Механизм воздействия ионизирующего излучения на человека.

Принципиальной особенностью действия ИИ является его способность проникать глубоко в биологические ткани, клетки, субклеточные структуры и, вызывая одномоментную ионизацию атомов, повреждать их за счет химических реакций. Ионизирована может быть любая молекула, а отсюда все структурно-функциональные разрушения в соматических клетках, генетические мутации, воздействие на зародыш, болезнь и смерть человека. Такова многогранная и пестрая картина биологических реакций на воздействие ИИ.

Механизм такого воздействия заключается в поглощении энергии ионизации организмом и разрыве химических связей его молекул с образованием высокоактивных соединений, т.н. свободных радикалов. Рассмотрим эти процессы на конкретном примере. Организм человека на 70-75 % состоит из воды. Следовательно, решающее значение в этом случае будет иметь косвенное воздействие энергии ИИ через ионизацию молекул воды и последующие реакции со свободными радикалами.

При ионизации молекулы воды образуется положительный ион Н₂О⁺ и электрон, который, потеряв энергию, может образовать отрицательный ион Н₂О^-. Оба эти иона являются неустойчивыми и распадаются на пару стабильных ионов, которые рекомбинируют (восстанавливаются) с образованием молекулы воды и двух свободных радикалов ОН^х и Н^х, отличающихся исключительно высокой химической активностью. Непосредственно или через цепь вторичных превращений, таких как образование перекисного радикала (гидратного оксида Н₂О), а затем перекиси водорода Н₂О₂ и других активных окислителей группы ОН^х и Н^х, обладающих высокой химической активностью, они вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и других структурных элементов биологической ткани, что приводит к изменению биохимических процессов в организме, разрушению ткани в основном за счет энергично протекающих процессов окисления. При этом одна активная молекула с большой энергией вовлекает в реакцию тысячи молекул живого вещества. В организме окислительные реакции начинают превалировать над восстановительными. В результате нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму – токсины. Это приводит к нарушению жизнедеятельности отдельных систем и функций и организма в целом.

Индуцированные свободными радикалами химические реакции развиваются с большим выходом и вовлекают в этот процесс многие тысячи молекул, не затронутых облучением. Никакой другой вид энергии (тепловой, электрической…), поглощенной биологическим объектом в том же количестве, не приводит к таким изменениям, какие вызывает ионизирующее излучение. Наступает расплата за эаробный способ биоэнергетики – насыщение организма свободным кислородом.

Воздействие ИИ на организм не ограничивается изменением структуры молекул. Меняется структура элементов на уровне атома. Принимая дополнительный заряд (α ++, β-позитрон+, β-электрон-), атомы меняют зарядовое число и передвигаются в соответствии с этим по таблице Менделеева на новое место, т е. превращаются в атомы других элементов. Новые атомы становятся сильнейшими энергетическими раздражителями для клеток, которые, изменяясь, теряют свои функции (транспортные, деления и др.). Рассмотрим на примере изменения под воздействием ИИ формы потенциала действия и покоя одиночной клетки – бионейрона. Данный процесс наблюдается при ионизации самой клетки и окружающей ее среды.

Электрическая активность нейрона заключается в его способности передавать импульсы из одной части управляющей системы организма в другую. Непременное условие для этого – наличие ионного транспорта через мембрану клетки. Его осуществляют специальные белки, т.н. ионные каналы. В результате транспорта внутри и снаружи клетки из-за различной концентрации ионов (Nа⁺, К⁺, Сl^- и т. д.) возникает мембранный потенциал – разность потенциалов.

Скорость транспорта зависит от размеров иона и состояния канала, по которому осуществляется транспорт. При попадании клетки под воздействие ИИ нарушаются оба параметра. Так, ион (атом, получивший избыточный заряд) при наличии молекул воды, разобщенных на свободные радикалы, приобретает гидратную оболочку, в результате чего весь комплекс ион+ оболочка изменяется в размерах. В этом состоянии новый ион не может проникнуть через ионный канал в мембране, размер которого строго фиксируется для каждого типа ионов. В лучшем случае процесс прохождения значительно замедляется.

Одновременно в самом ионном канале, представляющем собой сложную и хрупкую белковую структуру, при бомбардировке его квантами высокоэнергетического излучения разрушаются связи, удерживающие эту уникальную структуру. Разрушенный канал прекращает выполнение функций пропуска ионов. Нарушенный таким образом потенциал клетки значительно уменьшается и не достигает критического, при котором начинают стимулироваться процессы генерации потенциала действия нервного импульса. Импульс превращается в локальный первичный потенциал, не выходящий за пределы действия одного нейрона, т.е. не несущий никакого воздействия на соседние элементы системы управления.

Последствия подобных превращений на уровне клетки приводят к преобразованию импульсов в локальные потенциалы. Отсюда сбои в импульсации нервных клеток, рассогласование между отдельными функциональными структурами нервной системы, приводящие к ошибкам в управлении деятельностью различных частей организма. Так как основная функция растущих клеток – способность к делению, то утрата ее приводит к гибели. Для зрелых неделящихся клеток разрушение вызывает потерю тех или иных специализированных функций (выработка определенных продуктов «на экспорт», распознавание чужеродных клеток, транспортные функции и пр.). Наступает радиационно индуцированная (так называемая насильственная) гибель клеток, которая в отличии от физиологической гибели необратима, так как реализация генетической программы терминальной дифференцировки в этом случае осуществляется на фоне множественных изменений нормального течения физиологических процессов в результате воздействия ИИ.

Одновременно происходит образование реактивных форм кислорода: супероксид, гидроксилрадикал, синиглетный кислород. Они в свою очередь вызывают свободнорадикальное окисление липидов, клеточных мембран, разрушение белковой основы ферментов, прекращение синтеза витаминов и других веществ-антиоксидантов (ферментов аминокислот и др.). Недостаток антиоксидантов может вызывать нарушение целостности клетки и ее гибель, что приводит к изменению биохимических процессов в организме. Нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения – токсины. Это приводит к нарушению отдельных функций или систем организма в целом.

Кроме того, дополнительное поступление энергии ионизации в организм человека нарушает сбалансированность энергетических процессов, происходящих в нем. Ведь наличие энергии в органических веществах зависит в первую очередь не от элементарного состава, а от строения, расположения и характера связей атомов, т.е. тех элементов, которые легче всего поддаются энергетическому воздействию.

Сверхмалые дозы влияют на чувствительность клеток и организмов к последующему действию других биологически активных веществ или повреждающих факторов. Она может возрастать, и тогда мы имеем синергический эффект. Т.е. ИИ в любой дозе в результате процессов ионизации и возбуждения атомов с последующим образованием высокоактивных радикалов вызывает определенные повреждения.

Одно из наиболее ранних проявлений последствий 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 чуждых организму антигенов выработкой строго специфических к ним антител.

ИИ при воздействии на организм человека может вызывать два вида эффектов, которые клинической медициной относятся к болезням:

детерминированные пороговые эффекты (лучевая болезнь, лучевой дерматит, лучевая катаракта, лучевое бесплодие, аномалии в развитии плода и др.);

беспороговые стохастические (вероятностные) эффекты (злокачественные опухоли, лейкозы, наследственные болезни).

Генетическое воздействие

Последствия возникают, если объектом облучения являются зародышевые клетки родителей. Рассмотрим наиболее важные изменения, происходящие в организме человека под воздействием ИИ. В результате воздействия энергии ИИ в малых дозах вы клетках происходят изменения генетического материала (мутации), угрожающие их жизнеспособности. Как следствие, наступает деградация (повреждение) ДНК хроматина – разрывы молекул, их повреждения, которые частично или полностью блокируют или извращают функции генома. Происходит нарушение репарации ДНК – способности ее к восстановлению и залечиванию поврежденных клеток при повышении температуры тела, воздействии химических веществ и др.

В репарированных клетках отмечается повышенная чувствительность к мутагенному действию различных факторов. У многоклеточных всего один препарированный двухнитевой разрыв молекулы ДНК может убить клетку. У млекопитающих мутация в некоторых генах ведет к развитию стерильности.

Генетические мутации в половых клетках оказывают влияние на жизнь и развитие будущих поколений. Это случай характерен, например, для ситуации, когда человек подвергся воздействию небольших доз облучения во время экспозиций в медицинских целях. Существует концепция – при получении дозы в 1 бэр предыдущим поколением она дает дополнительно в потомстве 0,02 % генетических аномалий, т.е. у 250 младенцев на миллион новорожденных. Около половины спонтанных абортов связаны с изменением генетического материала. Эти факты и многолетние исследования данных явлений привели ученых к выводу о том, что безопасного уровня ионизирующей радиации не существует!

Воздействие ИИ на гены половых клеток может вызвать вредные мутации, которые будут передаваться из поколения в поколение, увеличивая «мутационный груз» человечества. Генетический груз в популяциях человека может достигнуть неприемлемых величин уже через несколько поколений. Уже наблюдается феномен старения человека (сокращение жизни на 5-10 лет). 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 величины дозы повышается не тяжесть, а частота возможного проявления.

Повреждение генетического аппарата несет в себе потенциальную опасность передачи по наследству различных аномалий. Для их проявления и реализации требуется значительный латентный период. Они, как правило, не обусловлены получаемой дозой. Достаточно одной частицы или фотона, повредившей ДНК клетки, чтобы создать риск возникновения генетических последствий.

Мутации в популяциях всех без исключения живых организмах приводят в т.ч. к возникновению новых неизвестных ранее форм. Особенно быстро это может проявиться в популяциях с коротким жизненным циклом (вирусы, микроорганизмы…). А отсюда возникновение новых «устойчивых» микробных и вирусных форм (ВИЧ-инфекция, болезнь легионеров, конголесская лихорадка…), необычные штаммы гриппа, туберкулеза (уже наблюдаются в чернобыльской зоне).

Наблюдается явление «генетической нестабильности» природных популяций. Их генофонд приходит в неустойчивое состояние. Мутационные изменения происходят и в растительных организмах. В лесах, подвергшихся выпадению радиоактивных осадков под Чернобылем, в результате мутации возникли новые абсурдные виды растений. Рядом с больными соснами появились ржавокрасные хвойные леса. Сосны, выращенные из семян облученных деревьев отличаются от своих предков. Иглы поражают толщиной и дезориентированностью, торчат как у ежа в разные стороны, ветви искривлены, а на окончаниях образовались утолщения подобные шишкам, чего и в помине не было у предшественников. По мнению специалистов, через пару поколений деревья удивят еще более основательными метаморфозами, мутацией.

В расположенном недалеко от ректора опытном пшеничном поле через два года после аварии генетики обнаружили около тысячи различных мутаций, происходящих в 6 раз интенсивнее обычной. Можно ли есть хлеб из мутированного зерна?