Сонячна радіація і мутація ДНК

При природних обставинах шанс недосконалого копіювання  ДНК тільки 1 на 50000? 100 000 випадків, але в живих організмах існує так багато генів і відбувається так багато копіювань, що шанс мутації ДНК стає незаперечним фактом.

У людей приблизно 2 з 5 запліднених яйцеклітин містять принаймні один мутований ген. Це означає, що близько 40 відсотків людей є мутантами відносно своїх батьків. Оскільки мутований ген передається в спадщину, поки не «помре», за деякими оцінками кожна людина несе в собі приблизно вісім мутованих генів — і майже у всіх випадках мутація генів є несприятливою. Імовірність мутацій генів залежить лише від сліпої випадковості. Існують фактори, які збільшують імовірність недосконалого копіювання ДНК, наприклад, різні хімікати, які втручаються в чітку роботу ДНК і утрудняють її прагнення працювати тільки з відповідними нуклеотидами. Оскільки молекула ДНК дуже складна, у неї здатні впроваджуватися багато хімікатів. Такі хімікати називають «мутагенами».

Молекули ДНК заховані в хромосомах, які самі поховані в ядрах, у центрі клітин. Субатомні частки, легко пробиваються в клітини, і, ударяючи в молекули ДНК, здатні вибити з їхньої структури атоми або змінити ДНК  фізично.

Робота молекул ДНК у цьому випадку буде порушена настільки, що вони взагалі втратять здатність копіюватися, і клітина може загинути. Якщо велике число життєво важливих клітин убито, індивідуум може загинути від «променевої хвороби».

При менш сильному впливі клітина може вижити, а відбудеться лише мутація. Звичайно, якщо яйцеклітини або клітини сперми випробовують такий вплив, утворяться нащадки з мутаціями, іноді настільки радикальними, що спостерігаються серйозні вроджені дефекти. Мутагенний ефект радіації був уперше продемонстрований в 1926 році американським біологом Германом Джозефом Мюллером (1890-1967), коли він досліджував мутації на плодових мушках; для зручності він розмножував їх і підставляв під рентгенівські промені.

Рентгенівські промені і радіоактивне випромінювання були недоступні до двадцятого століття, але це не означає, що тоді не було мутагенних форм радіації. Протягом життя сонячне світло існувало завжди, а сонячне світло — теж слабкий мутаген, тому що містить випромінювання (тому занадто тривале перебування на сонце збільшує ймовірність захворювання раком шкіри).

Але що може викликати збільшення частоти мутацій ДНК? Випадкові фактори залишаються випадковими, і більшість мутагенних факторів у минулій історії – сонячне світло, хімікати, природна радіоактивність – були більш-менш постійними у своєму впливі. А  щодо космічних променів? Що, якщо по якісь причині інтенсивність космічних променів, що досягають Землі, збільшиться? Чи не може це послабити багато особин і привести до великого вимирання завдяки генетичному вантажу, що стане занадто більшим для того, щоб вижити?

Навіть якщо погодитися з тим, що великі вимирання, що мали місце, в історії Землі були пов’язані з висиханням внутрішніх морів, чи не могло привести до великого вимирання також і несподіване збільшення інтенсивності космічних променів? Імовірно, могло, але що в такому випадку викликало несподіване збільшення інтенсивності космічних променів?

Властиво, це не впливало б на інтенсивність космічних променів так сильно, як можна подумати. Оскільки частки космічних променів рухаються скривленими шляхами завдяки великому числу великих магнітних полів у Галактиці, вони мають тенденцію, так сказати, розмазуватися, розподілятися рівномірно по Галактиці, незалежно від місця походження.

Постійно утворяться більші кількості часток нових космічних променів, у меншій кількості їх утворять звичайні гігантські зірки, частки ці постійно прискорюються і стають більше энергетичними. При достатнім прискоренні вони взагалі летять із Галактики, до того ж більші їхні кількості постійно попадають у зірки й інші об’єкти Галактики. Можливо, за 15 мільярдів років існування Галактики встановилася рівновага, і скільки часток космічних променів утвориться, стільки ж і зникає. Із цієї причини ми можемо вважати, що інтенсивність космічних променів поблизу Землі буде залишатися постійною.

Існує, однак, одне можливе виключення. Якби сверхнова вибухнула поблизу Землі, це могло б викликати нещастя. Я розглядав раніше такі близькі сверхновые й прийшов до висновку, що шанси такої події в доступному для огляду майбутньому дуже малі. Навіть у цьому випадку в мене мова йшла тільки про світло й про тепло, які ми могли б одержати від подібного об’єкта. А як же щодо космічних променів, які б ми одержали, оскільки відстань від близької сверхновой було б для нас занадто малим, щоб розраховувати на достатнє їхнє поширення й розсіювання їхніми магнітними полями?

В 1968 році американські вчені К. Д. Терри й В. X. Такер звернули увагу на досить більшу сверхновую, що випромінювала космічні промені в трильйон раз інтенсивніше, ніж Сонце, і це випромінювання в космос тривало принаймні тиждень. Якби така сверхновая була від нас на відстані хоча б в 16 світлового років, енергія космічних променів, що досягають нас навіть із такої величезної відстані, була б дорівнює сумарної сонячної радіації за цей же період, і цього повинне було б вистачити, щоб кожний з нас (можливо, також і більшість інших форм життя) одержав смертельну дозу радіації. Додаткове тепло, що доставляє такий сверхновій, і теплова хвиля, що вийшла б у результаті, у такому випадку не мали б уже ніякого значення.

Звичайно, немає настільки близьких до нас зірок, здатних вибухнути в гігантську сверхнову, такої ситуації не було в минулому і, наскільки нам відомо, не очікується і у майбутньому. Однак сверхнова, що перебуває набагато далі, могла б теж заподіяти значної шкоди.

У цей час інтенсивність космічних променів, що досягають атмосфери Землі, становить близько 0,03 рентгена в рік, і треба було б в 500 разів більше, або 15 рентген у рік, щоб заподіяти шкоди. І все-таки по частоті сверхновых, по їхніх випадкових позиціях і розмірам Терри й Такер розрахували, що внаслідок вибухів сверхнових Земля могла б одержувати концентровану дозу випромінювання в 200 рентген, приблизно кожних 10 мільйонів років, і значні дози, відповідно, у більш тривалі інтервали. За 600 мільйонів років, із часу, до якого добирається вивчення скам’янілостей, існує реальний шанс, що принаймні один спалах в 25 000 рентген досягла нас. Безумовно, це могло б привести до нещастя, але існують природні механізми, що знижують ефективність бомбардування космічними променями.

Наприклад, я тільки що говорив про інтенсивність космічних променів, що досягають атмосфери Землі. Це було сказано навмисно, тому що атмосфера не цілком прозора для космічних променів. Коли космічні частки несуться повз атоми і молекули, що становлять атмосферу, рано або пізно відбуваються зіткнення. Атоми і молекули розбиваються вщент, і частки вилітають із них уже як «вторинна радіація».

Вторинна радіація менш энергетична, чим «основна радіація», що складається із часток космічних променів у відкритому космосі, але вона усе ще досить энергетична, щоб принести чимало шкоди. Однак і вторинна радіація перетерплює подальші зіткнення з атомами і молекулами в атмосфері Землі, атмосфера поглинає істотну частину енергії.

Атмосфера діє, як захисна ковдра, не до кінця ефективно, але не так і неефективне. Астронавти на навколоземній орбіті або на Місяці піддаються більше інтенсивному бомбардуванню космічними променями, чим ми на поверхні Землі, і це доводиться враховувати.

Астронавти під час порівняно коротких виходів у космос можуть одержати додаткову дозу радіації, але мешканцям космічних поселень така небезпека не грозить. Адже поселення можна спроектувати зі стінами, досить товстими, щоб забезпечити принаймні такий же захист від космічних променів, яку дає атмосфера Землі.

Правда, якщо наступить час, коли основна частина людства розміститься в космічних поселеннях і порахує себе вільної від перипетій Сонця – їй буде байдуже ставитися до того, що Сонце перетвориться спочатку в червоного гіганта, а потім стане білим карликом, – приплив і відлив потоку космічних променів може виявитися його головною турботою і головною погрозою катастрофи.