еди­ницы, а именно миллирентген (мР) или миллирад (мрад), удобны для измерения тех уровней излучения, которые часто регистрируются в окру­жающей среде. Важно подчеркнуть, что рентген или рад — это единицы суммарной дозы. Доза излучения, полученная в единицу времени, назы­вается интенсивностью дозы. Так, если организм получает 10 мР в час, то суммарная доза за 24 ч составит 240 мР, или 0,240 Р. Как мы уви­дим, очень важное значение имеет время, за которое организм получает данную дозу.

Приборы, используемые для измерения ионизирующего излучения, состоят из двух основных частей: 1) детектора и 2) электронного счетчи­ка. Для измерения бета-частиц обычно используются газовые счетчи­ки, такие, как счетчик Гейгера, а для измерения гамма- и других типов излучения широко применяют твердые или жидкостные сцинтиляционные счетчики (они содержат вещества, которые превращают невидимое излучение в видимое излучение, регистрируемое фотоэлектрической си­стемой).

Радиоактивные изотопы, имеющие важное значение в экологии

Каждому химическому элементу соответствуют разные типы атомов, все они имеют несколько различное строение, некоторые из них радио­активны, другие — нет. Эти варианты элементов называются изотопа­ми. Например, существует несколько изотопов кислорода, несколько изо­топов углерода и т. д. Радиоактивные изотопы нестабильны и при рас­паде превращаются в другие изотопы, испуская при этом излучение. Каждый радиоактивный изотоп характеризуется определенным чис­лом— атомным 'весом и распадается с определенной скоростью. Эту скорость принято называть периодом полураспада. Некоторые радиоак­тивные изотопы, имеющие важное значение для экологии, перечислены в табл. 59. Можно видеть, что 45Са — это радиоактивный изотоп каль­ция; его атомный вес равен 45 и каждые 160 дней он теряет половину своей радиоактивности. Период полураспада — величина, постоянная для данного изотопа (т. е. внешние факторы не влияют' на скорость разрушения); для разных радиоактивных изотопов величина его варьи­рует от нескольких секунд до многих лет. В общем крайне «короткоживущие» радионуклиды не представляют интереса для экологии.

Проникающая сила излучения зависит от его энергии. Большинство важных для экологии радиоактивных изотопов обладают энергиями от 0,1 до 5 Мэв (миллионов электронвольт). В табл. 59 указаны относи­тельные энергии каждого изотопа (точные оценки можно найти в стан­дартных справочниках). Чем выше энергия, тем больше — в пределах данного типа излучения — потенциальный ущерб для биологического материала. Но, с другой стороны, изотопы с высокой энергией легче об­наруживаются в очень небольших количествах; поэтому они более удоб­ны в качестве «меток», или индикаторов. Например, гамма-излучатели высокой энергии, такие, как кобальт-60, цезий-134, скандий-46 или тантал-182, служат.полезными «метками», с помощью которых можно сле­дить снаружи за передвижениями под корой деревьев или в почве.
ТАБЛИЦА 59 Экологически важные радионуклиды. Группа А. Естественные изотопы, участвующие в создании фонового излучения

                       Период полураспада Изотопы                                                 



Излучение



Уран-235 (236U)                                    7-108 лет        Альфа*** Гамма*



Уран-238(2звЦ)                                      4.5.109 »                »



Радий-226(^Ra)                                      1620     »



»                 »



Торий-232(232тп)                                 1,4-1010 >               »



Калнй-40(4°К)                                       1,3.10»         »  Бета*** Гамма***



Углерод-14 (см. группу Б)




Группа Б. Изотопы элементов, которые являются существенными компонентами организмов



Кальций-45(45Са)                                       160 дней



Бета**



Углерод-14(14С)                                          5568 лет         Бета*



Кобальт-60(60Со)                                        5,27     >



Бета**  Гамма***



Иод-131 (13Ч)                                              8 дней  Гамма**          



Как показывает табл. 59, с экологической точки зрения радиоак­тивные изотопы можно разбить на несколько довольно хорошо различи­мых групп. В группу А входят встречающиеся в природе радиоактивные изотопы, участвующие в создании фонового излучения. В группу Б вхо­дят изотопы элементов, являющихся существенными компонентами тка­ней животных и растений; они поэтому имеют большое значение в каче­стве меток при изучении метаболизма сообщества и как источники внут­реннего облучения.В группу В входят продукты деления урана -и некото­рых других элементов; большинство этих элементов несущественны для метаболизма (за исключением иода-131). Однако элементы этой груп­пы опасны, так как они в больших количествах образуются при ядерных взрывах, а также при управляемых ядерных реакциях при производстве электричества или других полезных форм энергии. Хотя большинство из этих изотопов не представляют собой существенные компоненты про­топлазмы, они легко включаются в биогеохимические циклы, и многие из них, особенно нуклиды стронция и цезия, накапливаются в пищевых цепях. Обратите внимание, что многие изотопы группы В производят «дочерние изотопы» (изотопы, образующиеся при распаде другого изотопа), которые часто обладают большей энергией, чем ис­ходные изотопы. Человек надеется со временем научиться использовать энергию ядерного синтеза, выделяемую в водородной бомбе, и заменить ею энергию ядерного деления, которая лежит сейчас в основе развития ядерной энергетики. При этом мы избавились бы от продуктов деления, но не решили бы проблем, создаваемых тритием (3Н) и наведенной радиоактивностью.

СРАВНИТЕЛЬНАЯ РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ

Разные виды организмов сильно различаются по своей способности выдерживать большие дозы облучения. На фиг. 223 показана сравни­тельная чувствительность представителей трех разных типов организмов к некоторым дозам рентгеновских или гамма-лучей. Большие дозы, по­лучаемые организмом за короткое время (минуты или часы), называют острыми дозами в противоположность хроническим дозам сублетального облучения, которые организм мог бы выдерживать на протяжении всей своей жизни. Вертикальные черточки слева указывают уровни, при ко­торых у более чувствительных видов данной группы могут возникнуть серьезные нарушения функции размножения (например, временная или постоянная стерильность). Черточки справа указывают уровни, которые вызывают немедленную гибель, большей части особей (50% и выше) более устойчивых видов. Стрелки, направленные влево, указывают ниж­ние границы доз, которые могут вызывать гибель или повреждение чув­ствительных стадий жизненного цикла, например эмбрионов. Так, доза 200 рад вызывает гибель эмбрионов некоторых насекомых на.стадии дробления, доза 5000 рад приводит к стерильности, но для того чтобы убить всех взрослых особей более устойчивых видов, потребовалась бы доза 100000 рад. В общем млекопитающие обладают наибольшей чув­ствительностью, а микроорганизмы наиболее устойчивы. Семенные рас­тения и низшие ^позвоночные находятся где-то между насекомыми и мле­копитающими. Как показывает большая часть исследований, наиболее чувствительны к облучению быстро делящиеся клетки (этим объясняет­ся снижение чувствительности с возрастом). Поэтому любой компонент системы (будь то часть организма, одна особь или популяция), претерпевающий быстрый рост, окажется, вероятно, восприимчивым к сравни­тельно низкому уровню излучения независимо от своего систематическо­го положения.

Фиг. 223. Сравнительная чувствительность трех разных организмов к единичной Острой дозе рентгеновских или гамма-лучей (объяснения — в тексте).

Воздействие низких хронических доз измерить сложнее, так как они могут вызывать отдаленные генетические и соматические эффекты. Спарроу (1962) сообщает, что хроническое облучение сосны (которая обладает сравнительно высокой чувствительностью) на протяжении 10 лет при дозе 1 Р в день (суммарная доза 25000 Р) вызывает пример­но такое же уменьшение скорости роста, как и острая доза 60 Р. Любое повышение уровня излучения в среде над фоновым или даже высокий естественный фон может повысить частоту вредных мутаций (подобно многим химическим веществам, добавляемым к пищевым продуктам, действию которых подвергает себя современный человек).

У высших растений чувствительность к ионизирующему излучению прямо пропорциональна размеру клеточного ядра, а точнее, объему хро­мосом или содержанию ДНК. Как показано на фиг. 224, при изме­нении объема хромосом их чувствительность к облучению изменяется почти на три порядка. Растения большим объемом хромосом гибнут при острой дозе ниже 1000 рад, тогда как растения с мелкими хромосо­мами или малым их количеством устойчивы к дозе 50000 рад или выше. Такая зависимость свидетельствует о том, что при увеличении хромосом­ной «мишени» повышается вероятность прямого «попадания» атомных «выстрелов».

У высших животных не обнаружено такой прямой зависимости меж­ду чувствительностью и клеточной структурой; для них более важное значение имеет чувствительность отдельных систем органов. Так, млеко­питающие плохо переносят даже низкие дозы вследствие высокой чув­ствительности к облучению быстро делящейся кроветворной ткани кост­ного мозга. Многие исследователи сообщают, что ЛД-50 (доза, при ко­торой гибнет 50% особей в популяции) для некоторых диких грызунов примерно вдвое выше, чем для лабораторных белых мышей или белых крыс, но удовлетворительного объяснения причин такого различия меж­ду близкородственными видами пока не найдено.

Дифференциальная чувствительность представляет значительный экологический интерес. Для того чтобы та или иная система могла пере­носить более высокий уровень излучения, чем тот, при котором она эво­люционировала, должна произойти адаптация, возможно сопровождаю­щаяся элиминацией чувствительных линий или видов, В разд. 3 этой главы приведены примеры уменьшения видового разнообразия и изме­нения в структуре сообщества, обусловленного радиацией. Радиацион­ный стресс может изменить основные межпопуляционные взаимодействия, например равновесие между хищниками и жертвами, как по­казала Ауэрбах (1958) в экспериментах с клещами, или вызвать внезапное нашествие вредителей.
<img width=«444» height=«136» src=«ref-1_638819245-9533.coolpic» v:shapes="_x0000_i1035">

<img width=«341» height=«242» src=«ref-1_638828778-13422.coolpic» v:shapes="_x0000_i1036">

Фиг. 224. Зависимость между объемом интерфазных хромосом и острой летальной' дозой в килорентгенах (1 кР = 103Р) (по Спарроу, Шейрср и Спарроу, 1963),

Представлены данные по следующим видам: / — Trilliumgrandiftorum; 2 — PodophyLlumpeltatum-. 3 — Hyacinthus Ь. v. Innocence; 4 — Litium longiflorum; 6 —- Chlorophytutn elatum; 6 — Zea mays; 7 — Aphanostephus sklrrobasis; 8 — Crepis capillaris; 9 -~ Sedum ternatum; 10 — Lt/copersicum esculenfum; !I — Gladiolus v. h. Friendship; 12 — Men/ha spicata; 13 ~ Sedum oryztfollum; 14 — Sedum tricarpum; 15 — Sedum alfredi var. nagasakianum; 16 — Sedum rupifragum. Объем Хромосом определялся делением среднего объема ядра па число хромосом. Объем хромосом (#>• и острая летальная доза (у) связаны уравнением JgJ/= 1,69422 — (0,93025) Igx,
Здесь нам нужно обратить внимание на порядок величины доз есте­ственного, или фонового, излучения, к которым организмы, так сказать,, привыкли. Радиационный фон имеет три основных источника: 1) косми­ческие лучи; 2) калий-40 invivo (входящий в состав живых тканей) и 3) внешнее облучение от радия и других природных радиоактивных изотопов, встречающихся в горных породах и почве. Дозы, создаваемые каждым из этих трех источников, в пяти разных участках оцениваются следующим образом (в миллиардах в год).

Осадочные породы на уровне моря: Гранитная скала на уровне моря: Гранитная скала на высоте 3000 м: Поверхность моря: Море на глубине 100 м:

35+17+23= 75

35 + 17+90=142

100+17+90 = 207

35 + 28+  1= 64

1+28+ 1= 30

Возможно, что для радиационных эффектов нет никакого порога. Генетики пришли к выводу, что для мутагенного действия излучения1 пороговой дозы не существует. В настоящее время мы прибегаем к вре­менным мерам, устанавливая «минимальные допустимые уровни» для дозы облучения и для количества разных радиоактивных изотопов в среде. Это неплохая практика, если при этом помнить, что такие допу­стимые уровни фактически не соответствуют никаким известным поро­гам. На самом деле в течение последних десяти лет «допустимые уров­ни» для человека дважды пересматривались в сторону снижения. В об­щем все понимают, что, поскольку человек, по-видимому, обладает самой высокой из всех живых существ чувствительностью к [излучению, все мы должны постоянно контролировать уровень радиации и сохра­нять ее на низком уровне в той микросреде, где человек фактически живет. Лаутит (1956) резюмирует эту точку зрения следующим образом: «Мы убеждены, что если человек обеспечит радиобиологическую защиту самому себе, то в остальном природа, за немногими исключе­ниями, также позаботится о себе сама». Это очень опасное переупроще­ние. Радиоактивное загрязнение почвы, океанов и других сред, в кото­рых человек фактически не живет, будет тем не менее влиять на необ­ходимую человеку систему жизнеобеспечения. Больше того, в разд. 4 и 5 этой главы приводятся данные, которые показывают, что любое радио­активное вещество с большим периодом полураспада, попавшее в среду в любом месте биосферы, рано или поздно попадет в организм чело­века. Чтобы оградить человека от радиобиологической опасности, мы должны достаточно заботливо относиться и к экосистеме.

Дифференциальная чувствительность к излучению в пределах одно­го вида используется для борьбы с насекомыми. Как отмечалось в гл. 16, разд. 7, радиационная стерилизация является одним из видов оружия в арсенале «интегральной» борьбы с вредителями. Самцов Ludliamacillaria, например, стерилизовали острой дозой около 5000 Р, что мало влияло на жизнеспособность и поведение этих мух. Стерилизо­ванные самцы, выпущенные в дикую шпуляцию, нормально спари­вались, но никакого потомства, конечно, от этого не получалось. Навод­нив природную популяцию большим количеством стерильных самцов, удалось подавить численность этого основного врага животноводства на юге Украины.
РАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ НА ЭКОСИСТЕМНОМ УРОВНЕ

Сейчас во многих местах изучают влияние гамма-излучения на целые сообщества и экосистемы. В качестве источников гамма-излучения используют кобальт-60 или цезий-137 с активностью 10000 Ки или боль­ше, которые помещались на полях и в лесу—, в Брукхейвенекой нацио­нальной лаборатории на Лонг-Айленде (Вудвелл, 1962 и 1965), в тропи­ческом дождевом лесу в Пуэрто-Рико (Г. Одум и Пиджин, 1970 и в пу­стыне в Неваде (Френч, 1965). Влияние реакторов без защиты (которые испускают нейтроны и гамма-лучи) на поля и леса изучали в Джорджии и в Окриджской национальной лаборатории в Теннесси. В экологической лаборатории Саванна Ривер (Южная Каролина) использовали переносный источник гамма-излучения для изучения кратковременных влияний на самые разные со­общества. В Окриджской лаборатории много лет изучали сообщества озера, под­вергавшегося слабому хроническому облучению от радиоактивных от­ходов.

На фиг. 225 показано влияние источнинка гамма-излучения, поме­щенного в дубово-сосновом лесу в Брукхейвене (это тот же самый лес, продуктивность и биомасса которого отражены на фиг. 16). Каждые сутки источник излучения «работал» по 20 ч, а в течение остальных 4 ч производились наблюдения и брались пробы (на это время источник опускали в заэкранированый шурф). Градиент хронического облучения изменялся от 1000 рад в 10 м от источника до неулавливаемого прибора­ми превышения над фоном — в 140 м (кривая на фиг. 225, А). Самыми устойчивыми оказались осоки, несколько менее устойчивыми — некото­рые верески и злаки. Сосны значительно более чувствительны, чем дубы (у клеток сосен ядра более крупные, и они не дают новых побегов, если погибли терминальные почки). Замедление роста растений и уменьше­ние видового разнообразия животных отмечались даже при таких низ­ких уровнях, как 2—5 рад в сутки. Хотя дубовый лес и продолжал су­ществовать при достаточно высоком уровне облучения (10—40 рад в сутки), деревья были угнетены, а на некоторых участках стали вос­приимчивы к насекомым. Так, например, на второй год эксперимента на участке, получавшем ежесуточно около 10 рад, произошла вспышка чис­ленности дубовой тли; в этом участке тлей было более чем в 200 раз больше, чем в обычном (необлучавшемся) дубовом лесу.

В общем вдоль градиента облучения можно выделить 5 зон: 1) центральная зона, в ко­торой ни одно, из высших растений не выживает; 2) зона осоки; 3} зона черники и паслена; 4) угнетенный дубовый лес и 5) интактный дубово-сосновый лес, в котором заметно некоторое угнетение роста, но нет погибших растений.

<img width=«512» height=«432» src=«ref-1_638842200-46258.coolpic» v:shapes="_x0000_i1037">    продолжение
--PAGE_BREAK--