В дополнение к созданию значительных изменений в скорости передвижения основных элементов в биосфере в самое недавнее время человек приступил к внедрению в биогеохимические циклы совершенно новых радиоактивных веществ.
Далеко идущие биологические воздействия этих новых добавок являются предметом больших споров, которые, как всегда, доказывают, что нам не хватает как знаний, так и способности истолковывать уже имеющиеся данные. В эту проблему входят сложные вопросы патологии (рак и др.), генетики (мутации и др.) и экологии. Для эколога, а также для неспециалиста большой интерес представляет судьба искусственных радиоактивных веществ и их миграция во внешнюю среду и пищевые цепи.
При расщеплении атомов урана в цепи реакций ядерных реакторов или при испытании ядерного оружия возникает группа радиоактивных веществ, называемых продуктами расщепления, они представляют собою остатки атомов урана после превращения основной массы атомов урана в энергию. Большая часть продуктов расщепления содержит такие элементы, как стронций или цезий, не имеющие значения для жизни; тем не менее они переходят в пищевые цепи и включаются в состав биомассы; будучи радиоактивными, они могут проявлять биологическое действие, присутствуя даже в очень малых количествах. При ядерных испытаниях и в реакторах могут образовываться радиоактивные изотопы другого типа — продукты нерасщепления. Это происходит, когда нейтроны (ядерные частицы без электрического заряда) активируют вещества, которые могут оказаться на пути частиц с высокой энергией. Так могут образовываться радиоизотопы биологически важных элементов: углерода, цинка, железа. Таким способом и получают изотопы для исследовательских целей. Продукты расщепления и нерасщепления сходным образом вносятся в атмосферу при помощи мелких ядерных бомб и в стратосферу при помощи бомб крупных размеров; в конечном итоге они опять падают на землю в форме, которую мы называем атомными осадками, смешанными с дождем, пылью и т. д. Если радиоактивные частицы небольших бомб выпадают в пределах немногих сотен километров, то осадки от большой водородной бомбы практически захватывают почти весь мир. Судьба в окружающей среде и действие радиоактивных побочных продуктов будет интересовать человечество, даже если в дальнейшем ликвидируют атомные бомбы. Дело в том, что загрязнение атмосферы может происходить также и от действия силовых реакторов и других установок для мирного использования атомной энергии.
Как уже было указано при обсуждении опыта с мечеными атомами, организмы склонны накапливать питательные вещества, в результате чего концентрации элементов в биомассе часто гораздо выше, чем в непосредственно примыкающей к биомассе внешней среде. Вследствие этого радиоизотопы элементов, имеющих значение в питании, будучи химически равноценными с нерадиоактивными изотопами, создают часто более мощные местные радиационные поля в клетках и тканях, чем в окружающей среде. Так, например, небольшие количества радиоактивного фосфора, выпущенные в реку Колумбия из реактора, расположенного на берегу, скопились в яйцах диких гусей, которые добывали пищу в реке. Количества радиофосфора в 1 г желтка этих яиц были в несколько тысяч раз больше, чем в 1 г речной воды.
Наибольшее значение для человека из всех искусственных радиоактивных веществ имеют продукты распада стронция-90: 1) на всем земном шаре стронций представляет собою обычный компонент атомных осадков и атомных отходов; 2) стронций теряет свою радиоактивность очень медленно (выражаясь технически, он характеризуется полураспадом, равным 28 годам) в сравнении с многими продуктами расщепления, которые разлагаются до безвредного состояния за несколько часов или дней; 3) химически стронций ведет себя так же, как кальций, часто встречающийся и биологически важный элемент; поэтому стронций-90 включается в биогеохимический цикл как естественный (нерадиоактивный) стронций и кальций; 4) стронций поглощается растениями более охотно, чем большинство веществ, выпадающих в виде осадков, непосредственно листвой и через почву и воду; 5) стронций, поступающий с пищей в тело человека и позвоночных животных, концентрируется и задерживается в костях, в непосредственной близости к кроветворной ткани костного мозга, особенно чувствительной к радиационному поражению.
Доктор Калп из Ламонтовской геохимической лаборатории считает, что к 1960 году в биосфере находилось около 4 миллионов кюри стронция-90, причем в Северном полушарии на 3 км2 земли приходилось около 50 мкюри, в Южном полушарии — около 15 мкюри. Кюри — количество радиоактивного вещества, испускающего около 2 триллионов радиаций в минуту (выражаясь технически, в 1 мин распадаются 2·1012 атомов); мкюри равняется 1/1000 кюри. Большая часть этого вещества сохраняется в общем небиологическом минеральном фонде, но небольшие количества переходят в настоящее время в биологические циклы. К 1959 году считалось, что кости детей Северной Америки и Европы содержали в среднем 2,6, а кости взрослых 0,4 ммкмкюри стронция-90 на 1 г кальция. Ммкмкюри равняется 10-12 кюри, или количеству, дающему 2,2 вспышки в 1 мин. Если среднее количество стронция в тканях человека до сих пор было весьма мало и, можно думать, не являлось вредным, то с начала испытания ядерного оружия в 40-х годах оно стало непрерывно расти.
Говоря экологически, осадки со стронцием-90 (а также потенциально из радиоактивных отходов) особенно легко поступают в организм человека и животных через пищевую цепь с пастбищ в экосистемах, характеризующихся высокими осадками и малой концентрацией кальция и других минеральных элементов (т. е. отличающихся низким плодородием) и сильным выпасом (иными словами, быстрым потреблением и невысоким травостоем). В Англии было обнаружено, что в костях овец, выпасаемых на болотах с кислой почвой и значительными осадками, содержится гораздо больше стронция-90, чем в костях овец, выпасаемых на более плодородных и более сухих пастбищах. Исключительно высокие концентрации стронция были найдены также в костях и мышцах северного оленя и карибу в арктических тундрах, где ковер из осоковой, лишайниковой и травянистой растительности, которой питаются животные, оказывается прекрасной ловушкой для осадков. Путь трава — корова — молоко является одним из направлений, по которому человек получает стронций-90 в свои кости. Отказ от питья молока делу не поможет, так как овощи, фрукты и вообще любая пища может быть также загрязнена радиоактивными веществами.
Большинство исследователей, изучающих эту проблему, считают, что искусственная радиоактивность, поступающая в биосферу в настоящее время, не представляет опасности для человечества. Тем не менее никто не заинтересован, чтобы радиоактивность продолжала увеличиваться больше, чем это необходимо с точки зрения охраны и рационального использования атомной энергии. Пример с овцами и северными оленями показывает, что может произойти, если давление численности популяции заставит человека сократить свою пищевую цепь и увеличить прямое потребление продуктов полевых культур. В этом деле есть только одна хорошая сторона: за последние 15 лет в результате исследования ряда меченых атомов, введенных в биосферу без специальной цели, удалось узнать очень многое о биогеохимии нашей биосферы. Из опытов с отходами можно понять, как избежать неприятностей в будущем. На самом деле, мероприятия человека, направленные на борьбу с радиоактивным загрязнением, помогут в борьбе против других загрязнений среды, таких, как загрязнения воды, задымления атмосферы, рассеяния инсектицидов, которые в настоящее время представляют большую опасность для здоровья, чем радиоактивные осадки. Иными словами, так как все загрязнения среды взаимосвязаны, пристальная забота об одной стороне дела позволяет управлять и другими сторонами его. Исследования районов выноса атомных отходов в Национальной лаборатории в Окридже и в других местах ведутся ускоренными темпами в расчете на то, что эти экспериментальные районы явятся ключом не только к пониманию проблемы отходов радиоактивной энергии, но и проблем загрязнения вообще.