Стадии воздействия ии на живые организмы

Стадии	Процессы	Продолжительность стадии
Физическая	Поглощение энергии излучения. Образование ионизированных атомов и молекул.	10^-16…10^-15 с
Физико-химическая	Перераспределение поглощенной энергии внутри молекул и между молекулами. Образование свободных радикалов.	10^-14…10^-11 с
Химическая	Реакции между свободными радикалами, между радикалами и неактивированными молекулами. Образование широкого спектра молекул с измененными структурой и функциональными свойствами.	10^-6…10^-3 с
Биологическая	Последовательное развитие поражения на всех уровнях биологической организации – от субклеточного до организменного. Активация процессов биологического усиления и репарации повреждений.	Секунды – годы

 

На стадии физико-химических процессов поглощенная энергия перераспределяется между отдельными биологическими макромолекулами, что сопровождается разрывом наименее прочных химических связей. К окончанию этой стадии вместо случайных разрывов связей таковые обнаруживаются преимущественно в определенных структурах.

В течение химической стадии образовавшиеся свободные радикалы вступают в химические реакции между собой, с другими молекулами, в результате чего появляется много новых химических соединений, в том числе и токсического действия – радиотоксинов.

Для этих стадий, называемых первичными, выделяют прямое и косвенное действие ионизирующих излучений.

Прямое действие ионизирующего излучения – поглощение энергии излучения самими биологическими макромолекулами.

Косвенное воздействие ионизирующего излучения обусловлено поглощением излучения водой, составляющей около 75 % массы тела человека. Происходит радиолиз молекул воды с образованием высокоактивных в химическом отношении свободных радикалов , а затем – перекисных соединений: , , и др., которые вступают в окислительные реакции с биологическими макромолекулами.

Последняя стадия – биологическая протекает специфически в разных живых организмах. На этой стадии сказываются изменения всех биологических процессов, происходящих в клетках – от уровня самой клетки до организма в целом.

Клетки представляют собой основные ячейки жизни. Клетка окружена клеточной оболочкой, внутри которой находятся цитоплазма и более плотное ядро клетки. Цитоплазма – органические соединения белкового характера – образует пространственную решетку, заполненную липидами (относительно малые молекулы, по свойствам подобные жирам) и водой с растворенными в ней солями. Ядро содержит хромосомы, составленные из молекул дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК) – носителя наследственной информации организма. Отдельные участки ДНК, отвечающие за формирование определенного признака, называются генами.

В живой клетке постоянно осуществляется обмен веществ с внешней средой, между отдельными внутриклеточными структурами, происходит деление клетки. При облучении клетки изменяется и весь ход обменных процессов в ней, но наиболее биологически значимыми являются изменения ДНК, ведущие к изменению хромосом (хромосомные аберрации) и генного аппарата. В ответ на первичные повреждения в клетке активизируются процессы устранения возникших повреждений в молекулах ДНК. Чтобы структура ДНК не восстановилась после облучения необходимо произвести около 7 ее разрушений. Таким образом, закрепится или нет хромосомная аберрация, зависит от соотношения эффективностей процессов появления и устранения повреждений ДНК. Если к моменту деления клетки повреждения в ней не устраняются, то образуется дочерняя клетка, отличающаяся от исходной.

При облучении человека элементарные процессы, протекающие в клетках, на уровне организма в целом приводят к эффектам, которые можно разделить по объекту проявления – на соматические и генетические, а по связи эффекта с дозой облучения – на детерминированные (нестохастические) и стохастические (табл. 1.15).

Т а б л и ц а. 1.15

Последствия облучения людей

Радиационные эффекты облучения людей
Соматические (нестохастические)	Соматико- стохастические	Генетические
Острая лучевая болезнь: – легкая Н =1-2 Зв; – средняя Н =2-4 Зв; – тяжелая Н =4-6 Зв; – крайне тяжелая Н >6 Зв. Хроническая лучевая болезнь Локальные лучевые поражения	Сокращение продолжительности жизни Лейкозы (злокачественные изменения кровеобразующих клеток) Опухоли разных органов и клеток	Доминантные генные мутации (изменения в пределах одного гена, проявляющиеся в первом поколении) Рецессивные генные мутации (нарушение взаимоотношения генов, проявляется при повреждении одного и того же гена у обоих родителей) Хромосомные аберрации (искажение хромосомного набора)

 

Соматические (телесные) эффекты проявляются непосредственно в облученном организме. Они могут быть детерминированными (нестохастическими) и стохастическими.

Соматические нестохастические (или просто соматические) эффекты проявляются в течение промежутка времени от нескольких минут до одного-двух месяцев после облучения при воздействии относительно больших доз на все тело или отдельные органы. К ним относят лучевую болезнь, лучевой ожог, нарушение иммунитета и кроветворения, катаракту глаза и др. Соматические эффекты проявляются тем быстрее и сильнее, чем больше величины дозы и мощности дозы и для их возникновения существует дозовый “порог ”, т. е. при дозах ниже определенного значения они не проявляются, а при превышении “порога” возникают почти со 100 %-й вероятностью. Значения некоторых дозовых “порогов”:

– первичная лучевая реакция (тошнота, рвота)	1,5 Зв;
– острая лучевая болезнь	1 Зв;
– кратковременная стерилизация	1 Зв;
– эритема (ожог кожи)	4 Зв;
– эпиляция	5 Зв.

Наблюдения за персоналом и населением, подвергавшимся воздействию повышенных доз облучения, показали, что длительное облучение взрослого практически здорового человека при дозах до 50 мЗв в год не вызывает вредных соматических изменений (для сравнения: годовая доза облучения от естественного фона 0,7…2 мЗв).

Свойственная людям индивидуальная изменчивость проявляется в их чувствительности к облучению. На рис. 1.21 представлена зависимость выживаемости при лучевой болезни после однократного облучения, – пороговая доза. Из этих данных видно, что различия индивидуальной чувствительности весьма велики: при дозе облучения ~2 Зв погибает до 20 % облученных, остальные выживают. Такой же -образный вид с пороговым значением дозы имеет зависимость доза – эффект и для других соматических последствий.

Соматико-стохастические (соматические стохастические) – это отдаленные соматические эффекты, проявляющиеся с некоторой вероятностью только через несколько месяцев или лет после облучения. При остром однократном облучении наиболее типичными отдаленными последствиями являются стойкие изменения кожи и увеличение частоты катаракт. В области малых доз (менее 0,05…0,1 Зв в год) наблюдается только один отдаленный эффект – увеличение частоты злокачественных образований. Эти эффекты являются вероятностными: с увеличением дозы возрастает не тяжесть поражения, а лишь вероятность его появления, т. е. риск. Сам эффект – появление опухоли – всегда один и тот же. Зависимость доза-эффект для стохастических последствий – прямо пропорциональная и беспороговая (рис. 1.22). Отсутствие “порога” дозы означает, что не существует абсолютно безвредного облучения, снижение дозы ведет только к уменьшению риска, но полностью его не устраняет.

Генетические эффекты воздействия радиации на человека проявляются только в последующих поколениях. Они носят стохастический характер и представляют собой те или иные повреждения на генном уровне, аналогично наследственным повреждениям. Описано около 1500 их разновидностей. От тяжелых наследственных генетических заболеваний страдает примерно до 3 % населения земного шара, поэтому возникают большие трудности в определении причины генных повреждений: результат ли это действия радиации, врожденные ли повреждения, или причина какая-то иная. В этом случае облучение может вызвать возрастание частоты генетических нарушений по сравнению с естественной.

Генетические эффекты так же, как и соматико-стохастические мало зависят от мощности дозы и определяются суммарной накопленной дозой. Эти эффекты проявляются при оценке ущерба в результате действия малых доз облучения на большие группы людей (сотни тысяч человек), определяются они эффективной коллективной дозой. Выявление эффекта у отдельного индивидуума практически невозможно.

Биологические последствия действия ионизирующих излучений зависят от ряда факторов, основными из которых являются:

– величина дозы и мощности дозы;

– продолжительность облучения;

– характер облучения (внешнее или внутреннее).

Доза облучения – основная характеристика, от которой зависят последствия воздействия ИИ; тяжесть лучевого поражения увеличивается с ростом дозы. Приближенно диапазону эквивалентных доз облучения всего тела человека можно сопоставить следующие последствия.

Доза 0…0,05 Зв – соматические и генетические эффекты отсутствуют (частота появления стохастических эффектов – соматических и генетических – ниже естественной).

Доза 0,05…0,5 Зв – незначительно выраженные соматические эффекты, стохастические – на уровне естественных.

Доза 0,5…1,5 Зв – выраженные соматические эффекты, легкая степень лучевой болезни, частота соматико-стохастических и генетических эффектов заметно превышает естественную.

Доза 1,5…3,0 Зв – выраженная лучевая болезнь, в конце диапазона высокая вероятность летального исхода.

Продолжительность облучения, как для больших, так и для малых доз влияет на последствия воздействия ионизирующих излучений. Это обусловлено тем, что при любом нарушающем воздействии в организме человека протекают восстанавливающие процессы. Поэтому все эффекты выражены тем слабее, чем больше время, в течение которого была получена одна и та же доза или, как говорят, чем более дробно она получена. В зависимости от продолжительности облучения различают однократное, многократное и хроническое облучения.

Однократным называется облучение, если его продолжительность не превышает четырех суток. За это время действие восстановительных механизмов в организме еще не успевает проявиться и эффект воздействия одной и той же дозы будет одинаковым, независимо от того, получена она в течение секунды, минуты, часа или дробно в течение четырех суток.

Многократным называется облучение в течение промежутка времени более четырех суток. В этом случае становится заметным результат протекания восстановительных процессов, которые частично ликвидируют последствия воздействия ИИ. Так, при небольших дозах со временем компенсируется до 90 % последствий набранной однократной дозы – это обратимая часть поражения. Оставшиеся 10 % (в различных случаях до 40 %) представляют необратимые поражения. Этим объясняется то, что допустимые дозы многократного облучения выше, чем для однократного облучения при одном и том же биологическом эффекте.

Хроническим называется облучение малыми дозами в течение длительного времени – до десятков лет. При хроническом облучении обычно определяют (рассчитывают) годовую дозу.

Характер облучения – внешнее или внутренне связан с расположением источника ионизирующего излучения – радиоактивных веществ вне или внутри организма человека.

Облучение называется внешним, если радиоактивные вещества находятся вне организма. Внешнее облучение обусловлено, в основном, излучениями, имеющими большую проникающую способность – гамма- и нейтронным излучениями, в меньшей степени – бета-излучением. Альфа-излучение полностью, а бета-излучение в значительной степени задерживаются воздухом, одеждой и поверхностным слоем кожи, поэтому особой опасности не представляют. Исключение составляет воздействие бета-частиц на глаза.

Внешнее облучение может быть общим – когда облучению подвергается все тело человека, и локальным (местным) – когда облучается только какая-то часть тела.

Эффект внешнего облучения зависит от величины эффективной дозы, мощности дозы, а также от того, какая часть тела человека подверглась облучению.

Внутреннее облучение происходит при попадании радиоактивных веществ внутрь организма. Обычно рассматриваются три пути поступления радионуклидов в организм человека:

- через органы дыхания (ингаляционный);

- через желудочно-кишечный тракт (пероральный);

- через кожу (кожно – резорбтивный).

Этими путями радионуклиды сначала попадают в кровь, а затем током крови разносятся по всему телу.

Сразу же после радиационной аварии наиболее вероятным и опасным является ингаляционное поступление радиоактивных веществ в организм человека. Это обусловлено, во-первых, большим объемом воздуха, проходящего через легкие (порядка 100 м³ в сутки) и, во-вторых, высокой степенью оседания мелких частиц аэрозоля в легких. При диаметре частиц более 1 мкм в легких задерживается около 20 % вдыхаемого аэрозоля, при размере частиц менее 1 мкм эта доля возрастает до 90 %. При употреблении загрязненной радиоактивными веществами воды и пищи в организме задерживается 4…10 % массы радионуклидов. Через неповрежденную кожу в организм попадает и задерживается в 200…300 раз меньше РВ, чем через желудочно-кишечный тракт.

Внутреннее облучение продолжается до тех пор, пока находящиеся внутри организма РВ не распадутся или не будут выведены из него биологическим путем. Скорость первого процесса характеризуется периодом полураспада . Скорость биологического выведения радионуклидов из организма зависит от химических свойств соединений, содержащих радионуклиды и вида тех тканей организма, в которых они фиксируются. Она оценивается периодом полувыведения биологическим - временем, в течение которого из организма выводится половина находящегося в нем радиоактивного вещества.

Совместное действие обоих факторов (радиоактивный распад и биологическое выведение), способствующих снижению содержания РВ в организме, оценивается с помощью эффективного периода полувыведения :

.

(1.38)

При одних и тех же количествах радионуклидов внутреннее облучение значительно опаснее внешнего. Это обусловлено следующими причинами.

Во-первых, резко увеличивается время облучения тканей организма. При внутреннем облучении это – время нахождения РВ в организме (сутки – годы в зависимости от вида радионуклида). При внешнем облучении – это время пребывания человека в зоне загрязнения, которое при вахтовом методе работы составляет часы или сутки.

Во-вторых, находясь внутри биологической ткани, радионуклид облучает ее в телесном угле , при внешнем облучении человека этот телесный угол очень мал.

В третьих, при внутреннем облучении радионуклиды находятся в непосредственном контакте с биологической тканью внутренних органов, в которой полностью поглощается энергия альфа- и бета-излучений. При внешнем облучении эти виды ИИ задерживаются воздухом, одеждой, роговым слоем кожи.

И наконец, в четвертых, избирательное накопление радионуклидов в отдельных органах приводит к более сильному локальному облучению этих органов.

Опасность внутреннего облучения от поступления в организм того или иного нуклида зависит от вида ИИ, доли нуклида, попавшего в ткани и органы, от общего поступления его в организм, от соотношения и .

Доля нуклида, попавшего в ткани и органы, может меняться в широких пределах – от 0,01 до 100 % от его поступления в организм.

Биологические периоды полувыведения нуклидов из критических органов и тканей составляют от десятков суток () до практически бесконечности – полное усвоение (). Важно соотношение периодов полураспада и биологического полувыведения. Малый период полураспада в сочетании с большим периодом полувыведения обусловливает высокую скорость поражающего действия нуклида.

В целом, опаснее альфа-активные нуклиды, имеющие малый период полураспада, большой период полувыведения, в значительной степени задерживающиеся в критически важных органах. В качестве такого примера

можно привести альфа-активный нуклид , для которого суток, суток. Накопление нуклида от поступления в организм: 0,13 – в почках, 0,22 – в печени, 0,07 – в селезенке, 0,08 – в костях. Через один месяц после однократного поступления в кровь 3,7·10⁴ Бк (1 мкКи) нуклида доза облучения почек и селезенки составляет около 150 мЗв. Для дозы 15 Зв необходимо поступление нуклида активностью 3,7·10⁶ Бк – т. е. всего 2,2·10^{-8 г чистого полония.}

Фоновое облучение человека. Источники фонового облучения человека – это космическое излучение, а также естественные и искусственные радиоактивные вещества, содержащиеся в теле человека и окружающей среде. Оно считается важным фактором мутагенеза, необходимого для эволюции живых организмов.

Космическое излучение подразделяют на галактическое и солнечное, обусловленное солнечными вспышками. Состоит оно в основном из протонов с энергией до 10¹³ МэВ (около 90 %), альфа – частиц и более тяжелых ядер. Взаимодействуя с атмосферой Земли на высотах более 20 км, образует вторичное излучение, достигающее земной поверхности. Дозовые характеристики космического излучения очень сильно зависят от высоты (табл. 1.16). Годовая доза космического излучения составляет около 0,3 мЗв на уровне моря.

В окружающей среде находится более 60 радионуклидов естественного происхождения: нуклиды семейств урана и тория и нуклиды, образующиеся в атмосфере при взаимодействии протонов и нейтронов с ядрами азота, кислорода, аргона (, , , и др.). Эти нуклиды являются источниками внешнего гамма-облучения человека и внутреннего – за счет попадания в организм с воздухом, водой и пищей. Интенсивность внешнего облучения меняется в широких пределах: от 10^-8 до 10^-4 Гр/ч для различных районов на материках. Среднепопуляционная мощность дозы для населения всего земного шара принята равной 4,5·10^-8 Гр/ч (доза за год 0,4 мГр). Мощность дозы в кирпичных, бетонных, каменных зданиях в среднем в 2-3 выше, чем на открытой местности и в деревянных домах вследствие концентрации радионуклидов в строительных материалах.

Т а б л и ц а 1.16