Радиоуглерод и естественная смертность

А.М.Германский

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.