Біологічна дія радіації

Фактор радіації був присутній на нашій планеті з моменту її утворення, і як показали подальші дослідження, іонізуючі випромінювання поряд з іншими явищами фізичної, хімічної та біологічної природи супроводжували розвиток життя на Землі. Однак, фізична дія радіації початок вивчатися тільки в кінці XIX століття, а її біологічні ефекти на живі організми - в середині XX. Іонізаційні випромінювання ставляться до тих фізичним феноменам, які не відчуваються нашими органами чуття, сотні фахівців, працюючи з радіацією, отримали радіаційні опіки від великих доз опромінення та померли від злоякісних пухлин, викликаних переопромінення.

Тим не менш, сьогодні світова наука знає в біологічному впливі радіації більше, ніж про дію будь-яких інших чинників фізичної та біологічної природи в навколишньому середовищі. При вивченні дії радіації на живий організм були визначені наступні особливості:

• Дія іонізуючих випромінювань на організм не відчутно людиною. У людей відсутня орган почуттів, який сприймав би іонізуючі випромінювання. Існує так званий період уявного благополуччя - інкубаційний період прояви дії іонізуючого випромінювання. Тривалість його скорочується при опроміненні у великих дозах.

• Дія від малих доз може додаватися або накопичуватися.

• Випромінювання діє не тільки на даний живий організм, але і на його потомство - це так званий генетичний ефект.

• Різні органи живого організму мають свою чутливість до опромінення. При щоденному впливі дози 0,002-0,005 Гр. вже наступають зміни в крові.

• Не кожен організм у цілому однаково сприймає опромінення.

• Опромінення залежить від частоти. Одноразове опромінення у великій дозі викликає більш глибокі наслідки, ніж фракціоноване.

1. Прямі й непрямі дії іонізуючого випромінювання

Радіохвилі, світлові хвилі, теплова енергія сонця - все це різновиди випромінювань. Однак, випромінювання буде іонізуючим, якщо вона здатна розривати хімічні зв'язки молекул, з яких складаються тканини живого організму, і, як наслідок, викликати біологічні зміни. Дія іонізуючого випромінювання відбувається на атомному або молекулярному рівні, незалежно від того, піддаємося чи ми зовнішньому опроміненню, або отримуємо радіоактивні речовини з їжею і водою, що порушує баланс біологічних процесів в організмі і призводить до несприятливих наслідків. Біологічні ефекти впливу радіації на організм людини обумовлені взаємодією енергії випромінювання з біологічною тканиною. Енергію безпосередньо передається атомам і молекулам біотканин називають прямою дією радіації. Деякі клітини з-за нерівномірності розподілу енергії випромінювання будуть значно пошкоджені.

Одним з прямих ефектів є канцерогенез або розвиток онкологічних захворювань. Ракова пухлина виникає, коли соматична клітина виходить з під контролю організму і починає активно ділитися. Першопричиною цього є порушення в генетичному механізмі, звані мутаціями. При розподілі ракова клітина виробляє тільки ракові клітини. Одним з найбільш чутливих органів до впливу радіації є щитовидна залоза. Тому біотканини цього органу найбільш вразлива в плані розвитку раку. Не менш сприйнятлива до впливу випромінювання кров. Лейкоз або рак крові - один з розповсюджених ефектів прямого впливу радіації. Заряджені частинки проникають у тканини організму, втрачають свою енергію внаслідок електричних взаємодій з електронами атомів Електричне взаємодія супроводжує процес іонізації (виривання електрона з нейтрального атома)

Фізико-хімічні зміни супроводжують виникнення в організмі надзвичайно небезпечних "вільних радикалів".

Крім прямого іонізуючого опромінення виділяють також непряме або непряме дія, пов'язана з радіолізу води. При радіолізу виникають вільні радикали - певні атоми чи групи атомів, що володіють високою хімічною активністю. Основною ознакою вільних радикалів є надлишкові або неспарені електрони. Такі електрони легко зміщуються зі своїх орбіт і можуть активно брати участь в хімічній реакції. Важливо те, що досить незначні зовнішні зміни можуть призвести до значних змін біохімічних властивостей клітин. Приміром, якщо звичайна молекула кисню захопить вільний електрон, то вона перетворюється в високоактивний вільний радикал - супероксид. Крім того, є й такі активні сполуки, як перекис водню, гідрооксил і атомарний кисень. Велика частина вільних радикалів нейтральна, але деякі з них можуть мати позитивний або негативний заряд.

Якщо число вільних радикалів мало, то організм має можливість їх контролювати. Якщо ж їх стає занадто багато, то порушується робота захисних систем, життєдіяльність окремих функцій організму. Пошкодження, викликані вільними радикалами, швидко збільшуються за принципом ланцюгової реакції. Потрапляючи в клітини, вони порушують баланс кальцію та кодування генетичної інформації. Такі явища можуть призвести до збоїв у синтезі білків, що є життєво важливою функцією всього організму, тому що неповноцінні білки порушують роботу імунної системи. Основні фільтри імунної системи - лімфатичні вузли працюють в перенапруженням режимі і не встигають їх відокремлювати. Таким чином, послаблюються захисні бар'єри і в організмі створюються сприятливі умови для розмноження вірусів мікробів і ракових клітин.

Вільні радикали, що викликають хімічні реакції, залучають до цього процесу багато молекули, не зачеплені випромінюванням. Тому вироблений випромінюванням ефект обумовлений не лише кількістю поглиненої енергії, а й тією формою, в якій ця енергія передається. Ніякий інший вид енергії, поглинений біо - об'єктів в тій же кількості, не призводить до таких змін, які викликає іонізуюче випромінювання. Однак природа цього явища така, що всі процеси, в тому числі і біологічні, врівноважуються. Хімічні зміни виникають в результаті взаємодії вільних радикалів один з одним або з "здоровими" молекулами Біохімічні зміни відбуваються як у момент опромінення, так і впродовж багатьох років, що призводить до загибелі клітин.

Наш організм на противагу описаним вище процесам виробляє особливі речовини, які є свого роду "чистильниками".

Ці речовини (ферменти) в організмі здатні захоплювати вільні електрони, не перетворюючись при цьому у вільні радикали. У нормальному стані в організмі підтримується баланс між появою вільних радикалів і ферментами. Іонізуюче випромінювання порушує цю рівновагу, стимулює процеси росту вільних радикалів і призводить до негативних наслідків. Активізувати процеси поглинання вільних радикалів можна, включивши в раціон харчування антиокислювачі, вітаміни А, Е, С або препарати, що містять селен. Ці речовини знешкоджують вільні радикали, поглинаючи їх у великих кількостях.

2. Вплив іонізуючого випромінювання на окремі органи і організм в цілому

У структурі організму можна виділити два класи систем: керуючу (нервова, ендокринна, імунна) і життєзабезпечувальна (дихальна, серцево-судинна, травна). Всі основні обмінні (метаболічні) процеси та каталітичні (ферментативні) реакції відбуваються на клітинному та молекулярному рівнях. Рівні організації організму функціонують у тісній взаємодії і взаємовпливі з боку керуючих систем. Більшість природних факторів впливають спочатку на вищестоящі рівні, потім через певні органи і тканини - на клітинно-молекулярному рівні. Після цього починається відповідна фаза, що супроводжується корективами на всіх рівнях.

Взаємодія радіації з організмом починається з молекулярного рівня. Пряме вплив іонізуючого випромінювання, тому є більш специфічним. Підвищення рівня окислювачів характерно і для інших впливів. Відомо, що різні симптоми (температура, головний біль і ін) зустрічаються при багатьох хворобах і причини їх різні. Це ускладнює встановлення діагнозу. Тому, якщо в результаті шкідливого впливу на організм радіації не виникає певної хвороби, встановити причину більш віддалених наслідків важко, оскільки вони втрачають свою специфічність.

Радіочутливість різних тканин організму залежить від біосинтетичних процесів і пов'язаної з ними ферментативною активністю. Тому найбільш високою радіо - ураженню відрізняються клітини кісткового мозку, лімфатичних вузлів, статеві клітини. Кровоносна система та червоний кістковий мозок найбільш уразливі при опроміненні та втрачають здатність нормально функціонувати вже при дозах 0,5-1 Гр. Однак, вони мають здатність відновлюватися і якщо не всі клітини вражені, кровоносна система може відновити свої функції. Репродуктивні органи, наприклад, насінники, так само відрізняються підвищеною радіочутливості. Опромінення понад 2 Гр призводить до постійного стерильності. Тільки через багато років вони можуть повноцінно функціонувати. Яєчники менш чутливі, принаймні, у дорослих жінок. Але одноразова доза більше 3 Гр все ж призводить до їх стерильності, хоча великі дози при неодноразовому опроміненні не позначаються на здатності до дітородіння.

Дуже сприйнятливий до випромінювання кришталик ока. Гинучи, клітини кришталика стають непрозорими, розростаючись, призводять до катаракті, а потім і до повної сліпоти. Це може статися при дозах близько 2 Гр.

Радіочутливість організму залежить від його віку. Невеликі дози при опроміненні дітей можуть сповільнити або зовсім зупинити у них зростання кісток. Чим менше вік дитини, тим сильніше пригнічується ріст скелета. Опромінення мозку дитини може викликати зміни в його характері, привести до втрати пам'яті. Кістки і мозок дорослої людини здатні витримати набагато більші дози. Відносно великі дози здатні витримувати більшість органів. Нирки витримують дозу близько 20 Гр., отриману протягом місяця, печінка - близько 40 Гр., сечовий міхур - 50 Гр., а зріла хрящова тканина - до 70 Гр. Чим молодший організм, тим за інших рівних умовах, він більш чутливий до впливу радіації.

Видова радіочутливість зростає в міру ускладнення організму. Це пояснюється тим, що в складних організмах більше слабких ланок, що викликають ланцюгові реакції виживання. Цьому сприяють і більш складні системи керування (нервова, імунна), які частково або повністю відсутні в більш примітивних особинах. Для мікроорганізмів дози, що викликають 50% смертності, становлять тисячі Гр., для птахів - десятки, а для високоорганізованих ссавців - одиниці (рис. 2.15).

3. Мутація

Кожна клітина організму містить молекулу ДНК, яка несе інформацію для правильного відтворення нових клітин.

ДНК - це дезоксирибонуклеї́нова кислота, що складається з довгих, закруглених молекул у вигляді подвійної спіралі. Функція її полягає в забезпеченні синтезу білкових молекул більшості з яких складаються амінокислоти. Ланцюжок молекули ДНК складається з окремих ділянок, які кодуються спеціальними білками, утворюючи так званий ген людини.

Радіація може або убити клітку, або спотворити інформацію в ДНК так, що з часом з'являться дефектні клітини. Зміна генетичного коду клітини називають мутацією. Якщо мутація відбувається в яйцеклітині сперми, наслідки можуть бути відчутні і в далекому майбутньому, тому що при заплідненні утворюються 23 пари хромосом, кожна з яких складається зі складного речовини, званого дезоксирибонуклеї́новою кислотою. Тому мутація, яка виникає в статевій клітині, називається генетичною мутацією і може передаватися наступним поколінням.

На думку Е. Дж. Холу, такі порушення можна віднести до двох основних типів: хромосомні аберації, що включають зміна числа або структури хромосом, і мутації в самих генах. Генні мутації підрозділяються далі на домінантні (які виявляються відразу в першому поколінні) і рецесивні (які можуть проявитися в тому випадку, якщо в обох батьків мутантним є один і той же ген). Такі мутації можуть не проявитися протягом багатьох поколінь або не виявитися взагалі. Мутація в самотических клітин буде впливати тільки на сам індивід. Викликані радіацією мутації не відрізняються від природних, однак при цьому збільшується сфера шкідливого впливу.

Описані міркування засновані лише на лабораторних дослідженнях тварин. Прямих доказів радіаційних мутацій у людини поки немає, тому що повне виявлення всіх спадкоємних дефектів відбувається лише протягом багатьох поколінь.

Однак, як підкреслює Джон Гофман, недооцінка ролі хромосомних порушень, заснована на затвердження "їх значення нам невідомо", є класичним прикладом рішень, що приймаються невіглаством. Допустимі дози опромінення були встановлені ще задовго до появи методів, що дозволяють встановити ті сумні наслідки, до яких вони можуть призвести нічого не підозрюють людей і їхніх нащадків.

4. Дія великих доз іонізуючого випромінювання на біологічні об'єкти

Живий організм дуже чутливий до дії іонізуючої радіації. Чим вище на еволюційних сходах стоїть живий організм, тим він більш радіо чутливий. Радіочутливість - багатостороння характеристика. "Виживаність" клітини після опромінення залежить одночасно від низки причин: від обсягу генетичного матеріалу, активності енергозабезпечуючих систем, співвідношення ферментів, інтенсивності утворення вільних радикалів Н і ОН.

При опроміненні складних біологічних організмів слід враховувати процеси, що відбуваються на рівні взаємозв'язку органів і тканин. Радіочутливість в різних організмів варіюється досить широко (рис. 2.16).

Організм людини, як досконала природна система, ще більш чутливий до радіації. Якщо людина перенесла загальне опромінення дозою 100-200 радий, то у нього через кілька днів з'являться ознаки променевої хвороби в легкій формі. Її ознакою може служити зменшення числа білих кров'яних клітин, яке встановлюється при аналізі крові. Суб'єктивним показником для людини є можлива блювота в першу добу після опромінення.

Середня ступінь тяжкості променевої хвороби спостерігається у осіб, які зазнали впливу випромінювання в 250-400 радий. У них різко знижується вміст лейкоцитів (білих кров'яних клітин) у крові, спостерігається нудота і блювота, з'являються підшкірні крововиливи. Летальний результат спостерігається у 20% опромінених через 2-6 тижнів після опромінення.

При опроміненні дозою 400-600 радий розвивається тяжка форма променевої хвороби. З'являються численні підшкірні кровотечі, кількість лейкоцитів у крові значно зменшується. Летальний результат хвороби 50%.

Дуже важка форма променевої хвороби виникає при опроміненні дозою вище 600 радий. Лейкоцити в крові повністю зникають. Смерть настає в 100% випадків.

Описані вище наслідки радіаційного опромінення характерні для випадків, коли медичну допомогу відсутня.

Для лікування опроміненого організму сучасна медицина широко застосовує такі методи, як крово - заміщення, пересадка кісткового мозку, введення антибіотиків, а також інші методи інтенсивної терапії. При такому лікуванні можливо виключити смертельний результат навіть при опроміненні дозою до 1000 рад. Енергія, яку випромінює радіоактивними речовинами, поглинається навколишнім середовищем, у тому числі і біологічними об'єктами. У результаті впливу іонізуючого випромінювання на організм людини в тканинах можуть відбуватися складні фізичні, хімічні та біохімічні процеси.

Іонізуюче вплив порушує в першу чергу нормальний перебіг біохімічних процесів і обмін речовин. Залежно від величини поглиненої дози випромінювання та індивідуальних особливостей організму викликані зміни можуть бути зворотними або необоротними. При невеликих дозах уражена тканина відновлює свою функціональну діяльність. Великі дози при тривалій дії можуть викликати незворотне ураження окремих органів або всього організму. Будь-який вид іонізуючих випромінювань викликає біологічні зміни в організмі як при зовнішньому (джерело знаходиться поза організмом), так і при внутрішньому опроміненні (радіоактивні речовини попадають усередину організму, наприклад, з їжею або інгаляційним шляхом). Розглянемо дію іонізуючого випромінювання, коли джерело опромінення знаходиться поза організмом.

Біологічних ефект іонізуючого випромінювання в даному випадку залежить від сумарної дози й часу впливу випромінювання, його виду, розмірів опромінюваної поверхні та індивідуальних особливостей організму. При одноразовому опроміненні всього тіла людини можливі біологічні порушення залежно від сумарної поглиненої дози випромінювання.

При опроміненні дозами, в 100-1000 разів перевищують смертельну дозу, людина може загинути під час опромінення. Причому, поглинена доза випромінювання, що викликає ураження окремих частин тіла, перевищує смертельну поглинену дозу опромінення всього тіла. Смертельні поглинені дози для окремих частин тіла наступні: голова - 20 Гр., нижня частина живота - 30 Гр., верхня частина живота - 50 Гр., грудна клітка - 100 Гр., кінцівки - 200 Гр.

Ступінь чутливості різних тканин до опромінення неоднакова. Якщо розглядати тканини органів у порядку зменшення їх чутливості до дії опромінювання, то одержимо наступну послідовність: лімфатична тканина, лімфатичні вузли, селезінка, зобної заліза, кістковий мозок, зародкові клітини. Велика чутливість кровотворних органів до радіації лежить в основі визначення характеру променевої хвороби.

При одноразовому опроміненні всього тіла людини поглиненою дозою 0,5 Гр через добу після опромінення може різко скоротитися число лімфоцитів. Зменшується також і кількість еритроцитів (червоних кров'яних тілець) після закінчення двох тижнів після опромінення. У здорової людини налічується порядку 10 4 червоних кров'яних тілець, причому щодня виробляється 10. У хворих на променеву хворобу таке співвідношення порушується і в результаті організм гине.

Важливим фактором при впливі іонізуючого випромінювання на організм є час опромінення. Зі збільшенням потужності дози вражаюча дія випромінювання зростає. Чим більше дрібно випромінювання за часом, тим менше його вражаюча дія (рис. 2.17).

Зовнішнє опромінення альфа-, а також бета-частками менш небезпечне. Вони мають невеликий пробіг у тканині й не досягають кровотворних і інших внутрішніх органів. При зовнішньому опроміненні необхідно враховувати гамма-та нейтронне опромінення, які проникають у тканину на більшу глибину й руйнують її, про що більш докладно розповідалося вище.

5. Два виду опромінення організму: зовнішні і внутрішні

Іонізуюче випромінювання може двома способами чинити вплив на людину. Перший спосіб - зовнішнє опромінення від джерела, розташованого поза організмом, яке в основному залежить від радіаційного фону місцевості на якій проживає людина або від інших зовнішніх факторів. Другий - внутрішнє опромінення, зумовлене надходженням всередину організму радіоактивної речовини, головним чином з продуктами харчування.

Продукти харчування, що не відповідають нормам радіаційним, мають підвищений вміст радіонуклідів, інкорпорує з їжею і стають джерелом випромінювання безпосередньо всередині організму.

Велику небезпеку становлять продукти харчування і повітря, що містять ізотопи плутонію і америцію, які мають високу альфа активністю. Плутоній, що випав в результаті Чорнобильської катастрофи, є найнебезпечнішим канцерогенною речовиною. Альфа випромінювання має високий ступінь іонізації і, отже, велику вражаючу здатність для біологічних тканин.

Попадання плутонію, а також америцію через дихальні шляхи в організм людини викликає онкологію легеневих захворювань. Проте слід врахувати, що ставлення загальної кількості плутонію і його еквівалентів америцію, кюрія до загальної кількості плутонію, що потрапив в організм інгаляційним шляхом незначно. Як встановив Беннетт, при аналізі ядерних випробувань в атмосфері, на території США співвідношення випадіння та інгаляції одно 2,4 млн. до 1, тобто переважна більшість альфа-містять радіонуклідів від випробувань ядерної зброї пішли в землю не надавши впливу на людину. У викидах Чорнобильського сліду спостерігалися також частинки ядерного палива, так звані гарячі частинки розміром близько 0,1 мікрона. Ці частинки також можуть проникати інгаляційним шляхом в легені і представляти серйозну небезпеку.

Зовнішнє і внутрішнє опромінення вимагають різні запобіжні заходи, які повинні бути прийняті проти небезпечного дії радіації.

Зовнішнє опромінення в основному створюється гамма містять радіонуклідами, а також рентгенівським випромінюванням. Його вражаюча здатність залежить від:

а) енергії випромінювання;

б) тривалості дії випромінювання;

в) відстані від джерела випромінювання до об'єкту;

г) захисних заходів.

Між тривалістю часу опромінення та поглиненої дозою існує лінійна залежність, а вплив відстані на результат радіаційного впливу має квадратичну залежність.

Для захисних заходів від зовнішнього опромінення використовуються в основному свинцеві та бетонні захисні екрани на шляху випромінювання. Ефективність застосування матеріалу як екран для захисту від проникнення рентгенівських або гамма-променів залежить від щільності матеріалу, а також від концентрації містяться в ньому електронів.

Якщо від зовнішнього опромінення можна захиститися спеціальними екранами або іншими діями, то з внутрішнім опроміненням це зробити не представляється можливим.

Розрізняють три можливі шляхи, по яких радіонукліди здатні потрапити всередину організму:

а) з їжею;

б) через дихальні шляхи з повітрям;

в) через пошкодження на шкірі.

Слід зазначити, що радіоактивні елементи плутоній і америцій проникають в організм в основному з їжею або при диханні і дуже рідко через пошкодження шкіри.

Як зазначає Дж. Холл, органи людини реагують на що надійшли в організм речовини виходячи виключно з хімічної природи останніх, незалежно від того, є вони радіоактивними чи ні. Хімічні елементи такі як натрій і калій, входять до складу всіх клітин організму. Отже, їх радіоактивна форма, введена в організм, буде також розподілена по всьому організму. Інші хімічні елементи мають схильність накопичуватися в окремих органах, як це відбувається з радіоактивним йодом в щитовидній залозі або кальцієм в кістковій тканині.

Проникнення радіоактивних речовин з їжею всередину організму суттєво залежить від їх хімічної взаємодії. Встановлено, що хлорована вода збільшує розчинність плутонію, і як наслідок інкорпорацію його у внутрішні органи.

Після того, як радіоактивна речовина потрапила в організм, слід враховувати величину енергії та вид випромінювання, фізичний і біологічний період напіврозпаду радіонукліду. Біологічним періодом напіввиведення називають час, який необхідно для виведення з організму половини радіоактивної речовини. Деякі радіонукліди виводяться з організму швидко, і тому не встигають завдати великої шкоди, у той час як інші зберігаються в організмі протягом значного часу.

Період напіввиведення радіонуклідів, істотно залежить від фізичного стану людини, його віку та інших факторів. Поєднання фізичного періоду напіврозпаду з біологічним, називається ефективним періодом напіврозпаду - найбільш важливим у визначенні сумарної величини випромінювання. Орган, найбільш схильний до дії радіоактивної речовини називають критичним. Для різних критичних органів розроблені нормативи, що визначають допустимий вміст кожного радіоактивного елемента. На підставі цих даних створені документи, що регламентують допустимі концентрації радіоактивних речовин в атмосферному повітрі, питній воді, продуктах харчування. У Білорусі у зв'язку з аварією на ЧАЕС діють Республіканські допустимі рівні вмісту радіонуклідів цезію та стронцію в харчових продуктах та питній воді (РДУ-92). У Гомельській області введено за деякими харчовим продуктам харчування, наприклад дитячого, більш жорсткі нормативи. З урахуванням усіх перерахованих вище факторів і нормативів, підкреслимо, що середньорічна ефективна еквівалентна доза опромінення людини не повинна перевищувати 1 мЗв на рік.

Література

1. Савенко В.С. Радіоекологія. - Мн.: Дизайн ПРО, 1997.

2. М.М. Ткаченко, "Радіологія (променева діагностика та променева терапія)"

3. А.В. ШУМАКОВ Короткий посібник з радіаційної медицини Луганськ -2006

4. Бекман І.М. Лекції з ядерної медицини

5. Л.Д. Лінденбратен, Л.Б. Наумов Медична рентгенологія. М. Медицина 1984

6. П.Д. Хазов, М.Ю. Петрова. Основи медичної радіології. Рязань, 2005

7. П.Д. Хазов. Променева діагностика. Цикл лекцій. Рязань. 2006