Заметки фитохимика. Радио-банан

Каждое чудо должно найти свое объяснение, иначе оно просто невыносимо…
К.Чапек

Я практически не касаюсь в своих статьях вещей, которые повсеместно описаны и легко доступны, к примеру макро- и микроэлементного состава фруктов/овощей. Но вот для банана решил сделать исключение. В банане много калия! Подними любого среди ночи и спроси, что полезное есть в банане — получишь ответ «калий для сердца» (утрирую, но не далеко от истины). А калий, он элемент непростой. В общем, чтобы узнать так ли велика радиоактивность от банана и так ли она страшна — идем под кат.
p.s. заметка «по просьбам трудящихся».

Калий относится к т.н. биогенным элементам, т.е. он постоянно присутствует в живом организме и играет важную биологическую роль. В теле человека содержится около 0,35% калия. 98% из этого количества приходится на клетки, а остальные 2% — это внеклеточная жидкость (в том числе и кровь). Градиент концентраций поддерживается т.н. «Na⁺/K⁺ насосом». Факт наличия электрохимического градиента калия между внутриклеточным и внеклеточным пространством важен для работы нервной функции (реполяризация клеточной мембраны, например). При гипокалиемии (недостатке калия) вследствие замедления реполяризации желудочков увеличивается риск нарушения сердечного ритма, который зачастую может привести к остановке сердца. В общем, ясно что очень организму нужен. Поступает он, в большинстве случаев (как и другие микроэлементы) с продуктами питания.

Важно! При необходимости уточнить какие-то данные по определенным микроэлементам, я пользуюсь базой департамента США по сельскому хозяйству (United States Department of Agriculture Agricultural Research Service, оно же USDA) и вам настоятельно советую.

Так вот, по данном этой базы, в бананах примерно 358 мг калия на 100 г продукта, сравнимой «мощностью» из доступных тропических «гостей» обладает только киви со своими 522 мг калия. Все остальное достаточно редкие штуки (тамаринд — 628 мг, авокадо — 485 мг (не редкое, в суши часто встречается), дуриан — 436 мг, гуава — 417 мг, маракуйя — 348 мг). При этом сравните с родненькими «возле каждого выхода из метро» продуктами: укроп — 738 мг, шпинат — 558 мг, петрушка — 554 мг, кинза — 521 мг, даже щавель тот лесной и то 390 мг на 100 грамм продукта содержит. Есть и в овощах кой-чего: капуста брюссельская — 389 мг, тыква — 340 мг, смородина черная — 322 мг. Так что перед очередным «найти %nutrient% за 60 секунд на полке с субтропическими фруктами», гляньте по USDA базе, может все уже есть в морковке или кабачках…

В любом овоще/фрукте/зелени помимо калия, есть и его изотопы. Стабильными являются ³⁹K (93,08% от общей массы), ⁴⁰K (0,01% от общей массы, период полураспада 1,248*10⁹ лет), ⁴¹K (6,91% от общей массы). Все остальные живут от часов до наносекунд и распадаются:

Необычен наш микроэлемент (относительно других) тем, что имеет изотоп ⁴⁰K, который является редким примером изотопа, который подвергается обоим типам бета-распада. Приблизительно в 89,28% случаев он распадается на кальций-40 (⁴⁰Ca) с испусканием бета-частицы (β^—, электрон ) с максимальной энергией 1,31 МэВ и антинейтрино. Около 10,72% времени он распадается на аргон-40 (⁴⁰Ar) путем захвата электронов с испусканием гамма-излучения с энергией 1,460 МэВ и нейтрино. Радиоактивный распад этого конкретного изотопа объясняет большое содержание аргона (почти 1%) в земной атмосфере, а также высокое его содержание по сравнению с ³⁶Ar. Очень редко (в 0,001% случаев) он распадается до⁴⁰Ar, испуская позитрон (β⁺) и нейтрино. Про последнюю реакцию писалось в Хабра-статье . Дескать банан-источник антиматерии.

Благодаря озвученным фактам, именно ⁴⁰K является крупнейшим источником естественной радиоактивности животных, включая человека. В грамме природного калия происходит в среднем 32 распада калия-40 в секунду (32 беккереля, или 865 пикокюри или примерно одна триллионная часть кюри). Человеческое тело весом 70 кг содержит около 175 г калия, следовательно, каждую секунду происходит около 5400 распадов (≈ 5400 беккерель), притом непрерывно на протяжении всей человеческой жизни.

Беккерель (русское обозначение: Бк; международное: Bq) — единица измерения активности радиоактивного источника в Международной системе единиц (СИ). Один беккерель определяется как активность источника, в котором за 1 секунду происходит в среднем 1 радиоактивный распад. Единица названа в честь французского учёного Антуана Анри Беккереля, одного из первооткрывателей радиоактивности.

В принципе, ничего тут удивительного нет. В природе существуют и более радиоактивные продукты питания, притом радиоактивные не только из-за ⁴⁰K, но и, к примеру, радия (изотопы ²²⁶Ra, ²²⁸Ra). В качестве примера отлично подойдет бразильский орех, радиоактивность которого может достигать 12000 пикокюри на килограмм и выше (450 Бк/кг и выше).

На заметку: хуже всех в этом плане приходится курильщикам, так как табак содержит не только уже упомянутый радий ²²⁶Ra, но торий ²³⁴Th, полоний ²¹⁰Po и еще кучу всего.

Но почему-то товарищ Гэри Мэнсфилд из Ливерморской национальной лаборатории им. Лоуренса, делая рассылку по ядерной безопасности RadSafe в 1995 году, написал именно про «банановую эквивалентную дозу» и началась новая эпоха. Эпоха радиактивного банана (банановый эквивалент — штука гораздо более ядреная, чем банановый аргумент, описанный в статье).

Эквивалентная доза банана (BED) — это абсолютно неофициальная единица, которая характеризует воздействия ионизирующего излучения. Ее основное назначение — выступать в качестве доступного даже рядовому пользователя эталона, с которым можно легко сравнить дозы радиоактивности. Фактически это инструмент для описания бесконечно малых доз радиации (и бесконечно малых рисков для населения от них). Выдержка из Википедии (RU):

… Поскольку смерть или тяжелое заболевание, вызванное малой дозой облучения (ниже 0,5 Гр) крайне редки, выяснилось, что уверенно связать их с воздействием радиации на организм невозможно — потребуются наблюдения в течение длительного времени (более 12-ти лет) над огромной выборкой людей, подвергшихся облучению в такой дозе. Более того, было обнаружено положительное влияние малых доз радиации на живые организмы — гормезис. С малыми дозами радиации также связан феномен массового сознания, когда неопределенность в вопросе безопасности (или уверенность в том, что существующая опасность незначительна) трактуются как заведомое наличие опасности и формируется массовый страх перед малыми дозами радиации.

Пару слов про радиационный гормезис:

Термин радиационный гормезис был предложен в 1980 году Т. Д. Лакки и означает благоприятное воздействие малых доз облучения. Механизм радиационного гормезиса на уровне клетки теплокровных животных состоит в инициировании синтеза белка, активации гена, репарации ДНК в ответ на стресс — воздействие малой дозы облучения (близкой к величине естественного радиоактивного фона Земли). Эта реакция в конечном итоге вызывает активацию мембранных рецепторов, пролиферацию спленоцитов и стимуляции иммунной системы. (1994 г. — доклад Международного комитета ООН по действию атомной радиации).

Будучи воспитанником кафедры химии высоких энергий, я к понятию гормезиса (~радиационного гормезиса) отношусь с уважением (уважение, в свое время подкрепилось экспериментальной куросовой работой в одной из больниц). Но таки считаю, что маленькое но постоянно, вреднее чем большое, но единоразово. Капля камень точит.

Чтобы получше ориентироваться, что малая доза, а что НЕ малая — можно использовать, помимо бананового эквивалента и наглядное пособие — сводную таблицу доз облучения (увеличить), созданную инженером и популяризатором науки Рэндаллом Патриком Монро (прим. мое — банановый эквивалент обведен красной рамкой).

Ну а если таблица по каким-то параметрам не устравивает, возвращаемся к нашему банановому эквиваленту. 1 BED приблизительно равен дозе радиоактивности, которую человек получает при употреблении в пищу одного среднего размера банана, весом около 150 г (5,3 унции) с активностью изотопов примерно 15 Бк. Рассчитывается это все умножая ожидаемую эквивалентную дозу которую может хватануть взрослый человек за 50 лет от чистого изотопа ⁴⁰K на активность изотопа и на массу калия в банане. Получаем:

1 BED ≈ 5,02 нЗв/Бк х 32 Бк/г х 0,537 г ≈ 86 нЗв = 0,086 мкЗв (µSv) = 8,6 микрорентген (μrem)

В основном принято округлять это значение до 0,1 мкЗв (10 микрорентген) для упрощения расчетов и простоты восприятия. В общем, если съедать по одному среднему банану в год, суммарная эквивалентная доза будет ≈ 37 мкЗв ≈ 3,7 мбэр.

Кстати, ожидаемая эквивалентная доза (5,02 нЗв/Бк) взята из американских источников (EPA). А вот Международная комиссия по радиологической защите использует другое значение для этого коэффициента = 6,2 нЗв/Бк и тогда при пересчете циферка получится не такая красивая. Считать будет сложнее, представлять масштабы и т.п. Поэтому используют американские данные.

На заметку: т.е. теоретически, используя приведенную формулу может создать свой %ОВОЩ/ФРУКТ% эквивалент относительно ⁴⁰K. К примеру, средний вес товарного клубня сорта (мешок которого Лукашенко подарил Путину на Новый год) составляет 100 грамм. Идем смотреть базу департамента США по сельскому хозяйству на факт содержания калия в картофеле. Важно еще выбрать правильный вариант (с кожицей/без и т.п.). Ну пусть в среднем будет 430 мг калия. Считаем и получаем 6,9 микрорентген. Выводы делайте самостоятельно (или не делайте, а читайте дальше).

Почему единица является неофициальной (и даже шуточной)? А потому что «внешний» калий (а значит и его изотопы), поступивший в организм с пищей, в нем не накапливается (т.е. «банановая доза» не является кумулятивной). Виной тому гомеостаз человеческого организма.

Гомеоста́з (др.-греч. ὁμοιοστάσις от ὅμοιος «одинаковый, подобный» + στάσις «стояние; неподвижность») — саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия.

Т.е. любой избыток компонента, поступивщий с пищей, достаточно быстро компенсируется выводом такого же количества с выделениями организма. Фактически, дополнительное облучение, вызванное употреблением банана, длится всего несколько часов после приема, то есть до тех пор, пока почки не восстановят нормальное содержание калия в организме. Говорит нам об этом и документ, выпущенный Агентством по охране окружающей среды США. Процитирую:

Для радиоизотопов элементов, активно участвующих в гомеостазе человеческого тела поправочные коэффициенты для расчета риска вдыхания или проглатывания, приведенные в этом документе, не подходят для применения в некоторых случаях. Например, коэффициент риска проглатывания для ⁴⁰К не подходит для расчета при употреблении природных продуктов, содержащих повышенное содержание ⁴⁰К. Это связано с тем, что биокинетическая модель, используемая в этом документе, подразумевает относительно медленное удаление этого элемента (биологический период полураспада 30 дней), что имеет место при среднестатистических объемах поступления калия в организм. Резкое же повышение употребления калия с продуктами приводит к выведению из организма равной массы биогенного калия (в том числе и изотопа ⁴⁰К) за короткий период.

Плюс ко всему, если предполагаемое время нахождения некой массы, насыщенной изотопом, в организме уменьшается в N раз (из-за одновременного приема слабительного, к примеру), то и расчетная эквивалентная поглощенная доза уменьшается в N раз тоже.

Так что… Гораздо более вредным явлением, на мой взгляд, является случай, когда множество маленьких источников излучения объединяются (в хранилищах или на складах). Недаром ходят байки о ложных срабатываниях датчиков ионизирующей радиации на таможнях США, когда через пропускной пункт проезжали машины груженые бананами.

Не знаю, многие ли в курсе, но Канада, Беларусь и Россия — являются крупнейшими производителями калийных удобрений в мире (!). Чаще всего эти удобрения идут в виде хлорида калия КCl, калимагнезии K₂SO₄*MgSO₄ и редкой калийной селитры KNO₃. А тут уже масштабы далеко не банановые. К примеру, в 1 кг самого распространенного калийного удобрения KCl (хлорид калия) ~ 524 грамма калия, т.е. это почти 1000 BED (тысячу бананов). Естественно никто в здравом уме есть это удобрение не будет, да и не сможет, т.к. довольно сильный яд. Но вот часто видел, особенно во время весенней посевной в Беларуси, мужиков, прилегших отдохнуть на мешки с удобрениями.

Грубо говоря — нашпигует электронами (распад с выделением гамма-кванта не берем в расчет) спину довольно быстро. Полиэтилен мешка не спасет. Ниже картинка для тех кто забыл уроки ГО (или у кого их попросту не было 🙁 )

Бета-частицы (электроны) более или менее могут поглощаться только несколькими миллиметрами алюминия. Обматывайтесь фольгой, перед тем как прилечь, что ли…

В завершение, как всегда, маленькая лабораторная работа на тему «изучаем дозиметр». На картинках сравнение бананов и некоторых солей, содержащих калий.

А вот такие значения у китайского же KCl (хлорид калия)

Ну и разговор про соли был бы неполным, если не упомянуть КBr (тот самый, седативный, который якобы скармливают солдатикам в козармах для уменьшения либидо), советского еще производства

Разница, как говорится, видна невооруженным глазом. Так что…

Мораль заметки: радиоактивность банана=существующая тысячелетиями радиоактивность изотопа ⁴⁰К. Если вы прибыли из созвездия Сириуса (и это смогут подтвердить все догоны) с другим уровнем фоновой радиации — от бананов придется отказаться (и от беларуской картошечки, кстати, тоже), а всем остальным — «не думайте про это». Курение, кстати, вредит гораздо сильнее (по объективным причинам, вроде того, что гамма-излучение, возникающее при распаде изотопов имеющихся в табаке, проникает сильнее, чем какой-то там электрон из банана).

Cергей Бесараб (Siarhei V. Besarab)