Вопросы механизм биологического действия ионизи

МАТЕРИАЛ ИЗ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКОГО ПОСОБИЯ

ПО СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ РАДИОЭКОЛОГИИ

Часть I

БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ И МЕХАНИЗМ БИОЛОГИЧЕСКОГО

ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

СОДЕРЖАНИЕ

2. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

2.1 Доза излучения и его мощность

2.2 Радио-чувствительность различных биологических видов

2.3 Суммарная доза облучения человека, проживающего на территории, загрязненной радионуклидами

2.4 Характеристика основных радионуклидов – загрязнителей агроэкосистем

Вопросы

^ 3. МЕХАНИЗМ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

3.1 Теория «мишени»

3.2 Стохастическая теория

3.3 Теория свободных радикалов

3.4 Структурно-метаболическая теория радиационного поражения А.М.Кузина

3.5 Развитие радиобиологических эффектов во времени

3.6 Репарация повреждений

3.7 Мутации соматические и наследуемые

Вопросы

Список литературы

18

^ 2. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Механизм взаимодействия с веществом -излучения сильно отличается от механизма действия - и -радиации. Альфа- и бета- излучения, обладающие электрическим зарядом, и вызывающие ионизацию и возбуждение атомов окружающей среды относят к непосредственно ионизирующим излучениям. Гамма-фотоны не имеют заряда и не обладают непосредственным ионизирующим действием. Ионизацию вызывают вторичные электроны, которые возникают в среде поглощения (косвенно ионизирующее излучение).

Альфа-частица, имея большую массу (4 а.е.м.) и заряд (2+), обладает огромной ионизирующей способностью (удельная ионизация - до 3000 пар ионов на 1 мм пробега в воздухе) и, взаимодействуя с веществом, быстро теряет энергию. Ее проникающая способность очень мала. Длина пробега альфа-частиц в воздухе составляет несколько сантиметров, а лист бумаги является для большинства из них непреодолимой преградой (рис.7). Поэтому как источник внешнего облучения они опасности не представляют и при работе с закрытыми источниками альфа-излучения экранирования не требуется.

Бета-излучение обладает значительно меньшей ионизирующей способностью (удельная ионизация составляет несколько десятков - сотен пар ионов на 1 мм пробега в воздухе). Поэтому длина пробега бета-частиц в воздухе измеряется уже метрами и при работе с закрытыми источниками бета-излучения в определенных случаях требуется экранирование.

Итак, альфа-частица, имеющая массу и заряд больше, чем бета-частица, обладает более высокой ионизирующей способностью. Альфа- и бета- излучения наиболее опасны при попадании внутрь организма.

Проникающая способность гамма-излучения, которое распространяется со скоростью света очень велика: его может задержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита. С учетом фактора геометрического рассеяния реальный радиус действия -лучей составляет – 200—300м от источника. С помощью летательных аппаратов, оснащенных чувствительной аппаратурой, можно достаточно надежно выявлять и наносить на карты уровни загрязнения земель по пролетам на высотах от 25—50 до 200—250м.

Рис. 7. Три вида излучений и их проникающая способность

В плотных средах -излучение проходит толщу в десятки и даже сотни сантиметров. Для надежного экранирования от -излучения требуются защитные материалы с высокой плотностью, например из свинца, толщиной до 5—20см.

^ 2.1. Доза излучения и его мощность.

Биологическое действие рентгеновского и ядерных излучений на организм обусловлено ионизацией и возбуждением атомов и молекул биологической среды, на которые излучения расходуют свою энергию. Таким образом, в результате этого взаимодействия живому организму передается определенное количество энергии. Часть поступающего излучения пронизывает облучаемый объект (без поглощения) и действия на него не оказывает. Поэтому основная физическая величина, характеризующая действие излучения на организм, находится в прямой зависимости от количества поглощенной энергии. Для измерения количества поглощенной энергии введено понятие – доза излучения. Это величина энергии, поглощенной в единице объема (массы) облучаемого вещества.

Таким образом: доза ионизирующего излучения - это характеристика количества излучения и мера его воздействия на облучаемую среду или объекты окружающей среды. Обычно доза ионизирующих излучений обозначается буквой Д (в русском варианте) или D (в латинском варианте). Однако, если иметь в виду конкретный способ выражения дозы, более корректно придерживаться обозначений документа «Нормы радиационной безопасности» (НРБ-99).

Поглощенная доза (D) – энергия ионизирующего излучения, поглощенная облучаемым телом (тканями организма), в пересчете на единицу массы: D = dE/dm, где Е – энергия излучения, m – масса объекта.

В Международной системе единиц (СИ) поглощенная доза выражается в джоулях на килограмм массы - Дж/кг (табл.1 Приложения). Эта величина получила название грей (Гр). При облучении человека доза 1 грей - крупная величина. Достаточно указать, что LD50 (доза, при которой погибают 50% опытных животных) при экстраполяции на человека составляет около 4Гр. Поэтому иногда используют другую, внесистемную единицу измерения поглощенной дозы - рад, причем 1рад =10-2 Гр. Рад - это поглощенная доза, при которой количество поглощенной энергии в 1 грамме вещества составляет 100 эрг независимо от вида и уровня энергии излучения (табл. 1 Приложения).

Различают дозу в воздухе, на поверхности (кожная доза) и в глубине облучаемого объекта (глубинная доза), очаговую и интегральную (общую поглощенную) дозы.

Экспозиционная доза. Измерить ионизацию непосредственно в глубине тканей живого организма трудно. В связи с этим для количественной характеристики рентгеновского и гамма-излучений, действующих на объект, определяют так называемую экспозиционную дозу D0, которая характеризует ионизирующую способность этих излучений в воздухе. От экспозиционной дозы с помощью соответствующих коэффициентов переходят к дозе, поглощенной в объекте.

Установленная в СИ единица измерения экспозиционной дозы - кулон, отнесенный к килограмму (Кл • кг-1). На практике и в научной литературе распространена другая, внесистемная, единица экспозиционной дозы - рентген (Р). Один рентген - это доза фотонного излучения, при которой в I см3 сухого воздуха в процессе ионизации образуется 2,079 • 109 пар ионов каждого знака (или 1,61 • 1015 пар ионов в 1 кг воздуха).

Соотношения между единицами экспозиционной дозы (табл.3 Приложения): 1Р (1 рентген) = 2,58 • 10-4Кл • кг-1; 1Кл • кг-1 (1 кулон) = 3,88 • 103Р. Экспозиционная доза - специфическая величина в дозиметрии и используется только для оценки внешнего рентгеновского или -излучения.

Энергетический эквивалент экспозиционной дозы составляет: для воздуха 1Р = 0,84рад, для воды и биологических тканей 1Р = 0,93 - 0,96рад в зависимости от энергии -фотонов. Это означает, что если живой объект находится в некотором пространстве, в котором экспозиционная доза за определенное время оценивается значением 1Р (рентген), поглощенную дозу, полученную этим объектом, следует приблизительно оценить в 1 рад.

Экспозиционная доза корректна только для воздуха - объекта с практической точки зрения менее интересного и значимого, чем биологические объекты (органы, ткани, организмы). Кроме того, интерпретация экспозиционной дозы на биологические объекты носит лишь приблизительный характер. В связи с этим экспозиционной дозой в современной дозиметрии рекомендуется не пользоваться и в последнем варианте НРБ-99 этот вид дозы и ее мощность не упоминаются. С другой стороны, в силу многолетней традиции в радиологии, биологии и медицине этим видом дозы ионизирующего излучения и ее внесистемной единицей «рентген» пользуются достаточно широко. К примеру, фоновый уровень мощности дозы на той или иной территории Российской Федерации в СМИ до настоящего времени приводится в мкР/час.

Эквивалентная доза. Установлено, что биологическое действие одинаковых доз различного вида излучений на организм неодинаково. Биологический эффект облучения при прочих равных условиях различен для разных видов излучения прежде всего потому, что он определяется не только величиной поглощенной энергии, но и характером распределения этой энергии в облучаемом объекте.

Разные виды излучений создают ионы с неодинаковым пространственным распределением. Например, -частица, обладая значительными величинами размера, массы, заряда и энергии, по сравнению с -частицей характеризуется большими значениями линейной плотности ионизации (ЛПИ) и создает на единице пути в ткани гораздо больше ионов. При одной и той же поглощенной энергии (поглощенной дозе) биологический эффект будет несоизмеримо больше при более высокой плотности ионизации.

Для сравнения биологических воздействий, вызванных различными видами излучения, используется понятие относительной биологической эффективности (ОБЭ), которое показывает, во сколько раз радиобиологический эффект данного вида излучения больше радиобиологического эффекта образцового излучения при одной и той же поглощенной дозе:

= D/Dобр, где

- относительная биологическая активность,

Dобр и D - поглощенные дозы, соответственно, образцового и данного излучения.

За образцовое излучение принимают рентгеновское излучение с энергией фотонов 200кэВ. Очевидно, что для образцового излучения =1 величина ОБЭ зависит в основном от плотности ионизации или размеров потерь энергии на единицу длины пути ионизирующей частицы - показателя линейных потерь энергии (ЛПЭ). С ростом ЛПЭ излучения увеличивается вероятность повреждений биологических тканей и, что немаловажно, снижается способность к самовосстановлению повреждений. ОБЭ проявляет зависимость также и от скорости частиц излучения: чем меньше скорость, тем выше ОБЭ.

Для определения дозы ионизирующего излучения с учетом биологического эффекта на практике используют не относительную биологическую эффективность, а регламентированный ОБЭ-показатель, который называют взвешивающим коэффициентом (WR), а доза в этом случае называется эквивалентной дозой НТ,R, ее рассчитывают следующим образом:

НТ,R = DT,R • WR

где WR - взвешивающий коэффициент для излучения R.

DT,R - средняя поглощенная доза в органе или ткани Т, т.к. эквивалентная доза излучения рассчитывается для «средней» ткани организма человека.

Взвешивающие коэффициенты для расчета эквивалентной дозы (для отдельных видов излучения) в соответствии с Нормами радиационной безопасности -99 приведены в табл.3.

Таблица 3

^ Взвешивающие коэффициенты (WR) для отдельных видов излучения

при расчете эквивалентной дозы (по НРБ-99)

Фотоны любых энергий

1

Электроны и мюоны любых энергий

1

Нейтроны с энергией менее 10кэВ

От 10кэВ до 100кэВ

От 100кэВ до 2 МэВ

От 2МэВ до 20МэВ

Более 20Мэв

5

10

20

10

5

Протоны с энергией более 2МэВ, кроме протонов отдачи

5

Альфа-частицы, осколки деления, тяжелые ядра

20

Примечание: все значения относятся к излучению, падающему на тело, а в случае внутреннего облучения – испускаемому при ядерном превращении

Эквивалентная доза излучения НT,R - это поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения, т е. коэффициент, отражающий способность данного вида излучения повреждать ткани. Эквивалентная доза учитывает различия в биологическом действии излучений различного вида в соответствии с их относительной биологической эффективностью. Эквивалентную дозу в СИ выражают в зивертах (Зв). Внесистемная единица измерения - бэр (биологический эквивалент рада), 1 бэр = 0,01Зв. Один зиверт равен эквивалентной дозе, при которой произведение поглощенной дозы в биологической ткани стандартного состава на средний взвешивающий коэффициент составляет 1Дж/кг.

В случаях, когда на объект воздействуют разные виды излучений с различными взвешивающими коэффициентами, эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения:

Эффективная эквивалентная доза. Различные органы и ткани живых организмов обладают разной чувствительностью к воздействию ионизирующих излучений (табл. 4).

Таблица 4

^ Значения взвешивающих коэффициентов (WT) или коэффициентов

радиационного риска для оценки эффективной дозы в

различных органах и тканях (по НРБ-99)

Органы и ткани

WT, Зв/Гр

Органы и ткани

WT, Зв/Гр

Гонады

0,20

Печень

0,05

Костный мозг (красный)

0,12

Пищевод

0,05

Толстый кишечник

0,12

Щитовидная железа

0,05

Легкие

0,12

Кожа

0,01

Желудок

0,12

Клетки костных поверхностей

0,01

Мочевой пузырь

0,05

Грудная железа

0,05

Остальное*

0,05

*Примечание: при расчете учитывать, что «Остальное» включает надпочечники, головной мозг, экстраторокальный отдел (бронхи, дыхательное горло) органов дыхания, тонкий кишечник, почки, мышечную ткань, поджелудочную железу, селезенку, вилочковую железу и матку.

Например, при одной и той же поглощенной дозе вероятность возникновения рака легких больше, чем щитовидной железы, а при облучении половых желез более вероятны генетические отклонения. Для оценки биологического эффекта (или меры риска) при облучении органов, тканей и организма в целом с учетом влияния разных видов излучения и радио-чувствительности отдельных органов вводят эффективную эквивалентную дозу (Е). Для организма в целом она может быть определена как сумма произведений эквивалентной дозы в отдельных органах и тканях на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного органа или ткани (коэффициент радиационного риска).

Эффективная коллективная доза. В тех случаях, когда возникает необходимость оценить меру риска появления стохастических эффектов облучения, используют эффективную коллективную дозу, которая является суммой индивидуальных эффективных доз (рис.8). Единица измерения эффективной коллективной дозы - человеко-зиверт (чел.-Зв).

В настоящее время в связи с появлением новых норм радиационной безопасности (НРБ-99) в системе классификации доз появились новые величины эквивалентных доз.

Введено понятие тканеэквивалентного материала, т. е. материала, взаимодействие излучения высокой энергии с которым эквивалентно таковому с тканью живого организма. Для этого используют шаровой фантом МКРЕ (Международная комиссия по радиационным единицам и измерениям), который представляет собой шар диаметром 30см, изготовленный из тканеэквивалентного материала, имеющего следующий химический состав (по массе, %): 76,2 - кислород; 11,1 - углерод; 10,1 - водород и 2,6 - азот; плотность материала 1г/см3.

^ 2.2. Радио-чувствительность различных биологических видов

Вскоре после открытия биологического действия ионизирующих излучений было установлено, что любой живой объект может быть убит этим агентом. Однако дозы облучения, приводящие различные объекты к гибели, отличаются в очень широких пределах, даже на несколько порядков. Иными словами, каждому биологическому виду свойственна своя мера чувствительности к действию ионизирующей радиации, своя радио-чувствительность.

В качестве примера крайне низкой радиочувствительности можно привести бактерии, обнаруженные в канале ядерного реактора. В этих условиях бактерии не только не погибали, но жили и размножались, почему и получили название - микрококк радиорезистентный. Степень радиочувствительности сильно варьирует и в пределах одного вида - индивидуальная радио-чувствительность, а для определенного индивидуума зависит также от его возраста и пола

Кроме того, даже в одном организме различные клетки и ткани значительно различаются по радиочувствительности. К наиболее чувствительным относятся кроветворная система, эпителий слизистой тонкого кишечника. Имеются относительно устойчивые ткани: мышечная, нервная, костная, которые принято называть резистентными (табл.5).

Конечный радиобиологический эффект тесно связан с количеством энергии, поглощенной живой тканью во время облучения, и зависит от радио-чувствительности растений и животных, которая изменяется в довольно широком диапазоне. Причины неодинаковой реакции растений и животных различных видов на ионизирующие излучения полностью не установлены. Однако экспериментально доказано, что степень радио-чувствитёльности организмов тесно связана с размером ядра, числом хромосом, скоростью деления клеток и рядом других факторов.

Таблица 5

^ Порог детерминированных эффектов у взрослых людей

для наиболее радиочувствительных тканей (НРБ-99)

Ткань и эффект

Порог

Доза одного кратковременного облучения, Зв

Мощность дозы ежегодного фракционированного или протяженного облучения, Зв/год

Семенники

Временная стерильность

Постоянная стерильность

0,15

3,5-6,0

0,4

2,0

Яичники

Стерильность

2,5-6,0

>0,2

Хрусталики

Обнаруживаемые помутнения

Нарушение зрения (катаракта)

0,5-2,0

5,0

>0,1

>0,15

^ Красный костный мозг

Угнетение кроветворения

0,5

>0,4

Реакция живых организмов на ионизирующую радиацию изменяется в зависимости от вида ионизирующей радиации, времени облучения и мощности дозы. Влияние различных видов ионизирующей радиации на биологические объекты коррелирует с плотностью ионизации. Чем выше линейная плотность ионизации, тем выше биологическое воздействие. Известно, что -кванты и -частицы образуют в биологических тканях до 10 пар ионов на 1 мкм пути, тогда как у -частиц и быстрых нейтронов ионизация в 10 раз выше. Кроме того, нейтронное излучение вызывает наведенную радиоактивность. Чем выше разовая доза и чем короче время ее воздействия, тем быстрее выявляется поражающее действие ионизирующих излучений на живые организмы.

Одним из критериев оценки биологической эффективности излучений является гибель организмов. Обязательным требованием к используемому критерию является его строгая количественная связь с дозой облучения. Доза ионизирующей радиации, при которой гибнет половина организмов, называется полулетальной (LD50). Минимальная доза, смертельная для всех облученных организмов, называется летальной (LD100). Для сравнения радио-чувствительности и радиорезистентности по величинам LD50 и LD|00 учитывается время, в течение которого облученные организмы погибают (для животных принят период продолжительностью 30 дней). Радио-чувствительность различных организмов неодинакова: полулетальная доза (в Гр) у растений колеблется от 10 до 1500, у птиц - от 8 до 20 и у млекопитающих - от 2 до 15 (табл. 6).

Величины LD50 в природе различаются довольно значительно даже в пределах одного вида, например мышами разных линий). Определенное влияние на степень радио-чувствительности оказывает видовая и даже индивидуальная реактивность организмов. Из таблицы 6 видно, что, чем выше уровень биологического развития организма, тем выше его радио-чувствительность (за некоторым исключением) - закон радио-чувствительности.

Таблица 6

^ Дозы -излучения (LD50), вызывающие

50%-ную смертность (О.Т.Балуев, 1997)

Биологический вид

Доза, Гр.

Биологический вид

Доза, Гр.

Овца

Осел

Собака

Человек

Обезьяны

Мыши

Крысы

1,5-2,5

2,0-3,8

2,5-3,0

2,5-3,5

2,5-6,0

6,5-15,0

7,0-9,0

Птицы

Рыбы

Кролик

Хомяк

Змеи

Насекомые

Растения

8,0-20,0

8,0-20,0

9,0-10,0

9,0-10,0

80,0-200,0

10,0-100,0

10,0-1500,0

Разумеется, если доза облучения достаточно велика, облученный человек погибнет. Во всяком случае, очень большая доза облучения, порядка 100Гр, вызывает настолько серьезное поражение центральной нервной системы, что смерть, как правило, наступает в течение нескольких часов или дней. При дозах облучения от 10 до 50Гр при облучении всего тела поражение центральной нервной системы может оказаться не настолько серьезным, чтобы привести к летальному исходу, однако облученный человек, скорее всего, умрет через одну-две недели от кровоизлияния в желудочно-кишечном тракте. При еще меньших дозах могут произойти серьезные повреждения желудочно-кишечного тракта, но организм с ними справится. И, тем не менее, смерть может наступить через один-два месяца с момента облучения, главным образом из-за разрушения клеток красного костного мозга - главного компонента кроветворной системы организма: от дозы 3-5Гр при облучении всего тела умирает половина всех облученных.

Согласно оценкам хроническое облучение при мощности дозы 1Гр на поколение (для человека в течение 30 лет) приведет к появлению около 2000 серьезных случаев генетических заболеваний на каждый миллион живых новорождённых среди детей тех, кто подвергся такому облучению.

Этим методом пользуются также для оценки суммарной частоты появления серьезных наследственных дефектов в каждом поколении при условии, что тот же уровень будет действовать все время. Согласно этим оценкам, примерно 15000 живых новорожденных из каждого миллиона будут рождаться с серьезными наследственными дефектами из-за такого радиационного фона. Следует иметь в виду, что радиация бывает разной вредности. Одна поражает мембраны клеток, другая - энергетический аппарат, третья, самая опасная – ядро.

При расчете последствий аварий крайне важно (если вообще можно говорить о каком-то строгом расчете) определить величину коллективной дозы облучения, которую вобрала в себя популяция, т. е. все те, кто так или иначе - непосредственно или опосредованно - соприкасался с "зоной".

Нельзя забывать, что радиация поражает иммунную систему, вследствие чего развиваются "обычные" заболевания, приводящие к смертельному исходу.

При внешнем облучении сельскохозяйственных растений не только гамма-излучение, но и бета-частицы могут иметь весьма важное значение, так как пробег этих частиц может превышать толщину листьев и стеблей. Внутреннее облучение у растений происходит в том случае, когда радиоактивные вещества вовлекаются в растения через листья и корни.

Интенсивность проникновения и включения радионуклидов в обменные процессы в растениях связана с их химической природой. Высокой подвижностью в растениях обладают радиоизотопы цезия, йода, иттрия, а изотопы стронция, церия, бария имеют сравнительно небольшую способность к перемещению.

^ 2.3. Суммарная доза облучения человека, проживающего на территории, загрязненной радионуклидами.

Все живое на Земле находится под непрерывным воздействием ионизирующих излучений (рис.9). Следует различать две компоненты радиационного фона: природный фон и порожденный деятельностью человека.

Природный фон обусловлен космическим излучением и природными радиоактивными веществами, содержащимися в земле, воздухе и во всей биосфере.

Техногенный фон обусловливается работой АЭС, урановых рудников, использованием радиоизотопов в промышленности, сельском хозяйстве, испытанием (применением) ядерного оружия. Схема формирования суммарной дозовой нагрузки на человека приведена на рис. 9. Суммарное воздействие искусственных источников ионизирующего излучения на человека складывается из внешнего облучения от источников излучения, находящихся вне человека, и внутреннего облучения от источников излучения, попадающих в организм человека с воздухом, водой, пищей или другими путями.

Величина дозы внешнего облучения человека зависит от целого ряда факторов: вида и энергии излучения радионуклида, количества и активности нуклида в почве, распределения нуклидов в слое почвы, времени нахождения человека на открытой территории, наличия защитных сооружений, расстояния от загрязненной поверхности и т.д.

В организм радионуклиды могут поступить тремя путями: в желудочно-кишечный тракт, через легкие и кожу.

Наиболее важным и потенциально опасным является ингаляционное поступление радионуклидов: этому способствует огромная дыхательная поверхность альвеол (легкие, бронхи), площадь которой ~ 100м2 (в 50 раз больше, чем поверхность кожи). Второй по значимости путь – поступление радионуклидов с пищей и водой. Дальнейшая судьба поглощенных радионуклидов зависит от их растворимости в жидкой среде желудочно-кишечного тракта. В организм поступает лишь некоторая часть попавших в кишечник нуклидов, большая часть проходит «транзитом» и удаляется из кишечника.

Радионуклиды в составе жидких и газообразных соединений проникают через кожу людей и животных достаточно быстро, а иногда и в значительных количествах.

В связи с тем, что спустя некоторое время после аварии подавляющее количество радионуклидов оказывается локализованным в верхнем слое почвы, главным источником внутреннего облучения становятся продукты питания, полученные из сельскохозяйственного сырья с загрязненных территорий.

По способности накапливать радионуклиды основные органы располагаются следующим образом: щитовидная железа (максимум), печень, кишечник, почки, скелет, мышцы (табл.7).

По скорости выведения радионуклидов органы располагаются несколько иначе: щитовидная железа (максимум), печень, почки, селезенка, кожа, мышцы, скелет.

Таблица 7

^ Места накопления радионуклидов в организме человека*

Органы и ткани

Радионуклиды

Щитовидная железа

129I, 131I, 99Tc

Легкие

85Kr, 238Pt, 239Pt, 222Rd, 233U, 133Xe, 135Xe

Печень

137Cs, 58Co, 60Co, 239Ne, 238Pt, 239P, 241Pt

Кости

140Ba, 14C, 154Er, 32P, 238Pt, 239Pt, 241Pt, 147Pr, 226Ra, 89Sr,

90Sr, 234Th, 233U, 90Y, 65Zn

Селезенка

210Po

Почки

134Cs, 137Cs, 106Pt

Яичники

140Ba, 134Cs, 137Cs, 58Ko, 131I, 85Kr, 239Pt,40K, 42K, 106Rt,

90Y, 65Zn

Мышцы

134Cs, 137Cs, 154Er, 155Er, 40K, 42K

Кожа

35S

*«Большая медицинская библиотека», VIII. Радиационная медицина

^ 2.4. Характеристика основных радионуклидов – загрязнителей агроэкосистем

Поступления радиоактивных веществ во внешнюю среду происходят различными путями. Особенно большое количество радиоактивных продуктов деления было выброшено в результате испытания ядерного оружия.

При наземном ядерном взрыве слой грунта под влиянием колоссальных давлений и высокой температуры перемещается с радиоактивными продуктами деления, расплавляется и частично переходит в парообразное состояние. Огромное количество грунта вместе с огненным шаром поднимается в верхние слои атмосферы и по мере остывания этой массы происходит конденсация паров расплавленного грунта; после затвердевания расплавленной массы радиоактивные продукты деления оказываются, в основном, фиксированными в стекловидных частицах.

Весьма важным обстоятельством, от которого в дальнейшем зависит степень миграции радионуклидов по биологическим и пищевым цепочкам, являются физико-химические свойства грунта, вовлеченного в огненный смерч. Если взрыв произошел на силикатной почве, то доступность радиоактивных продуктов деления в районе локальных выпадений будет низкой. Если из воронки в огненный шар вовлечен карбонатный грунт, то оплавленные частицы в дальнейшем быстро разрушаются под воздействием воды, температуры и других факторов, а радионуклиды выщелачиваются в почвенный раствор и становятся доступными микроорганизмам и растениям. При попадании оплавленных частиц из карбонатных грунтов в желудок животных они сравнительно легко растворяются желудочным соком, поступают в организм и переходят далее в продукты животного происхождения. Образующиеся при воздушных взрывах частицы весьма малы - от сотых до тысячных долей миллиметра, тогда как при наземных испытаниях их размеры варьируют в довольно широких пределах: от нескольких миллиметров до его тысячных долей.

Основная масса радиоактивного вещества (до 80 %) после наземного взрыва выпадает в непосредственной близости от места взрыва в виде шлака и крупных частиц. Радиоактивная пыль, попавшая в верхние слои атмосферы - в тропосферу и стратосферу, выпадает медленно на поверхность почвы в районах, удаленных на большие расстояния от места взрыва. Радиоактивные продукты деления из тропосферы выпадают в течение 2-3 месяцев, тогда как из стратосферы они поступают на поверхность земли в течение многих лет. Эти выпадения называют глобальными, т. к. они рассеиваются по всей поверхности планеты. Миграция радиоактивных аэрозолей в тропосфере происходит в соответствии с законами перемещения воздушных масс. Скорость переноса радиоактивных веществ в тропосфере весьма высока, и прежде чем тропосфера очистится от радиоактивности, радиоактивная пыль успевает пройти несколько раз вокруг земного шара.

Не все из образующихся радиоактивных элементов в одинаковой степени представляют опасность для функционирования экосистем. Прежде всего это зависит от физических, химических и биологических свойств радионуклидов, попадающих в окружающую среду. Более 2/3 из всех радионуклидов (табл. 8), которые образуются в результате аварий и испытания ядерного оружия, характеризуются коротким периодом полураспада и поэтому практически не представляют опасности для долгосрочного загрязнения агроэкосистем. С течением времени их доля быстро уменьшается, и в составе загрязнений начинают преобладать долгоживущие радионуклиды, такие как цезий-137 (137Cs) c периодом полураспада (Т1/2) 30 лет и стронций-90 (90Sr) c периодом полураспада 29 лет.

Таблица 8

^ Группа нуклидов по видам излучения, представляющих опасность

при аварийных выбросах на АЭС

(О.Н.Федосеев, Л.М.Хурнова, 2000г.)

Излучение

Радиоактивные изотопы

U235; U236; U238; Pu239; Pu241; Ra223; Ra226; Th232; Np237

Sr89; Sr90; Y91; Sr95; Pr117

Co57;Co60; Zn63; Zr95; Nb95; Ru103; Ru106; Sb125; I131; Cs134;

Cs137; Ce141; Ce144

Кроме того, большие периоды полураспада имеют некоторые, образующиеся при работе реактора трансурановые элементы. Например, в выбросах Чернобыльской аварии присутствовал 239Pu (-излучение) с периодом полураспада(Т1/2) 24100 лет). Этот радионуклид отмечен в 30-ти километровой зоне вокруг реактора, там проживание и ведение сельского хозяйства запрещено категорически. Однако, при свежих выпадениях содержание -активных радионуклидов в составе загрязнений может быть существенным и вклад -излучения в суммарную дозовую нагрузку значительно повышается.

Итак, спустя короткое время после большинства аварий главными радионуклидами – загрязнителями становятся 137Cs и 90Sr, имеющие почти одинаковые периоды полураспада и относящиеся к долгоживущим радионуклидам. 137Cs является источником - и - излучений, а 90Sr – источником только -излучения, следовательно 137Cs может быть источником как внешнего, так и внутреннего облучения, а 90Sr – в основном источником внутреннего облучения.

При распаде 137Cs образуется одна -частица, а при распаде 90Sr и его дочернего радионуклида 90Y – две, причем энергии этих частиц (0,55 и 2,27 МэВ соответственно) больше, чем при распаде 137Cs (0,51 МэВ). Именно это делает 90Sr более опасным при внутреннем облучении.

ВОПРОСЫ

Каковы особенности биологического действия радиации как этиологического фактора?
Что означает «прямое» и «косвенное» ионизирующее излучение?
Источниками каких излучений являются долгоживущие радионуклиды 137Cs и 90Sr?
Что такое доза излучения, какие существуют виды доз и единицы их измерения?
Раскройте содержание закона радиочувствительности организмов.
Назовите факторы, формирующие суммарную дозу облучения человека.
От чего зависит конечный радиобиологический эффект облучения организма?
Раскройте содержание взвешивающих коэффициентов для отдельных видов излучений при расчете эквивалентной дозы.
Раскройте содержание взвешивающих коэффициентов для тканей и органов при расчете эффективной эквивалентной дозы.
Какие особенности живых организмов определяют их различную радио-чувствительность?
Приведите уровень полулетальной дозы ионизирующего излучения (ЛД50) человека и для некоторых животных.
От каких факторов среды зависит степень миграции радионуклидов по биологическим и пищевым цепочкам?
Какие радионуклиды являются наиболее опасными загрязнителями агроэкосистем и по какой причине?

^ 3. МЕХАНИЗМ БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

Основной радиобиологический парадокс по определению Н.В.Тимофеева-Ресовского, состоит в очень значительной диспропорции между количеством поглощенной энергии ионизирующей радиации и величиной вызванного ею биологического эффекта. Смертельная для человека и большинства млекопитающих поглощенная доза - 10 Гр (1000 рад) энергетически эквивалентна приблизительно 170 кал, т. е. такому количеству тепловой энергии, которое передается человеку от выпитого стакана горячего чая, вызывая повышение температуры тела всего на 0,001 °С.

Особенность ионизирующих излучений состоит в том, что они обладают высокой биологической активностью. Они способны вызывать ионизацию любых химических соединений биосубстратов и этим индуцировать длительно протекающие реакции в живых тканях. Поэтому результатом биологического действия радиации является, как правило, нарушение нормальных биохимических процессов с последующими функциональными и морфологическими изменениями в клетках и тканях животного.