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.