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
T=5730 лет.

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
Nо=3,1×1025.

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),
где
Rе, αе - коэффициенты возрастной зависимости естественной смертности (параметры Гомперца);
t - возраст человека.

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),
где Rо, β, αо, γ - эмпирические параметры уравнения.

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.
1 - смертность; 2 - радиоуглерод.

Рис. 2. Историческая динамика естественной смертности населения Дании в возрасте 50 лет.
1 - мужское население; 2 - женское население.

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:
1 - в возрасте 20 лет; 2 - в возрасте 50 лет; 3 - в возрасте 70 лет.

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.
2. При моделировании естественного старения следует различать первичные (трансмутационные) повреждения ДНК и вызванные ими вторичные нарушения в генетическом коде.
2.1. Индукция первичных повреждения на участках ДНК обусловлена точечными трансмутациями ¹⁴С→¹⁴N в структуре ДНК, а ее скорость зависит от скорости ядерного распада ¹⁴С→¹⁴N.
2.2. Вторичные повреждения генетического кода, вызванные первичными трансмутациями на участках ДНК, развиваются по принципу разветвленных цепных химических реакций.
3. Максимальная скорость репарации того или иного типа трансмутационных повреждений ДНК индивидуальна и определена возможностями клеточной системы к их обнаружению, в зависимости от расположения точечного дефекта в химических структурах ДНК.
4. Скорость репарации вторичных повреждений ДНК в области малых доз линейно возрастает по мере увеличения и так же линейно снижается при уменьшении мощности дозы радиационного воздействия ¹⁴С, и, следовательно, эта скорость зависит от концентрации радиоуглерода в организме.

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:
Х - концентрация ¹⁴С в ДНК относительно естественного уровня;
Y - концентрация ¹⁴С в организме в целом относительно естественного уровня;
Z - вероятность смерти в течение года.

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.
2. Кузин А.М., Глембоцкий Я.М. Лапкин Ю.А. Календо Г.С., Брегадзе Ю.И. Мамуль Я.В., Мяснянкина Е.Н. О мутационной эффективности инкорпорированного углерода-14. // Радиобиология. 1964. Т.4. № 6. C. 804-809.
3. Эффективность биологического действия ¹⁴С при его включении в живые организмы. / В кн.: Радиационная генетика. М., Изд. АН СССР, 1961. С.267-273. Авт.: А.М.Кузин, Б.М.Исаев, В.В.Хвостова и др.
4. Рублевский В.П., Голенецкий С.П., Кирдин Г.С. Радиоактивный углерод в биосфере. - М.: Атомиздат, 1972. - 172 с.
5. Василенко И.Я., Осипов В.А., Рублевский В.П. Радиоактивный углерод. // Природа, 1992. № 12. С. 59-65.
6. Василенко И.Я., Осипов В.А. Кинетика обмена и биологическое действие радиоактивного углерода. М .: Медицина , 2002. - 125 с .
7. McQuade H.A., Friedkin M., Atchison A.A. Radiation effects of thymidine-2-¹⁴C. //Exptl Cell. Res., 1956. V.11. P.249-264.
8. База знаний по биологии человека. ИМГ РАН. http://obi.img.ras.ru/, 2005.
9. Левченко В. Радиоуглерод и абсолютная хронология: записки на тему.
http://hbar.phys.msu.ru/gorm/dating/wally-1.htm
10. Gompertz B. // Philos. Trans. Roy. London. A. 1825. V. 115. P. 513-585.
11. Стрелер Б. Время, клетки и старение. М.: Мир, 1964. 250 с. 4.
12. Германский А.М. Историческая динамика биологической компоненты смертности населения Швеции и Норвегии. http://gealeksandr.narod.ru. 2003.13 с.
13. Германский А.М. Радиоактивный углерод природного фона и естественная смертность людей. http://gealeksandr.narod.ru. 2005, 34 с.
14. Jones H.B. A special consideration of the aging process, disease and life expectancy. Advances in Biol. and Med. 1956. Phys., V. 4. P. 281-337.
15. Le Bras H. Lois de mortalite et age limite // Population. 1976. V. 31. P.655-692
16. Гаврилов Л.А. Математическая модель старения животных. // Докл. АН СССР. 1978. Т.238. С.490-492.
17. Кузин А.М. Идеи радиационного гормезиса в атомном веке. М.: Наука, 1995. 158 с.
18. Труд №119 за 01.07.2005. Емельянова Н., Иванов Л. Мерзлота подарит вечность.Тюменские ученые начинают уникальный эксперимент по продлению жизни.
19. Германский А.М. Радиоактивный углерод в биосфере и естественная смертность людей. Научное исследование. http://gealeksandr.narod.ru. 2004, 95 с.

Автор о себе:
Германский Александр Михайлович, 1951 г.р., русский, беспартийный, женат, имею дочь 20-ти лет. В 1975 году закончил ЛТИ им. Ленсовета, Инженерно-кибернетический факультет. Работал на производстве два года. Далее учеба в аспирантуре по специальности "Технология неорганических веществ". Специализировался в области синтеза сверхтвердых материалов - кубического нитрида бора и алмаза. В 1981 году, как и положено, защитил диссертацию - к.т.н. Развитие кандидатской темы привело к успешной защите докторской в 1991 году на Ученом Совете ЛТИ. Но в ВАКе ходатайство Совета не поддержали по ряду формальных причин, что надо признать бывает крайне редко. "Дожимать" не было смысла и желания - началось новое время.

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.