Вопрос 5. Биологическое действие ионизирующего излучения

В органах и тканях биологических объектов как и в любой среде при облучении в результате поглощения энергии идут процессы ионизации и возбуждения атомов. Эти процессы лежат в основе биологического действия излучений. Его мерой служит количество поглощенной в организме энергии.

В реакции организма на облучение можно выделить четыре фазы. Длительность первых трех быстрых фаз не превышает единиц микросекунд, в течение которых происходят различные молекулярные изменения. В четвертой медленной фазе эти изменения переходят в функциональные и структурные нарушения в клетках, органах и организме в целом.

Первая, физическая фаза ионизации и возбуждения атомов длится ~10^-13 с. Вo второй, химико-физической фазе, протекающей ~ 10^-10 с, образуются высокоактивные в химическом отношении радикалы, которые, взаимодействуя с различными соединениями, дают начало вторичным радикалам, имеющим значительно большие по сравнению с первичными сроки жизни. В третьей, химической фазе, длящейся ~ 10^-6 с, образовавшиеся радикалы вступают в реакции с органическими молекулами клеток, что приводит к изменению биологических свойств молекул.

Описанные процессы первых трех фаз являются первичными и определяют дальнейшее развитие лучевого поражения. В следующей за ними четвертой, биологической фазе химические изменения молекул преобразуются в клеточные изменения. Наиболее чувствительным к облучению является ядро клетки, а наибольшие последствия вызывает повреждение ДНК, содержащей наследственную информацию. В результате облучения в зависимости от величины поглощенной дозы клетка гибнет или становится неполноценной в функциональном отношении. Время протекания четвертой фазы очень различно и в зависимости от условий может растянуться на годы или даже на всю жизнь.

Различные виды излучений характеризуются различной биологической эффективностью, что связано с отличиями в их проникающей способности

(рис. 8.7) и характером передачи энергии органам и тканям живого объекта, состоящего в основном из легких элементов (табл. 1).

Рис. 23.7

Таблица 23.1

Химический состав мягкой ткани и костей в организме человека

Элемент	Заряд, Z	Процентное отношение по весу
Мягкая ткань	Кости_
Водород		10.2	6.4
Углерод		12.3	27.8
Азот		3.5	2.7
Кислород		72.9	41.0
Натрий		0.08	-
Магний		0.02	0.2
Фосфор		0.2	7.0
Сера		0.5	0.2
Калий		0.3	-
Кальций		0.007	14.7

Альфа-излучение имеет малую длину пробега и не может проникнуть сквозь кожные покровы. Пробег альфа-частиц с энергией 4 Мэв в воздухе составляет 2.5 см, а в биологической ткани лишь 31 мкм. Но альфа-излучающие нуклиды представляют большую опасность при поступлении внутрь организма через органы дыхания и пищеварения, через открытые раны и ожоговые поверхности.

Бета-излучение обладает большей проникающей способностью. Пробег бета-частиц в воздухе может достигать нескольких метров, а в биологической ткани нескольких сантиметров. Так пробег электронов с энергией 4 МэВ в воздухе составляет 17.8 м, а в биологической ткани 2.6 см.

Гамма-излучение имеет еще более высокую проникающую способность. Под его действием происходит облучение всего организма.

Большая часть энергии тепловых нейтронов в основном расходуется на возбуждение и расщепление молекул ткани. Вследствие взаимодействия нейтронов с ядрами вещества возникают протоны, поэтому биологический эффект от действия тепловых нейтронов в основном проявляется в воздействии на биологическую ткань протонов, теряющих всю свою энергию в месте рождения.

Для быстрых нейтронов до 90% энергии в ткани теряется при упругом взаимодействии. При этом решающее значение имеет рассеяние нейтронов на протонах. Дальнейшее выделение энергии происходит в результате ионизации среды протонами отдачи.

Изучение отдельных последствий облучения живых тканей показало, что при одинаковых поглощенных дозах различные виды радиации производят неодинаковое биологическое воздействие на организм. Обусловлено это тем, что более тяжелая частица производит на единице пути в ткани больше ионов, чем легкая. При одной и той же поглощенной дозе радиобиологический разрушительный эффект тем выше, чем плотнее ионизация, создаваемая излучением. Чтобы учесть этот эффект, введено понятие эквивалентной дозы.

Эквивалентная доза H рассчитывается путем умножения значения поглощенной дозы D _i на специальный коэффициент — коэффициент K _i

(табл. 2) относительной биологической эффективности (ОБЭ) или коэффициент качества:

Таблица 23.2

Коэффициент относительной биологической эффективности для различных видов излучений

Вид излучения Коэффициент ( K_i ), Зв/Гр

Фотоны всех энергий 1

Электроны и мюоны всех энергий 1

Нейтроны с энергией < 10 КэВ 5

Нейтроны от 10 до 100 КэВ 10

Нейтроны от 100 КэВ до 2 МэВ 20

Нейтроны от 2 МэВ до 20 МэВ 10

Нейтроны > 20 МэВ 5

Протоны с энергий > 2 МэВ (кроме протонов отдачи) 5

альфа-частицы, осколки деления и другие тяжелые ядра 20

Единицей измерения эквивалентной дозы в СИ является зиверт (Зв). Величина 1 Зв равна эквивалентной дозе любого вида излучения, поглощенной в 1 кг биологической ткани и создающей такой же биологический эффект, как и поглощенная доза в 1 Гр фотонного излучения. Внесистемной единицей измерения эквивалентной дозы является бэр. 1 Зв = 100 бэр.

Радиация по разному воздействует на жизненно важные органы человека. Для оценки ущерба его здоровью в условиях равномерного облучения всего тела введено понятие эффективной эквивалентной дозы Е _эфф.

Эффективная доза E_эфф − величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы H_i во всех органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты r_i, т.е. E _эфф = .

Одни органы и ткани человека более чувствительны к действию радиации, чем другие: например, при одинаковой эквивалентной дозе возникновение рака в легких более вероятно, чем в щитовидной железе, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения разных органов и тканей следует учитывать с разным коэффициентом, который называется коэффициентом радиационного риска r_i (табл.23. 3). Умножив значение эквивалентной дозы на соответствующий коэффициент радиационного риска

и просуммировав по всем тканям и органам, получим эффективную дозу, отражающую суммарный эффект для организма:

E _эфф = .

Единицей измерения эффективной дозы в СИ является зиверт (Зв).

Таблица 23.3

Значения коэффициента радиационного риска для отдельных органов

Органы, ткани Коэффициент r_i

Гонады (половые железы) 0,2

Красный костный мозг 0,12

Толстый кишечник 0,12

Желудок 0,12

Лёгкие 0,12

Мочевой пузырь 0,05

Печень 0,05

Пищевод 0,05

Щитовидная железа 0,05

Кожа 0,01

Клетки костных поверхностей 0,01

Головной мозг 0,025

Остальные ткани 0,05

Коэффициенты радиационного риска устанавливают эмпирически и рассчитывают таким образом, чтобы их сумма для всего организма составляла единицу. Единицы измерения эффективной дозы совпадают с единицами измерения эквивалентной дозы.

Биологическое действие ионизирующих излучений и способы защиты от них. Различают два вида эффекта воздействия на организм ионизирующих излучений: соматический и генетический.

При соматическом эффекте последствия проявляются непосредственно у облучаемого, при генетическом – у его потомства. Соматические эффекты могут быть ранними или отдалёнными. Ранние возникают в период от нескольких минут до 30–60 суток после облучения. К ним относят покраснение и шелушение кожи, помутнение хрусталика глаза, поражение кроветворной системы, лучевая болезнь.

Острая лучевая болезнь развивается при кратковременном облучении всего организма, при получении им дозы от 1 до 100 и более грей (Гр) за 1–3 дня. Летальным исходом, как правило, заканчиваются случаи, в которых организм получил более 10 Гр за 1–3 дня. При получении дозы до 10 Гр развивается острая лучевая болезнь 4-х степеней тяжести. Острая лучевая болезнь легкой степени тяжести развивается при воздействии излучения в дозе 1–2.5 Гр. Первичная реакция (первые 2–3 дня) – головокружение, тошнота. Латентный период (около 1 месяца) – постепенное снижение первичных признаков. Восстановление полное.

Острая лучевая болезнь средней степени тяжести развивается при воздействии излучения в дозе 2.5–4 Гр. Первичная реакция (первые 1–2 часа) головокружение, тошнота, рвота. Латентный период (около 25 дней) – наличие изменения слизистых оболочек, инфекционных осложнений, возможен летальный исход.

Острая лучевая болезнь тяжелой степени развивается при воздействии излучения в дозе 4–10 Гр. Первичная реакция (первые 30–60 минут) – головная боль, повторная рвота, повышение температуры тела. Латентный период (около 15 дней) – инфекционные поражения, поражения слизистых оболочек, лихорадка. Частота летальных исходов выше, чем при средней степени тяжести. Острая лучевая болезнь крайне тяжелой степени развивается при воздействии излучения в дозе более 10 Гр. Летальный исход почти неизбежен.

Лечение острой лучевой болезни заключается во введении в организм антибиотиков, с целью предотвратить инфекционные осложнения, введении в организм донорских тромбоцитов, пересадке костного мозга. Хроническая лучевая болезнь возникает при ежедневном получении дозы в 0.005 Гр. Наблюдается развитие различных заболеваний, связанных с дисфункцией желез внутренней секреции, нарушение артериального давления. Профилактика хронической лучевой болезни заключается в неукоснительном соблюдении принятых норм радиационной безопасности.

В таблице 4 приведен перечень наиболее часто встречающихся природных радионуклидов и радиоактивных элементов, образующихся в процессе работы атомного реактора, а также указаны некоторые методы защиты от радиоактивного излучения.

Таблица 23. 4

Перечень природных радионуклидов и радиоактивных отходов атомных реакторов

Название элемента	Характеристика элемента и меры предосторожности	Период полу- распада
Радон-222	Газ, испускающий α-частицы. Образуется в горных породах. Опасен при накоплении в подвалах, необходимо проветривание	3,8 суток
Ксенон-133	Газообразные изотопы. Образуются и распа- даются в процессе работы атомного реактора. В качестве защиты – изоляция	5 суток
Йод-131	Испускает β-частицы и γ-излучение. Образу- ется при работе атомного реактора. Вместе с зеленью усваивается животными и переходит в молоко. Накапливается в щитовидной желе- зе человека. В качестве защиты от облучения применяют «йодную диету», т.е. вводят в ра- цион человека стабильный йод	8 суток
Криптон-85	Тяжелый газ, испускающий β-частицы и γ-излучение. Входит в состав отработанного топливного элемента реактора. Выделяется при хранении. Защита – изолированное помещение.	10 лет
Стронций -	Металл, испускающий β-частицы. Основной продукт деления в радиоактивных отходах. Накапливается в костных тканях человека	29 лет
Цезий-137	Металл, испускающий β-частицы и γ-излучение. Накапливается в клетках мы- шечной ткани	30 лет
Радий-226	Тяжелый газ, испускающий α-частицы, β-частицы и γ-излучение. Защита – укрытия, убежища	1600 лет
Углерод-14	Испускает β-частицы. Естественный природ- ный изотоп углерода. Используется при опре- делении возраста материала	5500 лет
Плутоний-	Испускает α-частицы. Содержится в радиоак- тивных отходах. Защита – качественное захо- ронение радиоактивных отходов	лет
Калий-40	Испускает β-частицы и γ-излучение. Содер- жится во всех растениях и животных	1,3 млрд лет

Таким образом, радиоактивное излучение всех видов оказывает очень сильное биологическое воздействие на живые организмы, вызывая возбуждение и ионизацию атомов и молекул, входящих в состав живых клеток. Под действием ионизирующей радиации разрушаются сложные молекулы и клеточные структуры, что приводит к лучевому поражению организма. Поэтому при работе с любым источником радиации необходимо принимать всевозможные меры по радиационной защите людей, которые могут попасть в зону действия излучения.

Однако человек может подвергаться действию ионизирующей радиации и в бытовых условиях. Серьезную опасность для здоровья человека может представлять инертный, бесцветный, радиоактивный газ радон. Как видно из схемы, изображенной на рис. 8.3, радон () является продуктом α -распада радия () и имеет период полураспада T = 3,82 сут. Радий в небольших количествах содержится в почве, в камнях, в различных строительных конструкциях. Несмотря на сравнительно небольшое время жизни, концентрация радона непрерывно восполняется за счет новых распадов ядер радия, поэтому радон может накапливаться в закрытых помещениях. Попадая в легкие, радон испускает α -частицы и превращается в полоний который не является химически инертным веществом. Далее следует цепь радиоактивных превращений серии урана (рис. 23.3). По данным Американской комиссии радиационной безопасности и контроля, человек в среднем получает 55 % ионизирующей радиации за счет радона и только 11 % за счет использования радиоактивных препаратов в медицине. Вклад космических лучей составляет примерно 8 %. Общая доза облучения, которую получает человек за жизнь, во много раз меньше предельно допустимой дозы, которая устанавливается для людей некоторых профессий, подвергающихся дополнительному облучению ионизирующей радиацией.

Контрольные вопросы

1. Как и во сколько раз изменится число ядер радиоактивного вещества за время, равное трем периодам полураспада?

2. По какому закону изменяется со временем активность нуклида?

3. Как изменится положение химического элемента в таблице Менделеева после двух a-распадов ядер его атомов? после последовательных одного a-распада и двух b^- -распадов?

4. Как объясняется a -распад на основе представлений квантовой теории?

5.Как объясняется непрерывность энергетического спектра b -частиц?

6. Изменится ли химическая природа элемента при испускании его ядром g- кванта?

7. Какие явления сопровождают прохождение g -излучения через вещество?

8. В чем суть эффекта Мёссбауэра? Каковы его возможные применения?

9. Запишите схему e -захвата. Что сопровождает e -захват? В чем его отличие от b^± − распадов?

10. Чем объяснить выброс нейтрино (антинейтрино) при b^± - распадах?

Дата добавления: 2014-11-06