Воздействие ионизирующего излучения на организм и материалы

1. Воздействие ИИ на организм и материалы

Результат – возбуждение и ионизация атомов и молекул воды (как среды) и клеток, вплоть до возникновения лучевой болезни, заболеваний кожи, внутренних органов и других отдаленных последствий.

Механизм биологического действия ИИ. На клеточном молекулярном уровне исходной причиной является ионизация и возбуждение атомов (с диссоциацией и др. механизмом). Существенную роль играет ионизация (радиолизом) воды. Количество ионов и свободных радикалов водорода и гидроксильной группы при этом резко (на порядки) увеличивается. Вследствие высокой реакционной способности они взаимодействуют с молекулами белков, ферментов и др. сложными веществами, приводя к нарушениям биологических процессов обмена веществ в организме. Индуцированные этим химические реакции протекают с большим выходом.

Картину того, что происходит при радиолизе воды можно видеть на примере аварии на ЧАЭС. Так, по словам начальника смены Рогожкина и начальника пожарной команды Телятникова («Мегаполис-экспресс» № 7, февраль 1992 г.) светящийся шар разрушенного 4-го реактора представлял собой «… зрелище, от которого нельзя оторваться. Цвета, которые в природе не встретишь. Меняющиеся фигуры, чертики. А пожара-то и не было. Ничего не горит, вот только лежит, светится, а начинаешь лить – они (см. графит, осколки ТВЭЛов и конструкции реактора с мощной наведенной радиацией) начинают гореть». Т.о., ИИ было настолько сильно, что под его воздействием материалы «светились», а вода подвергалась мгновенному радиолизу на водород и кислород, которые сразу же химически взаимодействовали (горение, испарение).

Говоря о клеточном (биологическом) механизме воздействия: ИИ ломает гены, ДНК, хромосомы, образуя новые сочетания, изменяет генный аппарат и образует дочерние клетки, неодинаковые с исходными (например, половыми). Это вызывает мутации – вредные изменения в развитии. Однако, вероятность прямого попадания ИИ в молекулы ДНК мала и они достаточно устойчивы к разрывам связей радиацией (выдерживают до семи попаданий).

Молекулы ДНК получают вторичную энергию ионизированных молекул воды. В результате разложения из первоначальных водородного (Н·) и гидроксильного (НО·) радикалов образуется молекулярный водород и исключительно химически активная перекись водорода, имеющая первостепенное значение в радиобиологическом процессе. Ионы и радикалы в траектории движения ИИ, атакуя биологически важные близлежащие молекулы, нарушают их структуры, изменяют процессы образования новых клеток.

Мутация клетки распространяется на все клетки организма, наблюдаются, так называемые соматические (телесные) мутации, опасные не только для самого организма, но и для его потомства. Соматические повреждения распространяются на определенные органы и ткани, особенно при внутреннем поступлении радионуклидов в критические органы. Достаточно большие дозы ИИ убивают раковые клетки, как самые молодые, быстрорастущие и ранимые. Это используется и для лечения злокачественных (раковых) опухолей (g-терапия): они умерщвляются значительно быстрее доброкачественных клеток. В лечебной практике радиотерапии, в отличие от общего облучения, характерного для аварий большинства РОО и ЯВ, используется локальное облучение органов тканей. К соматическим эффектам относятся: лучевые (локальные) ожоги кожи, потемнение хрусталика глаза (катаракта), повреждение половых органов (бесплодие, стерилизация) и нервных тканей.

Второе действие ИИ – генетическое. Обнаружить трудно, так как действует на малое количество клеток, имеет большой скрытый период – десятки лет после облучения, опасно даже при слабом облучении, которое вероятно способно вызвать мутации хромосом и принять наследственные свойства. Риск этого существенно возрастает при наличии одинаково поврежденных хромосом у обоих родителей. Результат этих мутаций (сокращение жизни, смертность) наблюдался задолго до строительства АЭС и ЯО. Причина – естественный радиационный фон, на долю которого приходится 1% мутаций человека.

Минимальной дозы, ниже которой мутации не происходят, не установлено и биологическая активность малых доз не изучена. Общее количество мутаций пропорционально количеству облученных и дозе. Генетические нарушения определяются суммарной накопленной дозой и не зависит от ее мощности (получена ли доза за сутки или накоплена за 50 лет). Они определяются только эффективной коллективной дозой, а выявление их у отдельного индивидуума практически не предсказуемо. Это вероятностные беспороговые поражения (злокачественные опухоли, лейкозы и лейкемия, наследственные болезни).

С энергетической точки зрения имеется резкое несоответствие между величиной дозы ИИ и соответствующим ей результатом биологического действия на организм. Так, летальной дозе ИИ 100 рад соответствует получение человеком тепловой энергии » 150 кал (нагрев 150 г. воды на 1 градус). Однако, объяснение этому укладывается в рамках отмеченного здесь химико-биологического механизма воздействия ИИ: повреждения структуры хромосом при воздействии заряженных ионов и свободных радикалов.

Помимо вероятностных ИИ вызывает и определенные (детерминированные) пороговые повреждения (лучевые болезни, ожоги кожи, катаракта, бесплодие, аномалии в развитии плода). В отличии от генетических эффектов, вызываемых малыми дозами, соматические нарушения начинаются всегда с определенной пороговой дозы и организм способен со временем их преодолевать. В этом состоят два отличия соматических от генетических (необратимых) повреждений. Пути облучения организма:внешне или при попадании радионуклидов внутрь организма (в органы дыхания, с пищей, с водой). Последний путь более опасен, так как часто человек на аварийно зараженной местности не может длительно находиться в средствах индивидуальной защиты (прием пищи, отдых и т.п.). Трудно определить количество попавшего при этом радионуклида, вид и его активность (период полураспада), органы и ткани, в которых концентрируется радионуклид, периоды выведения из организма, а, следовательно, дозы. Местная сорбция радиоактивных веществ в том или ином конкретном критическом органе определяет его заболевание вплоть до рака и гибели (особенно от a радионуклидов радона и других). Так, йода-131 в щитовидной железе концентрируется до 10000 раз больше, чем в других тканях; печень концентрирует радионуклиды до 100 раз в больших количествах.

Радиоактивные стронций, цезий сорбируются в костях, находясь в I и II группах периодической системы элементов Д.И. Менделеева, вытесняют кальций из гидрофосфатов костей. Это более характерно для суставов, как более рыхлых, хорошо омываемых (лучше подвод) и крупных костных структур (рук, ног). Имея существенно большие чем у кальция ионные радиусы, эти радионуклиды сужают межсуставные щели, вызывая заболевания опорно-двигательного аппарата. Они поражают костный мозг трубчатых костей – основной (на 95%) кроветворный орган, вызывают лейкемию (белокровие), повышают ломкость костей. Поэтому костный мозг относят к I-ой группе критических органов. Радиоактивный йод поражает другой критический орган – щитовидную железу.

Редкоземельные радиоактивные элементы вызывают преимущественно поражение печени, щелочные изотопы дополнительно вызывают половую атрофию, опухоли мягких тканей. Общая характеристика воздействия ИИ на организм, материалы и характеристика РОО и ЯВ представлена ниже в обобщенном виде.