Механізми й наслідки впливу іонізуючих випромінювань на організм людини

Відкриття рентгенівських променів і явища радіоактивності дозволило англійському фізику Е.Резерфорду (1871–1937) установити фізичну природу ядерних перетворень і механізми їхньої взаємодії з атомами речовини.

У 1899 р. і в наступні роки Е.Резерфордом були відкриті альфа- і бета-випромінювання й створена теорія розпаду радіоактивних речовин. Установлено також, що обидва види цих випромінювань мають здатність збуджувати й іонізувати атоми (молекули) речовини, при цьому утворювати раніше не властиві їм сполуки, а отже, впливати на живі організми. З відкрит-тямгамма-квантів та інших елементарних часток питання забезпечення радіаційної безпеки осіб, які працюють із джерелами іонізуючих випромінювань, і населення, яке проживає в районах з підвищеною радіоактивністю, набули міжнародної значимості.

Механізми взаємодії радіоактивних випромінювань (альфа-, бета-, гамма-) з речовиною обумовлені процесами передачі енергії орбітальним електронам атомів. За певних умов деякі види випромінювань (альфа-, нейтрони) можуть проникати в ядра атомів, викликаючи ядерні реакції.

Процеси передачі енергії атомам (молекулам) речовини дуже короткочасні й завершуються іонізацією середовища – утворенням позитивних і негативних зарядів (іонів).

Прикладом передачі гамма-квантами енергії атомам речовини та утворенням позитивних і негативних зарядів може служити процес, що одержав назву “фотоелектричного ефекту”, його умовне зображення на рис.5. В цьому процесі гамма-квант передає свою енергію одному з електронів, розташованих на внутрішніх орбітах електронної оболонки атома, обумовлюючи тим самим відрив електрона від атома та утворення пари іонів. Електрон, що відірвався, володіє великою кінетичною енергією й обумовлює подальші процеси взаємодії з біологічними об’єктами (тканинами).

Рис.5. Процес взаємодії гамма-випромінювання з атомом речовини (фотоелектричний ефект).

Механізми взаємодії іонізуючих випромінювань (ІВ) з речовиною залежать від виду й енергії випромінювання, а також від щільності середовища. Ці властивості ІВ визначають глибину їх проходження крізь середовище й можливості іонізації атомів (молекул) речовини.

Для альфа-випромінювань (ядра атомів гелію) глибина проходження в повітрі вимірюється сантиметрами, а в рідких і твердих тілах – тисячними частками сантиметра. Для бета-випромінювань (потік електронів) ця величина може досягати декількох десятків метрів.

Найбільшою проникаючою здатністю володіють гамма-кванти й нейтрони. Глибина проходження гамма-квантів і нейтронів у повітрі може досягати декількох сотень метрів.

Установлено, що процеси взаємодії ІВ з речовиною призводять до зміни фізико-хімічних властивостей різних матеріалів та інших наслідків.

Ці властивості ІВ знаходять широке застосування в багатьох сучасних технологіях і медицині.

Таке використання джерел ІВ сучасною людиною обумовило актуальність питання забезпечення радіаційної безпеки населення, яке може бути успішно вирішеним при глибокому вивченні й розумінні механізмів, що лежать в основі взаємодії радіоактивних речовин з атомами й молекулами тканин живих організмів.

Перші відомості про ушкоджуючу дію іонізуючих випромінювань, зокрема рентгенівського, були отримані в 1896 р.

Характерними ознаками променевої хвороби, що виникала внаслідок такого впливу, було почервоніння, набряки шкіри, утворення виразок, випадіння волосся та інші ураження.

Виявлено аналогічні ураження шкіри рук у багатьох вчених і лікарів, які займалися вивченням властивостей радію.

Ці та інші спостереження стали першими сигналами про радіаційну небезпеку рентгенівських променів і радію. Людство високо оцінило подвиг лікарів-ентузіастів, які стали жертвами пошуку шляхів і методів захисту від смертельного випромінення, спорудивши їм меморіал перед лікарнею, що носить ім’я Г.Е.Альберса-Шенберга в Німеччині. На обеліску викарбуваноімена 186 лікарів і вчених, потерпілих від променевої хвороби.

Установлено також, що взаємодія іонізуючих випромінювань із біологічними об’єктами (речовиною клітини), що містять воду, відбуваються в три етапи.

На першому етапі випромінювання впливає на складні макромолекулярні утворення, іонізуючи і збуджуючи їх. При поглиненій дозі 10 Гр (1000 рад) у клітині утвориться до 3·10⁶іонізованих і збуджених молекул. На ці процеси прямого впливу витрачається до 80% поглиненої енергії.

Фізична суть цього етапу впливу полягає у вибиванні електронів з молекул води й утворенні так званих молекулярних іонів, що несуть позитивний і негативний заряд:

Н₂О → Н₂О⁺ + е^–

Н₂О + е^– → Н₂О^–

Молекулярні іони води нестійкі і розпадаються з утворенням радикалів Н⁺, ОН, Н, ОН^–. Вважається, що основний ефект променевого впливу обумовлений радикалами Н, ОН, і НО₂. Радикал НО₂, що має високу окислювальну спроможність, утворюється в процесі опромінення води в присутності кисню: Н+О₂→НО₂. Цим пояснюється кисневий ефект, що виникає за умов зниження концентрації кисню в період опромінення і призводить до зменшення дії іонізуючих випромінювань на живий організм.

Етап взаємодії іонізуючих випромінювань з біологічним об’єктом прийнято називати ф і з и ч н о ю с т а д і є ю п р о м е н е в о г о в п л и в у.

Другий етап взаємодії іонізуючих випромінювань з біологічними об’єктами включає процеси хімічної взаємодії радикалів білків, нуклеїнових кислот і ліпідів з водою, киснем, радикалами води і біомолекулами, які приводять до виникнення органічних перекисів, швидкоплинних реакцій окислення і появі безлічі змінених молекул. Це етап ф і з и к о - х і м і ч н о ї в з а є м о д і ї.

Третій етап взаємодії обумовлений вивільненням ферментів із клітинних органел і зміною їхньої активності, під впливом яких відбувається розпад високомолекулярних компонентів клітин, у тому числі нуклеїнових кислот (ДНК, РНК) і білків. Цей етап взаємодії прийнято вважати б і о х і м і ч н и м.

Наступні етапи розвитку променевого ураження виявляються в зміні спадкоємних структур (мутацій) життєво важливих органів.

Чутливість клітин різних органів значною мірою залежить від швидкості обмінних процесів, які в них відбуваються. Критичним моментом у житті клітин є процес їх самоподвоєння, що здійснюється в кілька етапів (фаз). Важливими фазами клітинного циклу є процеси синтезу ферментів для подвоєння ДНК (дезоксирибонуклеїнової кислоти) і формування інших елементів клітини (цитоплазми, органоїдів та ін.). У цьому стані клітина дуже чутлива до впливу радіації та інших агентів навколишнього середовища, що її ушкоджують. Тому найбільш чутливі до впливу іонізуючих випромінювань є клітини, які мають нетривалий клітинний цикл (10 – 30 год), і швидко зростаючі органи й організми. Чутливість ссавців і людини до іонізуючого випромінювання багато в чому залежить від їхнього фізіологічного стану, віку й умов життєдіяльності. Найчутливішими до опромінення є організми, які швидко ростуть і розвиваються (ембріони і немовлята) або старіють (літні люди): перші – через підвищену міотичну активність; другі – через погіршення здатності клітин і тканин до самовідновлення. За ступенем чутливості організму до іонізуючого випромінювання органи людини (критичні органи) прийнято поділяти на три групи (табл.18).

Викладені механізми та етапи взаємодії іонізуючих випромінювань із клітинами живих організмів не є вичерпними. Проте ці наукові уявлення, що мають описовий характер, широко використовуються в наші дні для вирішення проблем радіаційної безпеки людини.

Т а б л и ц я 18