Откуда они — радиоактивные элементы.

Космическое излучение — это еще один, наряду с природными радиоактивными минералами и газами, источник естественного радиационного фона на планете. Оно представляет собой поток протонов и альфа-частиц, выбрасываемых Солнцем или приходящих из космических далей и пронизывающих атмосферу и частично доходящих до поверхности Земли. Первичное космическое излучение в результате ядерно-каскадных процессов взаимодействия с атмосферой теряет энергию и порождает вторичное излучение, состоящее из электронов, фотонов, нейтронов и мюонов. Наиболее высокие энергии имеют космические частицы, приходящие извне Солнечной системы. Это так называемые галактические космические лучи. Измерения показывают, что эта компонента космического излучения более-менее равномерно заполняет всю Галактику. Солнечные космические лучи имеют меньшие энергии и приходят на Землю, главным образом, после вспышек на Солнце, когда активность нашего светила резко возрастает.

Есть, впрочем, и иная теория возникновения органической жизни на Земле. В этом случае возникновение кислорода в атмосфере связывается не с процессами фотосинтеза, знакомыми всем из школьного курса биологии, а с фотохимическими реакциями. Свободный кислород возникает чисто химическим путем, но обязательно при наличии солнечной радиации! Состав первичной атмосферы, однако, предполагается совершенно иным: легкий водород улетучивается из нее, метана чрезвычайно мало, высокореактивный аммиак быстро распадается под действием все той же радиации и тоже исчезает. Остаются пары воды, углекислота и азот. Откуда же взять необходимые для синтеза органических соединений компоненты: аммиак, метан, водород, фосфор, серу и т.д.? Гипотеза, основные черты которой в дальнейшем были подкреплены экспериментом, состояла в том, что все эти газы вместе с парами воды в огромном количестве могли быть выброшены в атмосферу при извержениях вулканов. Поскольку в жерле вулканов достигается чрезвычайно высокая температура — до 1500 градусов, в высокотемпературной зоне может протекать множество химических реакций. Если же этот вулкан находится под водой, то, для образующихся органических соединений создаются вполне комфортные условия, чтобы выжить. Каждая из теорий образования жизни на Земле имеет свои интересные стороны, однако, мы не собираемся их обсуждать в данной книге. В любом случае, вывод ясен: все основные типы биологических молекул есть результат эволюции химических веществ. Очевидно, что ход этой эволюции в большой, если не определяющей степени, зависит от наличия ионизирующей радиации. Причем, не только солнечного происхождения.

Но человек далеко не сразу научился вычислять, измерять и описывать символами и формулами природу. Несколько тысячелетий прошло с тех пор, как Архимед продемонстрировал врагам родных Сиракуз, как можно использовать аккумулированную энергию излучения — солнечные лучи, собранные отполированными до зеркального блеска вогнутыми металлическими щитами, подожгли корабли захватчиков. Так начиналось познание законов природы и применение их на практике. Архимед был одним из первых великих ученых Земли, но и он не предполагал, что солнечное излучение, столь эффективно примененное им для победы сиракузян в морском сражении, лишь один из видов радиации, существующей на Земле с момента ее образования. И, конечно, все человечество Земли —это ребенок, выросший в колыбели, пронизанной энергией радиации.

РАДИАЦИЯ КАЧАЕТ КОЛЫБЕЛЬ

Радиационные способности радиоактивного вещества оцениваются его активностью, измеряемой в Кюри или Беккерелях. Зная активность источника излучения, можно вычислить мощность экспозиционной дозы на разных расстояниях от него, т.е. количества ионов, производимых излучением в единицу времени. Эта величина характеризует именно поле излучения, а оно зависит от типа радиоактивного вещества. Скажем, радий, как известно, намного более активен, чем уран, так что и мощность экспозиционной дозы для радиевого источника намного выше, чем для уранового (на одинаковых расстояниях). Поглощенная доза — это уже характеристика не самого поля, а его взаимодействия с конкретной средой. Энергией, поглощаемой единицей массы вещества, удобно определять эффект радиационного действия для всех неорганических веществ. Если излучение попадает на живую ткань, например, на человека, то для правильной оценки результата этого облучения нужно измерять эффект облучения только в эквивалентной дозе.

Все эти единицы измерения придумал человек. Придумал и использует, чтобы количественно анализировать последствия попадания лучистой энергии в живую или неживую среду. Числа помогают нам понять и оценить, насколько эти последствия значительны и, возможно, опасны.

Сейчас нам достоверно известно, что лучистая энергия сыграла заметную роль в возникновении и развитии жизни.

Академик В.Вернадский писал: «Твари Земли являются созданием сложного космического процесса, необходимой и закономерной частью стройного космического механизма, в котором, как мы знаем, нет случайностей».

Наша Земля образовалась почти пять миллиардов лет тому назад. Не будем подробно обсуждать все известные теории образования Солнечной системы. Таких теорий несколько, упомянем лишь основные идеи. Великий философ Иммануил Кант еще в 1755 году выдвинул гипотезу о происхождении Солнца и планет из первичной, изначально неподвижной туманности. Кант полагал, что вращение туманности возникло позже, из некоторых сравнительно небольших вихрей. П.Лаплас дополнил теорию Канта предположением о вращении, заданном изначально. С увеличением скорости вращения диск туманности был разорван центробежными силами на отдельные кольца, которые собрались в отдельные сгустки — планеты. По другой гипотезе, связанной с теорией катастроф, при прохождении вблизи Солнца какого-то массивного небесного тела вследствие грандиозных приливов из огненной солнечной атмосферы вырвался поток вещества огромных размеров. Распадаясь на отдельные «капли», это солнечное вещество образовало протопланеты. В настоящее время в качестве основной модели образования Солнечной системы используется усовершенствованная версия теории Канта – Лапласа, модифицированная с учетом всех современных знаний о микромире и Вселенной. В частности, большую роль в формировании планетной системы сыграло наличие у Солнца собственного магнитного поля, что приводит к наличию электромагнитного взаимодействия между изначально разреженной шаровидной туманностью, которая постепенно превращалась в диск, и первичным Солнцем, находящемся в центре туманности. Первичные сгущения в туманности, соударяясь и объединяясь, стали зародышами планет.

Важно то, что по современным представлениям планеты земной группы формировались достаточно долгое время — около 100 миллионов лет, и поверхность их была уже достаточно холодной к моменту окончательного формирования. По крайней мере, не более 100 градусов Цельсия. Кстати, на молодую планету в этот период падало с большой скоростью достаточно много крупных небесных тел. Следы таких ударов на Земле остались до сих пор. Это, например, известный Аризонский кратер в США.

Итак, молодая планета Земля представляла собой твердый шар (приближенно, точнее — геоид) с газовой атмосферой вокруг него. На поверхности планеты была вода, на планету падал мощный поток солнечного излучения, поставляя энергию, необходимую для протекания большинства химических реакций в атмосфере. Нужно сказать, что именно наличие атмосферы спасло зарождающуюся органическую жизнь в виде сложных биомолекул от гибели под высокоэнергетичным ультрафиолетовым излучением Солнца. Но без этого облучения в газовой смеси из водорода, метана, аммиака не смогли бы синтезироваться органические молекулы, давшие начало жизни.

Постепенно состав первичной атмосферы изменялся. Исчезали, вступая в различные реакции водород, аммиак, метан. Предшественники, строительный материал современных аминокислот, входящих в состав белков всего живого, создавались именно в этих реакциях. Все молекулы, из которых построены биологические объекты — растения, птицы, рыбы, животные, человек — появились в результате длинных цепочек химических реакций. Но характер протекания этих процессов, их скорость, структура получающихся соединений зависят не только от того, какие вещества вступают в реакцию. Результат химического процесса сильно, иногда критически зависит от физических условий протекания реакции. Попросту говоря от того, в какой «колбе» смешиваются вещества, в присутствии каких других веществ, при какой температуре. А температура — это и есть мера энергетического состояния реагирующей смеси веществ и той среды, в которой происходит реакция. Если «колба» подогревается, результат химического процесса один, если нет — другой. А что способно нагревать среду, в которой происходит многозвенный процесс образования сложнейших белковых молекул и их комплексов? И не только нагревать, но и менять ее физические, а значит, и химические свойства? Ответ известен — излучение. Энергия, передаваемая среде пучками гамма-квантов, электронов, протонов, поглощается средой, в которой происходят все те процессы, которые мы выше описывали — фотоэффект, рассеяние гамма-квантов на электронах и ядрах, рождение пар частиц, ионизация среды и многие другие, менее вероятные процессы взаимодействия излучения с веществом.

Во всех живых организмах присутствуют ничтожно малые количества природных радиоактивных изотопов — урана, тория, калия. Есть расчеты, показывающие, что около 600 миллионов лет тому назад поток радиоактивного излучения от этих изотопов был на 6-7% выше, чем сейчас. А три миллиарда лет тому назад излучение было интенсивнее более чем в 2 раза! Напомним, что мы говорим только о природной радиоактивности, обусловленной самой нашей планетой. Но ведь существует еще и космическое излучение, которое активно проникало через не слишком толстое в те времена атмосферное «одеяло».

Поток солнечной и космической радиации мог периодически резко усиливаться и при изменении магнитного поля Земли. А то, что такие повороты магнитного поля планеты действительно происходили — это научно установленный факт.

И после синтеза первых строительных элементов — аминокислот, циановодорода — процесс их эволюции к белкам и белковым соединениям происходил под воздействием внешнего облучения. Все процессы формирования первых клеток происходили в присутствии определенного радиационного фона. Представьте себе сцену, на которой актеры разыгрывают некоторое действо. Сцена залита ярким светом юпитеров. Осветители выделяют прожекторами то один, то другой участок сцены, на котором происходит нечто важное. Спектакль продолжается, пока сцена освещена — если свет погаснет, все остановится. В темноте невозможно продолжать действие, актеры натыкаются друг на друга. В конце концов, чтобы не свести все к хаосу, движение замирает. Приведенная аналогия, конечно, слишком упрощена, движение останавливается не потому, что нет энергии. Но все же некоторые характерные черты можно увидеть: при отсутствии облучения «актеры»-реагенты замедляют свои движения, при отсутствии энергии реакции останавливаются.

Процесс создания земных многоклеточных организмов был достаточно быстрым по космическим масштабам — всего-то около двух с половиной миллиардов лет. В конце концов, такие организмы завоевали всю планету. Основным генетическим материалом для создания разнообразных видов живых существ стали нуклеиновые кислоты. Наступил следующий этап развития жизни.

Химическая эволюция уступила место биологической эволюции. Но и в этом процессе важную роль продолжала играть ионизирующая радиация. Учеными предложена и развита концепция фонового радиационного облучения как фактора, вызывающего изменчивость растительного и животного мира и тем самым являющегося побудителем всего процесса эволюции на Земле. Известно, что теория эволюции стоит на трех «китах» — это изменчивость, наследственность и отбор, причем главным, первым звеном является именно изменчивость. Приведем пример: если облучать нуклеиновые кислоты, то в них будут происходить химические изменения (по мнению многих исследователей, именно нуклеиновые кислоты несут на себе признаки живого организма, содержат и передают информацию на генном уровне, именно они первыми возникли на Земле — это хорошо всем нам известные ДНК и РНК). Эти изменения могут вызвать изменения в генетической информации, закодированной в генах клетки, и привести к появлению новых признаков в потомстве этой клетки. Эти признаки могут оказаться вредными, такое потомство окажется нежизнеспособным. Однако в этом процессе возникают и такие живые формы, которые, напротив, будут более приспособлены к меняющимся условиям внешней среды. Этот механизм изменчивости работает только в условиях внешнего радиационного фона, при воздействии на клетки излучения. Многие специалисты считают, что естественная радиоактивность — это необходимость, без которой вообще невозможно сохранение и развитие живых существ, что радиационный фон участвует в регуляции биоритмов у земных организмов.

Таким образом, все человечество, начиная со своих одноклеточных «предков», хорошо знакомо с различными видами радиации. Причем не только с небесными, которые несколько гасятся толщей атмосферы, но и с земными — теми, которые испускаются, например, почвой, т.е. содержащимися в ней естественными изотопами. Средний уровень естественной фоновой радиоактивности невелик, он не превышает 0,1 - 0,2 рентгена за год и на две трети он обусловлен чисто земными факторами.

Мы уже говорили, что в наши дни средний радиационный фон гораздо ниже, чем в древние времена, в те эпохи, когда только зарождалась жизнь на Земле. Одна из причин и в том, что тогда на нашей планете было намного больше таких радиоактивных излучателей, которые к нашему времени успели почти распасться. Ведь наша Земля существует уже более 4 миллиардов лет, так что ядра трансурановых (с атомными весами, большими 238 —см. Таблицу распадов) элементов и короткоживущих изотопов просто вымерли к нашему времени. Наполовину уменьшилось количество изотопа U²³⁵. Что уж говорить о прочих? На одну тонну урана в природе приходится примерно одна треть грамма радия и 10^-9 г полония! Помните о радиоактивных семействах, в которых дочерний элемент — результат альфа- или бета-распада материнского? Вот с течением лет и замещается постепенно радиоактивный элемент своим дальним стабильным потомком.

В обозримый период жизни цивилизации не наблюдается процесс рождения новых, дополнительных, количеств радиоактивных элементов. Планета наша находится не в юношеской поре, успокоилась, геологические процессы в ней затормозились. В геологическом смысле, наша Земля не молода и уже не так активна, как в былые миллиарды лет. Пора бурной молодости закончилась, изредка активность проявляют лишь процессы, источник которых где-то в глубине планеты — пробегает дрожь землетрясений, вспоминают былое вулканы, исчезают мелкие островки. Все проходит…Только радиоактивные превращения, неуклонно подчиняясь законам микромира, отмечают время жизни планеты. Все с той же интенсивностью выбрасывая альфа-частицы, электроны и невидимый свет, атомные ядра распадаются, уменьшая количество долгоживущих тяжелых радиоактивных элементов.

Именно по «ядерным часам», скорость хода которых неизменна, ученые смогли определить периоды глобальных геологических и физических катаклизмов на планете, эпохи «перестроек», земных и космических катастроф. Но кто, когда и как завел эти часы?

Насчет «кто» — это вопрос не к ученым-физикам и инженерам, а вот «когда» и «как» — об этом наука кое-что сумела узнать. И относительное содержание элементов в природе, и их происхождение управляются законами микромира, законами ядерных радиоактивных превращений.

Возникновение и эволюция химических элементов — результат цепочки ядерных реакций, которые происходят везде, где складываются подходящие условия. В таких реакциях из нескольких простых ядер рождаются более сложные. Чтобы запустить процесс требовалось какое-то количество исходного сырья — набора элементарных частиц и принципов их взаимодействий (мало купить игру «конструктор», нужно еще найти инструкцию к игре) — и, как всегда, необходима энергия в достаточном количестве. По современным представлениям, во многом подтвержденным астрономическими и астрофизическими измерениями, наш мир действительно возник в результате катастрофического процесса взрывного характера (так называемая модель Большого взрыва).

На ранних стадиях существования Вселенной, через очень маленькое время после взрыва, сверхплотный «колобок», из которого и разворачивался затем весь мир, был только-только вынут из «печи» и температура его была огромной. Поэтому различные реакции с участием элементарных частиц происходили в нем с большой интенсивностью. Нестабильные частицы распадались, превращаясь в стабильные, и через некоторое время в мире выжили протоны, электроны и фотоны — электромагнитное излучение (не забудем, что нейтрон быстро, в течение примерно 10 минут, распадается с вылетом протона и электрона). Таким образом, из всего разнообразия химических элементов в мир состоял, главным образом, из водорода (помните гипотезу Праута?).

Что же можно было построить из водорода? Для начала можно соединить 4 ядра водорода. Так из водорода получается гелий — эта термоядерная реакция дает огромное количество энергии и является основным процессом, питающим энергией наше Солнце. Правда, одно ядро Не⁴ образуется из четырех протонов не очень быстро — как минимум, за 330 миллионов лет! Дело в том, что даже при солнечных температурах вероятность собраться в одной точке четырем одноименно заряженным частицам очень мала. В постепенно остывающей Вселенной эта вероятность еще меньше. Только гравитационные силы могли собрать вещество и сжать до сверхплотного состояния, тем самым разогревая его до миллионов градусов.

Так загорались звезды, в сердцевине которых гравитация, сжимая вещество, поднимала его температуру и до 100 миллионов градусов. Тогда появлялась возможность для взаимодействия и у ядер гелия. Сливаясь вместе, альфа-частицы образовывали ядра углерода. Углерод, поглощая ядро гелия, становился кислородом. Кислород, в свою очередь, захватывал альфа-частицу и превращался в неон. Еще повысится температура — и в реакции вступают ядра углерода. Работа кипит, элементы возникают один за другим. Однако из одних только альфа-частиц получить тяжелые ядра невозможно. По счастью, в реакциях образовывалось значительное число нейтронов. Захват нейтронов тяжелыми ядрами порождал все новые изотопы. Стабильные выживали, нестабильные распадались, их «детали» вновь шли на переплавку.

Далее, например, при взрывах сверхновых звезд, накопленные ими богатства в виде огромного количества тяжелых ядер выбрасываются во Вселенную. Синтез элементов в ней, по-видимому, происходит непрерывно, скажем, обнаруженный в спектрах некоторых звезд радиоактивный технеций распадается за 220 тысяч лет. Значит, обнаруженный сейчас этот элемент образовался в звезде лишь так недавно? Но это относится к звездам, действующим космическим «печам». На Земле же не происходит образования заметных количеств тяжелых радиоактивных элементов. Чем короче их период полураспада, тем их меньше. Насколько же давно они образовались? Если считать, что все такие элементы сформировались примерно в одно время (по космическим масштабам), достаточно знать их периоды полураспадов и нынешнего их количества на планете, чтобы проследить судьбу радиоактивных U²³⁸, Th²³², или, скажем, почти уже отсутствующего на Земле U²³⁵, назад во времени. Оказывается, максимальное количество всех этих тяжелых элементов было на планете около 5 миллиардов лет тому назад. Тогда, когда только-только родилась наша планета, да и вся Солнечная система.

Так что тяжелые радиоактивные вещества — аборигены нашей Земли. Они живут на ней с самого ее рождения, они не только заметно влияют на химические и физические свойства неорганического мира Земли, но и создают тот естественный радиационный фон, в котором возникла, развилась и стала мыслящей Жизнь.

Дата добавления: 2015-07-13