Виды ионизирующих излучений

3.1. Виды воздействий ионизирующего  излучения

Определены следующие  типы воздействий ионизирующего  излучения на живые клетки:

– заряженные частицы (проникающие в ткани организма a- и b-частицы теряют энергию вследствие электрических взаимодействий с электронами тех атомов, близ которых они проходят (гамма-излучение и рентгеновские лучи передают свою энергию веществу несколькими способами, которые, в конечном счете, также приводят к электрическим взаимодействиям);

– электрические взаимодействия (за время порядка десяти триллионных секунды после того, как излучение достигнет соответствующего атома в ткани, от этого атома отрывается электрон. Происходит процесс ионизации. Оторвавшийся электрон может далее ионизировать другие атомы);

– физико-химические изменения (и свободный электрон, и ионизированный атом обычно не могут долго пребывать в таком состоянии и 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 следующих миллионных долей секунды, образовавшиеся свободные радикалы реагируют как друг с другом, так и с другими молекулами и через цепочку реакций, еще не изученных до конца, 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 чрез десятилетия после облучения и явиться причиной немедленной гибели клеток или таких изменений в них, которые могут привести к раку).

Ионизирующее излучение, воздействуя на живой организм, вызывает в нем цепочку обратимых изменений, которые приводят к тем или иным биологическим последствиям, зависящим от воздействия и условий облучения.

 

3.2. Этапы воздействия ионизирующего  излучения

Определены этапы воздействия  ионизирующего излучения на биологическое  вещество:

– физический (заключается в поглощении энергии ионизирующего излучения и приводит к ионизации и возбуждению атомов и молекул). Длительность данного этапа составляет доли секунды.

– физико-химический (на данном этапе возможно образование разрывов связей в молекулах, причем важное значение имеет наличие в облучаемой ткани воды и кислорода, которые определяют весь дальнейший ход развития радиационных повреждений).

– биологический (химически активные вещества взаимодействуют с различными биологическими структурами, в результате отмечается как разрушение, так и образование новых, не свойственных для облучаемого организма соединений).

3.3. Особенности действия ионизирующего  излучения

При изучении действия излучения  на организм были определены следующие  особенности:

– высокая эффективность поглощенной энергии. Малые количества  поглощенной энергии излучения могут вызывать глубокие биологические изменения в организме;

– наличие скрытого, или  инкубационного,  периода  проявления  действия ионизирующего излучения. Этот период часто называют периодом мнимого благополучия. Продолжительность его сокращается при облучении в больших дозах;

– действие от малых доз может суммироваться или накапливаться. Этот эффект называется кумуляцией;

– излучение воздействует не только на данный живой организм,  но  и на его потомство. Это так называемый генетический эффект;

– различные органы живого организма имеют свою  чувствительность  к облучению. При ежедневном воздействии дозы 0,002 - 0,005 Гр уже наступают изменения в крови.

– не каждый организм в целом одинаково реагирует на облучение.

– облучение зависит от частоты. Одноразовое облучение в большой дозе вызывает более глубокие последствия, чем фракционированное.

3.4. Действие ионизирующего излучения  на биологические объекты

При облучении биологических объектов и в соответствии с локализацией поглощенной энергии (в воде или в основном веществе) можно

говорить о прямом и косвенном действии ионизирующего излучения.

При прямом действии происходит передача энергии излучения непосредственно молекулам, на которые осуществляется данное воздействие. Это приводит их в возбужденное состояние, может произойти расщепление молекул и атомов, разрыв наименее прочных связей молекул, образование радикалов. Результатом прямого действия излучений могут быть ранние физиологические эффекты.

Косвенное действие излучений состоит в изменении молекул клеток и тканей, обусловленном продуктами радиолиза воды и растворенных в ней веществ, а не энергией излучения, поглощенной молекулами. Поскольку живой организм состоит на 65-70% из воды, она и поглощает значительную часть энергии ионизирующего излучения.

При взаимодействии ионизирующего  излучения с водой (радиолиз воды) происходит выбивание электронов из молекул воды с образованием так  называемых молекулярных ионов, несущих  положительный и отрицательный заряд. Схематически этот процесс можно представить следующим образом:

Н₂О – Н₂О⁺ + е^-1;

Н₂О + е^-1 – Н₂О^¯.

Считается, что основной эффект лучевого воздействия обусловлен радикалами Н и ОН и особенно НО₂ (гидропероксид), который обладает высокой окислительной способностью и образуется при облучении воды в присутствии кислорода (Н + О₂ – НО₂). Эта реакция указывает на роль кислорода в повреждающем действии ионизирующего излучения. Так называемый кислородный эффект при облучении проявляется в том, что при снижении концентрации кислорода в период облучения уменьшается эффект лучевого воздействия.

Свободные радикалы вступают в химические реакции с органическими веществами, что приводит к изменению биохимических  процессов в организме. В результате нарушается обмен веществ, подавляется активность ферментов, замедляется и прекращается рост тканей, может наступить гибель клеток. В конечном итоге нарушается жизнедеятельность организма в целом.

3.5. Специфика действия ионизирующего  излучения

Специфика действия ионизирующего излучения на биологические объекты заключается в том, что производимый им эффект обусловлен не  столько количеством поглощенной энергии в облучаемом объекте, сколько той  формой, в которой эта энергия передается. Никакой другой вид энергии (тепловой, электрической и др.), поглощенной биологическим объектом  в  том же количестве, не приводит к таким изменениям, какие  вызывает  ионизирующее излучение.

4. БИОЛОГИЧЕСКОЕ  ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

4.1. Внешнее и внутреннее облучение

Биологическая эффективность  действия ионизирующих излучений во многом зависит от того, где находится  источник облучения – вне организма  или внутри его. Если источник облучения  находится вне организма, то такое  облучение называется внешним, а внутри – внутренним.

Внешнее облучение создается гамма-содержащими  радионуклидами, а также нейтронным и рентгеновским излучениями. Поражающее действие такого облучения зависит от мощности дозы, продолжительности воздействия, расстояния от источника до объекта облучения и защитных мер. Помимо этого, к внешнему облучению относят облучение альфа- и бета-частицами. Внешнее облучение альфа- и бета-частицами  менее  опасно.  Они имеют небольшой пробег в ткани и не достигают кроветворных  и  других внутренних органов.

Внешнее облучение может быть равномерным и неравномерным. Установлено, что наиболее опасно для здоровья человека равномерное непрерывное облучение всего тела, даже небольшими дозами. Менее опасно местное облучение, а также если облучение было многократным малыми дозами и растянуто во времени. Степень поражения организма зависит от  размера  облучаемой  поверхности. С уменьшением облучаемой поверхности уменьшается и  биологический эффект. Так, при  облучении  фотонами  поглощенной  дозой  450  рад участки тела площадью 6 кв.см заметного поражения не наблюдалось, а при облучении такой же дозой всего тела было 50 % смертельных случаев.

При внутреннем облучении радионуклиды попадают в организм с продуктами питания (90%), питьевой водой (5-9%),  воздухом (1-5%), а также через поврежденную кожу. Внутреннее облучение будет продолжаться непрерывно до тех пор, пока радиоактивное вещество не распадется или же не будет выведено из организма. Чтобы оценить данный показатель используется понятие «период биологического полувыведения» радионуклида, который обозначает время, в течение которого количество данного радиоактивного вещества в органе или организме в целом уменьшится  в два раза. При данном способе облучения имеют значение следующие факторы:

– распределение радиоактивного вещества в организме;

– вид излучения (α,β,γ -излучатели);

– энергия излучения;

– период полураспада и период полувыведения радионуклида.

В организме радионуклиды находятся в желудочно-кишечном тракте, затем поступают в кровяное русло и в последующем накапливаются в отдельных органах и тканях в зависимости от типа радиоактивного изотопа. Относительно равномерно по всему телу распределяются: тритий, углерод, железо, полоний; в костях накапливаются: стронций, радий, плутоний, цирконий; в мышцах: цезий, рубидий; в щитовидной железе накапливаются: йод, технеций  и.т.д. Необходимо отметить, что скорость выведения различных радионуклидов из разных органов, тканей  неодинакова.

4.2. Радиочувствительность

Понятие радиочувствительность включает определенную реакцию биологических объектов, клеток, тканей органов и систем организма на облучение, которая проявляется  соответствующими последствиями. Существует определенная зависимость между уровнем развития организмов и их чувствительностью к ионизирующим излучениям. Например, одноклеточные организмы значительно устойчивее, чем многоклеточные к действию радиации. Высказаны предположения, что радиочувствительность клетки прямо пропорциональна количеству ДНК.

Чувствительность млекопитающих  к ионизирующему излучению зависит от физиологического состояния организма, условий его существования, индивидуальных особенностей. Более чувствительны к облучению новорожденные млекопитающие и старые животные. Первые за счет повышенной митотической активности клеток (особенно чувствителен к облучению эмбрион животных и человека), последние – за счет ухудшения способности клеток и тканей организма к восстановлению в силу возрастных особенностей. Значительно повышает радиочувствительность млекопитающих состояние беременности. Облучение в этот период вызывает различные уродства, аномалии развития и внутриутробную гибель. Когда облучение происходит в эмбриональный период, то развиваются аномалии органов и происходит гибель зародышей в 70-80% случаев. Плодный период характеризуется более низкой радиочувствительностью, однако увеличивается процент смертности после рождения. У плода, облученного в этот период, может развиться острая лучевая болезнь, в результате чего у новорожденного замедляется рост, развитие, отмечаются анемия, лейкопения, кровоизлияния и другие патологические состояния. Одной из причин гибели плодов и новорожденных является нарушение системы кроветворения.

По степени радиочувствительности  к ионизирующему излучению различных  клеток, тканей, органов и систем организма человека их можно расположить  в следующем порядке:

– красный костный мозг, лимфоидная ткань.

– половые железы;

– слизистые оболочки;

– кожа;

– легкие;

– пищеварительные железы;

– щитовидная железа;

– соединительная ткань;

– мышечная ткань;

– хрящевая и костная ткань;

– нервная ткань.

К самому высокорадиочувствительному органу можно отнести красный костный мозг, который при общем облучении поражается в первую очередь. Установлено, что красный костный мозг обладает достаточно большой способностью к восстановлению, которая при среднелетальных дозах наступает через 4-7 суток после облучения, и к концу четвертой недели структура костного мозга и картина крови становятся близкой к нормальной. При летальных дозах облучения нормальное содержание клеток не восстанавливается.

Радиационное воздействие  на лимфатическую ткань приводит к раннему разрушению лимфобластов и лимфоцитов в самой ткани и лимфоцитов в периферической крови. Характерной реакцией организма на лучевое воздействие является изменение количества лейкоцитов: в первые минуты и часы после облучения наблюдается незначительное их уменьшение; через 6-8 часов – увеличение на 10-15% от исходного уровня, а через 24 часа  наблюдается резкое снижение до исходного уровня. Наиболее чувствительными к радиационному воздействию  клетками крови млекопитающих являются лимфоциты, и при облучении дозой 0,6 Гр отмечается уменьшение их содержания.

Репродуктивные  органы обладают  повышенной чувствительностью к облучению. Однократное облучение семенников в дозе 0,1 Гр приводит к временной стерильности, а при облучении в дозах свыше  2 Гр может возникнуть постоянная стерильность. Воздействие однократного облучения в  дозе 1-2 Гр на оба яичника вызывает временное бесплодие и прекращение менструального цикла на 1-3 года, а при облучении в дозе свыше 3 Гр развивается стойкое  бесплодие.

Среди органов зрения наибольшей чувствительностью к лучевому воздействию обладает хрусталик. Помутневшие участки могут образоваться  уже при дозах облучения 2 Гр. При увеличении дозы облучения до 5 Гр и выше  возникает прогрессирующая лучевая катаракта.

Органы дыхания и, в частности, легкие  достаточно уязвимы к радиационному воздействию. При их однократном облучении гамма-лучами ЛД50 для человека составляет 8-10  Гр. Попадание твердых частиц в дыхательные органы зависит от  степени дисперсности частиц. Из проводившихся над животными опытов установлено, что частицы пыли размером менее 0,1 мкм ведут себя так же, как и молекулы газа, т.е. при вдохе они попадают вместе с воздухом  в легкие,  а при выдохе вместе с воздухом  удаляются.  В легких  может оставаться только самая незначительная часть твердых частиц. Крупные частицы размером более 5 мкм почти все задерживаются носовой полостью.