Ekosvit

У живій клітині радіація викликає іонізацію, зміщення і збудження атомів  біомолекул і радіоліз молекул води, що ініціює різні фізичні, фізико-хімічні і хімічні процеси. Починається складний ланцюг клітинних процесів, які приводять до виникнення радіобіологічних ефектів. Залежно від величин поглиненої дози спричинені зміни можуть бути зворотніми та незворотніми. Зазначені ефекти (радіаційні пошкодження) являють собою загибель клітин, інактивацію, послаблення активності окремих біологічних систем, нащадкові зміни, гальмування чи гіпертрофію ростових та формоутворюючих функцій. Негативним наслідкам опромінення протистоять відновлювальні реакції організму, які охоплюють молекулярні, клітинні та тканинні рівні. В поєднанні процесів розвитку променевого ураження і відновлювальних реакцій формується складна відповідь - реакція живого організму на променеве ураження.
Внаслідок прямої дії радіації (влучання кванта або прискореної частинки) в біополімерних молекулах клітин виникають первинні радіаційні пошкодження. Для молекул води це радіоліз. Продукти цих пошкоджень мають високу хімічну активність і вступають в подальшу взаємодію з елементами структури клітин, що приводить до значно більших пошкоджень -  такий тип взаємодії називають непрямою дією випромінювання.
При наявності кисню (який постійно доставляється у клітину з кров’ю), крім продуктів радіолізу води (Н+ і ОН-), утворюються дуже сильні окисники – вільний радикал НО2 та перекис водню Н2О2, які активно реагують з молекулами білка, ферментів та інших структурних елементів біологічної тканини, що порушує біохімічні процеси в організмі. Внаслідок цього змінюються процеси обміну, пригнічується активність ферментних систем, сповільнюється і припиняється ріст тканин, виникають нові хімічні сполуки, даному організму невластиві, тобто – токсини.
Індуковані вільними радикалами хімічні реакції розвиваються з великим виходом і втягують у цей процес багато сотень і тисяч молекул, не зачеплених опроміненням. У цьому механізмі примноження первинних пошкоджень і полягає специфіка дії іонізуючого випромінювання на біологічні об’єкти. Сумарний ефект зумовлений не стільки кількістю поглиненої об’єктом енергії, скільки формою – дуже локальною і концентрованою, в якій ця енергія передається. Будь-який інший вид енергії (теплової, електричної та ін.), поглиненої біологічним об’єктом у тій же кількості, не спричинює таких змін, як іонізуюче опромінення. Так, наприклад, при отриманні організмом тварини середньої радіочутливості смертельної дози іонізуючого випромінювання порядку 10 Грей, що відповідає поглиненій енергії 10 Дж/кг, то, якщо таку ж енергію у вигляді тепла підвести до біологічної тканини, вона б нагріла 1 г цієї тканини всього на 0,02°С.
Біологічний ефект залежить не тільки від поглиненої дози, але і від типу іонізуючих частинок, а саме від їхньої довжини пробігу. Чим пробіг менше, тим більше локалізація поглинання енергії і тим більше біологічні ефекти. Утворені іони і збуджені молекули в початкові миттєвості опромінення зосереджені в невеличкому об’ємі речовини, якій оточує траєкторію іонізуючої частинки. Цей об’єм називають треком. Радіус трека залежить від виду випромінювання і природи опромінюваної речовини. Наприклад, у водних розчинах для електронів з енергією до 100 кеВ трек має радіус близько 2 нм.

Основною радіаційною характеристикою, яка визначає вплив іонізуючого випромінювання на живі організми, є кількість енергії ε, яку випромінювання передає одиниці маси речовині (тканини) m. Ця характеристика називається поглиненою дозою D:

D = ε/m, (1)

Одиницею  поглиненої дози випромінювання в системі СІ є 1 грей (Гр) – доза, при якій опроміненій речовині масою 1 кг передається енергія 1Дж. Дозу, віднесену до одиниці часу t, називають потужністю дози Р:
Р = D/t, (2)

Потужність дози випромінювання вимірюється в греях за секунду (Гр/с). Позасистемна одиниця дози випромінювання – рад (абревіатура від англ. “radiation absorbed dose”): 1 рад = 0,01 Гр = 100 ерг/г, потужність дози вимірюється в рад/с.
Умови опромінення визначаються експозиційною дозою Dе.- це доза, поглинена у повітрі (у тому місці, де розміщується об’єкт, якій опромінюється). Історично експозиційна доза вимірювалась у рентгенах (Р). Доза 1Р відповідає утворенню 2,08х109 пар іонів (сумарний заряд яких дорівнює одиниці електричного заряду в системі СГСЕ) в 1 см3 повітря при 0°С та тиску 760 мм рт. ст. Енергетичним еквівалентом 1 рентгена є 88х10-4 Дж/кг. Одиницею потужності (рівня радіації) експозиційної дози в СІ є 1 А/кг, а позасистемною – Р/с.
Корисно запам’ятати зручне для практики правило: доза в 1Р накопичується за 1 годину на відстані 1 м від джерела радію масою 1 г, тобто активністю приблизно в 1Кі.
Наступною важливою радіаційною характеристикою, яка обумовлена локальністю поглинання енергії випромінювання і пов’язана з лінійною передачею енергії ЛПЕ, є відносна біологічна ефективність (ВБЕ). Ця величина залежить від типу і енергії випромінювання. Для рентгенівського випромінювання з енергією 250 кеВ (зразкове опромінення) біологічна ефективність прийнята за одиницю. Для інших видів випромінювання в залежності від енергії ВБЕ тим більша, чим більша їхня ЛПЕ - протони, нейтрони, альфа-частинки, іони важких ядер спричиняють такий же біологічний ефект, як рентгенівське випромінювання з енергією 250 кеВ при значно менших дозах – у 5, 10, 20 і більше разів, тобто їх ВБЕ дорівнює D0/Dx, де Dx – доза даного виду випромінювання, що викликає такий же біологічний ефект, як доза D0 зразкового випромінювання.

Таблиця 1. Відносна біологічна ефективність різних видів випромінювання
Види випромінювання    Відносна біологічна ефективність
Рентгенівські та гама-промені до 3 МеВ    1
Бета-промені до 3 МеВ    1
Альфа-промені    20
Протони та дейтрони (0,5-10МеВ)    10
Повільні нейтрони    3
Швидкі нейтрони (до 20 МеВ)    10
Важкі прискорені іони    20

Для розрахунків ефективної і еквівалентної доз використовують радіаційний зважуючий фактор WR (стара назва – коефіцієнт якості випромінювання К), який показує, у скільки разів радіаційна небезпека при хронічному опромінюванні людини (при порівняно малих поглинених дозах D) для даного виду випромінювання вища, ніж при зразковому випромінюванні при однаковій поглиненій дозі. Значення WR встановлюють на підставі експериментальних даних. У Таблиці 2 наведені деякі значення WR відповідно до норм радіаційної безпеки України.
ВБЕ випромінювання враховується шляхом введення поняття еквівалентної дози в органі або тканині (H), яка визначається як добуток поглиненої дози D на радіаційний зважуючий фактор WR:

H = WR D (3)
Одиниця еквівалентної дози в СI – зiверт (Зв). 1 Зв = 1 Дж/кг = 100 бeр (бер -  біологічний еквівалент рентгена, позасистемна одиниця).

Таблиця 2. Значення радіаційних зважуючих факторів Wr
Види випромінювання    Wr
Фотони, всі енергії    1
Електрони і мюони, всі енергії    1
Протони з енергією >2 MeB    5
Нейтрони з енергією<10 кеВ    5
Нейтрони з енергією 10-100 кеВ    10
Нейтрони з енергією100 кеВ до 2 МеВ    20
Нейтрони з енергією 2-20 МеВ    10
Нейтрони з енергією >20 MeB    5
Альфа-опромінення, важкі ядра віддачі    20

Чутливість до опромінення різних тканин та органів тіла різна. Так, при однакових еквівалентних дозах опромінення виникнення раку легенів ймовірніше, ніж раку щитовидної залози, а опромінювання статевих органів більш небезпечне з точки зору ризику генетичних ушкоджень. Коефіцієнт, який характеризує відносний випадковий ризик опромінення окремої тканини, називається тканинним зважуючим фактором   (стара назва – коефіцієнт ризику).

Таблиця 3. Значення тканинних зважуючих факторів  (використовується тільки для розрахунку ефективної дози)
Тканина або орган

Гонади (статеві залози)    0,20
Кістковий мозок (червоний)    0,12
Товста кишка    0,12
Легені    0,12
Шлунок    0,12
Сечовий міхур    0,05
Молочна залоза    0,05
Печінка    0,05
Щитовидна залоза    0,05
Шкіра    0,01
Поверхня кістки    0,01
Інші органи    0,05

Помноживши еквівалентну дозу випромінювання на відповідні тканинні зважуючі фактори   для різних органів та обчисливши підсумок стосовно всіх органів, дістанемо ефективну еквівалентну дозу опромінення Е, яка виражає підсумковий результат ефекту опромінення всього організму. Вона також вимірюється в зівертах.
Використання поняття ефективної дози допускається при значеннях еквівалентних доз, нижчих за поріг виникнення детерміністичних ефектів. Детерміністичними ефектами називають ефекти радіаційного впливу, які виявляються лише при перевищенні певного дозового порогу і тяжкість наслідків яких залежить від величини отриманої дози (гостра променева хвороба, променеві опіки,  ін.).
Ефективна еквівалентна доза вимірюється в тих же одиницях, що й еквівалентна доза (Зв), але менша за неї в   разів. В таблиці 3 наведені значення тканинних зважуючих факторів   для різних тканин (органів) людини при рівномірному опроміненні всього тіла.
Для визначення радіаційного впливу на групи людей (персонал, населення) застосовують поняття колективної дози, яка є сумою індивідуальних еквівалентних доз опромінення цих груп за певний інтервал часу. Одиниця вимірювання колективної дози – людино-зіверт (люд.-Зв). Аналогічно, колективна ефективна доза розраховується як сума індивідуальних ефективних доз опромінення груп людей за певний інтервал часу. Одиниця вимірювання колективної дози – людино-зіверт (люд.-Зв). Для врахування впливу радіонуклідів з дуже великим періодом напіврозпаду на кілька поколінь людей вводять поняття очікуваної колективної ефективної еквівалентної дози.
Джерела випромінювання поділяють на природні і штучні (техногенні). До природних джерел відносять космічні промені, сонячну радіацію і випромінювання радіоактивних елементів, що містяться в атмосфері, гідросфері і літосфері Землі. Радіоактивні елементи, які містяться в ґрунті, воді, повітрі, разом з космічним випромінюванням створюють природний радіоактивний фон, до якого за довгі роки еволюції адаптувались рослинні та тваринні організми Землі. Його компоненти дещо різні в різних районах Землі.
Найбільш значущими радіоактивними елементами, які присутні на наший планеті з моменту її виникнення і супроводжують людство на всіх етапах його розвитку, включаючи і сучасну епоху, є калій, уран, радій та торій. Через наявність цих елементів кожної хвилини в 1 кг речовини земної кори розпадається  в середньому 60 тис. ядер калію-40, 15 тис. ядер рубідію-87, 2400 ядер торію-232, 2200 ядер урану-238. Природний радіоактивний ізотоп калій-40 і дочірні продукти розпаду радію та торію є основними джерелами гама-випромінювання, яке створює іонізацію над поверхнею Землі. Залежно від типу порід такий іонізації відповідає доза від 50 до 130, в середньому – 90 мбер/рік. На Землі є райони, де через неглибоке залягання уранових та торієвих руд, а також вихід на поверхню радонових джерел, локальний радіаційний фон може перевищувати його середнє значення у 20-100 і навіть 1000 разів. Є такі райони і на Україні – Жовті Води, де є поклади уранових і торієвих руд, Хмельник та Миронівка, де на поверхню виходить насичена радоном вода. В цих районах природний радіаційний фон досягає 1-3 рад/рік, тобто перевищує середній рівень у 10-80 і більше разів.
Радон – продукт радіоактивного розпаду радію. Він завжди присутній у гірських породах, насамперед у гранітах, на які дуже багата Україна, центральна частина якої розташована на кристалічному щиті, що вміщує Кіровоградський ураново-рудний регіон. Радон – газ без кольору, смаку і запаху, хімічно інертний, але всі його ізотопи радіоактивні. За міжнародними нормами середня об’ємна активність радону прийнята на рівні 15 Бк/м3. В Україні ця величина в 2-3 рази більша. Радон є α-випромінювачем, вражаюча дія якого у 20 разів більша за дію γ-фону, що оточує людину. Особливо, якщо ізотопи радону потрапляють всередину організму. Його вклад в дозу внутрішнього опромінення складає 1000 мкЗв/рік, що дорівнює 45% від дози, обумовленої природним радіаційним фоном на Землі. З урахуванням зовнішнього опромінення, радон і його дочірні продукти розпаду відповідає за приблизно 75% річної індивідуальної ефективної еквівалентної дози опромінення населення від всіх земних джерел радіації. Радон у 7,5 разів важчий за повітря, тому він накопичується насамперед у підвалах та погребах, а також на перших поверхах будинків, куди він потрапляє, головним чином, з ґрунту чи з насиченої радоном води. Обстеження 24 тисяч будинків в радоно-небезпечних регіонах України (Херсонська, Одеська, Запорізька, Вінницька, Житомирська, Рівненська області) показало, що мешканці отримують від 2 до 20 мЗв за рік, а в окремих будівлях – до 50 мЗв за рік, тобто 210-350 бер за 70 років життя. В той же час за Нормами радіаційної безпеки України ті, хто проживає на території, забрудненій при Чорнобильській катастрофі, не повинні отримати за 70 років життя більше 42 бер.
Досить інтенсивний потік космічного випромінювання надходить на Землю безперервно і має у своєму складі протони (до 90%), α-частинки (близько 7%), ядра інших елементів аж до найважчих, а також невелику кількість електронів, позитронів і γ-квантів з енергією в межах 1-1012 ГеВ. Інтенсивність космічного випромінювання залежить від географічної широти місця і його висоти над рівнем моря. В середньому за рахунок космічних променів мешканці середніх широт отримають від 35 до 50 мрад/рік.  З кожним  кілометром  висоти над  рівнем  моря ця величина зростає приблизно на 80%.  За рахунок  радіоактивних  газів  та  аерозолів  атмосфери  мешканець Землі отримує ще 0,65 мрад/рік, за рахунок радіоактивності ґрунтів та гірських порід – 50-80, в середньому 70 мрад/рік. В більшості країн природний фон мало відрізняється від середньої величини 100 мрад/рік.
Питна вода і продукти харчування також містять природні радіонукліди. Споживаючи їх, ми опромінюємось із середини, що значно небезпечніше за зовнішнє опромінення, переважно тому, що джерела внутрішнього опромінення, що засвоєнні організмом, безпосередньо діють на незахищені тканини, органи та системи безперервно до моменту, доки вони не будуть виведені з організму внаслідок обміну речовин. Тривалий еволюційний шлях життя на Землі від найпростіших організмів до людини проходив в умовах постійно діючого природного радіаційного фону, який мільйони років тому був набагато вищим і до якого все живе на Землі адаптувалось.
На жаль, в наш час усе більшого значення набуває техногенний радіаційний фон, створений антропогенною діяльністю людини. Техногенним радіаційним фоном називають радіаційне забруднення довкілля, яке створюється технологічними процесами добування та переробки радіоактивних руд (копалин); застосування органічного палива, в основному, вугілля, яке містить домішки радіонуклідів; роботою підприємств ядерної енергетики, радіохімічної промисловості; випробуванням ядерної та термоядерної зброї, широким застосуванням рентгенівських променів і радіоізотопів у технологічних і медичних цілях тощо. Такі підприємства і виробництва в основному зосереджені у великих містах, тому їхні мешканці в середньому отримують річну дозу опромінення в півтора-два рази більше, ніж їхні співвітчизники, які проживають у сільській місцевості – головним чином через забруднення, створювані викидами теплових електростанцій, що застосовують багаті на радіонукліди сорти вугілля, а також через широке використання радіоактивних будівельних матеріалів (граніту, базальту, азбесту), промислових та медичних рентгенівських установок.
Найбільш небезпечним фактором техногенного радіоактивного забруднення є наслідки атмосферних випробувань ядерної зброї, які були проведені у 50-60 роках вже минулого сторіччя, а також радіаційних аварій на підприємствах  ядерної енергетики, найбільша з яких відбулася у 1986 р. на Чорнобильській АЕС.
Радіаційна екологія людини, як підгалузь радіаційної медицини, вивчає закономірності впливу іонізуючих випромінювань на організм людини з метою наукового обґрунтування еколого-гігієнічних  регламентів для населення і персоналу радіаційних об’єктів, додержання яких гарантує збереження здоров’я. Методологія досягнення зазначених цілей полягає в тому, щоб вивчити закономірності впливу радіації на біосферу, узагальнити їх, вивчити кількісні залежності між радіаційними характеристиками і кінцевими радіаційними ефектами для окремих організмів і популяцій різних біологічних видів і людей. Результати цих комплексних досліджень мають забезпечити необхідну достовірність прогнозування виникнення радіаційних ефектів у людини з метою їх запобігання чи зменшення.
Необхідність проведення цілеспрямованих радіоекологічних досліджень виникла після того, як були зафіксовані численні факти негативного впливу рентгенівських променів і випромінювань радіоактивних елементів на вчених, експериментаторів, які звичайно не мали інформації про небезпеку поводження з ними і не вдавалися ніяких запобіжних заходів.
Інформація про біологічну дію радіації поступово накопичувалась у процесі досліджень, розробки і використання радіаційних і ядерних технологій, що, на жаль, часто супроводжувалось нещасними випадками – погіршенням стану здоров’я з невідомими до того симптомами. Виникла необхідність спеціалізованої медичної допомоги постраждалим. Вивченням радіаційних ефектів, розробкою методів лікування спричинених ними хвороб займається радіологія, методами і засобами запобігання і зменшення впливу випромінювання на людину – радіаційна гігієна.
Радіологія і радіаційна гігієна спочатку розвивалися на основі випадкових експериментальних фактів як суто феноменологічні науки. Наукове обґрунтування методів і засобів діагностики в радіології і ефективності радіаційного захисту обумовило необхідність проведення спеціальних радіоекологічних досліджень, методологія яких базувалась  на методах моделювання зовнішнього і внутрішнього опромінення людей. Досліди на тваринах дали можливість виокремити такі види тварин, реакція яких на опромінення була найбільш схожа на реакцію організму людини. Для вивчення шляхів потрапляння радіонуклідів в організм людини з харчовими продуктами і питною водою, а також інгаляційним шляхом проводились відповідні модельні дослідження на штучно забруднених радіонуклідами сільськогосподарських ділянках, з використанням  піддослідних тварин. В цих експериментах вивчались закономірності переходу певних радіонуклідів (наприклад, цезію-137 і стронцію-90, які є основними дозоутворюючими елементами при віддалених наслідках радіаційних аварій)  з повітря і води спочатку до ґрунтів, далі – до рослин і організмів тварин,  в харчові продукти (харчові ланцюжки). Досліджувались також коефіцієнти засвоєння радіонуклідів в різних органах людини (шкіра, легені, м’язи, печінка, кістки, кістковий мозок тощо) і закономірності їх виведення з організму внаслідок обміну речовин.
На жаль, людству не вдалося уникнути тяжких радіаційних аварій, які призводили до значних радіаційних ушкоджень людей і забруднення територій. Крім того, використання атомної енергії почалося в воєнних цілях – з ядерних бомбардувань японських міст Хіросіми і Нагасакі у вересні 1945 р. Впродовж наступних 30 років відбувалась шалена гонка ядерних озброєнь між СРСР і США, проводились випробування ядерних, потім водневих бомб у повітрі, під водою (в океанах) і під землею (в пустелях). Коли вчені зрозуміли, яку глобальну загрозу несуть в собі наслідки ядерних випробувань, і довели це до свідомості державних діячів, ці випробування були заборонені міжнародними угодами спочатку у повітрі, а потім  - всюди. З іншого боку, наслідки ядерних бомбардувань, випробувань ядерної зброї на полігонах і великих радіаційних аварій на АЕС і підприємствах ядерно-паливного циклу дали суттєві і дуже важливі експериментальні дані  для натурних радіоекологічних досліджень.

Tags: інактивація, іонізація, атом, біомолекули, еквівалентний, енергія, клітина, окисники, поглинена доза, потужність, променеве ураження, радіація, радіобіологічний, радіоліз, токсини