Биологическое действие ионизирующих излучений.

Биологическое действие ионизирующих излучений связано с процессами ионизации атомов и молекул живой материи, в частности, молекул воды, содержащихся в органах и тканях. В результате происходит разрыв молекулярных связей и изменение структуры различных химических соединений. При этом нарушается нормальное течение биохимических процессов и обмен веществ в организме.

Различают внешнее и внутреннее облучение организма. Под внешним облучением понимают воздействие на организм ионизирующих излучений от внешних по отношению к нему источников (естественные радиоактивные источники, рентгеновские аппараты, ядерные реакторы и др.). Внутреннее облучение происходит при попадании радиоактивного вещества внутрь при вдыхании воздуха, через пищеварительный тракт, через кожу.

Внутреннее облучение организма длится до тех пор, пока радиоактивное вещество не распадется или не будет выведено из организма в результате процессов физиологического обмена. Это облучение опасно тем, что вызывает длительно незаживающие язвы различных органов и злокачественные опухоли.

На действие ионизирующих излучений организм отвечает определенными биологическими реакциями. Биологические реакции организма человека на действие ионизирующей радиации можно условно разделить на две группы:

1) острые поражения;

2) отдаленные последствия, которые, в свою очередь, подразделяются на соматические и генетические эффекты.

К острым поражениям относятся острая и хроническая лучевая болезнь, лучевые ожоги. Тяжесть острых поражений зависит от дозы облучения. Нижний уровень развития легкой формы лучевой болезни возникает при эквивалентной дозе облучения ~ 1 Зв, тяжелая форма лучевой болезни, при которой погибает половина всех облученных, наступает при эквивалентной дозе облучения 4,5 Зв. 100%-й смертельный исход лучевой болезни соответствует эквивалентной дозе облучения 5,57,0 Зв.

При длительном повторяющемся внешнем или внутреннем облучении человека в малых, но превышающих допустимые величины дозах возможно развитие хронической лучевой болезни.

К отдаленным последствиям соматического характера относятся злокачественные новообразования, лейкемия, катаракта и сокращение продолжительности жизни.

Генетические эффекты воздействия радиации на человека проявляются лишь в последующем поколении, возникают они под действием малых доз радиации.

Нормирование ионизирующих излучений.

Нормирование воздействия ионизирующих излучений осуществляется в соответствии с санитарными правилами СП 2.6.1.758–99 «Ионизирующие излучения, радиационная безопасность. Нормы радиационной безопасности (НРБ – 99)».

НРБ – 99 вводят следующие категории облучаемых лиц:

персонал – лица, работающие с техногенными источниками (группа А) или находящиеся по условиям работы в сфере их воздействия (группа Б);

всё население, включая лиц из персонала, вне сферы их производственной деятельности.

Для категории облучаемых лиц устанавливают три класса нормативов:

основные дозовые пределы (табл. 3.4);

допустимые уровни, соответствующие основным дозовым пределам;

контрольные уровни.

Таблица 3.4.

Основные пределы доз облучения для персонала групп А, Б и населения

Нормируемые величины	Пределы доз, мЗв/год
	Персонал (группа А)	Население
Эффективная доза	20	1
Эквивалентная доза: - в хрусталике глаза - в коже - в кистях рук и стопах ног	150 500 500	15 50 50
Основные пределы доз для персонала группы Б равны ¼ значений для группы А

Защита от ионизирующих излучений.

Обеспечение радиационной безопасности требует комплекса многообразных мероприятий, зависящих от конкретных условий работы с источниками ионизирующих излучений, а также от типа источника.

При защите от внешнего облучения, возникающего при работе с закрытыми источниками излучения, основные усилия должны быть направлены на предупреждение переоблучения персонала. Для этого используются следующие методы:

увеличение расстояния между источниками и работающими (защита расстоянием);

сокращение времени работы с источниками (защита временем);

уменьшение мощности источника до минимальной величины (защита количеством);

экранирование источника излучения (защита экранами).

Выбор материала для изготовления защитного экрана зависит прежде всего от преобладающего вида излучения. Для защиты от -излучений достаточен слой воздуха в несколько сантиметров. Применяют также экраны из плексигласа и стекла толщиной в несколько миллиметров. Для защиты от -излучения экраны изготовляют из алюминия или пластмассы (органическое стекло). От рентгеновского и γ-излучения эффективно защищают свинец, сталь, вольфрамовые сплавы. Смотровые системы изготавливают из специальных прозрачных материалов, например, свинцового стекла. От нейтронного излучения защищают материалы, содержащие в составе водород (парафин, вода), а также берилий, графит, соединения бора и т. д.

Одним из существенных факторов системы радиационной безопасности является дозиметрический контроль за уровнями внешнего и внутреннего облучения обслуживающего персонала, а также за уровнем радиации в окружающей среде.

Средства индивидуальной защиты, используемые для работы с закрытыми источниками, разделяются на пять видов: спецодежда, спецобувь, средства защиты органов дыхания, изолирующие костюмы, дополнительные защитные приспособления. Большое значение имеет выполнение правил личной гигиены (запрещение курения в рабочей зоне, тщательная очистка кожных покровов после окончания работы).

Защита от открытых источников ионизирующих излучений, способных загрязнять воздух рабочей зоны радиоактивными веществами, предусматривает как защиту персонала от внешнего облучения, так и защиту персонала от внутреннего облучения. Для обеспечения радиационной безопасности при этом используются те же принципы защиты, что и при работе с закрытыми источниками излучения, а также герметизация производственного оборудования, мероприятия планировочного характера. Помещения, предназначенные для работы с радиоактивными веществами, должны быть изолированы от других помещений и специально оборудованы в зависимости от класса работ, определяемого активностью этих радиоактивных веществ.

Радиоактивность – это самопроизвольное превращение (распад) атомных ядер, приводящее к образованию устойчивого ядра и сопровождающееся испусканием ионизирующих излучений, источником которых являются радиоактивные химические элементы (радионуклиды). Она бывает естественная и искусственная (ядерная реакция).

В настоящее время установлены следующие основные виды естественных радиоактивных превращений ядер:

1) ɑ-распад, т.е. излучение ядер гелия (Не), который сопровождается γ–излучением. Данный вид ионизирующего излучения называют ɑ-излучением. Альфа – частицы (ядра гелия) распространяется в воздухе Ионизирующая способность альфа – частиц зависит от энергии, с которой они покидают ядро. Так, ɑ - частицы способны создать до 65000 пар ионов на 1 см пути (в воздухе их путь может доходить до 11 см, в биоткани - до 0,1 мм). Они обладают большой ионизирующей способностью и опасны при попадании внутрь организма с воздухом или с пищей.

2) b-распад – это излучение электронов и позитронов (b±) при взаимных превращениях нейтронов в протон и наоборот, который сопровождается γ–излучением, т.е. nº - bˉ = р+ или р+ - b+ = nº. Данный вид ионизирующего излучения называют b -излучением. Бета – частицы (электроны и позитроны) в биоткани распространяются до нескольких миллиметров. Эти частицы могут действовать на кожу дистанционно и контактным путем (при загрязнении одежды и тела). Ионизирующая способность b – частиц зависит от энергии, с которой они покидают ядро. Они способны создать до 100 – 300 пар ионов на 1 см пути в воздухе.

3) Электронный захват представляет собой захват ядром электрона с оболочки. В результате такого захвата образуется новый химический элемент с зарядом меньше на единицу.

4) Деление ядер или самопроизвольный распад ядра на два радиоактивных «осколка», сопровождается выделением 2 – 3 нейтронов и γ–излучением. Такое деление ядер называется «нейтронным излучением».

Рентгеновское и γ - излучение обладают высокой проникающей (γ -излучение в воздухе распространяется до 100 м, а в ткани до 15 см) и ионизирующей способностью и представляют основную опасность как источники внешнего облучения. Они, за счет фотоэффекта, способны косвенно создать 2 – 3 пары ионов на 1 см пути.

Ионизирующими излучениями называют излучения, которые прямо или косвенно способны ионизировать среду (создать раздельные электрические заряды). К ним относят: рентгеновское и и γ–излучения; излучения, состоящие из потока заряженных (ɑ+ и b± - частицы, протоны, тяжелые ядра отдачи) частиц; незаряженных частиц (нейтронов) и частиц - p, m, к – мезоны, мюоны и др.

Воздействие ионизирующего излучения на ткани организма может быть различным. Оно показано в таблице 1111.

Таблица 1111.

Воздействие ионизирующего излучения на ткани организма

Вид взаимодействия, изменения, эффекта	Последствия воздействие ионизирующего излучения на ткани организма
Заряженные частицы	Проникающие в ткани организма ɑ- и b-частицы теряют энергию вследствие электрических взаимодействий с электронами тех атомов, близ которых они проходят. γ-излучение и рентгеновские лучи передают свою энергию веществу несколькими способами, которые приводят к электрическим взаимодействиям.
Электрические взаимодействия	За время порядка десяти триллионных секунды, после достижения излучением соответствующего атома, в ткани организма от данного атома отрывается электрон. Этот процесс называется ионизацией. Оторвавшийся электрон может ионизировать другие атомы.
Физико-химические изменения	Свободный электрон и ионизированный атом в течение следующих десяти миллиардных долей секунды участвуют в сложной цепи реакций, в результате которых образуются новые молекулы, включая и такие чрезвычайно реакционноспособные, как «свободные радикалы».
Химические изменения	В течение миллионных долей секунды образовавшиеся свободные радикалы реагируют друг с другом и с другими молекулами и через цепочку реакций могут вызвать химическую модификацию важных в биологическом отношении молекул, необходимых для нормального функционирования клетки.
Биологические эффекты	Биохимические изменения могут произойти как через несколько секунд, так и через десятилетия после облучения и явиться причиной немедленной гибели клеток, или такие изменения в них могут привести к раку.

Проходя через биологическую ткань ИИ ионизируют ее. Это приводит к физико - химическим и биологическим изменениям свойств среды на атомно – молекулярном уровне. При ионизации живого организма нарушаются обменные процессы и нормальное функционирование нервной, эндокринной, иммунной, дыхательной, сердечно - сосудистой, пищеварительной и других систем.

Биологическое действие радиации на живой организм представляет собой комплекс изменений, протекающих на молекулярном и надмолекулярным, физиологическом и генетическом уровнях живой клетки и целого организма.

Развитие биологического действия радиации, развивается в три стадии и характеризуется продолжительностью протекания процессов и последствиями облучения организма (табл. 4.6.).

Первая стадия - физическая. Она протекает в течение 10^-12 - 10^-9с. На ней происходит ионизация и возбуждение соединений клетки. При ионизации и возбуждении образуются ионы и свободные радикалы в результате диссоциации молекул воды, неорганических и органических соединений.

Таблица 4.6

Основные стадии и этапы лучевого поражения во времени

Стадия	Продолжительность протекания процессов	Последствия облучения организма
Физическая	10-12 с	Физическое взаимодействие. Поглощение энергии. Ионизация и возбуждение молекул
Химическая	10-4 с	Первичные радиационно-химические реакции. Образование радикалов.
	10-3 с	Изменение молекул. Нарушение биохимии клеток. Поражение клеток
Биологическая	Секунды-минуты	Нарушение структур клеток, обеспечивающих функции наследственности
	Минуты-часы	Нарушение функции появления клеток. Морфология клеток с измененными веществами. Поражение организма
	Минуты-месяцы	Нарушение функции морфологии - систематические изменения в органах и системах
	Вся жизнь индивидуума.	Отдаленные соматические эффекты (понижение сопротивляемости, развитие рака).
	Неопределенно долгое время	Генетические последствия облучения

Вторая стадия - химическая. Она протекает в течение 10^-9- 10^-3с. На ней происходят реакции взаимодействия первичных продуктов радиолиза с неразрушенными молекулами биоструктур. Протекают реакции окисления, приводящие к появлению новых химических соединений, в том числе токсического действия - радиотоксинам.

Третья стадия - биологическая. Она протекает от 10^-3с и до момента гибели организма (годы). На ней радиационно-химические превращения ведут к нарушениям в биологической организации клетки и в последующем к изменению всех биологических процессов, происходящих на уровне клетки и целого организма.

Ионизирующее излучение вызывает поломку хромосом (хромосомные аберрации), за которыми происходит соединение разорванных концов в новые сочетания, что приводит к изменению генного аппарата. Если стойкие хромосомные аберрации происходят в половых клетках, то это ведет к мутациям, т.е. появлению у облученных особей потомства с другими признаками.

Однако ДНК достаточно устойчива по отношению к разрывам, вызываемым радиацией. Необходимо произвести семь разрушений структуры ДНК, чтобы она уже не могла восстановиться (происходит мутация). При меньшем числе разрывов ДНК восстанавливается в прежнем виде.

Разрушение молекул возможно при косвенном действии, когда сама молекула получает энергию от другой молекулы, которая первоначально поглотила эту энергию. В этом случае радиационный эффект обусловлен вторичным влиянием продуктов радиолиза (разложения) растворителя на молекулы ДНК. Повторяющиеся прямые попадания ионизирующих частиц в молекулу ДНК (особенно в гены), могут вызвать ее распад. Однако вероятность таких попаданий невелика. Основную роль в радиобиологических процессах играют радиолы из воды. Они образуются при распаде молекул воды под воздействием радиации. На начальном этапе получаются водородный и гидроксильный радикалы, на следующем - молекулярный водород и перекись водорода.

Радикалы вступают в химические реакции с биологически важными молекулами. В таких реакциях разрушаются структуры биологических веществ, что, в свою очередь, приводит к изменениям биологических процессов, включая процессы образования новых клеток.

Соматические повреждения организма ионизирующим излучением являются результатом воздействия излучения на определенный комплекс клеток, образующих определенные ткани или органы. К соматическим эффектам относят локальное повреждение кожи (лучевой ожог), катаракту глаз (помутнение хрусталика), повреждение половых органов (кратковременная или постоянная стерилизация) и др.

Генетические эффекты действия радиации обнаружить трудно, так как они действуют на малое число клеток и имеют длительный скрытый период, измеряемый десятками лет после облучения. Большинство мутаций проявляется только в том случае, когда зародыш получает от обоих родителей хромосомы, поврежденные одинаковым образом.

В отличие от генетических эффектов, которые вызываются малыми дозами радиации, соматические эффекты начинаются с определенной пороговой дозы: при меньших дозах повреждения организма не происходит. Другое отличие - организм способен со временем преодолевать последствия облучения, тогда как клеточные повреждения необратимы.