Владислав Кузнецов – Сокровищница XXI века (страница 14)

Многие тысячи жизней спасены излучением радиоактивного кобальта. Но ядерные излучения служат основой и для более тонких медицинских приборов. За последние годы созданы стимуляторы сердечной деятельности, рассчитанные на непрерывную работу в течение многих лет. Главный элемент стимулятора — миниатюрный источник ядерной энергии, заряженный легким изотопом плутоний-238. Легкий плутоний испускает интенсивные потоки альфа-частиц. Энергия альфа-частиц рассеивается в веществе и переходит в тепло.

При распаде одного атомного ядра плутония выделяется громадная энергия. Столько же тепла освобождается при окислении нескольких миллионов атомов углерода. В ампуле с пятьюдесятью граммами плутония-238 развивается тепловая мощность 28 ватт. Заметим для сравнения, что максимальная мощность свинцового аккумулятора такого же веса — всего четверть ватта. Велик запас энергии в плутониевом аккумуляторе. Он уменьшается наполовину лишь за 90 лет. Поэтому вживленный в организм больного стимулятор не требует перезарядки — его энергии хватает на всю жизнь.

Существует немало ядерных излучателей с подобными энергетическими характеристиками, но одна особенность делает легкий изотоп плутония незаменимым. Обычно альфа-распад сопровождается сильным гамма-излучением, проникающим через большие толщи вещества. Плутоний-238 — одно из немногих исключений. Энергия гамма-квантов, излучаемая после его альфа-распада дочерними ядрами, сравнительно невелика, и защититься от плутониевых гамма-лучей несложно — их поглощает тонкая металлическая стенка контейнера малого веса.

За последние годы был создан проект искусственного сердца, питаемого энергией альфа-частиц плутония-238.

В некоторые приборы иногда помещают небольшие количества америция-241. Вылет альфа-частицы из ядра америция сопровождается гамма-излучением с энергией 60 тысяч электрон-вольт. Крошечный препарат америция и детектор гамма-лучей, расположенные должным образом, позволяют определить по поглощению гамма-квантов толщину металлической пластины и уровень жидкости. Если из ближайших к атомному ядру электронных орбит каким-то образом удален электрон, то за очень короткое время его место займут периферийные электроны. Перемещение электронов не проходит бесследно, атом испускает квант рентгеновского излучения, энергия которого пропорциональна квадрату атомного номера элемента. Поток таких квантов называют рентгеновским характеристическим излучением.

Америциевым препаратом можно надежно определять концентрацию того или иного элемента. Его мощность излучения не зависит ни от каких внешних факторов. Поток гамма-квантов медленно изменяется во времени— период полураспада америция 475 лет, и можно пренебречь уменьшением активности препарата благодаря распаду.

Если кусочек америция поднести к щитовидной железе человека, то гамма-лучи америция начнут вырывать электроны из атомов щитовидной железы. Химические элементы каждого ее участка будут испускать свои характеристические рентгеновские лучи. По числу иодных характеристических квантов, отобранных и сосчитанных полупроводниковым детектором, можно определить концентрацию иода в тканях того или иного участка. В руках врача окажется картина распределения иода по железе. По ней и определяют состояние больного. Внешнее облучение с успехом заменяет процедуру, когда в организм больного вводят радиоактивный изотоп иода и после его усвоения изучают распределение введенного иода по щитовидной железе. Теперь, с разработкой нового метода детектирования иода, в организме не задерживается остаточная радиоактивность, и доза облучения пациента значительно уменьшается по сравнению со старым способом диагностики.

В будущем предполагается по характеристическому излучению определять атомные номера короткоживущих далеких элементов. Ныне разработана методика измерения атомного номера по распаду одиночного атома. Известно, что все далекие элементы, такие, как, например, элемент 110, должны испускать альфа-частицы. При этом электронные оболочки атомов дочернего ядра — 108-го элемента — будут разрушены альфа-частицей, вылетевшей из ядра. При восстановлении внутренней оболочки атом испустит характеристические лучи элемента 108, заряд ядра после альфа-распада уменьшится на две единицы. Следовательно, характеристические кванты элемента 108 будут сигнализировать о рождении атома 110-го. Такой элементный анализ отличается невероятной быстротой, если его сравнивать с обычными методами, в принципе можно регистрировать атомы со временем жизни, меньшим миллионной доли секунды.

Ученые полагают, что некоторые опухоли можно успешно разрушать нейтронным излучением. Для этой цели были изготовлены специальные иглы, в остриях которых содержится несколько микрограммов калифорния. Крошечный нейтронный источник вводится вместе с иглой непосредственно в опухоль и разрушает ее, оказывая сравнительно слабое влияние на другие части организма.

Нейтронный микроисточник открывает новые пути и для изучения внутреннего строения мягких тканей. Рентгеновские лучи хорошо выявляют структуру скелета и чужеродные тела в организме. Но собственные изменения в глубине мягких тканей, например мышц, на экране рентгеновского аппарата не проявляются. Нейтронный «рентген» дополняет диагностику: в отличие от рентгеновских квантов нейтроны сильно рассеиваются ядрами легких элементов, особенно водородом, входящим в молекулы органических тканей. По характеру рассеяния несложно выяснить тканевую структуру.

Обширна область применения ядерных излучений и их индикаторов. Здесь и разведка полезных ископаемых, и лечение заболеваний человека, и исследование процессов фотосинтеза, и испытание на прочность поршневых колец двигателей, и изучение процессов доменной плавки, и взвешивание железнодорожных вагонов. И многое, многое другое. Причем область применения ядерных излучений и ядерных приборов непрерывно расширяется.

ИЗЛУЧЕНИЯ

До изучения физиками тонких процессов взаимодействия ядерных излучений с клетками живых организмов никто и не подозревал о громадном влиянии мощных гамма-квантов, быстрых альфа- и бета-частиц на развитие земной жизни.

Еще в первых опытах с радиоактивными веществами было установлено, что большие дозы облучения опасны для организма человека. Анри Беккерель, открывший естественную радиоактивность, погиб, облученный урановым препаратом, который он носил в кармане сюртука. Продолжительное облучение жесткой радиацией вызывает возникновение раковых опухолей, приводит к тяжелому заболеванию крови. И наоборот, слабая доза гамма-лучей может остановить рост злокачественных образований. Из этого видно, как не прост механизм воздействия ядерных излучений на организм. Тем не менее общие изменения, происходящие с клеткой в потоке гамма-лучей, хорошо известны: это разбухание ядра и всей клетки, разрушение клетки, увеличение вязкости протоплазмы и проницаемости клеточной оболочки.

Но это одна сторона проблемы. Есть и другая — влияние радиации на наследственный аппарат.

Наследственные признаки у человека, животных и высших форм растений передаются хромосомами, входящими в зародышевые (половые) клетки. В хромосомах находится множество невидимых даже сквозь самую сильную оптику частиц — генов, материальных носителей конкретных наследственных признаков. Гены сцеплены в определенные группы, число которых соответствует числу хромосом. Все клетки всех организмов данного вида содержат строго одинаковый набор хромосом. В клетках человеческого тела, например, их 46. Одна половина хромосом наследуется от матери, другая — от отца. И происходит это во время слияния половых клеток (которые в отличие от обычных имеют не полный, а половинный набор хромосом) и образования зиготы — оплодотворенного яйца, из которого развивается зародыш, несущий в себе все признаки будущего организма. Таким образом, все признаки потомства комбинируются из признаков, «записанных» в родительских генах. Это всеобщий закон, открытый знаменитым чешским ученым Менделем, уточненный и развитый последующими поколениями генетиков, биологов и биохимиков.

Одно из самых существенных достижений генетики после Менделя — это разгадка механизма мутаций, изменений наследственных признаков, которые в значительной мере обусловливают эволюцию живого. Мутации — основной фактор, вызывающий появление совершенно новых признаков у потомства.

В чем же причина мутаций? Чтобы изменить строение гена, надо перестроить его структуру — переставить, скажем, в его молекулах несколько групп атомов местами. Такая операция возможна с помощью некоторых химических веществ, Например, иприт, сильное отравляющее вещество, действует на структуру гена. Той же цели можно достичь и с помощью проникающей радиации. Ведь энергия, необходимая для разрыва молекулярных связей, в миллион раз меньше энергии ядерного кванта или частицы ядерного излучения.

Гамма-кванты и нейтроны легко проникают в клетки живого организма и вносят в структуру белковых молекул необратимые изменения. В наследственной программе, «записанной» в генах, появляются как бы «опечатки», меняющие смысл, порой — значительно, отдельных «фраз» — от роду заданного признака. Если такие «опечатки» появляются в соматических клетках (сома— тело, то есть составляющих структуру самого организма), то они потомству данного организма не передаются. Иное дело — половые клетки: здесь изменение наследственной программы влечет за собой передачу нового признака потомству. Но когда этот признак даст о себе знать, зависит от того, в каком гене появилась «опечатка» — в доминирующем или рецессивном (скрытом, отступающем). У доминирующего гена связанный с ним признак сказывается на потомстве, даже если такой ген содержится в зародышевой клетке только одного из родителей. Действие рецессивного гена проявляется в новом поколении лишь при условии его присутствия в клетках обоих родителей. Выходит, что признак, связанный с рецессивным геном, может ждать своего часа на протяжении нескольких поколений, пока не произойдет слияние половых клеток, содержащих одинаковые гены.