Биологическое действие радиоактивных излучений

Исследования биологического действия радиоактивных излучений были начаты сразу после открытия рентгеновского излучения (1895) и радиоактивности (1896). В 1896 русский физиолог И. Р. Тарханов показал, что рентгеновское излучение, проходя через живые организмы, нарушает их жизнедеятельность. Особенно интенсивно стали развиваться исследования биологического действия радиоактивных излучений с началом применения атомного оружия (1945), а затем и мирного использования атомной энергии. Для биологического действия радиоактивных излучений характерен ряд общих закономерностей:

• 1) Глубокие нарушения жизнедеятельности вызываются ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии. Так, энергия, поглощённая телом млекопитающего, животного или человека при облучении смертельной дозой, при превращении в тепловую привела бы к нагреву тела всего на 0,001°С. Попытка объяснить «несоответствие» количества энергии результатам воздействия привела к созданию теории мишени, согласно которой лучевое повреждение развивается при попадании энергии в особенно радиочувствительную часть клетки — «мишень» .
• 2) Биологическое действие радиоактивных излучений не ограничивается подвергнутым облучению организмом, но может распространяться и на последующие поколения, что объясняется действием на наследственный аппарат организма. Именно эта особенность очень остро ставит перед человечеством вопросы изучения биологического действия радиоактивных излучений и защиты организма от излучений.
• 3) Для биологического действия радиоактивных излучений характерен скрытый (латентный) период, т. е. развитие лучевого поражения наблюдается не сразу. Продолжительность латентного периода может варьировать от нескольких минут до десятков лет в зависимости от дозы облучения, радиочувствительности организма и наблюдаемой функции. Так, при облучении в очень больших дозах (десятки тыс. рад) можно вызвать «смерть под лучом», длительное же облучение в малых дозах ведёт к изменению состояния нервной и других систем, к возникновению опухолей спустя годы после облучения.

Радиочувствительность разных видов организмов различна. Смерть половины облученных животных (при общем облучении) в течение 30 суток после облучения (летальная доза — ЛД 50 /30) вызывается следующими дозами рентгеновского излучения: морские свинки 250 р, собаки 335 р, обезьяны 600 р, мыши 550—650 р, караси (при 18°С) 1800 р, змеи 8000—20 000 р. Более устойчивы одноклеточные организмы: дрожжи погибают при дозе 30 000 р, амёбы — 100 000 р, а инфузории выдерживают облучение в дозе 300 000 р. Радиочувствительность высших растений тоже различна: семена лилии полностью теряют всхожесть при дозе облучения 2000 р, на семена капусты не влияет доза в 64 000 р.

Большое значение имеют также возраст, физиологическое состояние, интенсивность обменных процессов организма, а также условия облучения. При этом, помимо дозы облучения организма, играют роль: мощность, ритм и характер облучения (однократное, многократное, прерывистое, хроническое, внешнее, общее или частичное, внутреннее), его физические особенности, определяющие глубину проникновения энергии в организм (рентгеновское и гамма-излучение проникает на большую глубину, альфа-частицы до 40 мкм, бета-частицы — на несколько мм), плотность вызываемой излучением ионизации (под влиянием альфа-частиц она больше, чем при действии других видов излучения). Все эти особенности воздействующего лучевого агента определяют относительную биологическую эффективность излучения. Если источником излучения служат попавшие в организм радиоактивные изотопы, то огромное значение для биологического действия радиоактивных излучений испускаемого этими изотопами, имеет их химическая характеристика, определяющая участие изотопа в обмене веществ, концентрацию в том или ином органе, а следовательно, и характер облучения организма. Первичное действие радиации любого вида на любой биологический объект начинается с поглощения энергии излучения, что сопровождается возбуждением молекул и их ионизацией. При ионизации молекул воды (косвенное действие излучения) в присутствии кислорода возникают активные радикалы (ОНи др.), гидратированные электроны, а также молекулы перекиси водорода, включающиеся затем в цепь химических реакций в клетке. При ионизации органических молекул (прямое действие излучения) возникают свободные радикалы, которые, включаясь в протекающие в организме химические реакции, нарушают течение обмена веществ и, вызывая появление несвойственных организму соединений, нарушают процессы жизнедеятельности. При облучении в дозе 1000 р в клетке средней величины (10−9г) возникает около 1 млн. таких радикалов, каждый из которых в присутствии кислорода воздуха может дать начало цепным реакциям окисления, во много раз увеличивающим количество измененных молекул в клетке и вызывающим дальнейшее изменение надмолекулярных (субмикроскопических) структур. Выяснение большой роли свободного кислорода в цепных реакциях, ведущих к лучевому поражению, т.н. кислородного эффекта, способствовало разработке ряда эффективных радиозащитных веществ, вызывающих искусственную гипоксию в тканях организма. Большое значение имеет и миграция энергии по молекулам биополимеров, в результате которой поглощение энергии, происшедшее в любом месте макромолекулы, приводит к поражению её активного центра (например, к инактивации белка-фермента). Физические и физико-химические процессы, лежащие в основе биологического действия радиоактивных излучений, т. е. поглощение энергии и ионизация молекул, занимают доли секунды.

Последующие биохимические процессы лучевого повреждения развиваются медленнее. Образовавшиеся активные радикалы нарушают нормальные ферментативные процессы в клетке, что ведёт к уменьшению количества богатых энергией (макроэргических) соединений. Особенно чувствителен к облучению синтез дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) в интенсивно делящихся клетках. Т. о., в результате цепных реакций, возникающих при поглощении энергии излучения, изменяются многие компоненты клетки, в том числе макромолекулы (ДНК, ферменты и др.) и сравнительно малые молекулы (аденозинтрифосфорная кислота, коферменты и др.). Это приводит к нарушению ферментативных реакций, физиологических процессов и клеточных структур. Воздействие ионизирующего излучения вызывает повреждение клеток. Наиболее важно нарушение клеточного деления — митоза. При облучении в сравнительно малых дозах наблюдается временная остановка митоза. Большие дозы могут вызвать полное прекращение деления или гибель клеток. Нарушение нормального хода митоза сопровождается хромосомными перестройками, возникновением мутаций, ведущими к сдвигам в генетическом аппарате клетки, а следовательно, к изменению последующих клеточных поколений (цитогенетический эффект.).

При облучении половых клеток многоклеточных организмов нарушение генетического аппарата ведёт к изменению наследственных свойств развивающихся из них организмов. При облучении в больших дозах происходит набухание и пикноз ядра (уплотнение хроматина), затем структура ядра исчезает. В цитоплазме при облучении в дозах 10 000—20 000 р наблюдаются изменение вязкости, набухание протоплазматических структур, образование вакуолей, повышение проницаемости. Всё это резко нарушает жизнедеятельность клетки. Сравнительное изучение радиочувствительности ядра и цитоплазмы показало, что в большинстве случаев чувствительно к облучению ядро (например, облучение ядер сердечной мышцы тритона в дозе нескольких протонов на ядро вызвало типичные деструктивные изменения; доза в несколько тысяч раз большая не повредила цитоплазмы). Многочисленные данные показывают, что клетки наиболее радиочувствительны в период деления и дифференцировки: при облучении поражаются, прежде всего, растущие ткани. Это делает облучение наиболее опасным для детей и беременных женщин. На этом же основана и радиотерапия опухолей — растущая ткань опухоли погибает при облучении в дозах, которые меньше повреждают окружающие нормальные ткани.

Возникающие в облучаемых клетках изменения ведут к нарушениям в тканях, органах и жизнедеятельности всего организма. Особенно выражена реакция тканей, в которых отдельные клетки живут сравнительно недолго. Это слизистая оболочка желудка и кишечника, которая после облучения воспаляется, покрывается язвами, что ведёт к нарушению пищеварения и всасывания, а затем к истощению организма, отравлению его продуктами распада клеток (токсемия) и проникновению бактерий, живущих в кишечнике, в кровь (бактериемия). Сильно повреждается кроветворная система, что ведёт к резкому уменьшению числа лейкоцитов в периферической крови и к снижению её защитных свойств. Одновременно падает и выработка антител, что ещё больше ослабляет защитные силы организма. (Уменьшение способности облученного организма вырабатывать антитела и тем самым противостоять внедрению чужеродного белка используется при пересадке органов и тканей — перед операцией пациента облучают.) Уменьшается и количество эритроцитов, с чем связано нарушение дыхательной функции крови. Биологическое действие радиоактивных излучений обусловливает нарушение половой функции и образования половых клеток вплоть до полного бесплодия (стерильности) облученных организмов. Важную роль в развитии лучевого поражения животных и человека играет нервная система. Так, у кроликов смертельный исход при облучении в дозе 1000 рчасто определяется нарушениями в центральной нервной системе, вызывающими остановку сердечной деятельности и паралич дыхания.

Исследования биоэлектрических потенциалов мозга облученных животных и людей, подвергающихся лучевой терапии, показали, что нервная система раньше других систем организма реагирует на радиационное воздействие. Облучение собак в дозе 5—20 р и хроническое облучение в дозе 0,05 р при достижении дозы в 3 р ведёт к изменению условных рефлексов. Большую роль в развитии лучевой болезни играют и нарушения деятельности желёз внутренней секреции.

Для биологического действия радиоактивных излучений характерно последействие, которое может быть очень длительным, т.к. по окончании облучения цепь биохимических и физиологических реакций, начавшихся с поглощения энергии излучения, продолжается долгое время. К отдалённым последствиям облучения относятся изменения крови (уменьшение числа лейкоцитов и эритроцитов), нефросклероз, циррозы печени, изменения мышечных оболочек сосудов, раннее старение, появление опухолей. Эти процессы связаны с нарушением обмена веществ и нейроэндокринной системы, а также повреждением генетического аппарата клеток тела (соматические мутации). Растения, по сравнению с животными, более радиоустойчивы. Облучение в небольших дозах может стимулировать жизнедеятельность растений — прорастание семян, интенсивность роста корешков, накопление зелёной массы и др. Большие дозы (20 000—40 000 р) вызывают снижение выживаемости растений, появление уродств, мутаций, возникновение опухолей.

Нарушения роста и развития растений при облучении в значительной степени связаны с изменениями обмена веществ и появлением первичных радиотоксинов, которые в малых количествах стимулируют жизнедеятельность, а в больших — подавляют и нарушают её. Так, промывка облученных семян в течение суток после облучения снижает угнетающий эффект на 50—70%. Лучевое повреждение организма сопровождается одновременно текущим процессом восстановления, который связан с нормализацией обмена веществ и регенерацией клеток. Поэтому облучение дробное или с малой мощностью доз вызывает меньшее повреждение, чем массивное воздействие. Изучение процессов восстановления важно для поисков радиозащитных веществ, а также средств и методов защиты организма от излучений. В небольших дозах все обитатели Земли постоянно подвержены действию ионизирующего излучения — космических лучей и радиоактивных изотопов, входящих в состав самих организмов и окружающей. Испытания атомного оружия и мирное применение атомной энергии повышают фон радиоактивный. Это делает изучение биологического действия радиоактивных излучений и поиски защитных средств всё более важными.

Биологическим действием радиоактивных излучений пользуются в биологических исследованиях, в медицинской и с.-х. практике. На биологическом действии радиоактивных излучений основаны лучевая терапия, рентгенодиагностика, радиоизотопная терапия. В сельском хозяйстве радиационные воздействия применяются с целью выведения новых форм растений, для предпосевной обработки семян, борьбы с вредителями (путём выведения и выпуска на поражаемые плантации обеспложенных облучением самцов), для лучевой консервации фруктов и овощей, предохранения продуктов растениеводства от вредителей (дозы, губительные для насекомых, безвредны для зерна) и др. Индивидуальная чувствительность человека зависит от множества факторов; в первую очередь — от возраста.

Сформировавшийся организм более устойчив к действию радиации, чем формирующийся (детский, юношеский). При остром лучевом поражении, которое вызывается общим облучением организма в больших дозах (наблюдается при ядерных взрывах и в случае аварий на ядерных установках), биологические эффекты радиации — гибель или различные формы лучевой болезни — проявляются в течение нескольких часов или дней после облучения. При дозах, превышающих 100 Зв (Зиверт — единица эквивалентной дозы в системе СИ. 1 Зв соответствует поглощенной дозе 1 Дж/кг гамма-излучения), наступает мгновенная гибель (первые часы) из-за необратимого повреждения нервных клеток (церебральный синдром). Дозы 50—100 Зв приводят к смертельному исходу на 5—6-е сутки после облучения. Кишечная форма лучевого поражения (желудочно-кишечный синдром) наблюдается в диапазоне 10—50 Зв и приводит к гибели на 10—14-й день. Типичная форма лучевой болезни развивается при дозе 1—10 Зв. Причем, если не принять медицинских мер, доза 3—5 Зв приводит к смерти 50% облученных людей в течение 30 дней. Облученных больных помещают в стерильные условия, делают переливание крови, для восстановления системы кроветворения выполняют пересадку костного мозга. Все это сопровождается введением общеукрепляющих и противовоспалительных средств. Типичными отдаленными последствиями перенесенной лучевой болезни являются астения (повышенная утомляемость), катаракта, повышенная восприимчивость к инфекционным заболеваниям за счет снижение иммунитета.

Радиоактивное облучение достоверно повышает риск возникновения рака, генетических повреждений и сокращает продолжительность жизни. Первую позицию в группе раковых заболеваний, вызванных облучением, занимают лейкозы, пик которых, в зависимости от возраста, приходится на период от 5 до 25 лет после облучения. Несколько позже возникают рак молочной и щитовидной железы, легких и других органов. Риск генетических повреждений в первых двух поколениях, по оценкам специалистов, составляет около 40% от риска заболевания раком.

Проблема влияния на организм человека облучения «малыми дозами» особо остро встала перед специалистами после аварии на ЧАЭС. Для ее решения требуется постоянное повсеместное обследование населения, наблюдение за состоянием здоровья участников ликвидации последствий аварии и людей, проживающих на загрязненных территориях. Уже на сегодняшний день отмечается рост случаев рака щитовидной железы, возрастание числа анемий, сердечных и других заболеваний, связанных с ослаблением иммунитета. Естественное излучение является обычной составной частью биосферы, абиотическим фактором, непрерывно действующим на организмы и образующим природный радиоактивный фон, который формируется за счет космического излучения и излучения радионуклидов, находящихся во внешней среде и внутри живых организмов. Искусственные источники излучения появляются в результате деятельности человека. Биологический эффект радиации определяется дозовой нагрузкой и может наблюдаться на всех уровнях организации живых систем. Индивидуальная чувствительность человека к радиоактивному облучению зависит от возраста, психоэмоционального состояния и т. д. Лучевое поражение в зависимости от дозы может привести к гибели, различным формам лучевой болезни, астении, катаракте, снижению иммунитета, сокращению продолжительности жизни, возрастанию риска появления рака, генетических повреждений.

Физические свойства ионизирующих излучений Альфа-излучение представляет собой поток альфа-частиц — ядер гелия-4. Альфа-частицы, рождающиеся при радиоактивном распаде, могут быть легко остановлены листом бумаги. Бета-излучение — это поток электронов, возникающих при бета-распаде; для защиты от бета-частиц энергией до 1 МэВ достаточно алюминиевой пластины толщиной в несколько миллиметров. Гамма-излучение обладает гораздо большей проникающей способностью, поскольку состоит из высокоэнергичных фотонов, не обладающих зарядом; для защиты эффективны тяжёлые элементы (свинец и т. д.), поглощающие МэВ-ные фотоны в слое толщиной несколько см. Проникающая способность всех видов ионизирующего излучения зависит от энергии.

По механизму взаимодействия с веществом выделяют непосредственно потоки заряженных частиц и косвенно ионизирующее излучение (потоки нейтральных элементарных частиц — фотонов и нейтронов). По механизму образования — первичное (рождённое в источнике) и вторичное (образованное в результате взаимодействия излучения другого типа с веществом) ионизирующее излучение.

Энергия частиц ионизирующего излучения лежит в диапазоне от нескольких сотен электронвольт (рентгеновское излучение, бета-излучение некоторых радионуклидов) до 1015 — 1020 и выше электронвольт (протоны космического излучения, для которых не обнаружено верхнего предела по энергии).

Длина пробега и проникающая способность сильно различаются — от микрометров в конденсированной среде (альфа-излучение радионуклидов, осколки деления) до многих километров (высокоэнергетические мюоны космических лучей).

Воздействие на конструкционные материалы Длительное воздействие корпускулярных излучений или фотонных излучений сверхвысоких энергий может существенно изменять свойства конструкционных материалов. Изучением этих изменений занимается инженерная дисциплина радиационное материаловедение. Раздел физики, занимающийся исследованием поведения твердых тел под облучением, получил названиерадиационная физика твердого тела. Наиболее значимыми типами радиационных повреждений является:

• · разрушение кристаллической решетки вследствие выбивания атомов из узлов;
• · ионизация диэлектриков;
• · Изменение химического состава веществ вследствие ядерных реакций.

Учет радиационных повреждений инженерных конструкций наиболее актуален для ядерных реакторов и полупроводниковой электроники, рассчитанной на работу в условиях радиации.

Воздействие на полупроводники Современные полупроводниковые технологии чувствительны к ионизирующей радиации. Тем не менее они широко применяются в военной и космической технике, в ядерной индустрии. При этом используется ряд технологических, схемотехнических и программных решений, уменьшающих последствия радиационного воздействия.

Основные типы радиационных повреждений, приводящих к разовым или необратимым отказам полупроводников:

• · Накопление электрического заряда в подзатворных диэлектриках вследствие ионизации. Приводит к смещению порога открывания полевых транзисторов и долговременному отказу. Уменьшение топологических норм увеличивает стойкость к такого типа повреждениям.
• · Фотоэффект на p-n переходах (аналогично солнечным батареям). Увеличивает паразитные утечки и ложные сигналы. Для борьбы с этим явлением используются специальные технологии, например изоляция компонентов диэлектриком.
• · Космические тяжелые заряженные частицы (ТЗЧ) высоких энергий, ионизируя атомы, рождают в полупроводнике лавину электронов. Это может приводить к изменению состояния цифровых схем и мощным помехам в аналоговых схемах. В худшем случае к пробою изоляторов или тиристорному защелкиванию приборов с изоляцией p-n переходом. С последним борются изоляцией диэлектриком; изоляцией двумя p-n переходами (triple-well процесс); контролем тока потребления узлов с перезапуском по аварийному росту потребления.
• · Разрушение кристаллической структуры и изменение химического состава полупроводниковых приборов.

Химическое действие ионизирующего излучения Ионизирующее излучение может вызывать химические превращения вещества. Такие превращения изучает радиационная химия. Под действием ионизирующего излучения происходят следующие превращения:

• · Превращение молекул кислорода в молекулы озона, из-за чего металлы быстро окисляются.
• · Разложение воды на кислород и водород с образованием некоторого количества перекиси водорода.
• · Превращение аллотропических модификаций в более устойчивые: белого фосфора в красный, белого олова в серое, алмаза в графит.
• · Разложение на простые вещества газов — углекислого газа, сернистого газа, сероводорода, хлороводорода, аммиака.
• · Полимеризация соединений, содержащих двойные и тройные связи.

Биологическое действие ионизирующих излучений Разные типы ионизирующего излучения обладают разным разрушительным эффектом и разным способом воздействия на биологические ткани. Соответственно, одной и той же поглощённой дозе соответствует разная биологическая эффективность излучения. Поэтому для описания воздействия излучения на живые организмы вводят понятие относительной биологической эффективности излучения, которая измеряется с помощью коэффициента качества. Для рентгеновского, гаммаи бета-излучений коэффициент качества принят за 1. Для альфа-излучения и осколков ядер коэффициент качества 10…20. Нейтроны — 3…20 в зависимости от энергии. Для заряженных частиц биологическая эффективность прямо связана с линейной передачей энергии данного типа частиц (средняя потеря энергии частицей на единицу длины пробега частицы в ткани).

Единицы измерения Для учёта биологического эффекта поглощённой дозы была введена эквивалентная поглощённая доза ионизирующего излучения, численно равная произведению поглощённой дозы на коэффициент биологической эффективности. В системе СИ эффективная и эквивалентная поглощенная доза измеряется в зивертах (Зв, англ. sievert, Sv).

Ранее широко применялась единица измерения эквивалентной дозы бэр (Биологический Эквивалент Рентгена для гамма-излучения, англ. rem). Эквивалентная доза 1 бэрсоответствует облучению гамма-квантами с поглощённой дозой 1 рентген. Эквивалентная поглощённая доза приводится к поглощённой дозе гамма-излучения, поскольку массовые измерительные приборы регистрируют в основном именно гамма-излучение, и такая величина наиболее соответствует возможностям измерений. Для рентгеновского и гамма-излучений 1 бэр = 0,01 Зв, соответственно принимают, что 1 рентген = 0,01 Зв.

Помимо биологической эффективности, необходимо учитывать проникающую способность излучений. Например, тяжёлые ядра атомов и альфа-частицы имеют крайне малую длину пробега в сколько-нибудь плотном веществе, поэтому радиоактивные альфа-источники опасны при попадании внутрь организма. Наоборот, гамма-излучение обладает значительной проникающей способностью.

Некоторые радиоактивные изотопы способны встраиваться в процесс обмена веществ живого организма, замещая неактивные элементы. Это приводит к удержанию и накоплению радиоактивного вещества непосредственно в живых тканях, что существенно увеличивает опасность контакта. Например, широко известны йод-131, изотопы стронция, плутония и т. п. Для характеристики этого явления используется понятие период полувыведения изотопа из организма.

Механизмы биологического воздействия Первичное действие ионизирующих излучений — это прямое попадание в биологические молекулярные структуры клеток и в жидкие (водные) среды организма. Вторичное действие — действие свободных радикалов, возникающих в результате ионизации, создаваемой излучением в жидких средах организма и клеток. Свободные радикалы вызывают разрушения целостности цепочек макромолекул (белков и нуклеиновых кислот), что может привести как к массовой гибели клеток, так и канцерогенезу и мутагенезу. Наиболее подвержены воздействию ионизирующего излучения активно делящиеся (эпителиальные, стволовые, также эмбриональные) клетки.

После действия излучения на организм в зависимости от дозы могут возникнуть детерминированные и стохастические радиобиологические эффекты. Например, порог появления симптомов острой лучевой болезни у человека составляет 1—2 Зв на всё тело.

В отличие от детерминированных, стохастические эффекты не имеют чёткого дозового порога проявления. С увеличением дозы облучения возрастает лишь частота проявления этих эффектов. Проявиться они могут как спустя много лет после облучения (злокачественные новообразования), так и в последующих поколениях (мутации)[14].

Основным источником информации о стохастических эффектах воздействия ионизирующего излучения являются данные наблюдений за здоровьем людей, переживших атомные бомбардировки или радиационные аварии. Специалисты наблюдали 87 500 человек, переживших атомные бомбардировки. Средняя доза их облучения составила 240 миллизиверт. При этом прирост онкологических заболеваний за последующие годы составил 9%. При дозах менее 100 миллизиверт отличий между ожидаемой и наблюдаемой в реальности заболеваемостью никто в мире не установил.

Гигиеническое нормирование ионизирующих излучений Нормирование осуществляется по санитарным правилам и нормативам СанПин 2.6.1.2523−09 «Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009)». Устанавливаются дозовые пределы эффективной дозы для следующих категорий лиц:

• · персонал — лица, работающие с техногенными источниками излучения (группа А) или находящиеся по условиям работы в сфере их воздействия (группа Б);
• · все население, включая лиц из персонала, вне сферы и условий в их производственной деятельности.

Основные пределы доз и допустимые уровни облучения персонала группы Б равны четверти значений для персонала группы А.

Эффективная доза для персонала не должна превышать за период трудовой деятельности (50 лет) 1000 мЗв, а для обычного населения за всю жизнь — 70 мЗв. Планируемое повышенное облучение допускается только для мужчин старше 30 лет при их добровольном письменном согласии после информирования о возможных дозах облучения и риске для здоровья.

биологический радиоактивный излучение.