Чтобы говорить о механизме действия ионизирующего излучения на человека нужно разложить данное радиоактивное явление на составляющие, а точнее на радионуклиды из которых оно состоит (см. прил. 8).
Радионуклиды – изотопы элементов, которые испускают радиоактивное (ионизирующее) излучение, способное выбивать из атомов ионы и присоединять их к другим атомам с образованием пар положительных и отрицательных ионов.[2]
Ведущим радионуклидом фона, определяющим радиоактивность растений и животных, является 40K– серебристо-белый металл, его содержание в природной смеси изотопов (39-41K) составляет 0,0118 мас. %.
Калий является важным биологическим элементом, содержащимся в теле человека, вследствие употребления различных продуктов (см. прил. 9). В рационе питания человека содержание калия колеблется от 1,5 до 4,5 г/сут. Наибольшая концентрация калия наблюдается в бобовых культурах – до 370 Бк/г, наименьшая – в зерновых, до 70-75 Бк/г.
В организме человека калий накапливается по убыванию в эритроцитах, нервной ткани (головном мозге), мышцах, печени, легких и костях (см. прил. 10). Среднее содержание 40K в организме мужчин – 130 г. Средняя мощность поглощенной дозы калия составляет 170-190 мкГр (17-19 мрад/год). Данный радионуклид обуславливает внешнее облучение 150 мкЗв/год и внутренне облучение 180 мкЗв/год (вместе это 15% дозы облучения от естественного фона излучения). [14]
Вторым по распространенности в земной коре и почве является 239U (в смеси с незначительным количеством 234-235U) — серебристый металл. Фоновая удельная радиоактивность в среде составляет 0,33 мКи вещества.
Суточное поступление урана в организм человека колеблется от 1 до 10 мкг, достигая 300 мкг. Содержание урана в мягких тканях на территориях с нормальным радиационным фоном незначительно и составляет 0,33 – 0,99 фКи/г, а в костях – 0,7-8,9 фКи/г. [13]
Наиболее весомым из всех естественных источников радиации является невидимый, не имеющий запаха и вкуса газ радон. 222Rn (радон) и 220Тп (торон), которые являются продуктами распада 238U (уран) и 232Th (торий). Они составляют от 50% до 75% годовой индивидуальной эффективной дозы облучения. Период полураспада радона равен 3,8 суток.
При дыхании в легкие за одну минуту попадают миллионы радиоактивных атомов 222Rn, доза, получаемая от них, равна ¾ годовой индивидуальной эффективной эквивалентной дозы облучения, получаемой населением от земных источников радиации. Эти газы вследствие высокой удельной массы «стекают» по поверхности материалов, накапливаясь в ложбинах, погребах, подвалах, ванных комнатах, первых этажах домов.
Большую опасность представляет попадание в легкие паров воды с высокой концентрацией радона. Данные пары в основном попадают в организм человека в ванной комнате, там, как показали исследования ученых, концентрация радона в 3 раза выше, чем на кухне и в 40 раз выше, чем в жилых комнатах. [8]
Из строительных материалов наиболее богаты радоном и торием фосфогипс, красный кирпич из отходов глинозема или бокситов, гранит, пемза, доменный шлак, летучая зола. Концентрация радона в бетоне и деревянных конструкциях значительно ниже (см. прил. 11).
Значительное количество радона поступает в организм человека при употреблении некипяченой воды, т.к. при термической обработке радон в значительной мере улетучивается.
К значительному повышению концентрации радона внутри помещения могут приводить: обогрев помещения различными отопительными приборами, недостаточно частое проветривание помещения и т.п. Например, в зимнее время концентрация радона в доме в 8 раз выше, чем на улице
Радон избирательно накапливается в органах и тканях, особенно в гипофизе и коре надпочечников – железах внутренней секреции, определяющих гормональную активность организма и регулирующих деятельность вегетативной нервной системы. 222Rn также концентрируется в сердце, печени и других, жизненно важных органах. Газы являются мощными α-излучателями (до 5 МэВ), формирующими лучевые нагрузки на эпителий слизистых носоглотки, трахеи, бронхов, альвеол.
Радон вызывает функциональные нарушения: затруднение дыхания, мигрень, головокружение, тошнота, депрессивное состояние, раннее старение и т.д. Растворяясь в крови и лимфе, радон и продукты его распада переносятся по всему телу и приводят к внутреннему массированному облучению. [4]
Йод (129-134I) неметалл черного с блеском цвета. 129I представляет большой интерес вследствие большого периода полураспада – 1,6*107 лет. Изотопы 132-134I имеют периоды полураспада от 53 минут до 21 часа. Наибольшее внимание уделяется изотопу 131I (его период полураспада около 8 суток), его выбросы составляют 1,4 – 40 ТБк/ГВт*год-1.
Радионуклид биологически активен, является обязательным микроэлементом, необходимым для синтеза гормонов щитовидной железы. Необходимое поступление с пищей 0,1-0,2 мг. При низких дозах 131I нарушаются функции щитовидной железы, а при высоких – образуются злокачественные опухоли. [8]
90Sr (стронций) — серебристый металл, который образуется в результате ядерных испытаний. Естественное содержание стабильного изотопа в костных тканях достигает 3,7*10-2%, в мышечных тканях – 7,6*10-4%.
Радиоизотоп поступает в организм через желудочно-кишечный тракт, легкие, кожные покровы, накапливается в скелете и мягких тканях. Его поступление колеблется от 5 до 30 %, при большем проникновении в детский организм. Выводится крайне плохо, что ведет к постоянному накоплению дозы при хроническом поступлении в организм. Накапливаемые дозы колеблются до 0,2*10-6 мкКи/г в костях при дозах порядка 4,5*10-2 мЗв/год.
Стронций вызывает патологические явления в крови, ведет к внутренним кровоизлияниям, деструкции костного мозга. Опухоли и лейкозы могут даже передаваться последующим поколениям. [12]
Наибольшее радиационно-экологическое значение имеет цезий (137Cs) – блестящий золотистый мягкий металл, бурно взаимодействующий, взрываясь, с кислородом и водой. Суммарный выброс этого радионуклида от АЭС составляет 22,2*1019 Бк (6,0*109 Ки). Он образуется при делении ядер урана и плутония в ядерных реакторах и используется как у-излучатель в медицине, металлургии и сельском хозяйстве.
Изотопы цезия при любом поступлении в организм полностью включаются в метаболизм и ведут к формированию больших мембранных лучевых нагрузок. Их содержание в организме человека составляет 0,4-0,5 Бк/кг.
Близки по физическим характеристикам радионуклиды нептуний (212-235Np), америций (237-242Ам) и кюрий (238-250См) – белые серебристые металлы, являются α-, β-, у-излучателями при средней энергии α-излучения порядка 5 МэВ/Бк*с. Изотопы получают в ядерном реакторе как побочные продукты образования плутония. В организм из желудочно-кишечного тракта всасывается крайне плохо. Местом депонирования является скелет. При накоплении в организме наиболее вероятно повреждение красного костного мозга, печени и почек. [5]
Радионуклиды 3H (тритий) и 14C (углерод) образуются в верхних слоях атмосферы под воздействием нейтронов космического происхождения. В организм человека они поступают с пищей, водой (99%) и воздухом (1%). Средняя удельная активность их органических структур – 230 Бк/кг. Оба эти радионуклиды – мягкие β-излучатели. 14C образуется в реакторных установках. Выбросы его относительно невелики – 220-1100 ТБк/ГВт год-1, однако период его полураспада равен 5730 годам, вследствие этого он очень опасен и др. [8]
На процесс поглощения и накопления радионуклидов живыми организмами оказывают влияние такие факторы как:
Природа радиоактивных элементов; наибольшее значение имеют изотопы с длинным периодом полураспада и способные к депонированию в тканях;
Высокая специфичность коэффициента концентрации, который представляет собой отношение количества элемента в организме к его количеству в окружающей среде;
Содержание в окружающей среде элементов-антагонистов. В пищевых цепях радионуклиды способны вступать в конкурентные отношения с другими химическими элементами. Чем меньше содержание соответствующих элементов в окружающей среде, тем большее значение приобретают изотопы;
Вид и возраст организмов. Человек более чувствителен к у-излучению. Детский организм обладает большей чувствительностью к действию ионизирующего излучения. [6]
Облучение человека может происходить как извне, так и изнутри организма. При внешнем облучении α- и β-частицы из-за малой проникающей способности вызывают в основном поражения кожи, у-излучение может вызывать гибель организма.
Внутренне облучение, вызванное источниками, находящихся в организме человека (радионуклиды, проникнувшие с воздухом, водой или пищей) значительно опаснее, чем внешние, при одинаковых концентрациях радионуклидов, в результате того что:
Время облучения увеличивается и совпадает со временем пребывания радиоактивного вещества в организме, например, такие вещества, как 226Ra или 239Ри из организма практически не выводятся, и облучение длится всю жизнь;
Доза облучения резко возрастает из-за бесконечно малого расстояния до ионизирующей ткани;
Отсутствует защитное действие кожного покрова, даже α-частицы становятся наиболее опасными;
Нельзя использовать методы защиты, разработанные для внешнего облучения. [1]
Особенности биологического действия радиации заключается в том, что у человека отсутствуют специальные анализаторы для восприятия излучения и оно связано с формой передачи энергии клеткам.
В механизме биологического действия ионизирующего излучения условно можно выделить 2 этапа развития реакций:
Первичное (непосредственное) действие излучения на биохимические процессы, функции и структуры органов и тканей;
Опосредованное действие, когда под влиянием радиации наблюдаются нейрогенные и гуморальные сдвиги. [4]
В медицине и радиобиологии риск для здоровья разделяется на два эффекта излучения: детерминированные и стохастические.
Эффекты излучения детерминированные – клинически выявляемые вредные биологические эффекты, вызванные ионизирующим излучением, в отношении которых предполагается существование порога, ниже которого эффект отсутствует, а выше – тяжесть эффекта зависит от дозы (не менее 0,25 Гр).[1]
Например, при местном облучении дозой 5-10 Гр возникает лишь покраснение кожи, а с увеличением дозы может развиться поверхностная, затем глубокая язва, вплоть до поражения кости. Так, при дозе более 10 Гр возникает острая лучевая болезнь, которая, в зависимости от дозы, может быть разной (I-IV) степени тяжести.
Стохастические соматические эффекты – эффекты, для которых от дозы зависит только вероятность возникновения, а не тяжесть и отсутствует порог воздействия ионизирующего излучения. В результате того, что данные эффекты имеют вероятностный характер и длительный скрытый период, измеряемый десятками лет после облучения, их сложно обнаружить сразу. Однако известно, что наиболее серьезным последствием облучения организма человека является рак, который может диагностироваться лишь спустя 10-20 лет после облучения.[1]
Ионизирующая радиация вызывает образование в тканях организма целого комплекса токсических продуктов, усиливающих лучевой эффект – радиотоксинов. Среди них наибольшей активностью обладают продукты окисления липидов – пероксиды, эпоксиды, альдегиды и кетоны, которые в свою очередь стимулируют образование других биологически активных веществ – хинонов, холина, гистамина – и вызывают усиленный распад белков.
Наиболее подверженной ионизирующему излучению частью человеческого организма является хрусталик глаза. При дозах в 2 Гр клетки хрусталика гибнут, образуется катаракта, которая в последствие может привести к полной потере зрения. [8]
Высокую чувствительность к радиации также проявляют семенники. Их однократное облучение дозой в 1 Гр приводит к временной стерилизации, а свыше 2-х доз могут привести к постоянной стерилизации мужчины. Напротив, высокой радиоустойчивостью обладает паренхиматозные органы: печень, надпочечники, почки, слюнные железы и легкие.
Относительно небольшие дозы при облучении хрящевой ткани могут замедлить или даже остановить рост костей. Ионизирующее излучение влияет и на развитие эмбриона и плода, проявляющееся во внутриутробной гибели или формировании патологий: от гетерохромии (неправильной окраски радужной оболочки глаз) до микроцифалии и умственной отсталости. Риск этой патологии равен примерно 10-3 рад.
Эффект ионизирующего облучения людей – генетические последствия радиации, связанные с образованием генных мутаций или хромосомных аббераций.[7] Они могут стать причиной самопроизвольных выкидышей и врожденных пороков, вызывающих умственные и физические дефекты. Согласно оценкам, доза в 1 Гр, полученная организмом в течение всей жизни, обуславливает появление от 1000 до 2000 генных мутаций, приводящих к серьезным последствиям, и от 30 до 1000 хромосомных нарушений на миллион новорожденных (см. прил. 12).
При внешнем воздействии ионизирующего излучения на человека возможно появление следующих эффектов:
Рак щитовидной железы – редкое онкологическое заболевание, в основном встречающееся у детей. Основной причиной заболевания считается воздействие радионуклидов йода.
Радиационно-индуцированные лейкозы – наиболее ранние виды злокачественных новообразований, проявляющиеся уже в первые 2-3 года после облучения, а максимальная частота их регистрируется через 4-6 лет.
При равномерном облучении в дозах 1-10 Гр развивается острая лучевая болезнь с преимущественным поражением костного мозга. При благоприятной ситуации болезнь излечивается полностью. При неполном восстановлении функции кроветворения возможен переход болезни в хроническую форму. [13]
При облучении в сверхсмертельных дозах – 10Гр и более – смерть наступает на седьмые – десятые сутки. В этот период характерны интенсивная рвота, тенезмы в день облучения, в дальнейшем – кровавый понос, повышение температуры тела, явления сепсиса, типичные для лучевого поражения изменения крови.
При дозах еще более высоких (20-80 Гр) смерть наступает на четвертые – седьмые сутки. В этот период характерны тяжелые гемодинамические нарушения, распад тканей и общая интоксикация. При дозах свыше 80 Гр смертельный исход может произойти даже в ходе самого облучения или через несколько минут (или часов) после воздействия – так называемая «смерть под лучом». Причина – гибель клеток головного мозга и нейронов ядер гипоталамуса.