Лекция 12. Ионизирующее излучение как экологический фактор

Радиоактивные изотопы – гигиенические нормативы радиоактивного излучения – чувствительность к ионизирующему излучению – сочетание ионизирующего излучения с другими экологическими факторами – воздействие ионизирующего излучения на организм

Особой формой загрязнения сред жизни служат радиоактивные вещества и создаваемые ими ионизирующие излучения. Они нако­пились во многих районах Земли как отходы военной промышлен­ности, ядерной энергетики, используются во многих промышлен­ных производствах, в медицине для лечебных, диагностических и научных целей. Поэтому источником радиации, воздействующей на человека и все живое, является не только естественное (земное и космическое), но и искусственное излучение.

Радиоактивные изотопы – элементы, атомы которых имеют оди­наковое число протонов, но разное число нейтронов. Все изотопы химических элементов образуют группу радионуклидов. Большин­ство радионуклидов нестабильно. Они могут терять частицы (α, β и др.), излучать кванты энергии и превращаться в другие элементы до тех пор, пока не образуется стабильный изотоп свинца. Такая реакция носит название цепной. Распад идет с различной скоростью. Время, за которое распадается половина массы данного нук­лида, называется физическим периодом полураспада. Физические периоды полураспада значительно различаются. Для оценки по­следствий испытаний ядерного оружия, чернобыльской катастрофы практическое значение имеет знание периодов полураспада основ­ных радионуклидов, загрязняющих различные территории: Cs¹³⁷ – 30 лет (γ-излучение); Sr⁹⁰ – 29 лет (g-излучение); Zn⁹⁵ – 64 су­ток; Rn²²⁰ – 3,8 суток; I¹³¹ – 8 суток; С¹⁴ – 5730 лет.

Разные виды излучения обладают разной проникающей способ­ностью: α-частицы задерживаются листом бумаги; β-частицы про­никают в покровы человеческого тела на 2 см; g-излучение наибо­лее опасно, распространяется очень быстро – со скоростью света и задержать его может только свинцовая плита.

Для характеристики излучений и их проникающей способности существуют единицы активности и доз. В радиобиологии с 1984 г. приняты единицы системы СИ.

В расчетах, определяющих риск для человеческих популяций развития отдаленных последствий облучения, применяется понятие генетически значимая доза. Она представляет собой 40 % от коллективной эквивалентной дозы, так как принято считать, что 40 % популяции – это люди детородного возраста и генетические по­следствия облучения могут быть реализованы только через эту группу.

От естественных источников человек получает дозу – 2 мЗв в год. Наибольшую долю естественных источников составляют зем­ные источники, причем 5/6 всей радиации от них приходится на внутреннее облучение. Оно осуществляется от попадающих в орга­низм радионуклидов (с пищей, водой, при вдыхании, через повреж­денную и здоровую кожу). Эффект от их воздействия зависит во многом от способности задерживаться в организме (например, Cs¹³⁷ пребывает в организме 143 суток). Время, за которое удаляется из организма половина инкорпорированного нуклида, называется био­логическим периодом полураспада. Эффект от сочетания физиче­ского и биологического периодов полураспада называется эффек­тивным периодом полураспада.

Во внутреннем облучении велика значимость такого радионук­лида, как радон (газ, смесь изотопов Rn²²⁰ и Rn²²²), который может попадать в организм из земной коры, из строительных материалов (гранит, мрамор, известняк, кальций – силикатный шлак, кирпич из красной глины и др.), из воды и газа. Немаловажное значение в создании эффекта внешнего естественного облучения имеют косми­ческие лучи.

Доза облучения, получаемая человеком, обусловливается также источниками, искусственно созданными (источники, используемые в медицине, испытания ядерного оружия, атомная энергетика, про­фессиональное облучение). Общая эквивалентная доза, получаемая человеком за год, не должна превышать 0,1 бэра. Чернобыльская авария увеличила среднегодовую дозу облучения в первый год по­сле взрыва на 0,5 бэра (в среднем на каждого жителя Земли).

Ионизирующее излучение является реальным мощным экологи­ческим фактором, воздействующим на все живое. Оно обладает общебиологическим действием: является сильным мутагенным факто­ром; подавляет процессы эмбриогенеза, механизмы, регулирующие процессы дифференцировки; подавляет процессы регенерации, им­мунную защиту организма; ускоряет процессы старения, укорачи­вает продолжительность жизни.

Вместе с тем чувствительность к ионизирующему излучению (радиочувствительность) различна у разных видов живых организ­мов, организмов одного и того же вида, разных тканей и органов од­ного организма. Мерой радиочувствительности является доза облу­чения, вызывающая гибель 50 % клеток или организмов за опреде­ленный промежуток времени – ЛД_{50/время}. У разных биологиче­ских объектов этот показатель может отличаться в десятки, сотни, тысячи раз.

Радиочувствительность зависит от:

– объема и структуры генома: чем больше ДНК, чем сложнее ее структура, тем радиочувствительность выше (у бактерий ЛД₅₀ = = 1800 Гр, у человека – 2,5 Гр);

– активности ферментов репарации;

– уровня антиоксидантов;

– количества предшественников радиотоксинов;

– способности организма (органа, клеток, ткани) накапливать радиоактивные вещества;

– уровня процессов пролиферации (активно пролиферирующие ткани называются критическими: клетки эпителия, кроветворная ткань, клетки эпителия кишечника);

– времени суток (ночью выше);

– величины дозы излучения и характера его действия (прерыви­стое действие излучения снижает радиочувствительность по срав­нению с однократным: однократное облучение обусловливает 100 %-ную гибель при 10 Гр, прерывистое – 100 %-ную гибель при 85 Гр);

– периода онтогенеза: особенно высока радиочувствительность s критические периоды внутриутробного развития (оплодотворение, имплантация, органогенез), постнатальногоразвития (новорожден-ность, первый год жизни, пубертатный возраст, старение);

– фазы клеточного цикла (начало G₁ -периода и инициация син­теза ДНК – высокорадиочувствительны, S-фаза – устойчива).

Радиационное поражение клетки проходит ряд этапов:

– первичные радиационно-физические процессы (образование свободных радикалов, радиационное повреждение углеводов, липидов, радиационное поражение нуклеиновых кислот);

– радиационное поражение биохимических процессов, опосре­дованное усиление радиационного эффекта;

– вторичное поражение генома;

– гибель клетки.

Радиационные процессы совершаются с большой скоростью. Радиолиз воды – явление, при котором не только образуются свобод­ные и перекисные радикалы как таковые, но и происходит усиление радиационного поражения всех веществ, с которыми связана вода (белков, хроматина, биоколлоидов). В результате осуществляется как прямое действие радиации, так и опосредованное поражение продуктами радиолиза. Нарушения белковой структуры сказыва­ются на активности различных ферментов, в том числе и системы антиоксидантов.

Радиационно-химическое превращение липидов приводит к из­менению структуры и функций всех мембран, в результате чего на­рушаются такие процессы в клетке, как транспорт ионов, биоэнер­гетические процессы, репликация ДНК, синтез белка и др., проис­ходят выход ферментов из лизосом и вторичное поражение клетки. При высоких дозах могут быть инактивированы системы антиокси­дантов.

И при тотальном, и при частичном облучении организма во всех его тканях и органах возникают и развиваются во времени процес­сы, индуцированные излучением. Они могут принимать разные формы и разную интенсивность на уровне каждой ткани, но на уровне организма все эти процессы интегрируются, формируя ко­нечный результат облучения.

Большую роль в развитии прямых и опосредованных эффектов облучения играют низкомолекулярные продукты различной хими­ческой природы, объединяемые под общим названием "радиотоксины". Действие радиотоксинов проявляется в следующем: в малых дозах они усиливают синтез ДНК, воздействуя на мембраны, акти­вируя цАМФ, взаимодействуя с белками-репрессорами; в больших дозах тормозят синтез ДНК, угнетают деление клетки, вызывают хромосомные аберрации, генные мутации, пикноз ядер, понижают устойчивость биологических мембран, активность мембранно-связанных ферментов.

Характер действия радиотоксинов на живые клетки имитирует действие самого ионизирующего излучения, т.е. они обладают ши­роким действием и принимают активное участие во вторичном по­ражении генома и мембран клеток.

Малые дозы ионизирующего излучения вызывают радиобиологи­ческие эффекты, противоположные характеру воздействия боль­ших доз:

– стимулируют рост, развитие, плодовитость, неспецифический иммунитет, общую сопротивляемость организма;

– их воздействие осуществляется через регуляторные механиз­мы генетических и мембранных структур;

– играют важную роль пусковых механизмов, при этом эффект мало зависит от количества поглощенной энергии и увеличивается при облучении дробными дозами (аккумуляция).

Кроме того, следует подчеркнуть беспороговость действия малых доз ионизирующего излучения на разные системы организма, спо­собность к накоплению дозы. Малые дозы, создаваемые реакциями распада инкорпорированных радионуклидов, обусловливают высо­кую степень антропоэкологического напряжения и утомления и как следствие – в виде отдаленных эффектов приводят к формирова­нию синдрома вегетососудистой дистонии, увеличению щитовидной железы, изменению иммунного статуса, развитию лимфопролиферативного синдрома, сочетанных поражений сердца, легких, мозга, желудочно-кишечного тракта, увеличению вероятности возникно­вения опухолей, мертворождений, выкидышей (В.Т. Найда и др. 1994; Т.И. Траверсе, 1994; Г.В. Римарчук, 1994; А.Е. Синягин, 1994). Исследование состояния здоровья людей, проживающих в местностях, получивших умеренные радиоактивные загрязнения после чернобыльского взрыва, или отселенных из зон интенсивного загрязнения, показывает, что основной причиной таких болезней является срыв адаптационных механизмов. Поэтому наибольшее распространение получают так называемые стресс-зависимые бо­лезни (вегетососудистая дистония, различные поражения желудоч­но-кишеч­ного тракта, эндокринопатии, психосоматические и сома-топсихические состояния). Характерными являются также иммуно-дефициты, в связи с чем и большая подверженность инфекциям, острым респираторным заболеваниям (Г. В. Архангельская, 1993 Вместе с тем многие исследователи отмечают рост числа опухол вых заболеваний кроветворных органов и щитовидной желез (В.Г. Найда, 1994; С.В. Петренко, 1990; Н.Н. Галицкая и др. 1990), изменение показателей периферической крови (Л.Н. Аста­хова, 1991; Т.Н. Лазюкидр., 1990). Направленность изменений со­стояния здоровья людей вследствие воздействия чернобыльской ка­тастрофы является наглядным примером сдвига неустойчивого со­стояния "антропоэкологического утомления" в сторону болезни при длительном воздействии неблагоприятных факторов.

При сочетании ионизирующего излучения с другими экологиче­скими факторами возможны разные реакции комбинированного действия:

– аддитивность (суммирование эффектов от каждого из факто­ров независимо от последовательности действия);

– синергизм (результат совместного действия превосходит эф­фект, ожидаемый от суммированного воздействия);

– сенсибилизация (потенцирование, усиление эффектов факто­рами, которые сами по себе эффекта не вызывают).

Эти виды сочетанного действия должны учитываться при анализе тяжести радиобиологического эффекта. К числу факторов, усили­вающих радиационное поражение, относятся:

– повышение температуры окружающей среды;

– высокое содержание 0₂ в тканях, усиливающее первичное по­ражение, но облегчающее пострадиационное восстановление;

– воздействие ультразвука, мутагенов, ядов, канцерогенных факторов.

Описанное явление находит применение в медицине при лечеб­ном совместном использовании ионизирующего излучения и цитостатиков, излучения и гипертермии для лечения опухолей, при ис­пользовании любых средств, снижающих содержание в тканях кис­лорода (адреналина, нитрита натрия, морфина, цианидов), для ос­лабления поражающего действия ионизирующего излучения.

Отдаленные последствия воздействия ионизирующей радиации на организм проявляются прежде всего:

– в изменении продолжительности жизни;

– в увеличении частоты возникновения злокачественных опухо­лей;

– в росте числа генетических болезней.

Для животных достоверно доказано сокращение продолжитель­ности жизни в результате воздействия ионизирующей радиации. Для человека доказать такую закономерность трудно из-за недостатка количества наблюдений. Однако и нет оснований отрицать факт сокращения сроков жизни, так как в организме после облуче­ния происходит ряд необратимых явлений, которые неизбежно должны привести к более раннему старению:

– нерепарируемые повреждения ДНК;

– ослабление систем иммунитета;

– дегенеративные изменения в эндокринной системе;

– усиление склеротических процессов и др.

Доказано, что воздействие ионизирующего излучения на орга­низм людей ведет к повышению риска опухолевых болезней. Уста­новлено, что ионизирующее излучение может выступать в роли стимулирующего фактора на всех этапах канцерогенеза:

– в фазе инициации опухолевого роста (мутации в соматиче­ских клетках, трансформация клетки в потенциально опухолевую) вследствие поглощения лучевой энергии генетическими структура­ми клетки; в первую очередь это касается регуляторных генов, в том числе и латентного онкогена (проонкогена), и происходит как за счет непосредственного поражения его радиоактивным излуче­нием, так и за счет нарушений стабильности генома, перемещения мобильных диспергированных генов (прыгающих генов);

– в фазе промоции (усиление роста опухоли) в качестве пуско­вого механизма деления;

– на всех этапах канцерогенеза в качестве фактора, снижающе­го иммунный контроль.

Несмотря на то, что изучать генетические последствия облуче­ния у людей сложно, уже накоплен материал, показывающий что:

– доза в 1 Зв является удваивающей дозой (т.е. число мутаций возрастает в 2 раза по сравнению с воздействием естественного ра­диоактивного фона);

– мутирование начинается при дозе 0,1 Р/сут (0,001 Зв);

– летальные мутации начинают обнаруживаться уже при дозах 0,2-1 мР/ч (0,002–0,01 мЗв).

Знание основных патогенетических механизмов развития луче­вого поражения на последовательных этапах позволяет разработать в каждом конкретном случае стратегию пострадиационного восста­новления организма:

а) в период острого радиационного поражения, нарастания радиационно-физических и радиационно-химических процессов:

– перехват и инактивация радикалов;

– создание условий, благоприятных для работы ферментов репарации ДНК (введение коферментов);

– создание условий, благоприятных для восстановления моле­кул ДНК (введение субстратов для синтеза);

– выведение радиотоксинов;

– создание гипотермии;

– создание гипоксии;

б) в период вторичных нарушений биохимических процессов и опосредованного усиления радиационного эффекта, вторичного по­ражения генома и мембран:

– перехват и создание условий для выведения радиотоксинов или условий, препятствующих и х образованию;

– ослабление активности протеаз и нуклеаз;

– введение антиоксидантов или создание условий для и х актива­ции;

– создание условий для ускорения синтеза и переноса липидов;

в) в период гибели радиочувствительных популяций клеток:

– активация деления резервного пула (например, стимуляция кроветворения);

– активация процессов регенерации;

– введение сингенных клеток заменителей;

г) в случае усиления радиационного поражения генома при сочетанном воздействии других физических и химических факторов:

– удаление физических и химических факторов, усиливающих радиобиологический эффект;

– использование физических и химических факторов, ослабля­ющих радиобиологический эффект.

Дата добавления: 2014-01-20