![]() |
|||||||||
|
|
Радиоуглерод и естественная смертность
Введение В естественных условиях радиоуглерод образуется в основном при взаимодействии вторичных нейтронов космического излучения с ядрами азота в верхних слоях атмосферы по реакции 14N→(n,p)→14C. Участвуя в обменных процессах вместе со стабильным углеродом, 14С проникает во все органы, ткани и молекулярные структуры живых организмов. Воздействие радиоуглерода на ДНК и РНК биологических объектов связано с действием бета-частиц и ядер отдачи азота, возникающих в результате распада по схеме 14С→14N. Явление радиоактивной отдачи связано с тем, что, выбрасывая альфа-частицу, сам атом отскакивает в обратном направлении, сталкиваясь с встречающимися на пути молекулами и выбивая из них электроны. Подобное имеет место (хотя и в несравненно в более слабой степени) также при выбросе бета-частиц при распаде 14С. Кроме того, повреждающее действие связано с изменением химического состава молекул за счет превращения атома углерода в атом азота. Подобные превращения в генетических структурах клетки принято называть трансмутациями, а вызванные ими генетические эффекты - трансмутационными. О потенциальной опасности повышения концентрации радиоуглерода в биосфере предупреждал А.Д.Сахаров [1]. Огромный вклад в экспериментальную оценку значимости присутствия радиоуглерода в живых организмах внес А.М.Кузин [2,3]. Исчерпывающий анализ и обобщение материалов советских и зарубежных ученых за период до 1975 года представлены в книге В.П.Рублевского с соавторами [4]. Последние публикации в этой области связаны с работами И.Я.Василенко и В.А.Осипова [5,6]. Знакомства с перечисленными работами достаточно, чтобы сделать вывод, о том, что факт высокой генетической значимости трансмутационного превращения 14С, включенного в молекулы ДНК, теоретически обоснован и экспериментально доказан. При этом эффект проявляется в том числе и в области малых доз, близких к уровню доз от естественного радиационного фона. Вывод можно проиллюстрировать двумя примерами. Пример 1. Группа исследователей [7] изучали хромосомные абберации в корешках лука (Allium cera). В питательную среду в одном случае вводился тимидин-2-14С, включающийся в молекулы ДНК, а в другом - тимин-2-14С, не входящий в процессе обмена веществ в ДНК. В результате, при равной в обоих случаях дозе облучения, тимидин-2-14С вызвал примерно в 9 раз больше хромосомных аббераций, чем тимин-2-14С. Пример 2. Изучение биологического действия радиоуглерода в малых дозах в форме 14С-карбоната натрия и 14С-глюкозы проводили на крысах [6]. Здесь, как и в предыдущем примере, радиоуглерод, поступающий с содой, минует ДНК, а входящий в состав глюкозы - включается в состав нуклеотидов. В группе, получавшей 14С-карбонат натрия, состояние животных в течение 8 месяцев наблюдения оставалось без существенных изменений, а единичные случаи смерти не отличались по частоте гибели крыс в контрольной группе. За этот период среднетканевая доза облучения составила 0,3 мГр. При таком же темпе облучения (1,1 мГр за 30 месяцев), связанного с введением 14С-глюкозы, частота гибели крыс относительно контроля возросла (в том числе и за период первых 8 месяцев), а средняя продолжительность жизни сократилась на 10% у самцов и на 15% у самок. Количественное сравнение эффектов, установленных в разных опытах, часто бывает затруднено или вообще невозможно, что связано с различиями в методическом подходе к исследованию. Но, несмотря на это, тенденция очевидна - повышение уровня инкорпорированного в генетически значимые структуры организма 14С относительно его естественного содержания в биосфере приводит не только к образованию дополнительных трансмутационных дефектов в процессе метаболизма растений, но и к снижению продолжительности жизни животных. Период антропогенных вариаций радиоуглерода в биосфере Сведений о специальных экспериментах, связанных с изучением метаболизма живых организмов при пониженных относительно естественного уровня концентрациях 14С в литературе не обнаружено. Вероятно, целесообразности постановки таких опытов противоречил факт чрезвычайно низкой концентрации радиоуглерода в обычных условиях. И действительно, доля радиоактивного углерода при естественном уровне радиации соответствует примерно одному атому на триллион (1012) атомов всего углерода. Однако не будем спешить с окончательными выводами. Период полураспада для 14С Количество атомов углерода, входящих в состав молекул ДНК человека, можно оценить исходя из следующего. Для человека суммарное количество ДНК в гаплоидном геноме равно 3,4×109 нуклеотидных пар азотистых оснований [8]. В одной нуклеотидной паре в среднем 9 атомов углерода, в этом просто убедиться, взглянув на их элементный состав. Количество клеток в организме человека ~1015. Соответственно, суммарное число атомов углерода, входящих в ядерный геном человека, составляет 3,4×109×9×1015 = 3,1×1025. То есть можно принять Теперь рассчитаем количество трансмутационных эффектов, возникающих в организме человека за год (Nt) по формуле: Nt = Nо(1 - 2-1/T)/1012 = 3,1×1025×(1 - 2-1/5730)×10-12 ≈ 4×109 Оказывается, в организме человека ежегодно происходит около 4 миллиардов трансмутационных эффектов, связанных с 14С, или сотни ежесекундно. При этом считается [4, с.71], что подобные повреждения ДНК с трудом или вовсе не восстанавливаются системой клеточной репарации и являются, таким образом, необратимыми. В таком случае повреждения ДНК, вызванные ядерными превращениями 14С→14N, могут инициировать потерю генетической информации со скоростью ядерного распада радиоуглерода, являясь ничем иным, как ядерно-биологическими часами, отмеряющими продолжительность жизни. Если это так, то снижение концентрации 14С в организме относительно его естественного уровня должно приводить к увеличению продолжительности жизни, и наоборот, при повышении - жизнь будет короче. "Эксперимент" по проверке такого предположения человеком уже поставлен, причем в планетарном масштабе. Связано это с антропогенным воздействием на атмосферу и, прежде всего, с выбросами углекислого газа, образующегося от сжигания ископаемого топлива, не содержащего 14С. В результате разбавления "мертвым" углеродом в виде диоксида концентрация 14С в биосфере за период с 1833 по 1950 год снизилась примерно на 2,5%. Уникальность с точки зрения ретроспективного изучения смертности населения в период до 1950 года заключается в том, что процесс снижения концентрации 14С происходил плавно, в течение жизни нескольких поколений людей. Детально с исторической динамикой радиоактивного углерода в атмосфере Земли можно ознакомиться, например, в публикации В.Левченко [9]. В свою очередь, в литературе можно найти информацию о демографической статистике ряда стран начиная с XVIII века. Это, прежде всего, страны Западной Европы, а также США и Австралия, в которых в течение длительного времени велся учет данных о смертности населения в необходимом объеме и качестве. По 10 странам, начиная с момента публикации первых национальных статистических сборников, была подобрана необходимая демографическая статистика. Общая смертность населения в демографической статистике определяется как число людей, умерших за год в определенном возрасте или возрастной группе от всех причин, отнесенное к общему количеству людей в этом же возрасте. Обычно данные приводятся как число умерших на 100 тысяч человек. По сути, показатель смертности отражает вероятность гибели человека в течение года, которая с возрастом, как это впервые в начале XIX> века было показано Гомперцом [10], экспоненциально возрастает. Показатель общей смертности населения обусловлен смертью людей как от естественных, так и от случайных причин (несчастные случаи, травмы, убийства, стихийные бедствия, эпидемии и т.д.). При этом экспоненте строго подчиняется именно возрастная зависимость смертности от естественных причин (qe), которая интересует нас в данном анализе: qе = Rе×exp(αе×t) (1), Гибель от случайных причин искажает эту зависимость. Интересно отметить, что вариации параметров Гомперца происходят согласованно и подчиняются корреляционной зависимости, установленной Стрелером-Милдваном [11]. Убедительных объяснений наличия такой корреляции в литературе не обнаружено. Решив [12] ряд методических задач, связанных с определением естественной составляющей смертности, была изучена ее историческая динамика за 100-150 лет и проведен корреляционный анализ на предмет существования зависимости естественной смертности от концентрации радиоуглерода в атмосфере. Полученные результаты указывают, что в период до 1950 года формально естественная смертность может быть выражена как функция двух переменных: t - продолжительности жизни и С - концентрации радиоуглерода в организме человека по уравнению qe = Rо×exp(β×С) × exp[(αо-γ×С)×t] (2), В 37 из 40 рассмотренных случаев была доказана (раздельно для мужского и женского населения) связь между параметрами естественной смертности (Rе, αе) и концентрацией 14С [13]. В пользу того, что эта связь носит функциональный, а не формальный характер, указывают результаты обработки статистических данных смертности людей в период после 1950 года, когда произошел всплеск концентрации 14С, связанный с проведением ядерных взрывов в атмосфере. В результате этих взрывов концентрация радиоуглерода в биосфере, в том числе и в организме людей, резко, если смотреть в историческом масштабе, возросла более чем в 1,5 раза, а после запрета на испытания с 1965 года стала стремительно падать. При этом обнаружено, что практически синхронно варьирует смертность среди мужчин, как это видно на рис.1 и 2. Рис. 1. Историческая динамика естественной смертности мужского населения Германии в возрасте 40 лет и вариации концентрации радиоуглерода в тропосфере Западной Европы. Рис. 2. Историческая динамика естественной смертности населения Дании в возрасте 50 лет. Реакция женского населения на резкий подъем уровня содержания 14С в биосфере оказалась замедленной и более сглаженной, что хорошо видно на рис.2. В итоге наиболее выраженной в период после 1950 года оказалась динамика разности между коэффициентами смертности среди мужского и женского населения Δqe = qe(м) - qe(ж). Если значение разности между этими коэффициентами для каждого исторического момента отнести к значению на начало изучаемого периода, то динамика этой величины будет иметь ярко выраженный экстремальный характер с максимумом в области 1960-х - 1970-х годов. Вид такой динамики на примере Швеции иллюстрирует рис.3. Аналогичная картина вариаций естественной смертности населения прослеживается во всех 10 странах, в связи с чем ее связь с колебаниями концентрации радиоуглерода представляется очевидной. Рис.3. Историческая динамика относительной разности между естественной смертностью мужского и женского населения Швеции: Гипотеза о радиоуглеродном механизме старения С целью обоснования обнаруженного явления, предложена гипотеза о радиоуглеродном механизме старения. В ее основе лежит известное положение [14], что экспоненциальный характер кривых смертности определен аутокаталитическим накоплением повреждений. Если дословно, то автор этой работы Джонс пишет: "Мы можем рассматривать снижение жизненности как процесс накопления повреждений, причем интенсивность накопления пропорциональна степени повреждения, которое уже нанесено в прошлом". Аналогичные рассуждения имеют место в модели, связывающей выживаемость с повреждением хромосом [15]. Близкая, по сути, идея заложена в модели Л.А. Гаврилова [16], которая основана на том, что старение обусловлено "каскадом зависимых отказов", возникающим в результате отказа одной из систем организма. Очевидно, что во всех этих случаях должен имеет место цепной механизм лавинообразного разрушения организма, когда смертность экспоненциально растет с увеличением числа уже имеющихся дефектов. Таким образом, учитывая обнаруженную зависимость естественной смертности от концентрации радиоуглерода, логично представить, что первичных, трудно репарируемых изменений на отдельных участках ДНК, обусловленных включениями 14С, оказывается достаточно, чтобы вызвать цепную реакцию нарушений на всей ее нити. Далее развитие нарушений происходит в обмене и функциях отдельной клетки, отдельных органов и организма в целом. Из этого следует, что вероятность гибели организма вследствие цепного развития функциональных нарушений в его отдельных структурах будет пропорциональна числу дефектов на уровне ДНК. В рамках гипотезы [13] предложено учитывать раздельно первичные и вторичные повреждения нити ДНК. Постулировано, что первичные повреждения на участках ДНК представлены исключительно точечными трансмутациями 14С→14N, а скорость образования этих повреждений соответствует скорости ядерного распада 14С→14N за вычетом скорости репарации точечных повреждений ДНК. Такие трансмутационные повреждения, с точки зрения возможности их обнаружения клеточной системой репарации, неравнозначны, что связано с местом расположения возникших дефектов, т.е. с типом возможного устойчивого трансмутационного повреждения при распаде 14С. Соответственно, максимальная скорость их репарации будет индивидуальна для каждого типа точечного дефекта, т.к. в целом лимитирована скоростью обнаружения изменений химической структуры кодонов. Количество типов таких повреждений известно - 8, а варианты их структуры подробно рассмотрены в работе [4]. Вторичные повреждения генетического кода, вызванные первичными трансмутациями на участках ДНК, развиваются по аналогии с известным принципом разветвленных цепных химических реакций. Согласно этому принципу следует считать, что появление первичного дефекта вызовет большое число - цепь - вторичных нарушений в химической структуре ДНК. Более того, и сами вторичные дефекты, возникшие по этому механизму, также способны порождать новые цепи повреждений. Тогда в течение всего процесса скорость развития вторичных повреждений нити ДНК будет пропорциональна общему количеству образовавшихся дефектов и разности констант скоростей разветвления цепей повреждений и их репарации. При рассмотрении причин, влияющих на скорость репарации вторичных повреждений, учтено радиационное действие ионизирующего излучения. Согласно А.М. Кузину [17], такое действие в области предела, ограничивающего диапазон малых доз, активирует в клетке реакцию адаптивного ответа, линейно связанную с мощностью хронического облучения. На основании вышесказанного можно кратко сформулировать основные положения гипотезы. 1. Вероятность естественной гибели человека пропорциональна числу повреждений в структуре его ДНК. Подробно с этапами формирования модели радиоуглеродного механизма старения и выводом уравнений можно ознакомиться в работе [13], с.19-25]. Полученная таким образом аналитическая зависимость смертности людей от возраста и концентрации 14С в организме позволяет, исходя из концепции радиоуглеродного механизма старения, строго обосновать известные закономерности, такие как закон Гомперца [10] и корреляция Стрелера-Милдвана [11]. Более того, из анализа полученных уравнений следует, что существует новая, неизвестная до настоящего времени закономерность в вариациях параметров смертности, которая должна выполняться в случае адекватности радиоуглеродного механизма реальным процессам старения. Анализ статистики смертности полностью подтвердил сделанный прогноз [12]. Возможность экспериментальной проверки гипотезы Следует подчеркнуть, что представленные результаты вариаций смертности населения за весьма длительный период основаны на статистическом анализе демографии 10 стран, расположенных в разных частях света, и, следовательно, носят глобальный характер. С учетом объема и качества исходных статистических данных и полученных результатов, информация о существовании зависимости смертности населения от концентрации радиоуглерода в атмосфере является основанием для принятия решения о необходимости постановки специальной серии экспериментов на животных. С этой целью предварительно проведено моделирование зависимости смертности от вариаций радиоактивного углерода, как входящего в состав ДНК, так и не включенного в генетически значимые структуры. Несмотря на дискуссионный характер численных значений вероятности смерти, представленных на рис.4, можно достаточно уверенно прогнозировать те или иные тенденции в случае изменения концентрации 14С. Так, из рисунка видно, что в интересующую нас область, где вероятность смерти наименьшая, можно попасть, снижая концентрацию радиоуглерода в ДНК при одновременном увеличении количества 14С в организме в целом. Рис.4. Моделирование влияния радиоактивного углерода на вероятность смерти человека в возрасте 100 лет. По осям: При практической реализации эксперимента, основанного на потреблении в пищу подопытными животными "чистых" продуктов, не содержащих 14С, следует ожидать эффект снижения вероятности смерти. Однако, исходя из радиоуглеродного механизма старения, принципиальным является то, что для достижения максимального результата дополнительно в рацион питания необходимо ввести источник радиоуглерода, химическая структура которого исключит попадание 14С в ДНК. Таким источником может служить, например, 14С-карбонат натрия в виде водного раствора. Область оптимума рекомендуемого хронического облучение радиоуглеродом, вероятно, соответствует верхней границе малых доз, т.е. примерно 10-кратному превышению естественного уровня. Для контролируемого включения в рацион 14С-карбоната натрия в виде водного раствора следует учесть опыт авторов работы [6], которые экспериментально определили кратность накопления 14С, поступающего в организм крыс в указанном виде. В качестве "чистых" продуктов для эксперимента уже сейчас могут быть использованы, например, хорошо сохранившиеся в районах вечной мерзлоты органические останки животных и растения. Их возраст может составлять от десятков тысяч до миллионов лет, что гарантирует отсутствие радиоуглерода, который за столь длительный период полностью распался. Следует отметить, что проводимые в Институте криосферы Земли РАН эксперименты по кормлению дрозофил такими допотопными водорослями и бактериями, извлеченными изо льда района вечной мерзлоты, привели к удвоению жизни подопытных дрозофил [18]. В дальнейшем расширить ассортимент диеты подопытных животных, а, следовательно, и масштаб эксперимента, можно путем выращивания растительной продукции в синтетической атмосфере, очищенной от 14С [19, с.31], что позволит получать продукты с пониженным, относительно естественного уровня, содержанием радиоуглерода. Литература 1. Сахаров А. Д. Радиоактивный углерод ядерных взрывов и непороговые биологические эффекты. Атомная энергия, том 4, вып. 6, 1958. с. 576-580. Автор о себе: С 1977 года и по настоящее время работаю в том же институте, только называется он теперь Санкт-Петербургский государственный технологический институт, а я там доцент и преподаю на 0,25 ставки некоторые дисциплины по химической технологии. Кроме того, есть небольшое дело, которое, в отличие от преподавания, кормит и не отнимает много времени, что позволяет мне вот уже 3 года заниматься проблемой естественного старения биологических организмов на стыке таких научных направлений, как популяционная геронтология и радиационная биология.
|
Дизайн и поддержка: Interface Ltd. |
|