< Предыдущая		Оглавление		Следующая >

4.4. Воздействие на человека ионизирующих излучений и других опасных факторов

Воздействие ионизирующих излучений

Биологическое действие радиации на живой организм начинается на клеточном уровне. Это комплекс взаимосвязанных и взаимообусловленных изменений, протекающих на молекулярном, надмолекулярным, биоструктурном, физиологическом и генетическом уровнях живой клетки и целого организма.

Развитие биологического действия радиации, по А.М. Кузину, развивается в три стадии (табл. 4.6.).

Первая стадия - физическая. Она протекает в течение 10^-12 - 10^-9с. На этой стадии происходит ионизация и возбуждение как низкомолекулярных, так и высокомолекулярных соединений субстракта клетки. Установлено, что при поглощенной дозе 10 Гр (доза, вызывающая 100% гибель организма человека) в клетке образуется порядка 10⁶-10⁷ ионизированных и возбужденных молекул. Примерно 30% этих актов ионизации и возбуждения приходится на органические вещества клетки. На эти процессы расходуется около 80% поглощенной энергии излучения. При ионизации и возбуждении образуются ионы и свободные радикалы в результате диссоциации молекул воды, неорганических и органических соединений.

Таблица 4.6

Основные стадии и этапы лучевого поражения во времени

Стадия	Продолжительность протекания процессов	Последствия облучения организма
Физическая	10-12 с	Физическое взаимодействие Поглощение энергии Ионизация и возбуждение молекул
Химическая	10-4 с	Первичные радиационно-химические реакции Образование радикалов
10-3 с	Изменение молекул Нарушение биохимии клеток Поражение клеток
Биологическая	Секунды-минуты	Нарушение структур клеток, обеспечивающих функции наследственности
Минуты-часы	Нарушение функции появления клеток Морфология клеток с измененными веществами Поражение целостного организма
Минуты-месяцы	Нарушение функции морфологии - гибель организмов и систематические изменения в органах и системах
Вся жизнь индивидуума	Отдаленные соматические эффекты (понижение сопротивляемости, сокращение продолжительности жизни, развитие рака и лейкоза, дистрофические изменения тканей)
Неопределенно долгое время	Генетические последствия облучения

Вторая стадия - химическая. Она протекает в течение 10^-9- 10^-3 с. На этой стадии происходят реакции взаимодействия первичных продуктов радиолиза с неразрушенными молекулами, включая макромолекулы различных биоструктур. Образуются, в частности, органические перекиси и протекают реакции окисления, приводящие к появлению множества новых химических соединений, в том числе токсического действия - радиотоксины.

Третья стадия - биологическая. Она протекает от 10^-3 с и до момента гибели организма (годы). На этой стадии радиационно-химические превращения в биосубстракте клетки ведут к нарушениям в биологической организации клетки и в последующем к изменению всех биологических процессов, происходящих на уровне клетки и целого организма.

Клетка животного состоит из клеточной оболочки, окружающей студенистую массу - цитоплазму, в которой заключено более плотное ядро. Цитоплазма состоит из органических соединений белкового характера, образующих пространственную решетку, ячейки которой заполняют вода, растворенные в ней соли и относительно малые молекулы липидов - веществ, по свойствам подобным жирам. Ядро считается наиболее чувствительной жизненно важной частью клетки, а основными его структурными элементами являются хромосомы. В основе строения хромосом находится молекула дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), в которой заключена наследственная информация организма. Отдельные участки ДНК, ответственные за формирование определенного элементарного признака, называются генами или "кирпичиками наследственности". Гены расположены в хромосомах в строго определенном порядке и каждому организму соответствует определенный набор хромосом в каждой клетке. У человека каждая клетка содержит 23 пары хромосом. При делении клетки (митозе) хромосомы удваиваются и в определенном порядке располагаются в дочерних клетках.

Ионизирующее излучение вызывает поломку хромосом (хромосомные аберрации), за которыми происходит соединение разорванных концов в новые сочетания. Это приводит к изменению генного аппарата и образованию дочерних клеток, неодинаковых с исходными. Если стойкие хромосомные аберрации происходят в половых клетках, то это ведет к мутациям, т.е. появлению у облученных особей потомства с другими признаками. Мутации полезны тогда, когда они приводят к повышению жизнестойкости организма, и вредны, когда они проявляются в виде различных врожденных пороков. Практика показывает, что при действии ионизирующих излучений вероятность возникновения полезных мутаций мала.

Однако необходимо отметить, что обнаружены непрерывно действующие в любой клетке процессы исправления химических повреждений в молекулах ДНК. Оказалось также, что ДНК достаточно устойчива по отношению к разрывам, вызываемым радиацией. Необходимо произвести семь разрушений структуры ДНК, чтобы она уже не могла восстановиться, т.е. только в этом случае происходит мутация. При меньшем числе разрывов ДНК восстанавливается в прежнем виде. Это указывает на высокую прочность генов по отношению к внешним воздействиям, в том числе и ионизирующим излучениям.

Разрушение жизненно важных для организма молекул возможно не только при прямом их разрушении ионизирующим излучением (теория мишени), но и при косвенном действии, когда сама молекула не поглощает непосредственно энергию излучения, а получает ее от другой молекулы (растворителя), которая первоначально поглотила эту энергию. В этом случае радиационный эффект обусловлен вторичным влиянием продуктов радиолиза (разложения) растворителя на молекулы ДНК. Этот механизм объясняет теория радикалов. Повторяющиеся прямые попадания ионизирующих частиц в молекулу ДНК, особенно в ее чувствительные участки - гены, могут вызвать ее распад. Однако вероятность таких попаданий меньше, чем попаданий в молекулы воды, которая служит основным растворителем в клетке. Поэтому радиол из воды (т.е. ее распад при действии радиации на водородный и гидроксильный радикалы с последующим образованием молекулярного водорода и перекиси водорода) имеет первостепенное значение в радиобиологических процессах. Наличие в системе кислорода усиливает эти процессы. На основании теории радикалов главную роль в развитии биологических изменений играют ионы и радикалы, которые образуются в воде вдоль траектории движения ионизирующих частиц.

Высокая способность радикалов вступать в химические реакции обусловливает процессы их взаимодействия с биологически важными молекулами, находящимися в непосредственной близи от них. В таких реакциях разрушаются структуры биологических веществ, а это, в свою очередь, приводит к изменениям биологических процессов, включая процессы образования новых клеток.

Когда мутация возникает в клетке, то она распространяется на все клетки нового организма, которые образовались путем деления. Помимо генетических эффектов, которые могут сказываться на последующих поколениях (врожденные уродства), наблюдаются и так называемые соматические (телесные) эффекты, которые опасны не только для самого данного организма (соматическая мутация), но и его потомства. Соматическая мутация распространяется только на определенный круг клеток, образовавшихся путем обычного деления из первичной клетки, претерпевшей мутацию.

Соматические повреждения организма ионизирующим излучением являются результатом воздействия излучения на большой комплекс - "коллективы" клеток, образующих определенные ткани или органы. Радиация тормозит или даже полностью останавливает процесс деления клеток, в котором собственно и проявляется их жизнь, а достаточно сильное излучение в конце концов убивает клетки. Разрушительное действие излучения особенно заметно проявляется в молодых тканях. Это обстоятельство используется, в частности, для защиты организма от злокачественных (например, раковых опухолей) новообразований, которые разрушаются под воздействием ионизирующих излучений значительно быстрее доброкачественных клеток.

К соматическим эффектам относят локальное повреждение кожи (лучевой ожог), катаракту глаз (помутнение хрусталика), повреждение половых органов (кратковременная или постоянная стерилизация) и др.

В отличие от соматических, генетические эффекты действия радиации обнаружить трудно, так как они действуют на малое число клеток и имеют длительный скрытый период, измеряемый десятками лет после облучения. Такая опасность существует даже при очень слабом облучении, которое хотя и не разрушает клетки, но способно вызвать мутации хромосом и изменить наследственные свойства. Большинство подобных мутаций проявляется только в том случае, когда зародыш получает от обоих родителей хромосомы, поврежденные одинаковым образом.

Результаты мутаций, в том числе и смертность от наследственных эффектов, так называемая генетическая смерть, наблюдались задолго до того, как люди начали строить ядерные реакторы и применять ядерное оружие. Мутации могут быть вызваны космическими лучами, а также естественным радиационным фоном Земли, на долю которого, по оценкам специалистов, приходится 1% мутаций человека.

Установлено, что не существует минимального уровня радиации, ниже которого мутации не происходит. Общее количество мутаций, вызванных ионизирующим излучением, пропорционально численности населения и средней дозе облучения. Проявление генетических эффектов мало зависит от мощности дозы, а определяется суммарной накопленной дозой независимо от того, получена она за 1 сутки или 50 лет.

В отличие от генетических эффектов, которые вызываются малыми дозами радиации, соматические эффекты всегда начинаются с определенной пороговой дозы: при меньших дозах повреждения организма не происходит. Другое отличие соматических повреждений от генетических заключается в том, что организм способен со временем преодолевать последствия облучения, тогда как клеточные повреждения необратимы. В табл. 4.7. показаны биологические эффекты воздействия ионизирующих излучений на организм человека.

Таблица 4.7

Радиационное воздействие и соответствующие биологические эффекты

Доза, Зв	Мощность дозы или продолжительность	Облучение	Биологический эффект
0,003	В течение недели	О	Практически отсутствует
0,01	Ежедневно (в течение нескольких лет)	О	Лейкемия
0,015	Единовременно	Л	Хромосомные нарушения в опухолевых клетках (культура соответствующих тканей)
0,25	В течение недели	Л	Практически отсутствует
0,5-1	Накопление малых доз	Л	Удвоение мутагенных эффектов у одного поколения
2	Единовременно	О	Тошнота
3-5	-	О	СД50 для людей
4	-	Л	Выпадение волос (обратимое)
4-5	0,1-0,5 Зв/сут	О	Возможно излечение в стационарных условиях
6-9	3 Зв/суг или накопление малых доз	Л	Радиационная катаракта
10-25	2-3 Зв/сут	Л	Возникновение рака сильно радиочувствительных органов
25-60	2-3 Зв/сут	Л	Возникновение рака умеренно радиочувствительных органов
40-50	2-3 Зв/сут	Л	Дозовый предел для нервных тканей
50-60	2-3 Зв/сут	Л	Дозовый предел для желудочно-кишечного тракта

Примечание. О - общее облучение тела человека; Л - локальное облучение; СД₅₀, - доза, ожидаемый эффект которой составит 50% смертей среди лиц, подвергшихся облучению.

В настоящее время в соответствии с нормами радиационной безопасности (НРБ-99) установлены следующие основные дозовые характеристики воздействия ионизирущих излучений.

Доза поглощенная (D) - величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу:

где - средняя энергия, переданная ионизирующим излучением веществу, находящемуся в элементарном объеме, a dm - масса вещества в этом объеме.

Энергия может быть усреднена по любому определен ному объему, и в этом случае средняя доза будет равна полной энергии, переданной объему, деленной на массу этого объема. В единицах СИ поглощенная доза измеряется в джоулях, деленных на килограмм (Дж  кг^-1), и имеет специальное название - грей (Гр). Использовавшаяся ранее внесистемная единица рад равна 0,01 Гр.

Доза в органе или ткани (D_T) - средняя поглощенная доза в определенном органе или ткани человеческого тела:

где m_T - масса органа или ткани, a D - поглощенная доза в элементе массы dm.

Доза эквивалентная (H_T,R) - поглощенная доза в органе или ткани, умноженная на соответствующий взвешивающий коэффициент для данного вида излучения, W_R:

где D_T,R - средняя поглощенная доза в органе или ткани Т, а W_R - взвешивающий коэффициент для излучения R.

При воздействии различных видов излучения с различными взвешивающими коэффициентами эквивалентная доза определяется как сумма эквивалентных доз для этих видов излучения

Единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв).

Доза эффективная (Е) - величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего тела человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радио-чувствительности. Она представляет сумму произведений эквивалентной дозы в органах и тканях на соответствующие взвешивающие коэффициенты:

где Η_Ί - эквивалентная доза в органе или ткани Т, a W_T - взвешивающий коэффициент для органа или ткани Т. Единица эффективной дозы - зиверт (Зв).

Доза эквивалентная (Η_Ί(τ)) или эффективная (E(τ)) ожидаемая при внутреннем облучении - доза за время τ, прошедшее после поступления радиоактивных веществ в организм:

где t₀ - момент поступления, а Η_T(t) - мощность эквивалентной дозы к моменту времени t в органе или ткани Т.

Когда τ не определено, то его следует принять равным 50 годам для взрослых и (70 минус t₀) - для детей.

Доза эффективная (эквивалентная) годовая - сумма эффективной (эквивалентной) дозы внешнего облучения, полученной за календарный год, и ожидаемой эффективной (эквивалентной) дозы внутреннего облучения, обусловленной поступлением в организм радионуклидов за этот же год.

Единица годовой эффективной дозы - зиверт (Зв).

Доза эффективная коллективная - мера коллективного риска возникновения стохастических эффектов облучения; она равна сумме индивидуальных эффективных доз. Единица эффективной коллективной дозы - человеко-зиверт (чел.-Зв).

Доза предотвращаемая - прогнозируемая доза вследствие радиационной аварии, которая может быть предотвращена защитными мероприятиями.

При тепловом воздействии происходят воспламенение, сгорание, обугливание, ожоги, удушение продуктами сгорания. Основные поражающие факторы здесь - пламя, высокие температуры и отравляющее действие продуктов сгорания. Термическое действие при чрезвычайных ситуациях определяется плотностью потока поглощенного излучения и временем действия на человека теплового излучения.

Биологическое воздействие возникает вследствие распространения природных инфекций, несанкционированной утечки или преднамеренного распыления болезнетворных микроорганизмов, токсинов и других биологически опасных веществ. Оно заключается в заражении организмов, местности, растительности, воды, продуктов питания, сельскохозяйственного сырья, фуража болезнетворными организмами и веществами, возникновении инфекционной заболеваемости людей, животных и растений, в т. ч. в форме эпидемий, эпизоотий и эпифитотий. Сюда же может быть отнесено воздействие на сельскохозяйственные растения массово распространившихся сельскохозяйственных вредителей.

При электромагнитном воздействии происходят структурные изменения в живых тканях, искусственных и природных материалах, в том числе разрушение (повреждение) клеток организмов, ожоги тел, изменение свойств материалов, воспламенение, обугливание, оплавление, испарение их поверхности. Поражающие факторы при этом проявляются в виде сильных электромагнитных полей или мощных электромагнитных импульсов. Для этого вида воздействия характерны вывод из строя электрических, электронных, оптических систем и оборудования. Возможно также влияние на здоровье, психику и репродуктивную функцию человека.

Информационное воздействие имеет своим источником материалы средств массовой информации, пропаганду, агитацию, рекламу, впечатления от происходящих негативных событий, в том числе страданий людей. В результате возникает стимулирующее или подавляющее воздействие на психоэмоциональную сферу человека. Информационное воздействие может оказать мобилизующее или деморализующее влияние, породить стрессы, страх, панику.

Вопросы и задания

1. Какой процент аварий происходит по вине человека?

2. Какова роль человека в системе "человек - машина"?

3. Перечислите виды ошибок человека.

4. К каким поражениям человека приводит механическое воздействие ударных волн?

5. Какие показатели определяют степень поражения человека ударными волнами?

6. Каков механизм токсического действия на человека химических веществ?

7. Опишите основные стадии действия ионизирующего излучения на организм человека.

< Предыдущая		Оглавление		Следующая >