2. Биологическое воздействие ии

Механизм воздействия радиации на человека

Тело человека состоит из молекул ДНК (дезоксирибо-нуклеиновой кислоты), человеческих клеток, белка, жи­ров, углеводов, воды, различных ферментов, микроэле­ментов и т.д. Основу жизни на Земле составляют биомоле­кулы ДНК, состоящие из четырех нуклеотидных оснований и двадцати аминокислот, соединенных определенным об­разом (рис. 3.2). На самом деле молекула представляет со­бой двойную закрученную спираль, у которой основания попарно соединены. Основания состоят из атомов кисло­рода, азота, водорода и углерода. Каждое основание выпол­няет определенные функции. Последовательность трех ос­нований в цепи ДНК кодирует одну определенную амино­кислоту. Каждый участок в цепи молекулы ДНК, который кодирует определенный белок, образует ген. Связь между аминокислотами обеспечивается за счет ковалентной свя­зи. При облучении молекулы ДНК, гамма-лучи и бета-час­тицы возбуждают молекулу в целом, но из-за миграции энергии в ней происходит разрыв в самом слабом месте, т.е. разрываются связи между аминокислотами (выбиваются электроны из ковалентных связей). Однако молекула может противостоять облучению, вырабатывая в основаниях фер­мент, восстанавливающий до семи разорванных связей. Та­кая способность молекулы позволила сохранить жизнь на Земле в условиях постоянного естественного облучения. Но если количество разорванных связей больше семи, то моле­кула погибает. Она также погибает при разрушении основа­ния, независимо от количества разрушенных ковалентных связей. Следовательно, в молекуле ДНК могут разрушаться гены, белок и основание.

Человеческая клетка представляет собой "мешок", на­зываемый цитоплазматической мембраной, в которой на­ходятся ядро (молекула ДНК), а вокруг него молекулы РНК, АТФ, 46 молекул хромосом, молекула белка и фер­ментов (рис. 3.3). Все они выполняют разные функции: транспортные, информационные, памяти, источников энергии и др.

Рис. 3.2. Модель молекулы ДНК:

/ — основание молекулы ДНК; 2 - аминокислоты (всего 20); 3 — ковалентные связи (соседние аминокислоты обмениваются электронами)

Рис. 3.3. Устройство человеческой клетки:

1 — ядро (молекула ДН К); 2 - хромосомы (всего 46); 3 — кровеносные сосуды; 4- плазма; 5— цитоплазматическая мембрана; 6— молекулы белка; 7— ферменты.

Молекула РНК (вариант молекулы ДНК) осуществляет синтез белка следующим образом: в желудке пища делится на аминокислоты, затем они попадают в кровь. Клетка РНК "подплывает" к кровеносному сосуду, забирает аминокис­лоту и транспортирует ее в необходимое место молекулы. Известно, что основной функцией клетки является синтез молекулы. При облучении клетки ИИ цитоплазматическая

мембрана в отдельных местах разрывается. В этом случае яд­ро клетки вырабатывает ферменты, которые молекулы РНК транспортируют в точки разрыва для "зашивания" дырок, вместо того чтобы транспортировать аминокислоты от кро­веносных сосудов для синтеза белка. При малых дозах облучения ферменты способны "зашить" дырки, и молекулы РНК будут выполнять свои основные функции. Однако при больших дозах все дырки не "зашиваются" и из клетки вы­текает плазма, молекулы РНК выполнять свои функции не в состоянии. Синтез белка сначала замедляется, а затем пол­ностью прекращается, и клетка гибнет.

В процессе облучения могут повреждаться хромосомы и гены. Если нарушения в хромосомах могут сказаться на потомстве, то облучение в момент деления клеток может привести к заболеванию раком. Наиболее чувствительны к радиации красный костный мозг и половые клетки, а так­же клетки плода. Более устойчивы к радиации клетки нервной системы, кровеносных сосудов и мышц. Очень важную роль в организме играет белок, представляющий собой последовательность аминокислот. Он выполняет следующие функции: транспортные, структурные (как строительный материал), дыхательные — за счет гемогло­бина, катализатора биохимических реакций и др. При об­лучении белка разрываются ковалентные связи между аминокислотами, в результате чего белок перестает вы­полнять свои функции. Особенно опасен неполноценный белок для иммунной системы: ослабляются защитные свойства организма и создаются благоприятные условия для размножения микробов. Кроме того, неполноцен­ность белка проявляется в патологии различных органов, в аллергических реакциях.

Самое опасное влияние на здоровье человека оказывают радикалы воды (ОН и OS, H, Н₂ и О₂ и т. д.), образующиеся при облучении воды, находящейся в межклеточном прост­ранстве. (В организме человека около 65 % воды и более.) Эти радикалы химически активны, поэтому вступают в хи­мические реакции даже со "здоровыми" молекулами. Наи­более губительны свободные атомы кислорода, которые раз­рушают молекулы белка. По этой причине может происхо­дить ускоренное старение организма и сокращение срока жизни.

Реакция органов человека на облучение

Гибель молекулы ДНК или клетки не означает гибель отдельного органа или организма человека. Вместо погиб­шей клетки в результате деления появляется новая.

Каждый орган человека имеет свою дополнительную за­щиту. Радиочувствительность различных тканей организма зависит от степени ферментной защитной активности. Чем меньше защита, тем чувствительнее орган. Как уже упоми­налось выше, наибольшей радиочувствительностью отлича­ются клетки красного костного мозга, лимфатических узлов, половые клетки, селезенка и вилочковая железа. Кровеносная система и красный костный мозг теряют способность нор­мально функционировать уже при дозах 50 рад. Однако они могут восстанавливать свои функции, если доза не превы­шает 500 рад.

В общем степень выживания организма зависит от цело­го ряда факторов: величины дозы, времени облучения, массы тела, наличия хронических болезней, вида ИИ, внутреннего и внешнего облучения, непрерывного, или фракционного, возрас­та человека, облучения всего тела или части его и т.д. Очень высока радиочувствительность органов у детей. При облуче­нии может останавливаться рост костей, изменяться харак­тер и память. Умеренно чувствительны к радиации кожа и глаза, мало чувствительны — печень, легкие, почки, кости, сердце, мозг, сухожилия, нервные стволы. Первичные изме­нения в них наступают при дозах 100 рад и более. При облу­чении в течение месяца почки могут выдержать дозу 2000 рад, печень — 4000, мочевой пузырь — 5000 рад. •,

Степень поражения человека и его выживание определя­ются критическими органами. Критический орган — это часть тела или все тело, облучение которого причиняет наиболь­ший ущерб здоровью человека и его потомству. При равно­мерном облучении всего тела критическими органами явля­ются гонады и красный костный мозг. При облучении корпус­кулярным излучением критическим органом может стать хру­сталик глаза. При внешнем облучении критическими орга­нами могут стать легкие, почки, кожа, при внутреннем — тот орган, в котором больше всего накопилось радионуклидов.

Иммунная и другие системы могут противостоять облуче­нию до определенных границ. Известно, что если за 30—50 мин до облучения человек получает травму, то это равносильно уменьшению дозы на 50—100 рад, и наоборот — если травма получена после облучения, то это равносильно увеличе­нию дозы на 50—100 рад. Сопротивляемость иммунной си­стемы также падает при стрессовом состоянии человека. Смертельной дозой считается 600 рад и более, если чело­век получает ее до 4 сут. Смертельные дозы для бактерий — 10—45 тыс. рад, для насекомых — 30—50 тыс. рад.

Внешнее и внутреннее облучение

Если источник облучения находится вне организма че­ловека, то такое облучение считается внешним. Внешнее об­лучение в основном создается гамма-содержащими радио­нуклидами, а также рентгеновским излучением. Поражаю­щее действие такого облучения зависит от мощности дозы и времени облучения, а также от защитных мер. Средняя доза, получаемая от естественных источников ИИ человеком, со­ставляет 0,4 рад/г. При этом гонады получают 78 мрад/г., красный костный мозг — 80 рад/г.

Если источник облучения находится внутри организма, то происходит внутреннее облучение. Радионуклиды попа­дают в организм с продуктами питания (90 %), с питьевой водой (5-9 %), с воздухом (1-5 %), а также могут попасть через поврежденную кожу. Степень проникновения радио­нуклидов в ЖКТ и кровь зависит от типа изотопов: проник­новения циркония — доли процента, калия и натрия — до 100 %. Попадание радионуклидов через кожу в 300 раз мень­ше. Проникая в организм человека, радионуклиды накапли­ваются в отдельных органах и тканях. Они распределяются примерно таким образом:

• равномерно по всему телу: тритий, углерод, инертные газы, железо, полоний;

• в костях: кальций, стронций, барий, радий, иттрий, плутоний, цирконий;

• в печени: церий, лантан, прометий и частично плутоний;

• в мышцах: калий, цезий, рубидий;

• в щитовидной железе — йод.

Если внутри человека находятся бета- и гамма-излучате­ли, то гамма-лучи обычно выходят за пределы тела челове­ка, а бета-частицы облучают ткани, вызывая их поражение. Аналогично действуют и альфа-излучатели.