4. Механізм дії іонізуючих випромінювань на тканини організму

Характер і масштаби радіоактивного забруднення місцевості при аваріях на АЕС залежать від типу реактора, ступеню його руйнування, метеорологічних умов, рельєфу місцевості і, головним чином, від характеру вибуху (тепловий чи ядерний).

При аварії на АЕС з тепловим вибухом і руйнуванням реактора відбувається викид радіонукліді в у атмосферу, гідросферу і літосферу, що обумовлює радіоактивне забруднення довкілля і опромінювання працюючого персоналу і населення. Залежність тяжкості променевої хвороби від величини дози опромінювання показано в таблиці 21.

Таблиця 21

Залежність тяжкості променевої хвороби від дози опромінювання людини

Доза опромінювання			Тяжкість захворювання	Клінічна форма хвороби
Зв	Бер
1-2,5	100-250		1 - легка
2,5-4	250-400		11 - середня	Кістково-мозкова
4-6	400-600		111 - тяжка
6-10	600-1000		1У- дуже тяжка	Перехідна
10-80	1000-8000			Кишкова
> 80	> 8000			Церебральна
4.1. Дія іонізуючого випромінювання на тканини організму
		Заряджені частинки. Проникаючі в тканини організму альфа- і бета-частинки втрачають енергію внаслідок електричної взаємодії з електронами тих атомів, поблизу яких вони проходять. (гамма-випромінювання й рентгенівські промені передають свою енергію речовині кількома способами, які зрештою також приводять до електричної взаємодії.)
		Електрична взаємодія. За час порядку десяти трильйнних секунди після того, як проникаюче випромінювання досягне відповідного атома в тканині організму, від цього атома відривається електрон. Останній заряджений негатино, тому інша частина початково нейтрального атома стає позитивно зарядженою. Цей процес називається іонізацією. Відірвавшись електрон може далі іонізувати інші атоми.
		Фізико-хімічні зміни. І вільний електрон, і іонізований атом звичайно не можуть довго перебувати в такому стані і протягом наступних десяти мільярдних часток секунди беруть участь у складному ланцюзі реакцій, в результаті яких утворюються нові молекули, включаючи й такі надзвичайно реакційноздатні, як "вільні радикали".
		Хімічні зміни. Протягом наступних мільйонних часток секунди утворені вільні радикали реагують як один з одним, так і з іншими молекулами і через ланцюжок ще не вивчених до кінця реакцій можуть викликати хімічну модифікацію важливих у біологічному відношенні молекул, які необхідні для нормального функціонування клітини.
		Біологічні ефекти. Біохімічні зміни можуть відбутися як через кілька секунд, так і через десятиліття після опромінення і стати причиною негайної загибелі клітин або таких змін до них, які можуть призвести до раку.

Ушкодження, викликані великими дозами опромінення, звичайно проявляються протягом декількох годин або днів. Ракові захворювання, проте, проявляються через багато років після опромінення - як правило, не раніше ніж через одне-два десятиліття. А вроджені вади розвитку та інші спадкові хвороби, викликані ушкодженням генетичного апарату, за визначенням проявляються лише в наступному або подальших поколіннях: це діти, онуки та більш віддалені нащадки індивідуума, який зазнав опромінення.

НКДАР ООН намагається встановити з усією можливою достовірністю, якому додатковому ризику піддаються люди при різних дозах опромінення. Ймовірно, у сфері вивчення дії радіації на людину і навколишнє середовище було проведено більше досліджень, ніж при вивченні будь-якого іншого джерела підвищеної небезпеки.

Гостре ураження. У своїй останній доповіді НКДАР ООН вперше за 20 років опублікував докладний огляд відомостей, що відносяться до гострого ураження орга-нізму людини, яке відбувається при великих дозах опромінення. Взагалі кажучи, радіа-ція надає подібну дію, лише починаючи з деякої мінімальної, або «порогової», дози опромінення.

Велика кількість відомостей була отримана при аналізі результатів застосування променевої терапії для лікування раку. Багаторічний досвід дозволив медикам отримати велику інформацію про реакцію тканин людини на опромінення. Ця реакція для різних органів і тканин виявилася неоднаковою, причому розходження дуже великі (рис. 48). Величина ж дози, що визначає тяжкість ураження організму, залежить від того, чи отримує її організм відразу або в кілька прийомів. Більшість органів встигає в тій чи іншій мірі залікувати радіаційні пошкодження і тому краще переносить серію дрібних доз, ніж ту ж сумарну дозу опромінення, отриману за один прийом.

Зрозуміло, якщо доза опромінення досить велика, опромінена людина загине. У всякому разі, дуже великі дози опромінення порядку 100 Гр викликають настільки серйозне ураження центральної нервової системи, що смерть, як правило, настає протягом декількох годин або днів . При дозах опромінення від 10 до 50 Гр при опроміненні всього тіла поразка ЦНС може виявитися не настільки серйозним, щоб привести до летального результату, однак опромінена людина найвірогідніше все ж таки помре через один - два тижні від крововиливів у шлунково-кишковому тракті. При ще менших дозах може не відбутися серйозних ушкоджень шлунково-кишкового тракту або організм з ними впорається, і тим не менш смерть може настати через один-два місяці з моменту опромінення головним чином через руйнування клітин червоного кісткового мозку – головного компонента кровотворної системи організму; від дози у 3-5 Гр при опроміненні всього тіла вмирає приблизно половина всіх опромінених. Таким чином, в цьому діапазоні доз опромінення смерть є закономірною, тільки зсунута в часі. Дослідження в цій ділянці необхідні, оскільки отримані для оцінки наслідків ядерної війни і дії великих доз опромінення при аваріях ядерних установок і пристроїв.

Рис. 48. Летальні дози

Рис. 49. „Допустимі ” дози у променевій терапії

Червоний кістковий мозок та інші елементи кровотворної системи найбільш уразливі при опроміненні та втрачають здатність нормально функціонувати вже при дозах опромінення 0.5-1 Гр. На щастя, вони мають також чудову здатність до регене-рації і якщо доза опромінення не настільки велика, щоб викликати пошкодження усіх клітин, кровотворна система може повністю відновити свої функції. Якщо ж опромі-ненню піддалося не все тіло, а якась його частина, то уцілілих клітин мозку буває дос-татньо для повного відновлення пошкоджених клітин.

Репродуктивні органи та очі також відрізняються підвищеною чутливістю до опромінення. Одноразове опромінення сім’яників при дозі всього лише в 0.1 Гр призводить до тимчасової стерильності чоловіків, а дози понад двох греїв можуть призвести до постійної стерильності: лише через багато років сім'яники зможуть знову продукувати повноцінну сперму. Мабуть, сім'яники є єдиним винятком із загального правила: сумарна доза опромінення, отримана в кілька прийомів, для них більш, а не менш небезпечна, ніж та ж доза, отримана за один прийом.. Яєчники набагато менш чутливі до дії радіації, принаймні у дорослих жінок. Але одноразова доза 3 Гр все ж таки призводить до їх стерильності, хоча ще більші дози при дробовому (кратному) опроміненні ніяк не позначаються на здатності до дітонародження.

Найбільш вразливою для радіації частиною ока є кришталик. Загиблі клітини стають непрозорими, а розростання помутнілих ділянок призводить спочатку до катаракти, а потім і до повної сліпоти. Чим більша доза, тим більша втрата зору. Помутнілі ділянки можуть утворитися при дозах опромінення 2 Гр і менше. Більш важка форма ураження очей - прогресуюча катаракта - спостерігається при дозах близько 5 Гр. Доведено, що навіть пов'язане з рядом робіт професійне опромінення шкідливо для очей: дози від 0.5 до 2 Гр, отримані впродовж 10-20 років, призводять до збільшення густини і помутніння кришталика.

Діти також дуже чутливі до дії радіації. Відносно невеликі дози при опроміненні хрящової тканини можуть уповільнити або зовсім зупинити у них ріст кісток, що призводить до аномалії розвитку скелету. Чим меншій вік дитини, тим сильніше пригнічується ріст кісток. Сумарної дози порядку 10 Гр, отриманої протягом декількох тижнів при щоденному опроміненні, буває достатньо, щоб викликати деякі аномалії розвитку скелету. Мабуть, для такої дії радіації не існує ніякого граничного ефекту. Виявилося також, що опромінення мозку дитини при променевій терапії може викликати зміни в її характері, призвести до втрати пам'яті, а у дуже маленьких дітей навіть до недоумства й ідіотії. Кістки і мозок дорослої людини здатні витримувати набагато більші дози.

Вкрай чутливий до дії радіації і мозок плоду, особливо якщо мати піддається опромінюється між восьмим і п'ятнадцятим тижнями вагітності. В цей період у плода формується кора головного мозку і існує великий ризик того, що в результаті опромінення матері (наприклад, рентгенівськими променями) народиться розумово відстала дитина. Саме таким чином постраждали приблизно 30 дітей, опромінених в період внутрішньоутробного розвитку під час атомних бомбардувань Хіросіми і Нагасакі.

Більшість тканин дорослої людини відносно малочутлива до дії радіації. Нирки витримують сумарну дозу близько 23 Гр, отриману протягом п'яти тижнів без особливої для себе шкоди, печінка - щонайменше 40 Гр за місяць, сечовий міхур - щонайменше 55 Гр за чотири тижні, а зріла хрящова тканина - до 70 Гр. Легені - надзвичайно складний орган - набагато більше вразливий, а в кровоносних судинах суттєві зміни можуть відбуватися вже при відносно невеликих дозах.

Звичайно, опромінення в терапевтичних дозах, як і будь-яке інше опромінення, може викликати захворювання на рак у майбутньому або призвести до несприятливих генетичних наслідків. Опромінення у терапевтичних дозах, однак, застосовують звичайно для лікування раку, коли людина смертельно хвора, а оскільки пацієнти в середньому досить літні люди, ймовірність того, що вони будуть мати дітей, також відносно мала. Однак далеко не так просто оцінити, наскільки це великий ризик при набагато менших дозах опромінення, які люди отримують в своєму повсяк-денному житті і на роботі, і на цей рахунок існують різні думки серед громадськості.

Рак

Рак - найбільш серйозний зі всіх наслідків опромінення людини при малих дозах, принаймі безпосередньо для тих людей, які зазнали опромінення. У дійсності, масштабні обстеження, що охопили близько 100 000 чоловік, які пережили атомні бом-бардування Хіросіми і Нагасакі в 1945 році, показали, що поки рак є єдиною причиною підвищеної смертності в цій групі населення.

Оцінки НКДАР ООН ризику захворювання на рак в значній мірі спираються на результати обстеження людей, які пережили атомне бомбардування. Незважаючи на всі ці дослідження, оцінка ймовірності захворювання людей на рак в результаті опромінення не цілком надійна. Є маса корисних відомостей, отриманих при експериментах на тваринах, однак, незважаючи на їх очевидну користь, вони не можуть повною мірою замінити відомостей про дію радіації на людину. Для того щоб оцінка ризику захворювання на рак для людини була досить надійна, отримані в результаті обстеження людей відомості повинні задовольняти цілий ряд умов, а саме: повинна бути відома величина поглиненої дози; випромінювання має рівномірно потрапляти на все тіло або принаймні на ту його частину, яка вивчається в даний момент; опромінене населення повинно проходити обстеження регулярно протягом десятиліть, щоб встигли проявитися всі види ракових захворювань; діагностика повинна бути досить якісною, що дозволяє виявити всі випадки ракових захворювань; дуже важливо також мати хорошу «контрольну» групу людей, яку можна порівняти в усіх відношеннях (крім самого факту опромінення) з групою осіб, за якою ведеться спостереження, щоб з'ясувати частоту захворювання раком у відсутність опромінення. І обидві ці популяції повинні бути досить численні, щоб отримані дані були статистично достовірні.

Є дуже небагато відомостей про наслідки опромінення при дозах, пов'язаних з деякими професіями, і зовсім відсутні прямі дані про дію доз опромінення, які отримує населення Землі в повсякденному житті. Тому немає ніякої альтернативи такому способу оцінки ризику населення при малих дозах опромінення, як екстраполяція оцінок ризику при великих дозах (вже не цілком надійних) в область малих доз опромінення.

Рис.50. Дози опромінення та їх ефект

Різні варіанти кривих доза - ефект для людини. Ми приблизно знаємо, яка ймовір-ність захворювання на рак при отриманні людиною еквівалентної дози в 1 Гр, в ре-зультаті обстеження людей, що залишилися в живих після атомних бомбардувань і інших опромінених груп населення. На рис.50 показано три способи такої екстраполяції. Один тип залежності (А) представляє собою пряму - це означає, що ймовірність захворю-вання збільшується всюди прямо пропорційно дозі опромінення.

Другий тип  залежності (Б) представлений опуклою кривою і передбачає, що із збільшенням дози ймовірність захворювання швидко зростає при малих дозах і повіль-ніше при великих.

Третій тип  залежності (В) представлений ввігнутою кривою і передбачає, що із збільшенням  дози ймовірність захворювання зростає повільніше при малих дозах, ніж при великих

Смертність від лейкозів серед тих, хто пережив атомні бомбардування Хіросіми і Нагасакі, стала різко знижуватися після 1970 року; мабуть, данина лейкозам в цьому випадку сплачена майже повністю. Таким чином, оцінка ймовірності померти від лейкозу в результаті опромінення більш надійна, ніж аналогічні оцінки для інших видів ракових захворювань. Згідно з оцінками НКДАР ООН, при дозі опромінення в 1 Гр в середньому дві людини з тисячі помруть від лейкозів. Інакше кажучи, якщо хто-небудь отримає дозу 1 Гр при опроміненні всього тіла, при якому страждають клітини червоного кісткового мозку, то існує один шанс із 500, що ця людина помре в подальшому від лейкозу.

Відносна середньостатистична вірогідність захворювання на рак після отримання одноразової дози в один рад (= 0,01Гр) при рівномірному опроміненні всього тіла. На графіку (рис.51.), побудованому на підставі результатів обстеження людей, які пережили атомне бомбардування по- казано орієнтовний час появи злоякіс-них пухлин з моменту опромінення.

Рис. 51. Ймовірність захворювання на рак

З графіка випливає, що перш за все після дворічного прихованого періоду розвиваються лейкози, досягаючи максимальної частоти через 6 – 7 років, потім час-тота плавно зменшується і через 25 років стає практично рівною нулю. Солідні (суцільні) пухлини починають розвиватися через 10 років після опромінення, але дос-лідники не мають у своєму розпорядженні поки достатньою інформації, що дозволяє побудувати всю криву.

НКДАР ООН, так само як і інші установи, що займаються дослідженнями в цій області, у своїх оцінках спирається на два основних допущення, які поки що цілком узгоджуються з усіма наявними даними. Відповідно до першого припущення, не існує ніякої порогової дози, за якої відсутній ризик захворювання на рак. Будь - яка як завгодно мала доза збільшує ймовірність захворювання на рак для людини, яка отримала цю дозу, і будь-яка додаткова доза опромінення ще більш збільшує цю ймовірність. Друге припущення полягає в тому, що ймовірність, або ризик, захворювання зростає прямо пропорційно дозі опромінення: при подвоєнні дози ризик подвоюється, при отриманні трикратної дози - потроюється і т.д.

Згідно з наявними даними, першими в групі ракових захворювань, що вражають населення у результаті опромінення, стоять лейкози. Вони викликають загибель людей в середньому через 10 років з моменту опромінення - набагато раніше, ніж інші види ракових захворювань.

Найпоширенішими видами раку, викликаними дією радіації, виявилися рак молочної залози та рак щитовидної залози. За оцінками НКДАР, приблизно у десяти чоловік з тисячі опромінених відзначається рак щитовидної залози, а у десяти жінок з тисячі - рак молочної залози (у розрахунку на кожен грей індивідуальної поглиненої дози).

Однак обидва різновиди раку в принципі виліковні, а смертність від раку щитовидної залози особливо низька. Тому лише п'ять жінок із тисячі, мабуть, помруть від раку молочної залози на кожен грей опромінення і лише одна людина з тисячі опромінених, мабуть, помре від раку щитовидної залози. Рак легенів, навпаки, - нещадний вбивця. Він теж належить до поширених різновидів ракових захворювань серед опромінених груп населення.

Рак інших органів і тканин, як виявилося, зустрічається серед опромінених груп населення рідше. Згідно з оцінками НКДАР, ймовірність померти від раку шлунка, печінки або товстої кишки становить приблизно всього лише 1/1 000 на кожен грей середньої індивідуальної дози опромінення, а ризик виникнення раку кісткових тканин, стравоходу, тонкої кишки, сечового міхура, підшлункової залози, прямої кишки і лімфатичних тканин ще менше і складає приблизно від 0.2 до 0.5 на кожну тисячу і на кожен грей середньої індивідуальної дози опромінення.

Діти більш чутливі до опромінення, ніж дорослі, а при опроміненні плоду ризик захворювання на рак, мабуть, ще більше. У деяких роботах дійсно повідомлялося, що дитяча смертність від раку більше серед тих дітей, матері яких в період вагітності зазнали впливу рентгенівських променів, однак НКДАР поки не переконаний, що причина встановлена вірно.

Є ряд питань ще більш складних, які потребують вивчення. Радіація, наприклад, може в принципі завдавати дії на різні хімічні і біологічні агенти, що може приводити в якихось випадках до додаткового збільшення частоти захворювання на рак.

Паління і радіація

Смертність від раку органів дихання як функція дози опромінення, зумовленої дочірніми продуктами радіоактивного розпаду радону, для трьох груп робітників уранових рудників: серед запеклих курців, які викурюють більше 20 сигарет на день (крива А), серед «помірних» курців, які викурюють менше 20 сигарет в день (крива Б), і серед некурящих (крива В).

Рис. 52. Паління і радіація

Очевидно, що це питання надз-вичайно важливе, тому що радіація присутня скрізь, а в сучасному житті багато різноманітних агентів, які можуть з нею взаємодіяти. НКДАР ООН провів попередній аналіз даних, що охоплює велике число таких агентів. Щодо деяких з них виникли деякі підозри, але серйозні докази були отримані лише для одного з них: тютюнового диму. Виявилося, що шахтарі уранових рудників з числа тих, що палять хворіють на рак частіше (рис. 51.). В інших випадках даних явно недостатньо і необхідні подальші дослідження.

Давно висловлювалися припущення, що опромінення, можливо, прискорює процес старіння і таким чином зменшує тривалість життя. НКДАР ООН розглянув недавно всі дані на користь такої гіпотези, але не знайшов досить переконливих доказів, які підтверджують її, як для людини, так і для тварин, принаймні при помірних і малих дозах, одержуваних при хронічному опроміненні. Опромінені групи людей дійсно мають меншу тривалість життя, але у всіх відомих випадках це цілком пояснюється більшою частотою ракових захворювань.