Некоторые другие абиотические факторы
Некоторые другие абиотические факторы
Немного остановимся еще на некоторых абиотических экологических факторах. Из того, что мы будем говорить о них сравнительно немного, следует, главным образом, лишь то, что их значение для живых организмов изучено хуже, чем для тех факторов, которые мы обсуждали на предыдущих лекциях. Но «хуже» не означает, что и говорить об этих факторах придется меньше. Наоборот, как мы сейчас увидим, иногда вокруг этих факторов разворачиваются многолетние ожесточенные споры, если не сказать баталии. После обсуждения ионизирующих излучений (радиации), проиллюстрируем это на двух совсем различных, казалось бы, группах факторах – коротковолновом электромагнитном излучении и газовом составе земной атмосферы.
Коротковолновое электромагнитное излучение и корпускулярные ионизирующие излучения. Под общем названием «коротковолновое электромагнитное излучение» я объединю ультрафиолетовую, рентгеновскую и гамма-части спектра электромагнитных волн. О рентгеновском и гамма-излучении обычно говорят вместе с корпускулярными альфа- и бета- излучениями как об ионизирующих излучениях. В естественных условиях с ионизирующими излучениями живым организмам приходится иметь дело постоянно, но высоких уровней достигают редко. К сожалению, благодаря таким «достижениям» нашей цивилизации, как Хиросима и Чернобыль, а также более мелкие выбросы радиоактивных веществ, актуальность этих факторов для биосферы существенно возросла за последние несколько десятков лет. Общими свойствами ионизирующих излучений является способность выбивать электроны из одних атомов и присоединять их к другим, вызывая ионизацию облучаемых веществ. Считается, что именно ионизирующий эффект вызывает основные повреждения цитоплазмы живых клеток, а также нуклеиновых кислот, находящихся в их ядрах. С последним эффектом связывают мутагенные и канцерогенные свойства ионизирующих излучений.
Повреждение клеток организма ионизирующими излучениями может приводить к т. н. лучевой болезни. Медики применительно к человеку различают острую и хроническую лучевую болезнь. Острая лучевая болезнь развивается в результате гибели преимущественно делящихся клеток организма под влиянием кратковременного (до нескольких суток) воздействия на значительные области тела ионизирующей радиации. Лучевая болезнь – это завершающий этап в цепи процессов, развивающихся в результате воздействия больших доз ионизирующего излучения на ткани, клетки и жидкие среды организма. Изменения на молекулярном уровне и образование химически активных соединений в тканях и жидких средах организма ведут к появлению в крови продуктов патологического обмена – токсинов, но главное – это гибель клеток.
Симптомы и течение весьма разнообразны, зависят от дозы облучения и сроков, прошедших после облучения. Лучевая болезнь проявляется в изменении функций нервной, эндокринной систем, нарушении регуляции деятельности других систем организма. И все это в сочетании с клеточно-тканевыми поражениями. Повреждающее действие ионизирующих излучений особенно сказывается на клетках кроветворной ткани костного мозга, на тканях кишечника. Угнетается иммунитет, это приводит к развитию инфекционных осложнений, интоксикации, кровоизлияниям в различные органы и ткани. Хроническая лучевая болезнь вызывается повторными облучениями организма в малых дозах. При хронической лучевой болезни преобладает астенический синдром (слабость, утомляемость, снижение работоспособности, повышенная раздражительность) и угнетение кроветворения (снижение в крови числа лейкоцитов, тромбоцитов, анемия). Часто на этом фоне возникают разнообразные опухоли (рак, лейкозы и др.).
Проникающая способность ионизирующих излучений зависит от их вида. Так, альфа-излучение, представляющее собой потоки относительно тяжелых ядер гелия, обладает относительно слабой проникающей способностью, его может остановить тонкий лист бумаги или верхний ороговевший слой кожи человека. Однако оно способно вызвать локальную сильную ионизацию.
Бета-излучение – потоки быстрых электронов или позитронов – может проникать в ткани на глубину нескольких сантиметров.
Коротковолновые электромагнитные ионизирующие излучения – гамма- (длина волны менее 0,1 нм) и рентгеновское (от 1 нм до 0,01 нм) – обладают значительно большей проникающей способностью. Область рентгеновских и гамма-лучей частично перекрывается, и различать эти волны можно не по свойствам, а по происхождению.
Кроме собственно ионизирующих излучений, следует упомянуть нейтроны, не вызывающие ионизации непосредственно, однако способные взаимодействовать с ядрами различных атомов, превращая их в радиоактивные изотопы.
Рекомендуемые материалы
Частично ионизирующие излучения приходят к нам из космоса, однако бóльшая их часть поглощается внешними слоями атмосферы, и гораздо большую актуальность для живых организмов имеет излучение радиоактивных компонентов горных пород. Вместе, эти две группы излучений создают естественный радиоактивный фон, к которому и приспособлены живые организмы. Величина фонового излучения в различных местностях, главным образом в зависимости от состава горных пород, может различаться в несколько раз. Чем выше высота над уровнем моря, тем больше вклад в фон космического излучения. Если говорить о содержании радионуклидов в горных породах, то обычно в осадочных породах оно меньше чем в гранитах.
Для оценки радиоактивного излучения используется несколько показателей.
Мерой радиоактивности радионуклида в соответствии с системой измерений СИ, является его активность, которая измеряется в Беккерелях (Бк). Один Бк равен 1 ядерному превращению в секунду. Кроме того, в качестве меры радиоактивности широко используется несистемная величина Кюри (Ки) и ее производные (милликюри, микрокюри и т.д.). Численно 1 Кюри = 3.7*1010 Бк, а 1 Бк = 0.027нКи (наноКюри). Содержание активности в единице массы вещества характеризуется удельной активностью, которая измеряется в Бк/кг (л).
Мерой воздействия рентгеновского и гамма-излучения является экспозиционная доза и измеряется она в Рентгенах (Р) и его производных (млР, мкР), а количественную сторону его характеризует мощность экспозиционной дозы, которая измеряется в Рентгенах/сек (Р/сек.) и его производных (млР/час, мкР/час, мкР/сек).
Рентген – это доза рентгеновского или гамма-излучения в воздухе, при которой на 0.001293 г воздуха образуются ионы с суммарным зарядом в одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака.
Количество альфа- и бета-излучения определяется как величина плотности потока частиц с единицы площади, в единицу времени a-частиц*мин/см2, b-частиц*мин/см2.
Поглощенная доза - количество энергии ионизирующего излучения которое поглощено в элементарном объеме, отнесенной к массе вещества в этом объеме.
Единица поглощенной дозы – рад и его дольные значения, 1 рад = 0,01 Дж/кг.
Единица поглощенной дозы в системе СИ – грей, Гр, 1Гр=100рад=1Дж/кг-1
Эквивалентная доза – она равна произведению поглощенной дозы на средний коэффициент качества ионизирующего излучения (Например: коэффициент качества гамма-излучения составляет 1, а альфа-излучения – 20).
Единица измерения эквивалентной дозы – бэр (биологический эквивалент рентгена) и его дольные единицы: миллибэр (мбэр) микробэр ( мкбэр) и т.д., 1 бэр = 0,01 Дж/кг-1. Единица измерения эквивалентной дозы в системе СИ – зиверт, Зв,
1Зв=1Дж/кг-1= 100 бэр.
1 мбэр = 1*10-3 бэр; 1 мкбэр = 1*10-6 бэр;
Из всех природных радионуклидов наибольшую опасность для здоровья человека представляют продукты распада природного урана (U-238) - радий (Ra-226) и радиоактивный газ радон (Ra-222). Основными поставщиками радия-226 в окружающую природную среду являются предприятия занимающиеся добычей и переработкой различных ископаемых материалов: добыча и переработка урановых руд; добыча нефти и газа; угольная промышленность; промышленность строительных материалов; предприятия энергетической промышленности и др.
Радий-226 хорошо поддается выщелачиванию из минералов содержащих уран, этим его свойством объясняется наличие значительных количеств радия в некоторых видах подземных вод (радоновых, применяемых в медицинской практике), в шахтных водах. Диапазон содержания радия в подземных водах колеблется от единиц до десятков тысяч Бк/л. Содержание радия в поверхностных природных водах значительно ниже и может составлять от 0.001 до 1-2 Бк/л.
Существенной составляющей природной радиоактивности является продукт распада радия-226 – радон, представляющий собой инертный газ, излучающий альфа-частицы. Он в 7.5 раза тяжелее воздуха, поэтому преимущественно накапливается погребах, подвалах, цокольных этажах зданий, в шахтных горных выработках, и т.д. Распространяется радон в недрах Земли крайне не равномерно. Характерно его накопление в тектонических нарушениях, куда он поступает по системам трещин из пор и микротрещин пород. В поры и трещины он поступает за счет процесса эманирования, образуясь в веществе горных пород при распаде радия-226. Радоновыделение почвы определяется радиоактивностью горных пород, их эманированием и коллекторными свойствами. Так, сравнительно слаборадиоактивные породы, оснований зданий и сооружений могут, представлять большую опасность, чем более радиоактивные, если они характеризуются высоким эманированием, или рассечены тектоническими нарушениями, накапливающими радон.
При своеобразном «дыхании» Земли, радон поступает из горных пород в атмосферу, Причем в наибольших количествах – из участков на которых имеются коллекторы радона (сдвиги, трещины, разломы и др.), т.е. геологические нарушения.
Высоким естественным фоном радиации обладает минерал монацит - безводный фосфат элементов ториевой группы, главным образом церия и лантана (Ce, La)PO4, которые замещаются торием. При разрушении горных пород включающих монацит, он накапливается в россыпях, которые представляют собой крупные месторождения. Россыпи монацитовых песков находящиеся на суше, как правило не вносят существенного изменения в сложившуюся радиационную обстановку. А вот месторождения монацита находящиеся у прибрежной полосы Азовского моря создают ряд проблем, особенно с наступлением купального сезона. Дело в том, что в результате морского прибоя за осенне-весенний период на побережье, в результате естественной флотации, скапливается значительное количество "черного песка", характеризующегося высоким содержанием тория-232 (до 15-20 тыс. Бк/кг и более), который создает на локальных участках уровни гамма-излучения порядка 300 и более мкР/час.
Для измерения уровней радиации и содержания радионуклидов в различных объектах используются специальные средства измерения:
Для измерения мощности экспозиционной дозы гамма излучения, рентгеновского излучения, плотности потока альфа- и бета-излучения, нейтронов используются дозиметры различного назначения;
10.1. Основные понятия, используемые при проведении выборочных исследований - лекция, которая пользуется популярностью у тех, кто читал эту лекцию.
для определения вида радионуклида и его содержания в объектах окружающей среды используются спектрометрические тракты, состоящие из детектора излучения, анализатора и персонального компьютера с соответствующей программой для обработки спектра излучения.
В целом, ионизирующее излучение оказывает разные систематические группы живых организмов разной силы повреждающее действие. Так, млекопитающие более чувствительны к острым дозам радиации, чем насекомые, а насекомые – чем бактерии. Исследовать хроническое воздействие радиации сложнее, так как трудно учесть отдаленные его последствия. Особо следует подчеркнуть способность некоторых относительно долгоживущих изотопов накапливаться в тканях. Отношение содержания радионуклида в организме к его содержанию в окружающей среде называют его коэффициентом накопления. Он зависит прежде всего от интенсивности обменных процессов, связанных с данным химическим элементом в организме, а не от радиоактивности как таковой.
В природных условиях живые организмы сталкиваются, прежде всего, с ультрафиолетовыми лучами. Основной, если не сказать единственный, их источник – солнечное излучение.
Принято подразделять ультрафиолетовое излучение на два диапазона – ближний ультрафиолет (длина волны 200-400 нм) и дальний, или вакуумный (10-200 нм). Дальний ультрафиолет поглощается самыми верхними слоями атмосферы – ионосферой (именно он и ионизирует ее). Значительная часть ближнего ультрафиолета поглощается в стратосфере озоновым слоем.
Кроме того, в медицине по практическим соображения УФ-излучение подразделяют на три области: длинноволновые УФ-лучи (400-315 нм) - УФ-А, средневолновые (315-280 нм) - УФ-Б и коротковолновые (менее 280 нм) - УФ-Ц
По своему воздействию на живые организмы жесткий ультрафиолет близок к ионизирующим излучениям, однако, из-за большей, чем у гамма-излучения длины волны он не способен проникать глубоко в ткани, и поэтому поражает только поверхностные органы. Жесткий ультрафиолет обладает достаточной энергией для разрушения ДНК и других органических молекул, что может вызвать рак кожи, в особенности быстротекущую злокачественную меланому, катаракту и иммунную недостаточность. Естественно, жесткий ультрафиолет способен вызывать и обычные ожоги кожи и роговицы. Уже сейчас во всем мире заметно увеличение числа заболевания раком кожи, однако значительно количество других факторов (например, возросшая популярность загара, приводящая к тому, что люди больше времени проводят на солнце, таким образом получая большую дозу УФ облучения) не позволяет однозначно утверждать, что в этом повинно уменьшение содержания озона.
