Ионизирующее излучение.

Радионуклиды — это нуклиды, которые нестабильны и испытывают радиоактивный распад с образованием альфа-, бета- и гамма-излучения. Ионизирующее излучение (ИИ) — излучение, взаимодействие которого со средой приводит к образованию ионов различных знаков. Оно включает в себя: фотонное и корпускулярное. Фотонное излучение — электромагнитное косвенно ионизирующее излучение (гамма- излучение, рентгеновское излучение и др.). Корпускулярное излучение — ионизирующее излучение, состоящее из частиц с массой, отличной от нуля (альфа-частицы, бета-частицы, нейтроны и др.).

Различают альфа, бета и гамма излучение. Альфа излучение представляет собой поток ядер атомов гелия, испускаемых при альфа-распаде радиоактивных изотопов. Альфа-излучение — поток альфа-частиц, распространяющихся с начальной скоростью около 20 тыс. км/с. Их ионизирующая способность огромна, но так как на каждый акт ионизации тратится определенная энергия, то их проникающая способность незначительна (длина пробега в воздухе составляет 3—11 см, а в жидких и твердых средах — сотые доли миллиметра). Наиболее опасны альфа-частицы при внутреннем облучении организма.

Бета-излучение представляет собой поток электронов или позитронов, испускаемых при бета-распаде радиоактивных изотопов. Бета-излучение — поток бета-частиц, которые в зависимости от энергии излучения могут распространяться со скоростью, близкой к скорости света (300 тыс. км/с). Заряд бета-частиц меньше, а скорость их больше, чем у альфа- частиц, поэтому они имеют меньшую ионизирующую, но большую проникающую способность. Длина пробега бета-частиц с высокой энергией составляет в воздухе до 20 м, воде и живых тканях — до 3 см, металле — до 1 см. Бета-частицы почти полностью поглощают оконные или автомобильные стекла и металлические экраны толщиной несколько миллиметров. Одежда поглощает 50% бета-частиц.

Гамма-излучение — это электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны, испускаемое ядрами атомов при радиоактивных превращениях. Оно, как правило, сопровождает бета-распад, реже — альфа-распад. По своей природе гамма-излучение представляет собой электромагнитное ноле с длиной волны менее 2 • 10 8 см. Оно испускается отдельными порциями (квантами) и распространяется со скоростью света. Ионизирующая способность его значительно меньше, чем у бета-частиц и тем более у альфа-частиц. Зато гамма-излучение имеет наибольшую проникающую способность и в воздухе может распространяться на сотни метров. Из-за наибольшей проникающей способности гамма-излучение является важнейшим фактором поражающего действия радиоактивных излучений при внешнем облучении. Степень опасности радиационных воздействий оценивается по величине дозы излучения. Различают экспозиционную, поглощенную и эквивалентную дозы, которые, в свою очередь, в зависимости от их отнесения к отдельному органу, организму в целом, группам людей, подразделяются на эффективные индивидуальные и коллективные дозы.

Экспозиционная дозадоза фотонного излучения, ведущая при прохождении через воздух в условиях электронного равновесия к формированию суммарного электронного заряда ионов {одного знака), отнесенного к массе {объему) облученного воздуха. Единицы измерения: в системе СИ — кулон на килограмм (Кл/кг), внесистемная единица — рентген (Р): 1Р = 2,58 х х Ю"4 Кл/кг.

Поглогценная доза — средняя энергия ионизирующего излучения {любого состава), переданная массе вещества. Принятая (предпочтительная) единица в системе СИ — грей (Гр). 1 Гр — это доза ионизирующего излучения, передающая (сообщающая) энергию в 1 джоуль (Дж) массе вещества в 1 кг. Внесистемная единица — рад. 1 рад — это доза ионизирующего излучения, передающая энергию в 100 эрг массе вещества в 1 г. 1 Гр = 100 рад. Соотношение экспозиционных и поглощенных доз: 1 Р = 0,93 рад = 0,93 х х 10-2 Гр (для биологической ткани).

Эквивалентная доза — произведение поглощенной дозы ионизирующего излучения на коэффициент качества {КК). Единица измерения в системе СИ — Зиверт (Зв). 1 Зв = 1 Гр • КК. Внесистемная единица — бэр (биологический эквивалент рада). 1 бэр = 1 рад • КК. Соотношение: 1 Зв = 100 бэр.

Эффективная доза — величина, используемая в радиационной защите как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения {стохастических эффектов) всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Разные части тела (органы, ткани) имеют различную чувствительность к радиационному воздействию: например, при одинаковой дозе облучения возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе. Эффективная эквивалентная доза рассчитывается как сумма эквивалентных доз по всем органам и тканям, умноженных на взвешивающие коэффициенты для этих органов, и отражает суммарный эффект облучения для организма. Взвешивающие коэффициенты для тканей и органов при расчете эффетивной дозы — множители эквивалентной дозы в органах и тканях, используемые в радиационной защите для учета различной чувствительности разных органов и тканей в возникновении стохастических эффектов радиации (гонады — 0,2; красный костный и толстый кишечник — 0,1; легкие и желудок — 0,12; мочевой пузырь, грудная железа, печень, пищевод и щитовидная железа — 0,05; кожа и клетки костных поверхностей — 0,01; остальное (надпочечники, головной мозг, экстраторокальный отдел органов дыхания, тонкий кишечник, почки, мышечная ткань, поджелудочная железа, селезенка, вилочковая железа и матка) — 0,05. Нормирование осуществляется по санитарным правилам и нормативам СанПин 2.6.1.2523—09 «Нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009)». Устанавливаются дозовые пределы эквивалентной дозы для следующих категорий лиц: персонал — лица, работающие с техногенными источниками излучения (группа А) или находящиеся по условиям работы в сфере их воздействия (группа Б); все население, включая лиц из персонала, вне сферы и условий в их производственной деятельности. Основные пределы доз и допустимые уровни облучения персонала группы Б равны четверти значений для персонала группы А. Эффективная доза для персонала не должна превышать за период трудовой деятельности (50 лет) 1000 мЗв, а для обычного населения за всю жизнь — 70 мЗв (1 мЗв в год).

Нормирование воздействия физических факторов на организм человека (вибрации, шума, ионизирующих, электромагнитных излучений и др.) происходит по установленным предельно допустимым уровням (ПДУ) для работников в зависимости от вида трудовой деятельности и населения.

Все живое на Земле с самого начала ее существования находится под воздействием ионизирующего излучения, которое складывается из естественного и техногенного радиационного фона. Естественный радиационный фон Земли складывается из излучений от рассеянных в земной коре, почве, воде, воздухе радионуклидов, возраст которых совпадает с возрастом планеты. К таким радионуклидам относятся калий-40 (40К), уран-238 (238U), торий-2 32 (232Th), радий (226Ra) и радон (219_282Rn). Первичным геологическим источником большинства радионуклидов являются верхние слои литосферы (граниты, песчаники, сланцы и др.), постоянное преобразование которых под воздействием сапрофитной микрофлоры почв, воды, воздуха, перепадов температур ведет к миграции излучателей в почву, растительность, животный мир. К наиболее «мягким» излучателям относится калий-40. Время двукратного снижения его активности за счет выведения из организма равно 58 суткам, 40К не накапливается в организме. Период полураспада — 1,3- 109 лет.

К более эффективным по относительной биологической эффективности (ОБЭ) и многоспектральным (альфа-, бета-, гамма-) излучателям относятся уран, торий и радий. Из организма излучатели практически не выводятся. Так, время двухкратного снижения активности в организме 238U — 15 суток, период полураспада — 4,5 • 109 лет.

К короткоживущим газообразным химически инертным звеньям естественного радиационного фона (звенья распада радия, тория) относятся радон (222Rn), торой (220Тп). В воздух высачиваются из минералов, минералосодержащих строительных материалов, почв. Накапливаются в подвалах, погребах, первых этажах домов, ванных комнатах. В метаболизм (организма, растений) не включаются. Максимальные лучевые нагрузки, характерные для жителей стран с длительным холодным периодом и жильем, построенным из каменно-кирпичного, бетонного строительного материала, достигают 100—1000 мбэр/год. Так, период полураспада радона-2 2 2 (222Rn) — 3,8 суток, в организме не накапливается, в воздухоносные пути, легкие проникает с воздухом, предварительно сорбируясь на мелкодисперсных частицах бытовой пыли (75% на аэрозолях диаметром от 0,005 до 0,025 мкм). Радон является мощным альфа-излучателем (до 5 Мэв), формирующим лучевые нагрузки на эпителий слизистых, носоглотки, трахеи, бронхов, альвеол.

Техногенный фон обусловливается практической деятельностью человека. Сюда входит облучение в ходе медицинских процедур и просмотра телепередач, воздействие выбросов атомных и тепловых электростанций (в угле содержится радиоактивный изотоп углерода, который выбрасывается с дымом) и многое другое.

Основными долгоживущими радионуклидами антропогенного (ядерно- энергетического) происхождения являются: йод-131 (1311), цезий-137 (137Cs), стронций-90 (90Sr), плутоний (239_241Ри).

Йод-131 (1311) вносит ведущий вклад в формирование тиреотропных лучевых нагрузок (накапливается в щитовидной железе) при делении урана-235 и плутония-238. Период полураспада — 8,06 суток.1311 представляет опасность для здоровья человека, в связи с бетта-распадом вызывает мутации и гибель клеток щитовидной железы. Удельная активность этого нуклида составляет приблизительно 4,6 • 1015 Бк/г.

Цезий-137 (137Cs) является одним из главных компонентов радиоактивного загрязнения биосферы. Содержится в радиоактивных выпадениях, радиоактивных отходах, сбросах заводов, перерабатывающих отходы атомных электростанций. Интенсивно сорбируется почвой и донными отложениями, в воде находится преимущественно в виде ионов. По метаболическим характеристикам близок к калию, но в отличие от естественного радиационного аналога (40К) является мощным эффективным гамма-излучателем и источником бета-частиц высоких энергий. 137Cs равномерно распределяется по всему организму (почки, печень — наибольшее скопление) до предела насыщения, превышающего величину суточного поступления в 30 раз. Выводится из организма плохо. Период полураспада — 30 лет. Активность одного грамма этого нуклида составляет приблизительно 3,2 ТБк.

Стронций-90 (90Sr), как и 137Cs является экологически новейшим метаболитом. Величина планового поступления в среду в 1,5—2 раза ниже по сравнению с цезием. По характеру миграции в экосистемах, организмах близок к естественным аналогам урано-ториевого ряда. В спектр излучений вносит нехарактерный для естественных аналогов поток бета-частиц высоких энергий. Практически не выводится из организма. Период полураспада — 28,6 лет. 90Sr является аналогом кальция и способен прочно откладываться в костях. Длительное радиационное воздействие 90Sr и продуктов его распада поражает костную ткань и костный мозг, что приводит к развитию опухолей кроветворной ткани и костей.

Плутоний (239Pu, 240Ри), нептуний (212-235ДО), америций (237_242Аш), кюрий (238-250Ст) — величины поступления их в среду составляют сотые доли от цезия и стронция. Являются мощными альфа-излучателями с высокой радиотоксичностыо. Так, активность одного грамма 239Ри составляет приблизительно 2,3 ГБк. 239Ри относится к «вечным» радионуклидам, так как период его полураспада составляет 24,1 тыс. лет.

Естественный фон в зависимости от местных условий изменяется в широких пределах (в 2—5 раз и более). В разных частях биосферы естественное излучение различно: минимальное — у поверхности моря, максимальное — на больших высотах в горах, образованных гранитными породами.

Превышение фоновых значений может вызвать необратимые изменения в живых организмах и привести к их гибели.

Изменение ионизирующих факторов среды в географическом плане отличается значительной монотонностью (естественно, в отсутствие чрезвычайных ситуаций, например испытаний атомного оружия или аварий на АЭС), вследствие чего образуется повышенный радиационный фон обширных территорий.

Для горных ландшафтов характерен повышенный вклад космического излучения в общую лучевую нагрузку организмов, населяющих нагорья.

Ледникам обычно свойственны крайне слабая мощность гамма-излучения (благодаря экранирующему действию льда, поглощающего излучение горных пород), относительно высокая мощность дозы космического излучения, пониженная концентрация в воздухе радионуклидов, практическое отсутствие сезонных колебаний дозы внешнего облучения.

В зоне вечной мерзлоты, особенно в тундре, радиоактивность приземного слоя воздуха значительно меньше, чем в других районах, и меньше лучевая нагрузка на органы дыхания по сравнению с ландшафтами умеренного климата. Для тундры характерно повышенное содержание некоторых радионуклидов в тканях животных, питающихся мхами, лишайниками и многолетними травами, а также в тканях человека, употребляющего в пищу этих животных. Повышенное накопление радионуклидов в теле организмов связано с употреблением талой воды и снега, в которых природных или искусственных радионуклидов больше, чем в водах умеренного климата.

Фон континентальных районов образуется в основном гамма-излучением радионуклидов, рассеянных в окружающей среде, в первую очередь в горных породах и почве.

В радиоактивных провинциях с большим содержанием природных альфа-излучений в тканях всех животных и растений отмечают повышенное содержание тория (ториевые провинции), урана (урановые провинции) и радия (радиевые провинции).

Организмы в процессе эволюции приспособились к постоянному поступлению в них радионуклидов с воздухом, водой и пищей. По этой причине доза внутреннего облучения отдельного организма и биоценоза в целом относительна устойчива. Сезонные колебания содержания радиоактивных аэрозолей в атмосферном воздухе, происходящие в природной обстановке, не могут оказать заметного влияния на экологию организмов.

Время, за которое активность вещества уменьшается вдвое, называется периодом полураспада. Для разных радиоактивных веществ период полураспада изменяется от доли секунды до миллиарда лет.

Экологическое значение разных радионуклидов различно и зависит, в том числе, от периода полураспада. Период полураспада радионуклида

важная характеристика его биологической активности. Наибольшую опасность для млекопитающих и птиц представляют изотопы с периодом полураспада от нескольких дней до нескольких десятков лет. Например, долгоживущие радионуклиды могут накапливаться в организмах и через пищевые цепи проникать в различные ткани и органы (например, строн- ций-90, попадающий в организм с продуктами питания и далее в костную ткань (замещает кальций), и цезий-137, накапливающийся во всех мягких тканях вместо калия). При коротком периоде полураспада, измеряемом секундами-минутами (азот-16, кислород-19, стронций-81 и др.), основная масса радионуклида распадается, не достигнув тканей организма, и, следовательно, не создает опасной концентрации. Радионуклиды с большим периодом полураспада (десятки тысяч лет и более, например, калий-40, уран-238, торий-232 и др.) в естественных условиях также не смогут создать эффективной дозы, которая привела бы к развитию лучевого заболевания.

По степени биологического действия радионуклиды как потенциальные источники внутреннего облучения разделены на пять групп исходя из понятия радиотоксичности. Группа А — радионуклиды особо высокой ради- отоксичности. Э го радионуклиды тяжелых элементов, ядра которых испытывают спонтанное деление или альфа-распад. К данной группе относятся радиоактивные изотопы: 238-242рщ 244Pu, 252Cf 210РЬ, 210Ро, 226Ra, 230Th, 232U и др. Среднегодовая допустимая концентрация для них в воде установлена в пределах НЬ10—10~8 Ки/л. Группа Брадионуклиды с высокой радиотоксичностью, для которых среднегодовая допустимая концентрация в воде равна 10“9—10~7 Ки/л. Сюда относятся изотопы: 131I, 90Sr, 106Ru, 144Се, 210Bi, 234Th, 235U и др. Группа В — радионуклиды со средней радио- токсичностью. Для данной группы установлена среднегодовая допустимая концентрация в воде 10-8—10-7 Ки/л. В группу включены изотопы: 137Cs, 22Na, 32Р, 35S, 36С1, 45Са, 60Со, 89Sr и др. Группа Г — радионуклиды с малой радиотоксичностью. Среднегодовая допустимая концентрация их в воде равна 10-8— 10-7 Ки/л. В группу входят следующие изотопы: 7Ве, 14С, 18F, 57Cr, 197Hg, 2°°Т1 и др. Группу Д составляет тритий и его химические соединения (окись трития и сверхтяжелая вода). Допустимая концентрация трития в воде установлена 4 • 10_6 Ки/л.

По опыту ликвидации аварии на Чернобыльской АЭС в первые минуты после выброса радиоактивного облака наибольшую опасность представляли короткоживущие изотопы (в основном — радиоактивный изотоп йода-131 с периодом полураспада 8,06 суток). В настоящее время наибольшее значение имеют долгоживущие изотопы цезия-137 и стронция-90.

Следует отметить экологическую опасность загрязнения окружающей среды америцием-241 из-за возрастания его концентрации со временем. Так, за 70 лет после Чернобыльской катастрофы активность америция-241 увеличится в 20 раз по отношению к плутонию (за счет распада плуто- ния-241). Кроме того, подвижность америция-241, концентрирующегося в верхних слоях почвы, существенно выше, чем плутония-239, что увеличит опасность его попадания в живые организмы по цепям питания. Учитывая большой период полураспада америция-241 (433 года), эти проблемы будут актуальными для многих поколений жителей радиационно- загрязненных территорий.

Не существует никаких способов биологического разложения или какого-либо другого механизма, позволяющего предотвратить радиоактивное загрязнение окружающей среды после взрыва атомной бомбы или аварии на атомной электростанции. Так, перемещение или захоронение радиоактивного грунта, умерших животных и лесного опада не решает проблему, хотя приводит к улучшению радиационной ситуации на конкретной дезактивируемой территории.

Следует отметить, что на жизнедеятельность организмов влияют не только абиотические факторы. Различные живые организмы находятся в постоянном взаимодействии между собой, совокупность воздействий одних организмов на другие в процессе жизнедеятельности, а также на неживую среду обитания называют биотическими факторами.

Биотические факторы делятся на фитогеипые (греч. phyton — растение), зоогеипые (греч. гооп — животное) и микробогепные (греч. micros — малый). Они возникают при воздействии растений, животных и микроорганизмов на другие организмы.

В результате взаимодействий между организмами возникают определенные взаимоотношения, которые можно разделить на антагонистические (греч. antagonizsma — борьба) и неантагонистические.

При антагонистических отношениях организмы двух видов подавляют друг друга или один из организмов подавляет другой без ущерба для себя. Основными формами таких отношений являются: хищничество, паразитизм и конкуренция.

Хищничествоэта такая форма взаимоотношений, при которых один организм {жертва) является источником питания для другого {хищник). Более всего хищничество развито в мире животных. Как правило, хищники являются многоядными (волк, лев, тигр), но могут охотиться и на одну жертву (рысь — заяц).

Следует отметить, что среди растений также имеются хищники, добывающие себе дополнительное питание путем ловли насекомых клейкими листьями и липкой Рис. 3.3. Росянка — растение- блестящей приманкой (росянка) (рис. 3.3) хищник или мелких рачков и мальков в водной среде

ловчими камерами (пузырчатка).

Во всех биоценозах эволюционно сложились механизмы внутренней саморегуляции численности хищника и жертвы. Необоснованное уничтожение хищников приводит к ухудшению качественного состава популяции жертв и снижению их жизнеспособности.

Паразитизм {греч. para — возле, sitos — хлеб, пища) — межвидовая форма взаимоотношений, при которых организм одного вида {паразит) использует организм другого вида {хозяин) в качестве среды обитания и источника пищи,

поселяясь внутри или на поверхности тела оргапизма-хозяина (рис. 3.4).

Паразитизм — опенок

Рис. 3.4. Паразитизм — опенок

Паразиты делятся на эктопаразитов и эндопаразитов. Большая часть тела эктопаразитов (клещи, пиявки, блохи, грибы) находятся вне хозяина, и только органы питания внедряются в его клетки. Эндопаразиты (гельминты, бактерии, вирусы) практически полностью находятся в теле хозяина. По сравнению с эктопаразитами они лучше обеспечены питанием и защищены от внешней среды, но чаще всего погибают вместе с хозяином.

Паразиты также бывают временными и постоянными. Временные паразиты (оводы, мошки, комары) только периодически используют ресурсы хозяина для питания, постоян- ^ 0

ные проводят на теле хозяина или внутри г

г . » * зимний на живои древесине

его всю жизнь (гельминты, простейшие бактерии). Паразиты могут иметь одного или несколько хозяев. В последнем случае поражается ряд растений или животных (мучнисторосяные грибы, кошачья двуустка).

Явление паразитизма наиболее широко представлено среди микроорганизмов, простейших и растений. Число видов, ведущих паразитический образ жизни, резко падает у высокоорганизованных растений и животных, но именно у них наблюдается наиболее обильное и разнообразное наличие паразитов.

Среди растений-паразитов встречаются полные паразиты и нолупара- зиты. Полные паразиты практически полностью утратили функции фотосинтеза и питание полностью получают от хозяина (повилика, заразиха).

Иолу паразиты функцию фотосинтеза выполняют самостоятельно, но от хозяина берут водные растворы минеральных солей.

Возможность более экономного расходования энергии на различные процессы, не связанные с прямым поддержанием жизни, лежат в основе эволюции паразитизма.

Конкуренция — форма взаимоотношений, при которой два или более видов подавляют друг друга в борьбе за жизненные ресурсы, пищу, пространство, убежище и т.д.

Различают две формы конкурентных отношений: прямая и косвенная. При прямой конкуренции между различными видами организмов складываются антагонистические отношения из-за претензии на одни и те же ресурсы биосферы. В этом случае наблюдается непосредственное взаимное угнетение: драки, перекрытие доступа к ресурсу, химическое подавление конкурента и т.д. Так, морские ежи физически устраняют других потребителей прибрежных водорослей.

Косвенная конкуренция не связана с прямым подавлением друг друга. Она выражается в том, что один из видов монополизирует один или несколько ресурсов, ухудшая этим условия существования другого вида, для жизнедеятельности которого необходимы такие же ресурсы.

На основе конкуренции формируется социальная иерархия видов в составе сообществ. Длительное сосуществование биологических сходных видов способствует их специализации, сужению и расхождению видовых экологических ниш, а в эволюционных масштабах времени выступает как одна из движущих сил видообразования [61, с. 426].

Симбиоз (греч. symbiosis — сожительство) — это разнообразные формы сожительства организмов различных видов (симбионтов) с образованием системы взаимосвязей. Известны три типа симбиоза: паразитизм, мутуализм и комменсализм. Паразитизм относится к антагонистическим отношениям. Мутуализм и комменсализм — это пример неантагонистических отношений, так как при этом один организм не наносит вреда другому.

Мутуализм (лат. mytuus — взаимный) — обоюдовыгодные сожительства организмов различных видов.

Классическим примером мутуализма является сожительство актинии и рака-отшельника. Актиния прикрепляется к раковине рака-отшельника, получая тем самым возможность передвижения, а рак в свою очередь, получает от актинии защиту от врагов и соответственно возможность получения более богатой пищи. С ростом рак-отшельник меняет раковину на большую и пересаживает актинию па новую раковину.

Мутуализм

Рис. 3.5. Мутуализм

Мутуалистические формы отношений известны между растениями и насекомыми- опылителями. Собирая нектар из цветков растений, насекомые обеспечивают их опыление (рис. 3.5).

Комменсализм (лат. commensalis — сотрапезник) — взаимоотношения между различными видами, когда один вид постоянно или временно живет за счет другого, не нанося ему вреда. При этом один из видов (комменсал) использует другой в качестве среды обитания, средства передвижения или питания за его счет.

Комменсализм нашел значительное распространение в гидросфере. Почти в каждой раковине моллюска присутствуют другие организмы. Например, в полостях раковины упоминавшего рака-отшельника может проживать кольчатый червь, питающийся остатками пищи хозяина. Среди растений также наблюдается комменсализм. К комменсалам относятся лишайники и моховидные растения, поселяющиеся на стволах деревьев. Они питаются растворами минералов и водой, накапливающимися между лишайниками, моховидными растениями и корой деревьев.

Иногда достаточно сложно провести грань между мутуализмом, паразитизмом и комменсализмом. Однако в процессе эволюции достаточно четко наблюдается тенденция постепенного перехода от паразитизма к комменсализму и затем к мутуализму, поскольку взаимовыгодные отношения организмов различных видов дают преимущества в условиях недостатка некоторых ресурсов.

Следует отметить, что в природе иногда встречается и мирное сосуществование различных видов (неантагонистические отношения), которое наиболее ярко проявляется среди травоядных животных.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >