Ионизирующее излучение, его воздействие и последствия

За последние десятилетия человек усиленно занимался проблемами ядерной физики. Он создал сотни искусственных радионуклидов, научился использовать возможности атома в самых различных отраслях - в медицине, при производстве электро- и тепловой энергии, изготовлении светящихся циферблатов часов, множества приборов, при поиске полезных ископаемых и в военном деле. Все это, естественно, приводит к дополнительному облучению людей. В большинстве случаев дозы невелики, но иногда техногенные источники оказываются во много тысяч раз интенсивнее, чем естественные

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Практическое использование ионизирующих излучений

 

Область применения ионизирующих излучений очень широка:

- в промышленности – это гигантские  реакторы для атомных электростанций, для опреснения морской и засолённой  воды, для получения трансурановых  элементов; также их используют  в активационном анализе для  быстрого определения примесей  в сплавах, металла в руде, качества  угля и т.п.; для автоматизации  различных процессов, как то: измерение  уровня жидкости, плотности и  влажности среды, толщины слоя;

- на транспорте – это мощные  реакторы для надводных и подводных  кораблей;

- в сельском хозяйстве – это  установки для массового облучения  овощей с целью предохранения  их от плесени, мяса – от  порчи; выведение новых сортов  путём генетических мутаций;

- в геологии – это нейтронный  каротаж для поисков нефти, активационный  анализ для поисков и сортировки  металлических руд, для определения  массовой доли примесей в естественных  алмазах;

- в медицине – это изучение  производственных отравлений методом  меченых атомов, диагностика заболевания  при помощи активационного анализа, метода меченых атомов и радиографии, лечение опухолей γ-лучами и  β-частицами, стерилизация фармацевтических  препаратов, одежды, медицинских инструментов  и оборудования γ-излучением и  т.д.

Применение ионизирующих излучений имеет место даже в таких сферах деятельности человека, где это, на первый взгляд, кажется совершенно неожиданным. Например, в археологии. Кроме того, ионизирующие излучения используются в криминалистике (восстановление фотографий и обработка материалов).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Биологическое действие ионизирующих излучений.

 

 Под биологическим  действием И. и. понимают многообразные  реакции, возникающие в облучаемом  биологическом объекте, начиная  от первичных процессов размена  энергии излучения до эффектов, проявляющихся спустя длительное  время после радиационного воздействия. Знание механизмов биологического  действия И. и. необходимо для  экстренного принятия адекватных  мер обеспечения радиационной  безопасности персонала и населения  при авариях на атомных электростанциях  и других предприятиях атомной  промышленности. Для ионизации большинства  элементов, входящих в состав  биологического субстрата, необходимо  достаточно большое количество  энергии — 10—15 эВ, называемое потенциалом ионизации. Поскольку частицы и фотоны И. и. обладают энергией от десятков до миллионов эВ, что намного превышает энергию внутри- и межмолекулярных связей молекул и веществ, составляющих любой биологический субстрат, то поражающему радиационному воздействию подвержено все живое.

Максимально упрощенная схема начальных этапов лучевого поражения состоит в следующем. Вслед и по сути одновременно с передачей энергии И. и. атомам и молекулам облученной среды (физический этап биологического действия И. и.) в ней развиваются первичные радиационно-химические процессы, в основе которых лежат два механизма: прямой, когда молекулы вещества испытывают изменения при непосредственном взаимодействии с И. и., и косвенный, при котором изменяемые молекулы непосредственно не поглощают энергию И. и., а получают ее путем передачи от других молекул. В результате этих процессов образуются свободные радикалы и другие высокореакционные продукты, приводящие к изменению жизненно важных макромолекул, а в финале — к конечному биологическому эффекту. В присутствии кислорода радиационно-химические процессы интенсифицируются (кислородный эффект), что при прочих равных обстоятельствах способствует усилению биологического действия. Следует иметь в виду, что изменения облучаемого субстрата не являются обязательно окончательными и необратимыми. Как правило, конечный результат в каждом конкретном случае не может быть предсказан, т. к наряду с лучевым повреждением может произойти и восстановление исходного состояния.

Воздействие И. и. на живой организм принято называть облучением, хотя это не совсем точно, ибооблучение организма может осуществляться и любым другим видом неионизирующего излучения (видимым светом, инфракрасным, ультрафиолетовым, высокочастотным излучением и др.). Эффективность облучения зависит от фактора времени, под которым понимают распределение дозы ионизирующего излучения (Доза ионизирующего излучения) во времени. Наиболее эффективно однократное острое облучение при высокой мощности дозы И. и. Пролонгированное хроническое или прерывистое (фракционированное) облучение в заданной дозе оказывает меньшее биологическое действие, благодаря процессам пострадиационного восстановления (Пострадиационное восстановление).

Различают внешнее и внутреннее облучение. При внешнем облучении источник И. и. располагается вне организма, а при внутреннем (инкорпорированном) оно осуществляется радионуклидами, попавшими в организм через дыхательную систему, желудочно-кишечный тракт или через поврежденную кожу.

Биологическое действие И. и. в значительной степени зависит от его качества, в основном определяемого линейной передачей энергии (ЛПЭ) — энергией, теряемой частицей на единице длины ее пробега в веществе среды. В зависимости от значения ЛПЭ все И. и. делят на редкоионизирующие (ЛПЭ менее 10 кэВ/мкм) и плотноионизирующие (ЛПЭ более 10 кэВ/мкм). Воздействие разными видами И. и. в равных поглощенных дозах приводит к разным по величине эффектам. Для количественной оценки качества излучения введено понятие относительной биологической эффективности (ОБЭ), которую обычно оценивают сравнением дозы изучаемого И. и., вызывающей определенный биологический эффект, с дозой стандартного И. и., обусловливающей такой же эффект. Условно можно считать, что ОБЭ зависит только от ЛПЭ и возрастает с увеличением последней.

На каком бы уровне — тканевом, органном, системном или организменном не рассматривалось биологическое действие И. и., его эффект всегда определяется действием И. и. на уровне клетки. Детальное изучение реакций, инициируемых в клетке И. и., составляет предмет фундаментальных исследований радиобиологии (Радиобиология). Следует заметить, что большинство реакций, возбуждаемых И. и., в том числе и такая универсальная реакция, как задержка клеточного деления, является временной, преходящей и не сказывается на жизнеспособности облученной клетки. К реакциям такого типа — обратимым реакциям — относятся также различные нарушения метаболизма, в т.ч. угнетение обмена нуклеиновых кислот и окислительного фосфорилирования, слипание хромосом и др. Обратимость этого типа лучевых реакций объясняется тем, что они являются следствием повреждения части множественных структур, утрата которой очень быстро восполняется или просто остается незамеченной. Отсюда и характерная особенность этих реакций: с увеличением дозы И. и. возрастает не доля реагирующих особей (клеток), а величина, степень реакции (например, продолжительность задержки деления) каждой облученной клетки.

Существенно иную природу имеют эффекты, приводящие облученную клетку к гибели, — летальные лучевые реакции. Под клеточной гибелью в радиобиологии понимают утрату клеткой способности к делению. Напротив, «выжившими» считаются те клетки, которые сохранили способность к размножению (клонированию).

Радиочувствительность ткани пропорциональна ее пролиферативной активности и обратно пропорциональна степени дифференцированности составляющих ее клеток. Поэтому наиболее радиочувствительными являются активно пролиферирующие органы и системы — система кроветворения,слизистая оболочка кишечника, яички, кожа. Массовая гибель клеток костного мозга, происходящая при общем облучении организма, приводит к несовместимому с жизнью поражению системы кроветворения. Поэтому костный мозг относят к основным критическим органам (см. Лучевая болезнь).

Существуют две формы летальных реакций, которые гибельны для делящихся и малодифференцированных клеток: интерфазная, при ней клетка погибает вскоре после облучения, во всяком случае до наступления первого митоза, и репродуктивная, когда пораженная клетка гибнет не сразу после воздействия И. и., а в процессе деления. Наиболее распространена репродуктивная форма летальных реакций. Основной причиной гибели клеток при ней являются возникающие под влиянием облучения структурные повреждения хромосом. Эти повреждения легко обнаруживаются при цитологическом исследовании клеток на разных стадиях митоза и имеют вид хромосомных перестроек, или хромосомных аберраций. Из-за неправильного соединения хромосом и просто утраты их концевых фрагментов при делении потомки такой поврежденной клетки несомненно погибнут сразу же после данного деления или в результате двух-трех последующих митозов (в зависимости от значимости утраченного генетического материала для жизнеспособности клетки). Возникновение структурных повреждений хромосом — процесс вероятности, в основном связанный с образованием двойных разрывов в молекуле ДНК, т.е. с нерепарируемыми повреждениями жизненно важных клеточных макромолекул. В связи с этим, в отличие от рассмотренных выше обратимых клеточных реакций, с увеличением дозы И. и. возрастает число (доля) клеток с летальным повреждением генома, строго описываемая для каждого вида клеток в координатах «доза — эффект». В настоящее время разработаны специальные методы выделения клоногенных клеток из различных тканей in vivo и их выращивания in vitro, с помощью чего после построения соответствующих дозовых кривых выживания количественно оцениваютрадиочувствительность изучаемых органов и возможности ее изменения в нужном направлении. Кроме того, подсчет числа клеток с хромосомными аберрациями на специальных препаратах используют в целях биологической дозиметрии для оценки радиационной обстановки, например на борту космического корабля, а также для определения степени тяжести и прогноза острой лучевой болезни.

Описанные лучевые реакции клеток лежат в основе непосредственных эффектов, проявляющихся в первые часы, дни, недели и месяцы после общего облучения организма или локального облучения отдельных сегментов тела. К ним относятся, например, эритема, лучевые дерматиты, различные проявления острой лучевой болезни (лейкопения, аплазия костного мозга, геморрагический синдром, поражения кишечника), стерильность (временная или постоянная, в зависимости от дозы И. и.).

Спустя длительное время (месяцы и годы) после облучения развиваются отдаленные последствия местного и общего радиационного воздействия. К ним относятся сокращение продолжительности жизни, возникновение злокачественных новообразований и радиационная катаракта. Патогенез отдаленных последствий облучения в большей степени связывают с повреждением тканей, характеризующихся низким уровнем пролиферативной активности, из которых состоит большинство органов животных и человека. Глубокое знание механизмов биологического действия И. и. необходимо, с одной стороны, для разработки способов противолучевой защиты (Противолучевая защита) и патогенетического лечения радиационных поражений, а с другой — для изыскания путей направленного усиления лучевого воздействия при радиационно-генетических работах и других аспектах радиационной биотехнологии или при лучевой терапии злокачественных новообразований с помощью радиомодифицирующих агентов. Кроме того, понимание механизмов биологического действия И. и. необходимо врачу на случай экстренного принятия адекватных мер обеспечения радиационной безопасности персонала и населения при авариях на атомных электростанциях и других предприятиях атомной промышленности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Последствия облучения

 

Одно из наиболее ранних проявлений облучения – массовая гибель клеток лимфоидной ткани. Образно говоря, эти клетки первыми принимают на себя удар радиации. Гибель лимфоидов ослабляет одну из основных систем жизнеобеспечения организма – иммунную систему, так как лимфоциты – такие клетки, которые способны реагировать на появление чужеродных для организма антигенов выработкой строго специфических антител к ним.

В результате воздействия энергии радиационного излучения в малых дозах в клетках происходят изменения генетического материала (мутации), угрожающие их жизнеспособности. Как следствие наступает деградация (повреждение) ДНК хроматина (разрывы молекул, повреждения), которые частично или полностью блокируют или извращают функцию генома. Происходит нарушение репарации ДНК – способности её к восстановлению и залечиванию повреждений клеток при повышении температуры тела, воздействии химических веществ и пр.

Генетические мутации в половых клетках оказывают влияние на жизнь и развитие будущих поколений. Этот случай характерен, например, если человек подвергся воздействию небольших доз радиации во время экспозиции в медицинских целях. Существует концепция – при получении дозы в 1 бэр предыдущим поколением она даёт дополнительно в потомстве 0.02 % генетических аномалий, т.е. у 250 младенцев на миллион. Эти факты и многолетние исследования данных явлений привели ученых к выводу, что безопасных доз радиации не существует.

Воздействие ионизирующих излучений на гены половых клеток может вызвать вредные мутации, которые будут передаваться из поколения в поколение, увеличивая «мутационный груз» человечества. Опасными для жизни являются условия, увеличивающие «генетическую нагрузку» вдвое. Такой удваивающей дозой является, по выводам научного комитета ООН по атомной радиации, доза в 30 рад при остром облучении и 10 рад при хроническом (в течение репродуктивного периода). С ростом дозы повышается не тяжесть, а частота возможного проявления.

Мутационные изменения происходят и в растительных организмах. В лесах, подвергшихся выпадению радиоактивных осадков под Чернобылем, в результате мутации возникли новые абсурдные виды растений. Появились ржаво-красные хвойные леса. В расположенном недалеко от реактора пшеничном поле через два года после аварии ученые обнаружили около тысячи различных мутаций.

Влияние на зародыш и плод вследствие облучения матери в период беременности. Радиочувствительность клетки меняется на разных этапах процесса деления (митоза). Наиболее чувствительна клетка в конце покоя и начале первого месяца деления. Особенно чувствительна к облучению зигота – эмбриональная клетка, образующаяся после слияния сперматозоида с яйцом. При этом развитие зародыша в этот период и влияние на него радиационного, в том числе и рентгеновского, облучения можно разделить на три этапа.

1-й этап – после  зачатия и до девятого дня. Только что сформировавшийся  зародыш под воздействием радиации  погибает. Смерть в большинстве  случаев остается незамеченной.

2-й этап – с девятого  дня по шестую неделю после  зачатия. Это – период формирования  внутренних органов и конечностей. При этом под воздействием  дозы облучения в 10 бэр у зародыша  появляется целый спектр дефектов  – расщепление нёба, остановка  развития конечностей, нарушение  формирования мозга и др. Одновременно  возможна задержка роста организма, что выражается в уменьшении  размеров тела при рождении. Результатом  облучения матери в этот период  беременности также может быть  смерть новорожденного в момент  родов или спустя некоторое  время после них. Однако, рождение  живого ребёнка с грубыми дефектами, вероятно, самое большое несчастье, гораздо худшее, чем смерть эмбриона.