Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow РАДИОЭКОЛОГИЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ РАДИОХИМИЯ
Посмотреть оригинал

Биологическое действие излучений

Из-за неодинаковой радиочувствительности разных видов растений и животных облучение природных биоценозов приводит к значительным сдвигам в структуре сообществ. Одни виды заменяются другими, изменяются межвидовые и внутривидовые отношения, меняется устойчивость биосистемы по отношению к внешним условиям (тепло, свет, влага). Иногда наблюдается стимуляция развития в результате облучения.

Эффект облучения зависит от величины поглощённой, дозы, её мощности, объёма облучаемых тканей и органов и вида излучения.

Ионизирующая радиация при воздействии на организм человека может вызвать два вида эффектов, которые относятся к болезням: детерминированные пороговые эффекты (лучевая болезнь, лучевой дерматит, лучевая катаракта, лучевое бесплодие, аномалии в развитии плода и др.) и стохастические (вероятностные) беспороговые эффекты (злокачественные опухоли, лейкозы, наследственные болезни).

Эффекты облучения детерлшнированные — клинически выявляемые вредные биологические эффекты, вызванные ионизирующим излучением, в отношении которых предполагается существование порога, ниже которого эффект отсутствует, а выше — тяжесть эффекта зависит от дозы.

Детерминированные эффекты возникают, когда число клеток, погибших в результате облучения, потерявших способность воспроизводства или нормального функционирования, достигает критического значения, при котором нарушаются функции поражённых органов. К таким эффектам относят клинически выявляемые радиационные поражения органов и тканей и различных систем организма человека. Они имеют дозовый порог, причём клиническая тяжесть поражения возрастает с увеличением дозы. По времени появления детерминированные эффекты подразделятся на ранние и поздние. Форма зависимости доза-эффект для детерминированных эффектов имеет сигмоидальный вид и для её математического описания можно использовать любую функцию, имеющую S-образный вид (например, интегральное нормальное или логнормальное распределение). Часто для оценки радиационных рисков детерминированных эффектов используют двухпараметрическую функцию распределения Вейбулла вида:

где R — риск (вероятность) радиационного поражения, D — доза облучения, у параметр формы, определяющий крутизну функции риска, D50 — медианная доза, которая представляет собой медианную летальную дозу (LD5о), если изучаются летальные эффекты и медианную эффективную дозу ED5o, если рассматриваются нелетальные детерминированные эффекты.

Большую роль играет фактор мощности дозы, т.е. интенсивность радиационного воздействия на живой объект. Обычно используют степенную функцию

где Р — мощность дозы, а и (3 — параметры.

С увеличением мощности дозы облучаемая биологическая система будет быстрее реагировать на воздействия излучения и, с другой стороны, процессы восстановления в этой системе будут подавляться значительнее, по сравнению с малыми мощностями доз. Естественно, что любая биологическая система не может в силу инерционности реагировать на воздействие мгновенно, поэтому с возрастанием мощности дозы величина D50 стремится к предельному значению р.

Эффекты облучения стохастические (вероятностные или беспорого- вые) — вредные биологические эффекты, вызванные ионизирующим излучением, не имеющие дозового порога возникновения, вероятность возникновения которых пропорциональна дозе и для которых тяжесть проявления не зависит от дозы. С увеличением дозы повышается не тяжесть этих эффектов, а вероятность (риск) их появления.

Для оценки стохастических эффектов при облучении всего тела используют эффективный эквивалент дозы:

где wt — взвешивающий коэффициент ткани/органа Г, отражающий его вклад в общее поражение организма. Единицей измерения эффективного эквивалента дозы служит зиверт.

Для количественной оценки частоты стохастических эффектов принята гипотеза о линейной беспороговой зависимости вероятности отдалённых последствий от дозы облучения с коэффициентом риска -7-ю 2

Зв. Риск возникновения стохастических эффектов существует при любом сколь угодно малом уровне облучения. Эти эффекты делятся на соматические и генетические (наследственные), в зависимости от того затрагивают ли они соматические или зародышевые клетки. Соматическое повреждение проявляются в течение жизни человека, а генетическое повреждение — лишь на определенном этапе жизни его потомства.

Система радиационной защиты основана на выполнении двух условий: безусловном предотвращении острых (детерминированных) эффектов и снижении уровня риска отдалённых (стохастических) эффектов до приемлемого (оправданного) уровня. Детерминированные эффекты возникают при относительно больших дозах (>0,5 Гр) за короткий промежуток времени и характеризуются наличием порога радиационного воздействия, ниже которого эффект не наблюдается. Например, лёгкая форма лучевой болезни наступает при дозе 1,0 Гр, а тяжёлая - 4,5 Гр. Стохастические эффекты - это раковые заболевания различной этиологии и генетические нарушения у потомства. Они проявляются спустя годы после облучения с различной степенью вероятности в зависимости от полученной дозы. Стохастические эффекты не имеют дозового порога и возможная частота эффектов прямо пропорциональна дозе.

При прямом действии излучения разрушаются молекулы, непосредственно поглотившие энергию излучения. Основными прямыми характеристиками биологического воздействия ионизирующего излучения являются: ионизация атомов и разрыв химических связей в молекулах. Они прослеживаются в водных соединениях и органических макромолекулах с образованием радикалов, которые вступают в реакции с молекулами структурных элементов клетки. Появляются несвойственные организму химические соединения — токсины. Нарушаются биохимические функции клетки, происходит гидролиз АТФ, снижается уровень метаболизма. В совокупности это приводит к соматическим и генетическим последствиям.

Самыми опасными являются повреждения ДНК внутри ядра клетки, а также внутриклеточных мембран. В результате облучения ДНК возникают такие типы повреждения макромолекулы, как одно- и двунитиевые разрывы; межмолекулярные поперечные сшивки полинуклеотидных цепей; разветвление цепи вследствие одно- и двунитиевых разрывов. При облучении нити ДНК резко скручиваются, образуются водородные мостики между различными нитями ДНК, нарушается спиральное строение молекулы; особенно важно разрушение двойных спиралей ДНК.

Поскольку у человека основную часть массы тела составляет вода, первичные процессы взаимодействия излучения и с биологическим веществом во многом определяются поглощением излучения водой клеток, ионизацией молекул воды с образованием высокоактивных в химическом отношении радикалов. Образовавшиеся вредные для организма и реакционноспособные перекисные соединения, запускают цепь биохимических реакций, приводящих к нарушению жизнедеятельности отдельных функций или систем организма в целом.

Повреждение биомолекул химически активными продуктами радиолиза воды называют непрялп>ьи (косвенным) действием излучения. Оно значительно сильнее прямого действия.

После разрушения клеток в ткани начинают ускоренно делиться здоровые клетки, восполняя утерянные. Однако регенерирующим способностям тканей есть предел. Как только облучение вызывает разрушение клеток в количестве, превышающем регенеративные способности ткани, она не справляется со своими функциями так, что начинают проявляться функциональные расстройства. Это — порог дозы, после которого появляются детерминированные эффекты.

Несмотря на отсутствие доказательств вредного действия радиации при дозах менее юо мЗв, в РФ установлены крайне жёсткие предельно допустимые нормативы для техногенного облучения населения - 1 мЗв/год. Чтобы вызвать острое поражение организма (лучевую болезнь), дозы облучения должны превысить уровень в несколько зиверт.

Лучевая болезнь - реакция организма на воздействие ионизирующей радиации, характеризующееся комплексом дозозависимых, последовательно развивающихся морфологических и функциональных изменений всех органов и систем.

Летальными считаются следующие дозы: юо Зв - смерть наступает через несколько часов или дней вследствие повреждения центральной нервной системы; 104-50 Зв - смерть наступает через одну-две недели вследствие внутренних кровоизлияний; 3+5 Зв - 50% облученных умирает в течение одного-двух месяцев из-за поражения клеток костного мозга.

Тяжесть лучевого поражения зависит от облученного органа. Наиболее тяжело проявляются последствия облучения всего тела по сравнению с облучением отдельных частей тела или органов. Имеет место зависимость биологического эффекта действия радиации от времени, за которое получена одна и та же доза облучения. Чем меньше время, за которое получена доза, тем больше вредный эффект и тяжелее лучевое поражение. Например, доза в 2,5 Зв/сут приведёт к развитию острой лучевой болезни средней тяжести, а равномерно растянутая на 50 лет не вызовет изменений.

Табл. 4. Воздействие различных доз облучения на человеческий организм.

Доза, Гр

Причина и результат воздействия

(0.7-ь 2) ю-з

Доза от естественных источников в год

0.05

Предельно допустимая доза профессионального облучения в год

0.1

Уровень удвоения вероятности генных мутаций

0.25

Однократная доза оправданного риска в чрезвычайных обстоятельствах

1.0

Доза возникновения острой лучевой болезни

3-5

Без лечения 50% облученных умирает в течение 14-2 месяцев вследствие нарушения деятельности клеток костного мозга

Юч-50

Смерть наступает через 14-2 недели вследствие поражений желудочно-кишечного тракта

100

Смерть наступает через несколько часов или дней вследствие повреждения центральной нервной системы

Особенностью воздействия ионизирующего излучения является его онкогенная направленность.

Рак — наиболее серьезное из всех последствий облучения человека при малых дозах. Рак развивается у незначительного числа людей, подвергшихся облучению, но каждый облучённый имеет дополнительный шанс заболеть раком.

Замечание. В 1991 г. Международная комиссия по радиационной защите определила риск смерти от радиационно-индуцированного рака на уровне 7-4-11 случаев на 1 млн. облученных дозой юо чел. Зв.

Риск развития любых смертельных злокачественных опухолей после облучения всего организма при низких дозах и мощностях дозы, низкой линейной передачи энергии, для обоих полов и всех возрастов оценивается как Ю'2 Зв1.

Комитет по изучению радиационных эффектов при ООН (НКДАР) в своих рекомендациях опирается на два основных допущения: l) Не существует никакой пороговой дозы, за которой отсутствует риск заболевания раком. Любая сколь угодно малая доза увеличивает вероятность заболевания раком для человека, получившего эту дозу, и всякая дополнительная доза облучения ещё более увеличивает эту вероятность. 2) Вероятность заболевания возрастает прямо пропорционально дозе облучения: при удвоении дозы риск удваивается, при получении трёхкратной дозы утраивается и т.д.

Первыми в группе раковых заболеваний, поражающих население в результате облучения, стоят лейкозы. Распространенными видами рака являются рак молочной железы и рак щитовидной железы. Эти разновидности рака излечимы, а смертность от рака щитовидной железы низка. Рак лёгких тоже принадлежит к распространенным разновидностям раковых заболеваний среди облучённых групп населения. Для населения всех возрастов и обоих полов, в течение жизни риск смерти от радиационно- индуцированного рака после острой дозы 1 Зв составляет 9% для мужчин и 13% для женщин (в среднем 11%).

Установлено, что разные органы и ткани сильно различаются по своей чувствительности к ионизирующей радиации, а также по роли в лучевой патологии и конечном исходе болезни.

Радиочувствительность - вероятность повреждения клетки, ткани или органа в результате облучения на единицу дозы. Бергонъе и Трибондо (1906): "законы радиочувствительности": радиочувствительность выше, если клетка: имеет продолжительную фазу митоза и менее дифференцирована. В качестве интегрального критерия радиочувствительности наиболее часто используют величину D50 (летальная доза) - доза, облучение в которой вызывает 50%-ную гибель биообъектов.

Примером крайне низкой радиочувствительности служат бактерии, обнаруженные в канале ядерного реактора, где они не только не погибали, а размножались. Величины Dso значительно различаются даже в пределах одного вида. В одном организме различные ткани и клетки имеют разную радиочувствительность: наряду с чувствительными (костный мозг, лимфоидная ткань, эпителий слизистой тонкого кишечника) имеются относительно устойчивые ткани (мышечная, нервная, костная). Чувствительность клеток к излучению зависит от их способности к размножению. Ядро клетки более радиочувствительно по сравнению с цитоплазмой.

Степень радиочувствительности зависит от общего состояния организма, его возраста и пола. Дети чувствительны к действию радиации. Даже небольшие дозы при облучении хрящевой ткани могут у них рост костей, приводя к аномалиям развития скелета. Крайне чувствителен к действию радиации мозг плода, особенно если мать подвергается облучению между восьмой и пятнадцатой неделями беременности.

По морфологическим изменениям радиочувствительность органов человека располагается в ряд: органы кроветворения > половые железы > слизистые оболочки, слюнные, потовые и сальные железы, волосяные сосочки, ЖКТ>печень; органы дыхания; железы внутренней секреции> органы выделения>мышечная и соединительная ткани>соматические костная и хрящевая ткани> нервная ткань. Органы кроветворения наиболее радиочувствительны, поражение костного мозга, тимуса, селезенки, лимфатических узлов — проявление острой лучевой болезни. К наиболее радиочувствительным органам эндокринной системы относятся половые железы.

Внутреннее облучение намного опаснее внешнего. Радионуклиды, накапливаясь в органах и тканях, становятся источником длительного внутреннего облучения. Степень опасности зависит от физико-химических свойств радионуклидов: 14С опасен, поскольку является изотопом основного биогенного элемента. Биологическое действие его связывают не только с радиационными, но и трансмутационными эффектами, которые возникают при превращении атомов 14С в атомы 14N в результате Р"-распада. Особую опасность эти процессы приобретают при включении 14С в ДНК и РНК половых клеток, так как даже единичные акты его распада ведут к мутациям.

В радиобиологии при рассмотрении воздействия инкорпорированных радионуклидов обычно учитывается только радиационное воздействие, создаваемое ионизирующими излучениями, возникающими при их распаде. Считается, что при одинаковой дозе облучения, радиационные эффекты бущут одинаковыми при нахождении источника излучения внутри или вне живого организма. Это, однако, не так. При нахождении радиоактивного элемента внутри организма он может проявлять традиционные (химические) токсические свойства, никак не связанные с радиацией. Более того, при распаде некоторых радионуклидов могут возникать стабильные изотопы элементов, являющихся клеточными ядами. Например, при распаде ^Cs возникает Ва, который может оказать существенное влияние на химические процессы, протекающие в клетке.

При распаде инкорпорированных радионуклидов и их превращении в друтие химические элементы в живую клетку могут попадать радиоактивные атомы, которые включаются в её метаболизм и тем самым входят в состав жизненно важных молекул. Сюда относятся изотопы Cs, являющиеся химическим аналогом К, 9°Sr аналог Са, радиоактивные изотопы J, включающиеся в гормоны, вырабатываемые щитовидной железой, зН, 14С и др. Ещё один эффект связан с "горячими" атомами. Энергия химических связей для биомолекул составляет ~5 эВ и не превышает десятка электрон- вольт. При радиоактивном распаде превращающийся атом получает импульс отдачи. Энергия отдачи (эВ) равна: 3,18 (зН), 6,25 (14С), 39,4 (4°К), 20,61 (9°Sr), 41,42 (9°Y), 5,3 (»3»J), 4,2 O^Cs), 9,55 (,37Cs). При распаде ,4C, за счёт энергии отдачи может быть разорвана любая одинарная связь атома утлерода, а при распаде 4°К и 9°Sr атом отдачи получает энергию достаточную для разрыва не только своей связи в молекуле, но и для разрушения ещё нескольких связей. Если энергии отдачи недостаточно, чтобы разрушить молекулу, то возникающие эффекты связаны с образованием в результате распада атома нового элемента, причём сильно ионизированного.

Эти процессы особенно важны при попадании в организм изотопов йода. Йод, попавший в щитовидную железу, быстро включается в процесс образования гормонов, производимых железой. В 90% случаев распада ‘3»J энергии атомов отдачи достаточно для разрыва химической связи, но не достаточно, чтобы получившийся атом ксенона ушёл далеко от места, в котором распался атом йода. Атом Хе получается однократно ионизованным и легко может вступить в химическую валентную связь. В результате распада йода образуются либо разрушенная молекула гормона, т.е. весьма активные радикалы, либо молекула гормона, в которой атом йода заменен на атом ксенона. Выделяющаяся при отдаче энергия приводит к повышению кинетической энергии окружающих атомов и молекул, что вызовет локальный перегрев в точке распада исходного атома.

 
Посмотреть оригинал
< Предыдущая   СОДЕРЖАНИЕ   Следующая >
 

Популярные страницы