Основы радиационной экологии

Введение

Экологическая обстановка практически во всех регионах земного шара остается неудовлетворительной. Высокая техногенная нагрузка на природные ресурсы ухудшает состояние окружающей среды и снижает плодородие почв. Выбросы радиоактивных элементов в окружающую среду существенно изменили радиационную обстановку в биосфере, что оказало огромное влияние на все экологические взаимоотношения.

Радиационный фон - постоянно действующий экологический фактор, который играл важную роль в формировании и эволюции живого вещества и оказывает постоянное 


влияние на биоту. Естественная ионизация обусловлена космическим излучением и радионуклидами, содержащимися в земной коре, воде и воздухе. В результате ядерных взрывов, особенно в атмосфере, важной составляющей радиационного воздействия на биосферу, стало антропогенное загрязнение окружающей среды, обусловленное интенсивным выбросом расщепляющихся материалов, в том числе и долгоживущих, многие из которых активно вовлекаются в биогенный круговорот веществ. Несмотря на существенное снижение техногенных выбросов радиоактивных элементов в окружающую среду за последние десятилетия - эта проблема будет иметь значение еще длительное время, из-за глобального загрязнения поверхности Земли и продолжительного периода полураспада некоторых радионуклидов.

Облучение человека и животных радионуклидами, поступившими в среду обитания, складываются из внешнего облучения радионуклидами, осевшими на почвенно-растительный покров земной поверхности, облучения радионуклидами, поступающими в организм через органы дыхания, а также облучения поступившими внутрь организма через пищеварительный тракт с пищей и водой. Последний из перечисленных способов облучения является доминирующим в настоящее время на территориях, содержащих повышенные уровни радиоактивных элементов.

Радиационное воздействие техногенного происхождения изменяется со временем и вопрос его последействия на живые системы требует изучения, как из-за отсутствия полной картины влияния хронического облучения на отдельный организм низкими и сверхнизкими дозами ионизирующего излучения, так и из-за слабой изученности системных изменений в биосфере при длительном влиянии измененных и новых экологических факторов.

Цель данного пособия - дать представление о радиационных явлениях, естественных и искусственных источниках ионизирующего излучения показать их распространение в природных объектах и живых организмах и их роль в действии на здоровье человека и других видов, а также дать понятие о радиационном экологическом мониторинге и радиационной безопасности.

1. Ионизирующее действие радиационных излучений

В первой части пособия мы рассмотрели явление ионизации, как способность некоторых частиц, обладающих достаточно большой энергией, выбивать электроны с внешних оболочек атомов. Ионизирующее излучение (ИИ) - это потоки частиц и квантов электромагнитной энергии, прохождение которых через вещество приводит к возбуждению его атомов, и к ионизации вещества. Ионизация электрически нейтральных атомов и молекул обуславливает образование положительных и отрицательных ионов и свободных электронов.

1.1 Ионизация в газе и жидкости

Для разделения нейтрального невозбуждённого атома (молекулы) на две или более заряженные частицы, т. е. для его ионизации, необходимо затратить некоторую энергию, которую называют энергией ионизации. Для всех атомов данного элемента (или молекул данного химического соединения), ионизирующихся из основного состояния одинаковым образом (с образованием одинаковых ионов), энергия ионизации одинакова. Простейший акт ионизации - отщепление от атома (молекулы) одного электрона и образование положительного иона - рисунок 1.

Рисунок 1 - Гамма квант (г) выбивает электрон с орбиты атома, образуя положительно заряженный ион (ион +) и электрон (ион-) - (пару ионов)

На рисунке 1 показано, что электрон выбивается энергией г -кванта, который должен обладать значительной энергией, чтобы не просто перевести электрон на более высокую энергетическую орбиту, а удалить его за пределы сил притяжения ядра. Энергию ионизации в объект облучения могут переносить не только г -кванты, но и электроны, мезоны, протоны, нейтроны, другие частицы и их античастицы.

Присоединение электронов к нейтральным атомам или молекулам (образование отрицательного иона), в отличие от других актов ионизации, может сопровождаться как затратой, так и выделением энергии; в последнем случае говорят, что атомы (молекулы) данного вещества обладают сродством к электрону.

Если энергия ионизации сообщается ионизуемой частице другой частицей (электроном, атомом или ионом) при их столкновении, то ионизацию называется ударной. Вероятность ударной ионизации (характеризуемая эффективным поперечным сечением ионизации) зависит от рода ионизуемых и бомбардирующих частиц и от их кинетической энергии. До некоторого минимального (порогового) значения кинетической энергии эта вероятность равна нулю, при ее увеличении выше порога она вначале быстро возрастает, достигает максимума, а затем убывает.

Если энергии, передаваемые ионизуемым частицам в столкновениях, достаточно велики, возможно образование из них, наряду с однозарядными, и многозарядных ионов (многократная ионизации). При столкновениях атомов и ионов с атомами может происходить ионизация не только бомбардируемых, но и бомбардирующих частиц.

Ионизация может вызываться не только частицами, налетающими извне. Когда энергия теплового движения атомов (молекул) вещества достаточно велика, они могут ионизовать друг друга при взаимных столкновениях - происходит термическая ионизация. Значительной интенсивности она достигает при температурах ~103 - 104K, например, в дуговом разряде, ударных волнах, в звёздных атмосферах.

Процессы, в которых ионизуемые частицы получают энергию ионизации от фотонов (квантов электромагнитного излучения), называют фотоионизацией. Если атом (молекула) невозбуждён, то энергия ионизующего фотона h (h - постоянная Планка, - частота излучения), должна быть не меньше энергии ионизации. Для всех атомов и молекул в газах и жидкостях эта величина энергии такова, что ей удовлетворяют лишь ультрафиолетовые и более жёсткие фотоны. Однако фотоионизацию наблюдают и при h < W, (W - энергия ионизации), например при облучении видимым светом.

Объясняется это тем, что она может иметь характер ступенчатой ионизации: вначале поглощение одного фотона возбуждает частицу, после чего взаимодействие со следующим фотоном приводит к ионизации. В отличие от ударной ионизации, вероятность фотоионизации максимальна именно при пороговой энергии фотона h < W, а затем с ростом частоты падает. Максимум сечения фотоионизации в 100--1000 раз меньше, чем при ударной ионизации. Меньшая вероятность компенсируется во многих процессах фотоионизации значительной плотностью потока фотонов, и число актов ионизации может быть очень большим.

Ионизованные газы и жидкости обладают электропроводностью, что, с одной стороны, лежит в основе разнообразных применений процессов ионизации, а с другой стороны, даёт возможность измерять степень ионизации этих сред, т. е. отношение концентрации заряженных частиц в них к исходной концентрации нейтральных частиц.

Процессом, обратным ионизации, является рекомбинация ионов и электронов - образование из них нейтральных атомов и молекул. Защищенный от внешних воздействий газ при обычных температурах в результате рекомбинации очень быстро переходит в состояние, в котором степень его ионизации пренебрежимо мала. Поэтому поддержание заметной ионизации в газе возможно лишь при действии внешнего ионизатора (потоки частиц, фотонов, нагревание до высокой температуры). При определённой концентрации заряженных частиц ионизованный газ превращается в плазму, резко отличающуюся по своим свойствам от газа нейтральных частиц.

Особенность ионизации жидких растворов состоит в том, что в них молекулы растворённого вещества распадаются на ионы уже в самом процессе растворения без всякого внешнего ионизатора, за счёт взаимодействия с молекулами растворителя. Взаимодействие между молекулами приводит к самопроизвольной ионизации и в некоторых чистых жидкостях (вода, спирты, кислоты).

1.2 Ионизация в твёрдом теле

Процесс превращения атомов твёрдого тела в заряженные ионы, связанный с переходом электронов из валентной зоны кристалла в зону проводимости (в случае примесных атомов - с потерей или захватом ими электронов). Ионизация происходит также, если через вещество проходит поток заряженных (электроны, протоны) или нейтральных (нейтроны) частиц. При этом нужно учитывать, что изменения в веществе вызывает только поглощенная энергия. Доза ионизирующего излучения - энергия ионизирующего излучения, поглощённая в единице массы облучаемого вещества. В системе СИ поглощенная энергия измеряется в Греях (Гр) - 1 Гр - это такая энергия радиационного воздействия, при котором в одном килограмме вещества запасается 1 Дж энергии. Часто используют несистемную единицу - рад, 1 Гр = 100 рад.

1 Гр = .

Живой объект можно рассматривать как совокупность трех фаз: жидкой, твердой и газообразной, поэтому при действии факторов ионизирующего излучения необходимо учитывать особенности ионизации в этих средах, с учетом эффективности поглощения и преобразования энергии.

2. Действие ионизирующих излучений на живые объекты

Биологическое действие ионизирующих излучений - изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структуре живых организмов при воздействии коротковолновых электромагнитных волн (рентгеновского излучения и гамма-излучения) или потоков заряженных частиц (альфа-частиц, бета - излучения, протонов) и нейтронов.

Исследования влияния ионизирующих излучений на биологические объекты были начаты сразу после открытия рентгеновского излучения (1895) и радиоактивности (1896). В 1896 физиолог И. Р. Тарханов показал, что рентгеновское излучение, проходя через живые организмы, нарушает их жизнедеятельность. Особенно интенсивно стали развиваться исследования биологического действия ионизирующих излучений с началом применения атомного оружия (1945), а затем и мирного использования атомной энергии.

Первичное действие радиации произвольного вида на любой биологический объект начинается с поглощения энергии излучения, что сопровождается возбуждением молекул и их ионизацией. Ионизация органических молекул обуславливает возникновение свободных радикалов, которые, включаясь в протекающие в организме химические реакции, нарушают течение обмена веществ и, вызывая появление несвойственных организму соединений, расстраивают процессы жизнедеятельности в этом проявляется прямое действие излучения.

При ионизации молекул воды в живом организме, состоящем до 90% из воды, в присутствии кислорода возникают активные радикалы (ОН- и др.), гидратированные электроны, а также молекулы перекиси водорода, включающиеся затем в цепь химических реакций в клетке, что обеспечивает косвенное действие излучения.

При облучении в дозе 1000 Р (что соответствует поглощенной дозе порядка 10 Гр) в клетке средней величины (10-9 г) возникает около 1 млн. таких радикалов, каждый из которых в присутствии кислорода воздуха может дать начало цепным реакциям окисления, во много раз увеличивающим количество измененных молекул в клетке и вызывающим дальнейшее изменение надмолекулярных (субмикроскопических) структур. Выяснение большой роли свободного кислорода в цепных реакциях, ведущих к лучевому поражению, т.н. кислородного эффекта, способствовало разработке ряда эффективных радиозащитных веществ, вызывающих искусственную гипоксию в тканях организма.

Большую роль играет миграция энергии по молекулам биополимеров, в результате которой поглощение энергии, происшедшее в любом месте макромолекулы, приводит к нарушению её активного центра (например, к инактивации белка-фермента). Физические и физико-химические процессы, лежащие в основе биологического действия ионизирующего излучения, т. е. поглощение энергии и ионизация молекул, занимают доли секунд - рисунок 2.

Биохимические повреждения, в зависимости от места действия, могут оказать влияние на организм, получивший дозу, вызывая соматические эффекты, среди которых лейкоз, рак, уменьшение продолжительности жизни и другие, или на регенеративные органы, в этом случае возможна передача генетических повреждений (мутаций) отдаленным потомкам.

Для действия ионизирующих излучений на биологические объекты характерен ряд общих закономерностей:

1) глубокие нарушения жизнедеятельности вызываются ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии. Так, энергия, поглощённая телом млекопитающего животного или человека при облучении смертельной дозой, при превращении в тепловую привела бы к нагреву тела всего на 0,001°С. Попытка объяснить «несоответствие» количества энергии результатам воздействия привела к созданию теории мишени, согласно которой лучевое

Рисунок 2 - Схема развития лучевого повреждения (в центре) и способы воздействия на него (справа) (Кузин А.М.)

повреждение развивается при попадании энергии в особенно радиочувствительную часть клетки - «мишень»;

2) действие ионизирующего излучения на биологические объекты не ограничивается организмом, подвергнутым облучению, но может распространяться и на последующие поколения, что объясняется влиянием на наследственный аппарат организма. Именно эта особенность очень остро ставит вопросы изучения биологического действия ионизирующих излучений, защиты организма от излучений и ограничения распространения ядерных воздействий на биосферу;

3) для действия ионизирующих излучений на биологические объекты характерен скрытый (латентный) период. Развитие лучевого поражения наблюдается не сразу и зависит от вида ионизирующего излучении, состояния организма и ряда других факторов. Продолжительность латентного периода может варьировать от нескольких мин до десятков лет в зависимости от дозы облучения, радиочувствительности организма и наблюдаемой функции. Так, при облучении в очень больших дозах (тысячи Гр) можно вызвать «смерть под лучом», длительное же облучение в малых дозах ведёт к изменению состояния нервной и других систем, к возникновению опухолей спустя годы после облучения.

Радиочувствительность разных видов организмов различна. Смерть половины облученных животных (при общем облучении) в течение 30 сут после облучения (летальная доза - LD 50/30) вызывается следующими дозами рентгеновского излучения: морские свинки 250 р, собаки 335 р, обезьяны 600 р, мыши 550-650 р, караси (при 18°С) 1800 р, змеи 8000-20000 р. Более устойчивы одноклеточные организмы: дрожжи погибают при дозе 30000 р, амёбы - 100000 р, а инфузории выдерживают облучение в дозе 300000 р. Радиочувствительность высших растений тоже различна: семена лилии полностью теряют всхожесть при дозе облучения 2000 р, на семена капусты не влияет доза в 64000 р.

Большое значение имеют также возраст, физиологическое состояние, интенсивность обменных процессов организма, а также условия облучения. При этом, помимо дозы облучения организма, играют роль: мощность, ритм и характер облучения (однократное, многократное, прерывистое, хроническое, внешнее, общее или частичное, внутреннее), его физические особенности, определяющие глубину проникновения энергии в организм (рентгеновское и гамма-излучение проникает на большую глубину, альфа-частицы до 40 мкм, бета-частицы - на несколько мм), плотность вызываемой излучением ионизации (под влиянием альфа-частиц она больше, чем при действии других видов излучения).

Все эти особенности воздействующего лучевого фактора определяют относительную биологическую эффективность излучения. Если источником излучения служат попавшие в организм радиоактивные изотопы, то огромное значение для ионизирующего действия, испускаемого этими изотопами, имеет их химическая характеристика, определяющая участие изотопа в обмене веществ, концентрацию в том или ином органе, а, следовательно, и характер облучения организма.

Последующие биохимические процессы лучевого повреждения развиваются медленнее. Образовавшиеся активные радикалы нарушают нормальные ферментативные процессы в клетке, что ведёт к уменьшению макроэргических (богатых энергией) соединений. Особенно чувствителен к облучению синтез дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) в интенсивно делящихся клетках. Таким образом, в результате цепных реакций, возникающих при поглощении энергии излучения, изменяются многие компоненты клетки, в том числе макромолекулы (ДНК, ферменты и др.) и сравнительно малые молекулы (аденозинтрифосфорная кислота, коферменты и др.). Это приводит к нарушению ферментативных реакций, физиологических процессов и клеточных структур.

Воздействие ионизирующего излучения вызывает повреждение клеток. Наиболее важно нарушение клеточного деления. При облучении в сравнительно малых дозах наблюдается временная остановка митоза. Большие дозы могут вызвать полное прекращение деления или гибель клеток. Нарушение нормального хода митоза сопровождается хромосомными перестройками, возникновением мутаций, ведущими к сдвигам в генетическом аппарате клетки, а следовательно, к изменению последующих клеточных поколений (цитогенетический эффект).

При облучении половых клеток многоклеточных организмов нарушение генетического аппарата ведёт к изменению наследственных свойств развивающихся из них организмов. При облучении в больших дозах происходит набухание и пикноз ядра (уплотнение хроматина), затем структура ядра исчезает. В цитоплазме при облучении в дозах 10 000 - 20 000 р (величина порядка 100-200 Гр) наблюдаются изменение вязкости, набухание протоплазматических структур, образование вакуолей, повышение проницаемости. Всё это резко нарушает жизнедеятельность клетки.

Сравнительное изучение чувствительности ядра и цитоплазмы к радиационному воздействию показало, что в большинстве случаев чувствительно к облучению ядро (например, облучение ядер сердечной мышцы тритона в дозе нескольких протонов на ядро вызвало типичные деструктивные изменения; доза в несколько тысяч раз большая не повредила цитоплазмы). Многочисленные данные показывают, что клетки более радиочувствительны в период деления и дифференцировки: при облучении поражаются прежде всего растущие ткани. Это делает облучение наиболее опасным для детей и беременных женщин. На этом же основана и радиотерапия опухолей - растущая ткань опухоли погибает при облучении в дозах, которые меньше повреждают окружающие нормальные ткани.

Возникающие в облучаемых клетках изменения ведут к нарушениям в тканях, органах и жизнедеятельности всего организма. Особенно выражена реакция тканей, в которых отдельные клетки живут сравнительно недолго. Это слизистая оболочка желудка и кишечника, которая после облучения воспаляется, покрывается язвами, что ведёт к нарушению пищеварения и всасывания, а затем к истощению организма, отравлению его продуктами распада клеток и проникновению бактерий, живущих в кишечнике, в кровь.

Сильно повреждается кроветворная система, что ведёт к резкому уменьшению числа лейкоцитов в периферической крови и к снижению её защитных свойств. Одновременно падает и выработка антител, что ещё больше ослабляет защитные силы организма. (Уменьшение способности облученного организма вырабатывать антитела и тем самым противостоять внедрению чужеродного белка используется при пересадке органов и тканей - перед операцией пациента облучают.) Уменьшается и количество эритроцитов, с чем связано нарушение дыхательной функции крови. Ионизирующее излучение также обусловливает нарушение половой функции и образования половых клеток вплоть до полного бесплодия (стерильности) облученных организмов.

Важную роль в развитии лучевого поражения животных и человека играет нервная система. Так, у кроликов смертельный исход при облучении в дозе 10 Гр часто определяется нарушениями в центральной нервной системе, вызывающими остановку сердечной деятельности и паралич дыхания. Исследования биоэлектрических потенциалов мозга облученных животных и людей, подвергающихся лучевой терапии, показали, что нервная система раньше других систем организма реагирует на радиационное воздействие. Облучение собак в дозе 5-20 р и хроническое облучение в дозе 0,05 р при достижении дозы в 3 р ведёт к изменению условных рефлексов. Большую роль в развитии лучевой болезни играют и нарушения деятельности желёз внутренней секреции.

Для действия ионизирующего излучения на биологические объекты характерно последействие, которое может быть очень длительным, т.к. по окончании облучения цепь биохимических и физиологических реакций, начавшихся с поглощения энергии излучения, продолжается долгое время - рисунок 2. К отдалённым последствиям облучения относятся изменения крови (уменьшение числа лейкоцитов и эритроцитов), нефросклероз, циррозы печени, изменения мышечных оболочек сосудов, раннее старение, появление опухолей. Эти процессы связаны с нарушением обмена веществ и нейроэндокринной системы, а также повреждением генетического аппарата клеток тела (соматические мутации).

Лучевое повреждение организма сопровождается также процессом восстановления, который связан с нормализацией обмена веществ и регенерацией клеток. Поэтому облучение дробное или с малой мощностью доз вызывает меньшее повреждение, чем интенсивное воздействие. Изучение процессов восстановления важно для поисков радиозащитных веществ, а также средств и методов защиты организма от излучений. В небольших дозах все обитатели Земли постоянно подвержены действию ионизирующего излучения - космических лучей и радиоактивных изотопов, входящих в состав самих организмов и окружающей среды. Испытания атомного оружия и применение атомной энергии в мирных целях повышают радиоактивный фон.

В сельском хозяйстве радиационные воздействия применяются с целью выведения новых форм растений, для предпосевной обработки семян, борьбы с вредителями (путём выведения и выпуска на поражаемые плантации обеспложенных облучением самцов), для лучевой консервации фруктов и овощей, предохранения продуктов растениеводства от вредителей (дозы, губительные для насекомых, безвредны для зерна) и др.

2.1 Действие ионизирующих излучений на микроорганизмы

Микроорганизмы, по чувствительности к радиационному действию, обычно располагают в таком порядке: - наиболее чувствительны бактерии, затем плесени, дрожжи, споры бактерий, вирусы. Однако это разделение не абсолютно, так как среди бактерий есть виды более радиоустойчивые, чем вирусы.

Радиочувствительность микроорганизмов модифицируют различные факторы, как внутренние: генетическая природа самой клетки, жизненная фаза клетки и другие, так и внешние: температура, концентрация кислорода и других газов, состав и свойства среды в которой производится облучение, а также тип радиационного воздействия и его мощность и другие факторы. Радиочувствительность микроорганизмов значительно ниже, чем у растений и животных на 1-2 порядка, в ряде случаев бактерицидный эффект для некоторых видов может быть достигнут только при значительных дозах: 1-2 Мрад.

Уже на первых этапах исследования радиационной чувствительности микроорганизмов было показано, что при дозе 5000 Р значительно снижается выживаемость кишечной палочки, а при дозе 20 кР погибает 95 % бактерий. Культура микроорганизмов каждого вида содержит смесь клеток, различных по чувствительности к радиации. Например для культуры кишечной палочки 66% LD50 соответствовала доза 1,2 крад, а для 34 % бактерий - 3,5 крад. При облучении бактерий кишечной группы гамма лучами, их инактивация происходит в пределах от 24 до 168 крад, а гибель всех клеток при дозах около 300 крад.

Для получения одинакового биологического эффекта у различных видов микроорганизмов требуются различные дозы излучения. Эти различия зависят от ряда биологических особенностей облучаемых бактерий, условий облучения, влияния внешней среды и других факторов. Особое значение придается неодинаковой чувствительности нуклеинового обмена и ДНК различных организмов к радиационному облучению.

Чувствительность бактерий к радиации значительно изменяется внутри одного и того же вида и, даже, популяции бактериальных клеток. Популяция клеток состоит из бактерий, располагающихся по устойчивости к радиации в вариационный ряд, так же, как и по другим биологическим признакам. Поэтому в популяции всегда присутствуют особо радиорезистентные клетки, для того, чтобы их убить, нужно облучать более мощными дозами, чем те, при которых погибает основная масса клеток более радиочувствительных. Грамположительные бактерии менее чувствительны к облучению, чем грамотрицательные.

Споры бактерий обладают очень низкой радиочувствительностью, но и среди неспорообразующих микроорганизмов известны организмы радиоустойчивость которых может превышать устойчивость спор. Чаще всего они принадлежат к кокам или сарцинам. Известны микрококки, у которых полулетальная доза равна 400 крад (4 кГр). При лучевой стерилизации мяса, рыбы и других продуктов наиболее часто после облучения в дозах от 600 до 1500 крад обнаруживали кокков. Примером высокой радиоустойчивости могут быть также бактерии, выделяемые из вод атомных реакторов.

2.2 Действие ионизирующих излучений на растения

В целом, растения более устойчивы к радиационному воздействию, чем птицы и млекопитающие. Облучение в небольших дозах может стимулировать жизнедеятельность растений - рисунок 3 - прорастание семян, интенсивность роста корешков, накопление зелёной массы и др. Нужно отметить, что дозовая кривая, приведенная на этом рисунке безусловно повторяется в опытах в отношении самых разнообразных свойств растений для доз радиационного воздействия, вызывающих угнетение процессов. В отношении стимуляции дозовая характеристика процессов не так очевидна. Во многих случаях проявление стимуляции на живых объектах не наблюдается.

Рисунок 3 - Зависимость числа проросших глазков картофеля сорта от дозы облучения

Большие дозы (200 - 400 Гр) вызывают снижение выживаемости растений, появление уродств, мутаций, возникновение опухолей. Нарушения роста и развития растений при облучении в значительной степени связаны с изменениями обмена веществ и появлением первичных радиотоксинов, которые в малых количествах стимулируют жизнедеятельность, а в больших - подавляют и нарушают её. Так, промывка облученных семян в течение суток после облучения снижает угнетающий эффект на 50-70%.

У растений лучевая болезнь возникает под воздействием различных видов ионизирующих излучений. Наиболее опасны альфа-частицы и нейтроны, нарушающие нуклеиновый, углеводный и жировой обмен в растениях. Очень чувствительны к облучению корни и молодые ткани. Общий симптом лучевой болезни - задержка роста. Например, у молодых растений пшеницы, фасоли, кукурузы и других задержка роста наблюдается через 20--30 ч после облучения дозой более 4 Гр. В то же время разными исследователями показано, что облучение воздушно-сухих семян многих культур дозами 3-15 Гр не только не приводит к угнетению роста и развития растений, а напротив способствует ускорению многих биохимических процессов. Это выражалось в ускорении развития и увеличении урожайности.

Установлены видовые, сортовые и индивидуальные внутрисортовые различия в радиочувствительности растений. Например, симптомы лучевой болезни у традесканции возникают при её облучении дозой 40 р, у гладиолуса - 6000 р. Смертельная доза облучения для большинства высших растений 2000-3000 р (поглощенная доза порядка 20-30 Гр), а низших, например дрожжей, 30 000 р (300 Гр). При лучевой болезни повышается также восприимчивость растений к инфекционным болезням. Пораженные растения нельзя использовать в пищу и на корм скоту, так как они могут вызвать лучевую болезнь у человека и животных. Методы защиты растений от лучевой болезни разработаны недостаточно.

2.3 Действие ионизирующих излучений на беспозвоночных

Радиочувствительность беспозвоночных изменяется в значительных пределах: полулетальная доза у некоторых асцидий, кишечно-полосных, членистоногих, нематод колеблется в пределах от 30 до 50 Гр. У моллюсков она находится в пределах 120-200 Гр, у амеб эта величина достигает 1000 Гр, а у инфузорий устойчивость близка к устойчивости микроорганизмов - LD50 находится в пределах 3000 - 7000 Гр.

Радиочувствительность зависит как от совокупности свойств организма и состояния окружающей среды, так и от периода онтогенеза. Так у дрозофилы полулетальная доза в стадии имаго равна 950 Гр, в стадии куколки 20-65 Гр, чувствительность яиц, в зависимости от времени колеблется от 2 до 8 Гр, а в стадии личинки она равна 100-250 Гр.

2.4 Действие ионизирующих излучений на позвоночных

Чувствительность позвоночных к радиационному воздействию значительно выше, чем у предыдущих групп организмов. Наиболее радиоустойчивы змеи, у которых LD50 находится в пределах от 80 до 200 Гр, у тритонов и голубей она соответствует величинам 25-30 Гр, у черепах - 15-20 Гр, у кур - 10-15 Гр, для карповых рыб - 5-20 Гр, для грызунов 5-9 Гр. Млекопитающие еще менее устойчивы к действию радиации. Полулетальная доза для собак 2,5-4 Гр, а у обезьян 2- 5,5 Гр.

У животных лучевая болезнь. наиболее изучена у одомашненных млекопитающих и птиц. Различают острую и хроническую лучевую болезнь. Острая возникает при однократном общем облучении экспозиционными дозами: 1,5-2,0 Гр (лёгкая степень), 2,0-4,0 Гр (средняя), 4,0-6,0 Гр (тяжёлая) и свыше 6,0 Гр (крайне тяжёлая). В зависимости от тяжести течения лучевой болезни. у животных наблюдают угнетение, ухудшение аппетита, рвоту (у свиней), жажду, поносы (могут быть со слизью, кровью), кратковременное повышение температуры тела, выпадение волос (особенно у овец), кровоизлияния на слизистых оболочках, ослабление сердечной деятельности, лимфопению и лейкопению. При крайне тяжёлом течении - шаткость походки, мышечные судороги, понос и смерть. Выздоровление возможно при лёгком и среднем течении болезни. Хроническая лучевая болезнь. развивается при длительных воздействиях небольших доз общего гамма-излучения или поступивших внутрь организма радиоактивных веществ. Она сопровождается постепенным ослаблением сердечной деятельности, нарушением функций желёз внутренней секреции, истощением, ослаблением сопротивляемости инфекционным болезням.

Лечению предшествует вывод животных из зараженной местности, удаление радиоактивных веществ с наружных покровов водой, моющими и другими средствами. В начале болезни рекомендуют переливание крови или кровезаменителей, внутривенное введение 25-40%-ного раствора глюкозы с аскорбиновой кислотой. При заражении через пищеварительный тракт - применяют адсорбенты (водная смесь костной муки или сернокислого бария с йодистым калием), при поражении через лёгкие - отхаркивающие средства.

При внутреннем поражении животных радиоактивные вещества выделяются из организма, загрязняя внешнюю среду, а с продуктами питания (молоко, мясо, яйца) могут попадать в организм человека. Продукты от животных, подвергшихся лучевому поражению, не используются в пищу или на корм зверям, так как могут вызвать у них лучевую болезнь.

2.5 Действие ионизирующих излучений на человека

Накопленный к настоящему времени большой материал, полученный в экспериментах на животных, а также на основе обобщения многолетних данных о состоянии здоровья рентгенологов, радиологов и других лиц, которые подвергались воздействию ионизирующих излучений, показывает, что при однократном равномерном гамма - облучении всего тела наступают последствия, обобщенные в таблице 1.

Таблица 1 - Последствия при однократном равномерном гамма - облучении всего тела

Доза, Гр*	Последствия
100	смерть наступает через несколько часов или дней вследствие повреждения центральной нервной системы.
10--50	смерть наступает через одну - две недели вследствие внутренних кровоизлияний.
4--5	50% облученных умирает в течение одного--двух месяцев вследствие поражения клеток костного мозга.
2-4	нетрудоспособность. Возможна смерть.
1	нижний уровень развития лучевой болезни.
0,75	кратковременные незначительные изменения состава крови.
0,30	облучение при рентгеноскопии желудка (разовое).
0,25	допустимое аварийное облучение персонала (разовое).
0,10	допустимое аварийное облучение населения (разовое).
0,05	допустимое облучение персонала в нормальных условиях за год.
0,005	допустимое облучение населения в нормальных условиях за год.
0,0035	средняя годовая эквивалентная доза облучения за счет всех источников излучения.

Лучевая болезнь, заболевание, возникающее от воздействия различных видов ионизирующих излучений. Человек, животные, микроорганизмы и растения постоянно подвергаются извне действию гамма-излучений земной коры, космических лучей и изнутри облучаются находящимися в организме человека в ничтожных количествах радиоактивными веществами (46K, 226Ra, 222Rn, 14C и др.). Развитие лучевой болезни. наступает лишь тогда, когда суммарная доза облучения начинает превышать естественный радиоактивный фон. Способность радиации вызывать лучевую болезнь зависит от биологического действия ионизирующих излучений; чем больше поглощённая доза излучения, тем сильнее выражено поражающее действие радиации.

У человека лучевая болезнь может быть обусловлена внешним облучением, когда источник его находится вне организма, и внутренним - при попадании радиоактивных веществ в организм с вдыхаемым воздухом, через желудочно-кишечный тракт или кожу. Лучевая болезнь может развиться при относительно равномерном облучении всего тела, какого-либо органа или участка организма. Различают острую лучевую болезнь, возникающую от однократного общего облучения в сравнительно больших дозах (сотни рад), и хроническая форму, которая может быть результатом перенесённой острой лучевой болезни либо хронического воздействия малыми дозами (единицы рад).

Общие клинические проявления лучевой болезни зависят главным образом от полученной суммарной дозы. При однократном общем облучении дозой до 100 р (порядка 1 Гр) происходят сравнительно лёгкие изменения, которые могут рассматриваться как состояние так называемой предболезни. Дозы свыше 100 р вызывают те или иные формы лучевой болезни (костно-мозговую, кишечную) разной тяжести, при которых основные проявления и исход лучевой болезни зависят главным образом от степени поражения органов кроветворения.

Дозы однократного общего облучения свыше 600 р (более 6 Гр) считают абсолютно смертельными; гибель наступает в сроки от 1 до 2 мес после облучения. При наиболее типичной форме острой лучевой болезни вначале, через несколько минут или часов, у получивших дозу больше 200 р возникают первичные реакции (тошнота, рвота, общая слабость). Через 3-4 сут симптомы стихают, наступает период мнимого благополучия. Однако тщательное клиническое обследование выявляет дальнейшее развитие болезни. Этот период продолжается от 14-15 суток до 4-5 недель.

В последующем ухудшается общее состояние, нарастает слабость, появляются кровоизлияния, повышается температура тела. Количество лейкоцитов в периферической крови после кратковременного увеличения прогрессивно уменьшается, падая (вследствие поражения кроветворных органов) до чрезвычайно низких цифр (лучевая лейкопения), что предрасполагает к развитию сепсиса и кровоизлияний. Продолжительность этого периода 2-3 недели.

Существуют и другие формы лучевой болезни. Например, при общем облучении в дозах от 1000 до 5000 р (10-50 Гр) развивается кишечная форма лучевой болезни, характеризующаяся преимущественно поражением кишечника, ведущим к нарушению водно-солевого обмена (от обильных поносов), и нарушением кровообращения. Человек при этой форме обычно погибает в течение первых суток, минуя обычные фазы развития лучевой болезни. После общего облучения в дозах свыше 5000 р (более 50 Гр) смерть наступает через 1-3 сутки или даже в момент самого облучения от повреждения тканей головного мозга (эта форма лучевой болезни называется церебральной). Другие формы лучевой болезни человека и животных в основном определяются местом облучения.

Особенности течения и степень нарушений при лучевой болезни зависят от индивидуальной и возрастной чувствительности; дети и старики менее устойчивы к облучению, поэтому тяжёлые поражения у них могут возникать от меньших доз излучения. В период эмбрионального развития ткани организма особенно чувствительны к действию радиации, поэтому облучение беременных женщин (например, применение лучевой терапии) нежелательно даже в малых дозах.

Процесс восстановления организма после облучения в умеренных дозах наступает быстро. При лёгких формах лучевой болезни выраженные клинические проявления могут отсутствовать. При более тяжёлых формах лучевой болезни период полного восстановления иногда затягивается до года и больше. Как отдалённые проявления лучевой болезни у женщин отмечается бесплодие, у мужчин - отсутствие сперматозоидов; эти изменения чаще носят временный характер. Через много месяцев и даже лет, после облучения, иногда развивается помутнение хрусталика (так называемая лучевая катаракта). После перенесённой острой лучевой болезни иногда остаются стойкие невротические проявления, очаговые нарушения кровообращения; возможно развитие склеротических изменений, злокачественных новообразований, лейкозов, появление у потомства пороков развития, наследственных заболеваний.

Характерные черты хронической лучевой болезни - длительность и волнообразность её течения. Это обусловлено проявлениями поражения, с одной стороны, и восстановительных и приспособительных реакций - с другой. При преимущественном поражении того или иного органа или ткани отмечается несоответствие между глубиной поражения поврежденных структур и слабо выраженными или поздно проявляющимися признаками общих реакций организма.

На ранних стадиях основные клинические проявления - многообразные нарушения нервной регуляции функций внутренних органов и в первую очередь сердечно-сосудистой системы. Могут возникать изменения ферментативной активности и секреторно-моторной функции желудочно-кишечного тракта; нарушения физиологической регенерации кроветворения вызывают развитие лейкопении. При продолжающемся облучении и прогрессировании заболевания все проявления усугубляются.

Лечение острой лучевой болезни направлено на нормализацию органов кроветворения (пересадка костного мозга, переливание крови, введение препаратов нуклеиновых кислот, стимуляторы кроветворения), борьбу с инфекцией (антибиотики), предупреждение возникновения кровоизлияний (витамины), уменьшение интоксикации (кровопускание, кровозамещение), воздействие на нервную систему и др. При хронической лучевой болезни. назначают питание, богатое белками и витаминами, длительное пребывание на свежем воздухе, лечебную физкультуру; симптоматические средства (сердечные, нейротропные, нормализующие функцию желудочно-кишечного тракта и тому подобное). При нарушении кроветворения - стимулирующие его препараты.

Принятые законодательно нормы предельно допустимых доз и концентраций радиоизотопов для различных производств и профессиональных групп установлены из расчёта общего облучения в дозе не более 50 мЗв/год (5 рад/год) и гарантируют безопасность работы с этими веществами. Опасность облучения может возникнуть при нарушении правил охраны труда или в аварийных ситуациях, в условиях военного времени (применение противником атомного оружия).

Атомные взрывы резко повышают загрязнение внешней среды радиоактивными продуктами деления, вследствие чего в ней увеличивается количество радиоактивного йода (111I), стронция (90Sr), цезия (137Cs), углерода (14C), плутония (239Pu) и других. Возникает угроза опасного для здоровья облучения и увеличения числа наследственных болезней. В подобных случаях решающее значение для профилактики развития лучевой болезни имеет защита от ионизирующих излучений.

2.5.1 Дозы, получаемые человеком от различных источников

Радиационные воздействия на человека отличаются значительной разнообразностью, они могут быть, в зависимости от места нахождения источников относительно организма, подвергшегося воздействию радиации:

- внешними;

- внутренними.

В зависимости от происхождения:

- естественными;

- техногенными (антропогенными).

В зависимости от физического состояния нуклидов:

- газообразными;

- жидкими;

- твердыми.

В зависимости от активности:

- высокоактивными;

- низкоактивными.

В зависимости от нахождения источника ионизирующего излучения:

- земными;

- космическими.

Дозы, получаемые человеком от естественных источников, могут колебаться в значительной степени в зависимости от места проживания и работы. Так жители гор и ландшафтом с повышенным радиационным фоном могут получать в дозы несколько раз превышающие годовые нагрузки жителей равнин. Летчики, альпинисты также получают дополнительные лучевые нагрузки. Допустимые пределы приведены в пункте 10 - нормы радиационной безопасности, а на диаграмме - рисунок - 4, показаны величины доз, получаемые человеком от различных источников.

На диаграмме показаны величины естественного фонового облучения, средние величины доз, получаемых от экранов телевизоров и компьютеров, величина допустимого облучения, дозы, получаемые при рентгене зубов и желудка, и, наконец, планируемая доза при аварийном облучении.

Рисунок 4 - Величины доз, получаемые человеком от различных источников ионизирующего излучения

Нормируемой величиной является также содержание некоторых радионуклидов техногенного происхождения в продуктах питания. В первую очередь это относится к радионуклидам цезия-137 и стронция-90. На диаграмме - рисунок 5 - приводится содержание К-40 в продуктах питания в сравнении с допустимым содержанием Cs-137 и Sr-90.

Как следует из диаграммы, во многих продуктах питания содержание естественного радионуклида К40 составляет значительную величину по сравнению с допустимым содержанием Cs-137 и Sr-90. В почве территорий с высокими антропогенными загрязнениями цезием и стронцием, содержание калия-40, как правило, во много раз превышает средние суммарные величины Cs137 и Sr90. Вклад радиоактивного калия составляет 12,3 % от всей величины среднего фонового уровня естественного облучения костного мозга человека и дает основную долю внутреннего облучения.

Естественное облучение костного мозга человека - одного из наиболее чувствительных органов складывается из облучения космическими источниками, суммарная величина которых достигает 50 мкР/год, величина литосферных и атмосферных источников также равна 50 мкР/год.

Из элементов, находящихся в организме существенную роль играет К40, который дает 15 мкР/год, меньший вклад дают другие элементы, находящиеся внутри организма человека - рисунок 6 - радон - 222 адсорбированный в крови дает 3 мкР/год, углерод - 14 - 1,6 мкР/год, радон - 226 и радон -228 и дочерние продукты их распада суммарно дают также 1,6 мкР/год, и, наконец, полоний - 210 и дочерние продукты распада дают 0,4 мкР/год.

Рисунок 5 - Содержание К⁴⁰ в продуктах питания в сравнении с допустимым содержанием Cs¹³⁷ и Sr⁹⁰

2.6 Сравнительные величины радиочувствительности

В таблице 2 приведены данные разных авторов по определению величины LD50 у представителей различных филогенетических групп при общем однократном облучении рентгеновскими или гамма лучами.

Рисунок 6 - Естественное облучение костного мозга человека. Приведены величины в мкР/год

Таблица 2- Радиочувствительность разных групп организмов

Объект	LD50, Гр
Вирусы	4500-7000
Бактерии	100-7500
Высшие растения	10-1500
Беспозвоночные	30-7000
Позвоночные	20-200

Как видно из таблицы, диапазон устойчивости к радиации в живой природе достаточно широк. Наиболее устойчивы к действию ионизирующих излучений микроорганизмы - дозы, способные вызвать их гибель, составляют сотни и тысячи грей. Для беспозвоночных животных диапазон летальных доз обычно на порядок ниже этих величин, а для позвоночных они составляют десятки грей, здесь наиболее чувствительны к радиационным воздействиям млекопитающие. Исходя из данных таблицы 2 можно сделать вывод, что по мере усложнения биологической организации объектов их устойчивость к радиации резко снижается.

Обычно животные, облученные в дозе 5 - 10 Гр, живут в среднем (за некоторым исключением) от нескольких дней до нескольких недель. Лучевой синдром в этом диапазоне доз облучения назван «костномозговой» или «кроветворный», ибо решающее значение в его исходе имеет поражение кроветворной системы организма, в первую очередь костного мозга. В результате глубокого торможения процессов клеточного деления происходит опустошение костного мозга. На исход лучевой болезни существенно влияет способность кроветворных органов к восстановлению, которое зависит от количества сохранившихся стволовых клеток.

В интервале доз от 10 до 100 Гр средняя продолжительность жизни млекопитающих практически не зависит от величины поглощенной дозы и составляет в среднем 3,5 сут. Эффект независимости средней продолжительности жизни от величины дозы облучения получил название «3,5-дневный эффект», а возникающий лучевой синдром -- «желудочно-кишечный». Летальный исход этого синдрома связан с поражением слизистой кишечника и желудка, высокой чувствительностью к радиации быстро делящихся эпителиальных клеток, оголением ворсинок.

Облучение в дозах, превышающих 100 Гр, приводит к гибели млекопитающих, наступающей в первые несколько дней или даже несколько часов. У гибнущих животных наблюдают явные признаки поражения центральной нервной системы, поэтому этот лучевой синдром называют «церебральный». Происходит резкое подавление жизнедеятельности нервных клеток, реакция которых на облучение принципиально отличается от реакции костного мозга и кишечника отсутствием клеточных потерь.

Если поглощенная доза достигает 1000 Гр и более, животные гибнут сразу же «под лучом». Механизм такого поражения может быть связан с тем, что возникают массовые структурные поражения макромолекул. Иногда лучевой синдром, вызванный облучением в таких высоких дозах ионизирующей радиации, называют молекулярной смертью.

В ответных реакциях организма на действие ионизирующей радиации условно можно выделить три последовательно развивающиеся во времени стадии; физические реакции, биофизические процессы и общебиологические изменения. Физическая стадия - поглощение энергии, ионизация и возбуждение атомов и молекул, образование радикалов - происходит в течение микро- и миллисекунд. Биофизические процессы - внутри- и межмолекулярный перенос энергии, взаимодействие радикалов друг с другом и с неповрежденными молекулами, внутримолекулярные изменения - происходят в течение секунд - миллисекунд. Общебиологические изменения в клетке и организме - образование стабильных измененных молекул, нарушение генетического кода, транскрипции и трансляции, биохимические, физиологические и морфологические изменения в клетках и тканях, иногда заканчивающиеся гибелью организма, могут протекать в течение минут - суток или растягиваться на годы.

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. По морфологическим изменениям их радиочувствительность располагается (по степени убывания чувствительности) в такой последовательности:

- органы кроветворения;

- половые железы;

- слизистые оболочки, слюнные, потовые и сальные железы, волосяные сосочки, эпидермис;

- желудочно-кишечный тракт;

- печень;

- органы дыхания;

- железы внутренней секреции (надпочечники, гипофиз, щитовидная железа, островки поджелудочной железы, паращитовидная железа);

- органы выделения;

- мышечная и соединительная ткани;

- соматические костная и хрящевая ткани;

- нервная ткань.

Органы кроветворения наиболее радиочувствительны, поражение костного мозга, тимуса, селезенки, лимфатических узлов - одно из важнейших проявлений острой лучевой болезни. Значительные морфологические и функциональные нарушения наблюдаются во всех кроветворных органах, причем изменения в системе крови представляется возможным обнаружить вскоре после действия радиации и даже при относительно небольших дозах облучения.

Обычно процесс клеточного опустошения подразделяют на три стадии. Первая, длящаяся около 3 ч, характеризуется относительным постоянством содержания клеток в кроветворных тканях. Вторая стадия охватывает интервал времени от 3 до 7 ч после облучения, для нее характерно резкое и глубокое опустошение костного мозга и лимфоидных тканей (количество клеток в костномозговой ткани может снижаться более чем наполовину). В третьей стадии скорость клеточного опустошения замедляется и дальнейшее уменьшение количества клеток происходит в костном мозге в результате репродуктивной гибели, а также продолжающейся дифференцировки части клеток и миграции их в кровь. Длительность течения третьей стадии пропорциональна дозе облучения.