Биологическое воздействие вторичных нейтронов

В последнее время появились публикации [116] о биологическом воздействии нейтронов малой энергии. Ранее считалось, что подобное воздействие не должно иметь места. Правда, еще А. Л. Чижевский в 1920-х гг.

предложил модель влияния космического излучения на эритроциты крови [117]. В работе [117] он показал, что космические лучи существенно влияют на электрические, гидродинамические и магнитные свойства движущихся эритроцитов. При этом основную роль он отводил частицам с отрицательным зарядом и отрицательным ионам (аэроионы Чижевского). Наличие отрицательных ионов необходимо для нормального функционирования кровеносной системы.

В работе [118] было продолжено изучение воздействия космических лучей на свойства эритроцитов. Вводится понятие макроскопического объемного диффузного заряда, который обусловлен скоплением ионов противоположного знака вблизи заряженного электрода. Подобный заряд выполняет роль дополнительного барьера для ионов того же знака. В этой работе основное внимание было отведено изучению влияния вторичных нейтронов на свойства эритроцитов, что существенно дополняет исследования А. Л. Чижевского. Физико-химический механизм воздействия космического излучения на клетку, в том числе и нейтронов, аналогичен действию ионизирующей радиации. В первую очередь нарушаются первичные электрические барьеры, в результате чего падает проницаемость мембран. За время одной солнечной вспышки (4-10 ч) подобные точечные пробои мембраны могут происходить десятки раз. Воздействие вторичных нейтронов проявляется в слиянии мембран клеток при сохранении ядерного материала. Так, сравнительный анализ экспериментальных данных по облучению крыс нейтронами, рентгеновским излучением и гамма-квантами показал, что при одинаковых дозах облучения нейтронами гепатоциты крыс удваивают свою плоидность (клетки сливаются) уже при малых дозах. Слияние клеток при других видах облучения происходит при дозах, близких к летальным. Подобный эффект воздействия нейтронов характерен как для безъядерных клеток (эритроцитов), так и для ядерных (клетки культур различной этиологии). Аналогом физической модели слияния клеток может служить эффект слияния мелких капель струй воды при их разбрызгивании на единую крупную каплю в вершине струи с диаметром, на порядки превышающем диаметр отдельных капель. Капли резко увеличиваются в размерах вследствие их электризации.

В 2005 г. группа российских биофизиков экспериментально подтвердила, что нейтроны вторичных космических лучей активно воздействуют на биологические объекты, запуская механизм слияния клеток [119].

Эксперименты проводились на культурах клеток (половые железы форели, хвостовые мышцы рыбы гольян, Pymephales promelas, яичники хомяка), полученных от разных животных. Исследования проводились в северных широтах, где поток атмосферных нейтронов имеет максимальную интенсивность.

По мере деления клеток иногда появляются многоядерные клетки, которые образуются при слиянии обычных в результате нарушения процессов клеточного деления. Сопоставив частоту появления многоядерных клеток с данными спутников GOES-6 и GOES-7 о потоках ядерно- активных частиц, а также наблюдениями Полярного геофизического института на Кольском полуострове за нейтронными потоками, ученые пришли к выводу, что многоядерные клетки чаще всего образуются в период максимальной фазы магнитных бурь, когда поток атмосферных нейтронов максимален. Следовательно, в данном случае явно прослеживается специфическое воздействие вторичных нейтронов. Так что, по крайней мере в культуре, клетки отвечают на нейтронную бомбардировку увеличением частоты нарушений клеточного деления (рис. 48).

Рис. 48. Количество многоядерных клеток хвостовых мышц рыбы гольян: а - при фоновых значениях космического излучения; б - во время подъема уровня нейтронного потока у поверхности земли; в - во время геомагнитной бури [120]

В свете приведенных новых данных можно сделать предположение о решающем влиянии атмосферных нейтронов на процессы эволюции. Согласно Паркинсону [121] жизнь на Земле могла зародиться только при наличии геомагнитного поля.

Известно, в определенные геологические периоды магнитное поле изменяет свою полярность - Северные и Южные магнитные полюсы меняются местами. Это явление называется инверсией магнитного поля Земли. Инверсия была впервые обнаружена в 1906 г. Брюнесом при палеомаг- нитных исследованиях лавы из Центрального массива во Франции. Инверсия магнитного поля Земли явление относительно редкое - последний раз оно произошло около 780 тысяч лет назад [122]. Установлено, что за последние 76 млн лет произошла 171 инверсия. Смена полярности магнитного поля - процесс стохастический. За длительными периодами спокойного магнитного поля могут следовать многократные инверсии и наоборот. Периоды инверсии магнитного поля Земли приведены в табл. 6. В работе [123] было показано, что магнитные полюсы в период инверсии дрейфуют по строго определенным траекториям (рис. 46), проходящим вдоль магнитных аномалий. В. И. Вадковский и др. [124] обнаружили, что в некоторых случаях в течение инверсии магнитное поле меняло свою полярность неоднократно за небольшое время (не более 100 лет) при общей длительности инверсии порядка 1-10 тыс. лет. В [125] показано, что при самом последнем экскурсе (2 800 лет назад) время смены полярности не превышало 100 лет. Отсюда следует, что скорость дрейфа магнитного полюса в момент инверсии может достигать (20 000 км/100 лет) 200 и более км/год. Как показывают палеомагнитные данные, средняя скорость дрейфа составляет несколько см/год, а траектории дрейфа имеют явно случайный характер. В момент инверсии магнитные полюса дрейфуют совсем по-другому. В этом случае они движутся по строго определенным траекториям с севера на юг или наоборот.

Сравнение палеонтологической шкалы со шкалой геомагнитных инверсий (табл. 6) показывает совпадение ряда временных границ. Например, начало четвертичного периода (2,6 млн лет) совпадает со сменой полярности Гаусс-Матуямы. В период хрона Олдувай происходит смена плиоцена на плейстоцен (2,8 млн лет назад). Начало периода Гильберта совпадает со сменой миоцена плейстоценом (5,3 млн лет назад). Эти совпадения означают, что смена режимов геомагнитного поля имеет решающее значение для биологической эволюции. Н. А. Мернер [126] исследовал несколько подобных катастрофических событий, произошедших на Земле на рубеже эоцена и олигоцена, миоцена и плистоцена, а также сравнительно недавних событий, произошедших в течение последних 350 тыс. лет. Последнее катастрофическое событие - Gothenburg, которое нашло свое отражение в палеомагнитологии, произошло приблизительно 20-12 тыс. лет назад. Это событие осталось в памяти человечества как Всемирный потоп [127]. Наиболее полно исследовано событие, которое произошло при смене эпохи 5 на эпоху Гильберта. При этом полярность магнитного поля менялась от современной полярности на противоположную (рис. 50).

Так как в период инверсии величина магнитного поля значительно понижается (хотя и не достигает нулевого значения) и оно перестает выподнять защитные функции, то поток вторичного космического излучения, особенно нуклонная составляющая (нейтроны), будет иметь максимальное значение на всех широтах.

Таблица 6

Инверсии и экскурсы магнитного поля Земли [129]

Поэтому именно в этот промежуток времени должен наблюдаться процесс наиболее интенсивного видообразования. Данный процесс обусловлен импульсными радиационными воздействиями, в которых основная роль принадлежит именно вторичным атмосферным нейтронам. Этот эффект должен проявляться в аномально высокой скорости вымирания видов [130], которую можно оценить по смене видов ископаемых останков.

5. Влияние вторичных нейтронов на физические и биологические процессы в верхней и нижней тропосфере

б

Рис. 49. Смена полярности магнитных полюсов: а - трассы дрейфа магнитных полюсов в период инверсии; б - дрейф Южного полюса по палеомагнитным данным [128]

Рис. 50. События на границе миоцена и плиоцена

Современной науке известно множество схем эволюции человека. Каждая из этих схем строится по общему принципу эволюционного древа. Подобный подход к проблеме эволюции берет начало в работах Ч. Дарвина. Согласно общепринятым представлениям один вид, эволюционируя, замещает собой другой. В настоящий момент не существует единого мнения по поводу временной схемы развития человека и гоминид [131]. Согласно данным антропологии и генетики те и другие произошли на Африканском континенте. Возраст неафриканских находок останков гоминид не превышает 2 млн лет, тогда как в Африке найдены останки в возрасте 6-7 млн лет [132]. Генетические исследования истории человечества также указывают на Африку [133].

Благодаря генетическим исследованиям были выявлены следующие точки на временной шкале истории человечества. Известно, что люди и человекообразные обезьяны имели общих предков. Расхождение филогенетических ветвей человека и шимпанзе произошло около 5 млн. лет назад (табл. 7). Дата 5 млн лет назад соответствует инверсии магнитного поля и является пограничной точкой эпох миоцена и плиоцена. Для реконструкции истории человечества был использован метод молекулярных часов. В настоящее время наиболее информативными объектами считаются митохондриальная ДНК (мтДНК) и Y хромосома. Первая передается только по женской линии, а вторая - только по мужской. Исходя из того, что скорость накопления мутаций величина постоянная, можно определить, когда жил последний общий предок данных видов.

Таблица 7

Этапы эволюции человека. Палеонтологическая и палеомагнитная шкалы

Методом молекулярных часов было получено расхождение линии гориллы - около 7 млн лет назад. Это совпадает с нижней границей Мес- синианского этапа миоценового периода (рис. 50) и временем инверсии на палеомагнитной шкале (табл. 6).

Граница этапов эпохи Плиоцена (2,6 млн лет назад) является датой мутации, которая выявлена у всех современных людей. Эта мутация предшествует времени возникновения совершенно нового вида Homo erectus (Wood, 2002), отличающегося от других видов возрастанием объема головного мозга. Мутация, в результате которой был инактивирован ген, кодирующий наработку сахарозы на поверхности клетки, произошла приблизительно 2,8 млн лет назад (Chou et. al., 2002). Это примерно совпадает с возрастом мутации гена миозина (2,4 млн лет), которая привела к значительному сокращению размеров и силы жевательных мускулов, характерных для человекообразных обезьян, что ликвидировало [Stedman, et. al., 2004] анатомические ограничения роста объема черепной коробки и, как следствие, роста объема головного мозга. Разделение африканских слонов на два вида произошло примерно 2,6 +/- 0,94 млн лет назад [Roca, et. al., 2001], что хорошо совпадает с расхождением линий человека и шимпанзе. Разделение линий человека и неандертальца произошло около 500 тыс. лет назад, что находит свое отражение на палеомагнитной шкале [Takahata N, Lee S. and Satta Y., 2001]. Таким образом, увеличение объема головного мозга произошло в Плейстоцене.

Так, возникновение новых видов приходится на период инверсии магнитного поля, когда естественный радиационный фон распределен равномерно по географическим координатам и имеет максимальное значение. В работе [65] было показано, что основной вклад в естественный радиационный фон нашей планеты вносят вторичные нейтроны. Следовательно, можно предположить, что атмосферные нейтроны ответственны за все основные вышеупомянутые мутации. Конкретный физический механизм данных мутаций предстоит исследовать.