Как взять след

Для серьезного развития серьезных наук нет ничего пагубнее звериной серьезности.

Нужен юмор и некоторая издевка над собой, над науками. Тогда все будет процветать.
Николай Тимофеев-Ресовский

Восстановительные процессы в живых организмах и их сообществах существуют наряду с эффектами поражения. Ученые выявляют закономерности.

Радионуклидное загрязнение биосферы, обусловленное развитием ядерных технологий, испытаниями ядерного оружия, техногенными авариями, приобрело глобальный характер, достигло в отдельных регионах критического уровня. В совокупности с мощной нагрузкой других техногенных факторов это обстоятельство делает особенно актуальной проблему последствий антропогенного воздействия для всего живого. Задачи, которые решают сегодня ученые Института экологии растений и животных (ИЭРиЖ) УрО РАН, последователи выдающегося ученого, биолога, генетика Николая Тимофеева-Ресовского - знаменитого Зубра из книги Даниила Гранина, обретают все больший масштаб. А старое здание с уходящими из-под ног деревянными полами в Ботаническом саду УрО РАН в Екатеринбурге, вместилище нескольких лабораторий Института, все то же, - с 1955 года, когда тут начал работать Зубр.

В конце минувшего года за цикл работ «Изучение последствий воздействия радиации на растения» Вера Позолотина, доктор биологических наук, заведующая лабораторией популяционной радиобиологии ИЭРиЖ УрО РАН, профессор кафедры экологии УрФУ, отмечена премией имени Н.В. Тимофеева-Ресовского. Ряд лет она исследует растительность в зоне Восточно-Уральского радиоактивного следа.

Знай наших, Ледовитый океан

- Вера Николаевна, сразу поясните, нужно ли на Урале бояться в целом радиационного фона?

- Естественного радиационного - нет. Этот фактор существовал во Вселенной, в том числе и на Земле, всегда, хотя мы о нем узнали сто лет назад, когда были открыты естественные радионуклиды и ионизирующие излучения. Помимо космических лучей, основная часть естественного радиационного фона - это естественные радиоизотопы Земли. В 60 - 70-е годы радиобиологи задались вопросом: что будет, если убрать естественный радиационный фон? Эксперименты по снижению фона даже на 40% показали: абсолютно все исследованные живые организмы, от бактерий до млекопитающих, отреагировали снижением физиологической активности. Так что это фон нашей жизни.

Опасность представляют повышенные уровни, которые возникают в результате техногенных катастроф. На Урале самое большое беспокойство вызывает ПО «Маяк» - в 1949 году на Южном Урале, в 70 километрах от миллионного ныне Челябинска, близ старинных уральских городов Кыштым и Касли создали предприятие по промышленному производству плутония-239 для создания ядерного оружия. В первые годы достижение военно-политических целей отодвигало на второй план охрану окружающей среды, здоровья человека. Отсутствие научных знаний и технологического опыта породили серьезные проблемы. В условиях острого дефицита ресурсов и времени принимались упрощенные схемы обращения с радиоактивными отходами. С 1949 года, когда комбинат начал работать, вплоть до осени 1951 года жидкие отходы сбрасывались в реку Теча...

- Никакой утилизации даже не было предусмотрено?

- Ничего, шел прямой сток из трубы в речную систему Теча - Исеть - Тобол - Иртыш - Обь - Обская губа - Карское море. Исследования показали, что не менее 10% сбросов ушло в Карское море, но большая часть осела в ближней к предприятию зоне. С осени 1951 года вместо сброса в Течу в качестве хранилищ жидких радиоактивных отходов со средними уровнями активности стали использовать естественные и искусственные водоемы, например озеро Карачай.

29 сентября 1957 года в 16:22 из-за выхода из строя системы охлаждения на «Маяке» произошел взрыв емкости объемом 300 м3, где содержалось около 80 м3 высокорадиоактивных ядерных отходов. Взрывом, оцениваемым в десятки тонн в тротиловом эквиваленте, емкость была разрушена, бетонное перекрытие толщиной 1 метр и весом 160 тонн отброшено в сторону. В атмосферу ушло 20 млн Ки (7,4·1017 Бк) радиоактивных веществ (144Ce+144Pr, 95Nb+95Zr, 90Sr, 137Cs, изотопы плутония), из которых примерно 18 млн Ки выпало на территории ПО «Маяк», а около 2 млн Ки - за ее пределами, образовав Восточно-Уральский радио­­активный след (ВУРС). Для сравнения: выброс от Чернобыльской аварии оценивается в 50 млн Ки, в два с половиной раза больше. Но нам тоже мало не показалось. Большая часть растеклась на промплощадке, сильно пострадали люди, которые занимались дезактивацией этой территории.
Часть радиоактивных веществ (2 млн Ки) была поднята взрывом на высоту 1 - 2 км и образовала облако, состоящее из жидких и твердых аэрозолей. Ветер дул с юго-запада. В течение 10 - 11 часов радиоактивные вещества выпали узким следом на протяжении 300 км в северо-восточном направлении от места взрыва, образовав ВУРС.
В наиболее загрязненной головной части его в 1966 году создан Восточно-Уральский государственный радиационный заповедник. Территория строго охранялась, как, впрочем, охраняется и сейчас, хотя статус заповедника снят.

- Эта тема была закрыта?

- Да, все что касалось атомного ведомства, делалось в атмосфере строжайшей секретности. Мы начали работать на ВУРСе (его периферийной части) в начале 90-х годов. Тему Кыштымской аварии открыли после Чернобыльской, когда стало очевидно, что Чернобыль замолчать нельзя так, как замолчали в свое время уральский инцидент. У меня лично появилась возможность работать на ВУРСе в 1990 году: тогда в институт приехала делегация Международного союза радиоэкологов. В Челябинскую область их не пустили. Но поразило: они знали о ВУРСе больше, чем мы. Я думаю, в распоряжении ученых были разведданные. Мы тогда даже не слышали о Карачае, не знали подлинных границ следа. Вообще до перестройки если кто-то к этому проявлял повышенный интерес, то за это получал. Только в том же году в открытой печати появилась книга под редакцией Аветика Бурназяна про итоги Кыштымской аварии.

В зоне Чернобыля после аварии понадобились специалисты, у которых был бы опыт работы в радиоактивно-загрязненной зоне. Такие были на Урале. К сожалению, не все методы, которые у нас себя зарекомендовали, пригодились чернобыльским ликвидаторам. Например, здесь эффективной была глубокая перепашка загрязненных земель, при которой пласты почвы толщиной 50 - 70 см переворачивали, захоранивая грязный верхний слой. У нас преобладают тяжелые суглинистые почвы, а в Полесье пески, метод не дал эффекта.

О Кыштымской аварии 1957 года заговорили открыто у нас и за рубежом в 1989 - 1990 годы. Я поехала на стажировку в Данию в 1992 году. Попросила показать мне то, что знают коллеги. Передо мной положили толстую папку: научные публикации, отчеты, в том числе американские. Даже контур ВУРСа иностранцы сделали достаточно точно, сопоставив карты, которые продавались у нас в магазинах: до 1957 года были такие-то деревни - и вдруг их на картах не стало.

Во взорвавшейся на «Маяке» емкости были в основном короткоживущие радионуклиды, через четыре года они распались практически полностью. Остался основной загрязнитель - стронций-90, у которого период полураспада 28 лет.

Цена «любой цены»

- С момента аварии прошло 56 лет, значит, завершился второй период полураспада. Так что, в зоне все чисто?

- Увы, это не так. В головной части ВУРСа, вблизи эпицентра аварии, концентрации стронция-90 превышают фоновый уровень в тысячи раз. К нему добавился цезий-137, у которого тоже период полураспада 28 лет. Откуда, спрашивается? Когда пришло понимание, что сбрасывать жидкие радиоактивные отходы производства в Течу нельзя, с октября 1951 года главный поток направили в озеро Карачай, превратившееся в результате в искусственное хранилище под названием Водоем В-9. Постепенно там накопилось, по официальным данным, более 600 кКи активности, из них 30% стронция-90 и 70% цезия-137, причем большая часть в донных отложениях. В 1967 году было исключительно засушливое лето и малоснежная зима. Зеркало озера Карачай уменьшилось. Обнажились радиоактивно загрязненные донные отложения - ил и мелкодисперсный песок. Их поднимал ветер и разносил на большие расстояния, в том числе и в зону ВУРСа, то есть произошло вторичное загрязнение.

- До какой степени? Есть оценки?

- Мы занимаемся оценкой радионуклидного загрязнения почвенно-растительного покрова постоянно. Это первая и неотъемлемая часть работы в аварийных зонах - составить общую картину загрязнения региона, определить основные источники выбросов, их изотопный состав, динамику развития ситуации с момента загрязнения. По нашим оценкам, на территории ВУРСа в настоящее время суммарно содержится около 15,5 тыс. Ки стронция-90, 1,8 тыс. Ки цезия-137 и около 500 Ки изотопов плутония. В ближней к эпицентру аварии зоне концентрации радионуклидов в почвах в сотни и тысячи раз выше естественного фона. Помимо общих оценок загрязнения экосистем в лаборатории считают дозовые нагрузки на растения и животных зоны и изучают биологические эффекты хронического облучения для разных организмов.

- Сильно разнится нынешний уровень представлений и тех, кто сливал отходы в Течу, в Карачай?

- В то время не знали многое из того, что известно теперь. Разные промышленные отходы сливали в реки, не представляя, к каким это последствиям приведет. Но даже если бы первопроходцы знали о последствиях, дело вряд ли бы изменилось. Приоритеты были другие. Нужно было создать «изделие» (атомное оружие) в кратчайший срок, любой ценой.

- До Чернобыля совсем не изучали закрытый ВУРС?

- Изучали, конечно: те, кто был допущен. В 1958 году на «Маяке» создали опытную научно-исследовательскую станцию (ОНИС), сотрудники которой занимались исследованием проблем ВУРСа очень комплексно и детально. Возглавлял эти работы академик ВАСХНИЛ Всеволод Клечковский. На базе ОНИС работали сотрудники Института общей генетики, МГУ и другие. С начала 50-х годов работали филиалы Института биофизики Минздрава, сейчас это мощный Научно-практический центр радиационной медицины. А ОНИС во времена перестройки ликвидировали.

- До чего доисследовались?

- Ежегодные отчеты ОНИС содержали уникальные данные, но они ставились на полку и дальше ПО «Маяк» не вы-хо-ди-ли. Эти отчеты и сейчас в закрытом фонде. Правда, « Маяк» выпускает журнал «Вопросы радиационной безопасности», публикует в приложении к журналу архивные материалы. В 1993 году вышла первая коллективная монография о последствиях Кыштымской аварии, охватившая наиболее значимые результаты работ первого периода.

Что растет в новом лесу

- Насколько различаются цели первых исследователей аварии и современных? На чем вы подхватили и в чем продвинули исследования?

- В первые годы научные исследования на территории ВУРСа, как уже отмечено, возглавлял академик ВАСХНИЛ Клечковский, он же был консультантом по атомной энергии при Совете министров СССР. Им сформулирована концепция, согласно которой при радиоактивном загрязнении окружающей среды основное внимание уделялось проблеме получения «чистой» сельскохозяйственной продукции... Радиобиологические вопросы интересовали советских исследователей в меньшей степени.

Для нас главная проблема - изучение радиобиологических эффектов, насколько пострадали растения и животные. В общественном сознании всегда преобладал и сейчас жив антропоцентрический принцип: если человек не пострадал, то все в порядке. Об окружающей среде, живых организмах, естественных сообществах начали задумываться только в последние десятилетия. Все чаще предлагается ввести экологический принцип в нормирование, то есть не просто регламентировать нормы выбросов токсических веществ, оценивать их содержание в основных средах, но и учитывать состояние организмов (non-human biota) и биосистем. Это направление сейчас бурно развивается на Западе и в России, тогда его вообще не было.

Конечно, очень хотелось бы узнать подробнее, что же увидели исследователи в первый год после аварии. По чернобыльским исследованиям мы, например, знаем, что в ближней зоне хвойные деревья погибли в течение нескольких недель, лиственные породы тоже сильно пострадали. Так и в ближней зоне ВУРСа сразу после аварии, когда дозы превышали настоящий уровень более чем в 3000 раз, леса погибли. Сейчас там выросли уже новые. Природа сильна, ее приспособительные способности очень велики. Многообразными путями идет восстановление. На пострадавших участках велико видовое богатство как растений, так и животных, хотя радио­активное загрязнение тут еще огромное. Морфозы, то есть уродства, проявляются у растений в несколько раз чаще, чем на «чистых» территориях.
Наша задача - изучить состояние нынешних популяций растений ВУРСа, оценить отдаленные последствия аварии, выявить восстановительные механизмы, которые позволяют стабильно существовать в зоне загрязнения.

- Исследователи, первыми начавшие опасные работы в зоне, делали предварительные прогнозы?

- Их идея была проста: в лаборатории изучить радиочувствительность всех растений, которые составляют фитоценоз, загрузить данные в мощную ЭВМ - она покажет: какие виды погибнут, какие будут жить. А на деле оказалось все не так, прогнозы отличались от реальности, причем отклонения в 5 - 6 раз наблюдались как в сторону завышения, так и занижения эффектов.
Принципиально новым в наших исследованиях было введение в радиобиологию экологических понятий, принципов, законов. Нас интересовали проблемы «надорганизменного» уровня. Изучая конкретный модельный объект, мы рассматриваем не просто растение, а совокупность растений этого вида (популяцию) в зоне загрязнения. Учитываем экологические особенности видов и все типы изменчивости, присущие им в реальной среде обитания. Эта изменчивость может быть обусловлена генетической разнородностью популяций и многочисленными факторами среды, которые модифицируют действие радиации.

Например, погодные условия меняются от года к году, в зависимости от сочетания температуры и осадков в главные периоды формирования семян радиационный эффект может быть усилен или ослаблен. Если ограничиться оценкой за один год, можно попасть пальцем в небо. Это только физические факторы, а есть еще биотические воздействия, обусловленные связями между видами в экосистеме, которые могут быть прямые или косвенные, опосредованные, разнонаправленные. Комбинаторика этих факторов так разнообразна и сами биологические системы настолько сложны, что дать точный прогноз в принципе невозможно, это уже законы математики. Наша задача - вычленить основные характеристики живых организмов, отвечающие за успешное, долговременное существование популяций и определить диапазон их изменчивости при тех или иных сценариях развития событий.

Радиобиологи работают с чистыми линиями животных, сортовыми культурами в экспериментах, где все факторы контролируются. Это позволяет вычленить радио­биологические эффекты и выяснить механизмы действия радиации на уровне биомолекул, клеток, организмов. Радиоэкологи же не контролируют ни температуру, ни влажность, ни другие физико-химические параметры среды, ни такие биотические атаки, например, как повышение численности насекомых-вредителей. Мы рассматриваем комплекс живых биосистем и изменчивых условий такими, какими их создала природа. Зная результаты лабораторных исследований, основные радиобиологические закономерности, применяя экологические принципы, мы можем дать вероятностный прогноз судьбы разных видов в условиях радиоактивного загрязнения. То есть работать нужно и в той, и в другой сфере.

Отмечу еще одно обстоятельство. До Чернобыльской аварии основные интересы радиобиологов были сосредоточены на изу­чении действия больших доз радиации. Малые исследовались меньше. Между тем провести на них экстраполяцию эффектов из области больших доз невозможно, малое облучение имеет совершенно другие закономерности, они вызывают принципиально другие эффекты. Мы не касаемся человека - не наша тема, мы работаем с non-human biota - c животными, растениями. Но видим много общих эффектов.

- Что вы видите?

- Коротко: у растений в зоне ВУРСа встречается много морфозов. Все они - следствие генетических нарушений, возникающих постоянно как в соматических клетках, так и в генеративных, в последнем случае они наследуются. Например, у широко распространенного растения дремы белой в норме есть мужские и женские растения. А в зоне загрязнения мы нашли растения, у которых и женский, и мужской гаметафит представлены в одном цветке. Это явное генетическое нарушение. Мы высадили семена на опытных площадках, получили потомство - таких же гермафродитов, это наследуемое нарушение, которое является следствием мутации в мужской Y-хромосоме. Повышенный уровень нарушений может переходить из поколения в поколение, мы наблюдали этот эффект вплоть до шестого поколения.

Очень интересен сравнительный аспект проблемы техногенного воздействия на живые системы. У нас на Урале достаточно зон влияния различных промышленных предприятий, загрязняющих среду в первую очередь тяжелыми металлами. Мы сравнили, как влияет радиационный и химический стресс (зона Нижнетагильского металлургического комбината) на репродукцию растений на примере одуванчика. Этот вид широко распространен, это факультативный апомикт, то есть может давать семена без участия мужского начала, из неоплодотворенной яйцеклетки формируется полноценный зародыш. Получается потомство - «чистая линия».
Оказалось, что клоны из загрязненной тяжелыми металлами зоны после снятия этого стресса обладают высокой жизнеспособностью и устойчивы к провокациям разных негативных факторов. Клоны из зоны ВУРСа через год тоже дали потомство с высокой всхожестью, но устойчивость их к дополнительным воздействиям была очень низкой. Радиобиологи связывают подобный феномен с нестабильностью генома, которая, единожды возникнув, передается следующим поколениям.

- В чем проблема нестабильности генома?

- Он очень легко выводится из состояния равновесия. Предполагается, что ионизирующие излучения генерируют в нем разнообразные конформационные изменения, которые меняют скорость экспрессии разных генов. Это значит, что любое дополнительное воздействие: температурный фактор, тяжелые металлы, органические вещества, радиация, вирусы может вызвать нарушение гомеостаза, которое проявится на уровне организма. По этим причинам мы наблюдаем очень большую изменчивость разных признаков у растений в зоне ВУРСа. Если обычные факторы: температура, высокая влажность или засуха в фоновых популяциях вызывает лишь некоторое колебание физиологических показателей, то в радиационных зонах диапазон изменчивости в популяциях увеличен в несколько раз. Неблагоприятных условий среды в дополнение к радиационному воздействию достаточно, чтобы существенно снизить репродуктивный потенциал.

Но бывают годы, когда, напротив, в загрязненной зоне наблюдаются эффекты стимуляции. Это и дает большой диапазон изменчивости всех признаков и свойств, из которых самая важная - репродуктивная функция. Ведь популяции, как известно, существуют не только в пространстве, но и во времени. Чтобы они существовали долго, надо, чтобы потомство рождалось качественным.

Пойдем по уровням

- Каковы направления новых исследований?

- Тимофеев-Ресовский говорил: «Я по уровням прошел. И вам советую» Он был генетиком и утверждал, что на молекулярно-клеточном уровне записана вся генетическая информация. И она может быть изменена при облучении. Следующий уровень - организменный. Здесь информация становится явной, проявляется фенотипически. Ведь пока она в хромосомах, то может реализоваться, а может - нет. И третий уровень - популяционный. Там свои законы, идет отбор, решается, какая часть популяции останется и даст потомство. Это мы и реализуем, используя новые возможности: изучать наряду с морфологической и физиологической, ферментную структуру популяций, изменчивость ДНК. Так мы ближе подходим к истине, которую он постулировал, и эти исследования определяют наши перспективы на ближайшее время.

Распад стронция-90 еще продолжается, порождая эффективное бета-излучение. Формально считается, что должно пройти не менее десяти периодов полураспада, то есть 280 лет, чтобы пораженная в результате Кыштымской аварии территория стала относительно благополучной. Сформулировав концепцию отдаленных последствий, я могу уверенно сказать, что исследования биоты в зоне ВУРСа надо продолжать на всех уровнях организации живого. Восстановительные процессы в живых организмах и их сообществах наблюдаются наряду с эффектами поражения. У нас есть возможности выявить эти закономерности.

- Неужели только через 280 лет вокруг озера Карачай все будет нормально?

- С Карачаем все сложно. Его сейчас засыпают, можно гарантировать, что 1967 год не повторится. Но часть радиоактивно-загрязненных вод образовала линзу на значительной глубине, а контролировать грунтовые воды сложнее, чем поверхностные.
Задача наших дальнейших исследований не в том, чтобы посмотреть, как что-то влияет на что-то, а выявить некие фундаментальные основы жизни. Они очень хорошо проявляются, когда биосистемы выводят из рамок комфортности. Зона ВУРСа - природный полигон, на котором сюрпризов открывается очень много. У разных видов свои приспособления, и то, что работает у одного вида, например, защита на биохимическом уровне, совершенно не работает у другого.

Нам важно выявить весь спектр адаптивных реакций на разных уровнях. Еще пример: внутриклеточные системы восстановления открыты радиобиологами. Особые наборы ферментов запускаются после того, как произошло повреждение молекулы ДНК. Их задача - залечить это повреждение. Но значимость этих систем гораздо шире. Они залечивают любые повреждения вне зависимости от того, что их вызвало: химические вещества, вирусы, излучения. Это открытие фактически снимает главное противоречие эволюционной теории. Генетики открыли, что геном не является неизменным, множество факторов способно повлиять на него, однако виды остаются стабильными. И это благодаря мощным системам, восстанавливающим целостность генома.

- Есть практическое применение этих исследований?

- С одной стороны, это фундаментальные исследования, а с другой - мы оцениваем качество среды, в которой живем. Я не могу отметить какой-то очень горячий практический интерес. Но они нужны, это совершенно точно. Сейчас ПО «Маяк» строго контролирует исследование, но не мешает. На научных конференциях ссылаются на наши данные и когда нужно убедить население, чего стоит бояться, а чего не стоит. Практикам важно знать закономерности распространения радионуклидов в пространстве, безопасные для растений и животных уровни радиации. Мы отвечаем на эти вопросы.

- Насколько полно мы знаем, где и как загрязнено пространство, в котором мы живем?

- Открыто для научной общественности все, на Урале мы знаем практически все болевые точки. Ситуация меняется вокруг Белоярской АЭС: в первых блоках, построенных по иным технологиям, чем нынешние, охлаждавшая их вода сбрасывалась непосредственно в водоемы. Наблюдались повышенные концентрации и в зоне водохранилища, и в Ольховском болоте. Сейчас там запускают четвертый блок и планируется строительство пятого. Очень важно не повторять ошибок прошлого, исследовать, с какого стартового уровня новые блоки начнут работать, чтобы потом старые грехи не приписывались новым технологиям.