Радиобиология с основами радиоэкологии

шенно неоправданные тенденции к сокращению радиобиологических работ. Так, в СССР количество радиобиологических и радиоэкологических лабораторий к тому периоду по сравнению с 1960-ми гг. уменьшилось почти в три раза. В какой-то степени это можно связать с некоторой самоуспокоенностью, обусловленной запретом испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой (Московский договор 1963 г.) и снижением радиационного фона, уменьшением вероятности ядерного военного конфликта, наконец, недальновидностью отдельных руководителей науки,­ завороженных пропагандой о якобы совершенно безопасных предприятиях ядерной энергетики.

Драматические события на Чернобыльской АЭС в 1986 г. продемонстрировали вред подобного самоуспокоения. Они высветили многие недостатки не только атомной физики и ядерной энергетики, гражданской обороны и власти, но и показали, что в стране недостаточно высококвалифицированных специалистов радиобиологов и радиоэкологов, а также коллективов, способных оперативно решать медицинские задачи и проблемы многих сфер хозяйствования, в особенности агропромышленного производства в условиях подобных аварий.

Со всеми основаниями можно считать, что 26 апреля 1986 г. завершился третий и начался четвертый этап развития радиобиологии.

Вполне естественно, что многим научным коллективам, работающим в сфере радиобиологии не только России, Украины, Белоруссии, в наибольшей степени пострадавших от аварии на Чернобыльской АЭС, но и других стран, пришлось изменить направления своих исследований или внести в них существенные коррективы, сосредоточив усилия на изучении радиационных эффектов аварии, путей миграции выброшенных реактором радионуклидов в различных компонентах окружающей среды, их действия на биоту с целью минимизации радиационных последствий.

В связи с новыми задачами, которые невозможно было решить имеющимися силами, в СССР вновь были созданы крупные научно-исследовательские учреждения. Их главным заданием стало изучение радиобиологических эффектов Чернобыля. В Киеве был основан Всесоюзный научный центр радиационной медицины АМН СССР (сейчас Нацинальный научный центр радиационной медицины НАМН Украины и МЗ Украины, включающий три научно-исследовательских института), Украинский филиал ВНИИ сельскохозяйственной радиологии ВАСХНИЛ (сейчас Украинский НИИ сельскохозяйственной радиологии), в Минске – Институт радиобиологии АН Республики Беларусь, в Гомеле – Белорусский филиал ВНИИ сельскохозяйственной радиологии (сейчас Белорусский НИИ сельско-

хозяйственной радиологии) и другие. Во многих институтах и высших учебных заведениях возникли радиобиологические, радиоэкологические, радиологические отделы, сектора, лаборатории, кафедры. Большая армия ученых пришла в радиобиологию из смежных наук.

1.4. Современные проблемы радиобиологии

Основные проблемы, которые возникли перед радиобиологией в 1940–1960-е гг. в связи с вероятностью применения ядерного оружия и использования атомной энергии в мирных целях, разрешены далеко не полностью и не утратили своей актуальности в настоящее время. Однако авария на Чернобыльской АЭС, получившая статус глобальной катастрофы, заставляет пересмотреть эти проблемы и расставить новые акценты в отношении их приоритетности. Главные современные задачи радиобиологии следующие:

–особенности действия на живые организмы малых доз ионизирующей радиации;

–специфика действия на живые организмы хронического облучения;

–профилактика и терапия острых и хронических радиационных поражений;

–радиационное нарушение иммунитета;

–отдаленные последствия облучения, в том числе канцерогенное и генетическое действие;

–совместное действие на организм ионизирующих излучений и других факторов;

–миграция искусственных радиоактивных веществ в компонентах биоценоза;

–особенности действия на живые организмы излучения инкорпорированных (попавших и включившихся в клетки и ткани) радиоактивных веществ;

–минимизация поступления и накопления радиоактивных веществ в растения, организм животных и человека;

–выведение радиоактивных веществ из организма челове-

ка.

Проблема действия на живые организмы так называемых малых доз ионизирующей радиации (превышающих уровень естественного радиационного фона) в настоящее время является одной из центральных проблем радиобиологии. На протяжении всех трех этапов своей истории радиобиологи в основном занимались изучением действия на организм высоких доз, вызывающих лучевую болезнь, гибель организма. После аварии на Чернобыльской АЭС миллионы людей оказались облученными и продолжают облучаться в малых дозах. Крайне мало имеется данных о влиянии малых доз на иммунную реакцию ор-

ганизма, его генетический статус. Практически нет информации о радиационной стимуляции клеток человека. Совершенно отсутствуют сведения о возможной трансформации клеток при малых дозах, которые могут привести к канцерогенным эффектам. В связи с этим требует выяснения очень давний вопрос радиобиологии – существует ли пороговое значение дозы облучения, т.е. безвредная доза? Ведь если даже единичное попадание ионизирующей частицы или фотона в жизненно важную структуру или вещество клетки с какой-то, пусть и ничтожной вероятностью, может привести к нарушению, то такого порога нет. Но ведь в клетке идут процессы восстановления, которые могут устранять эти повреждения. Все ли повреждения? Или это, как и повреждение, вероятностный процесс?

Непосредственно с проблемой действия малых доз граничит проблема влияния хронического, т.е. постоянного облучения. Все живые организмы на огромных территориях оказались в условиях хронического действия радиации. Как оно влияет на растительный и животный мир, их видовой и количественный составы, может ли отразиться на миллионах людей, проживающих в подобных условиях?

Необычайно актуальной для радиобиологии остается ее традиционная проблема профилактики и терапии радиационных поражений. Более полувека прошло со времени открытия первых радиопротекторов, в том числе и самого эффективного из них уже упоминавшегося цистеамина. Однако до сих пор не найдено достаточно приемлемых радиопрофилактических препаратов, которые смогли бы увеличить переносимую организмом дозу хотя бы в два раза. Практически нет средств, которые защищали бы организм при хроническом облучении. Еще сложнее обстоят дела с терапией последствий действия излучений.

Одним из тяжелейших последствий действия ионизирующего излучения на организм является повреждение системы иммунитета. При этом страдают неспецифические защитные реакции и факторы специфического иммунитета, изменяются аллергические реакции, развивается аутоаллергия. Следствием угнетения иммунологической реактивности являются эндогенная и экзогенная инфекции, которые могут стать причиной многочисленных заболеваний и гибели облученных даже в невысоких дозах организмов. Отсюда понятно значение данной проблемы и внимание радиобиологов к изучению иммунологических реакций у облученных людей, животных, растений.

У данной проблемы имеется и другая очень важная сторона – использование ионизирующей радиации для подавления иммунитета, в качестве иммунодепрессанта, при трансплантации органов у млекопитающих и прививках у растений с целью предотвращения отторжения пересаживаемых и привива-

емых компонентов. В настоящее время прием предварительного рентгеновского и g-облучения наряду с иммунодепрессантами химической природы используется при пересадке органов

итканей. Применяется также облучение прививочного материала в плодоводстве и виноградарстве, но пока эти операции имеют скорее экспериментальный характер, их широкое внедрение в клиническую практику и агропромышленное производство требует углубления знаний о влиянии радиации, в том числе и в малых дозах, на механизмы нарушения иммунологических реакций.

Проблема изучения отдаленных последствий радиационного поражения организма, которые могут проявиться через долгие годы и даже в последующих поколениях (возникновение лейкозов и злокачественных новообразований, ускорение старения и сокращение продолжительности жизни, мутагенное действие и некоторых других), а также их предотвращения считается многими исследователями основным вопросом радиобиологии и относится к числу наименее исследованных. Важность ее совершенно очевидна. Малоизученность вопроса объясняется незначительным экспериментальным материалом, полученным в данной области. У человека подавляющее большинство отдаленных последствий, как правило, реализуется через много лет после облучения, поэтому требует достаточно длительных временных интервалов для изучения. Что касается мутагенных, или генетических нарушений, то они могут проявляться в отдаленных поколениях, вплоть до 20-го. Разумеется, сведения о мутагенных нарушениях получены лишь для бактерий, насекомых, растений, некоторых видов мелких лабораторных животных. Так что радиобиологов здесь ожидает весьма просторное поле деятельности.

Всамом начале настоящей главы было отмечено, что на живые организмы действует много различных естественных неблагоприятных факторов окружающей среды. К ним еще необходимо добавить огромное количество искусственных. Это не только дополнительные уровни облучения искусственными радиоактивными веществами, но и факторы химической природы – выбросы и отходы промышленных предприятий, выхлопы двигателей внутреннего сгорания, минеральные удобрения, пестициды, кислотные дожди и другие. Теоретически в определенных ситуациях они иногда могут ослаблять действие ионизирующих излучений, но чаще усиливают. Совместное поражающее действие излучения и перечисленных факторов может значительно повышать их суммарный эффект. Именно поэтому анализ комбинированного или сочетанного действия на организм ионизирующей радиации и других факторов, в том числе

инеионизирующих излучений, является еще одной из важнейших задач радиобиологии.

Актуальнейшей проблемой радиобиологии, особенно в последние годы, стало изучение закономерностей миграции радионуклидов, в частности искусственных, в объектах окружающей среды, в особенности исследование их перехода из различных типов почв в растения и далее по пищевым цепям в организм сельскохозяйственных животных и человека; мест накопления и концентрации в отдельных органах в зависимости от химических свойств радиоактивного соединения и особенностей обмена веществ у различных видов растений и животных, а также человека.

С названной проблемой непосредственно связано исследование особенностей действия на организм радиоактивных веществ, которые проникли внутрь и включились в органы и ткани – т.е. инкорпорировались. В процессе метаболизма они могут заменять обычные стабильные элементы, накапливаться в некоторых органах в больших количествах и обусловливать их локальное облучение в высоких дозах. Весьма проблематичной является дозиметрия излучений в таких ситуациях.

В связи с этим необычайно важной стала проблема предотвращения поступления и накопления радиоактивных веществ в организме человека, а также их выведения. Первая из них представляет комплексную задачу, которая решается на отдельных звеньях пищевых цепей специалистами разных направлений. Так, на начальных этапах производства продукции растениеводства и животноводства основная роль принадлежит специалистам сельского хозяйства – агрономам и животноводам. Проводя специальную обработку почвы, умело учитывая химические свойства мелиораторов и удобрений, изменяя набор растений в севообороте и режим орошения посевов, условия содержания и кормления животных, можно значительно снизить количество радиоактивных веществ в продукции. Далее в процессе технологических переработок можно также существенно уменьшить их содержание во многих продуктах питания. Это уже задачи работников пищевой промышленности. Наконец, правильно составленный врачами-гигиенистами, диетологами, специалистами в области радиационной медицины рацион питания человека, обогащенный белками, определенными макро- и микроэлементами, витаминами, некоторыми специальными биологически активными соединениями, может тоже способствовать блокированию поступления и всасывания радиоактивных веществ организмом.

Некоторые радиоактивные вещества, попавшие в организм с продуктами питания и водой, сравнительно быстро выводятся из него естественными путями. Однако одни из них могут прочно связываться в отдельных органах, например в скелете, подвергая их и близлежащие ткани постоянному облучению. Поэтому проблема выведения радиоактивных веществ в

комплексной терапии поражений, вызванных внутренним облучением, занимает особо важное место. К сожалению, хотя исследования в данном направлении проводятся уже много лет, успехи в решении проблемы еще довольно скромны.

Совершенно очевидно, что в решении перечисленных проблем принимают участие не только биологи и медики, но и большой круг исследователей других специальностей. На современном этапе развития радиобиология уже вышла за пределы накопления фактов о реакции на облучение отдельных систем организма, различных биологических видов и нуждается в их глубоком, всестороннем анализе и обобщении. Обширные и тесные ее связи с другими науками, разносторонние, порой нетрадиционные подходы к решению многих вопросов позволяют надеяться на новые открытия в этой области биологии в самые ближайшие годы.

1.5. Необходимость радиобиологических знаний

Еще в середине 1980-х гг. далеко не каждый биолог и врач, не говоря уже о специалистах, не связанных с биологией, достаточно отчетливо представлял, чем занимается наука радиобиология. С весны 1986 г. ситуация изменилась. В периодической прессе, научно-популярных изданиях появилось множество статей, брошюр, посвященных вопросам действия ионизирующей радиации на человека и другие живые организмы, биосферу в целом. Большой контингент людей во всех странах мира, ранее далеких от биологии, медицины, охраны окружающей среды, ядерной физики, атомной энергетики и других областей науки и производства, в той или иной степени соприкасающихся с проблемами радиобиологии, проявили к ней необычный интерес. Причиной тому явились грозные события, разразившиеся на Чернобыльской АЭС.

Если еще раз несколько с иной точки зрения проследить историю развития радиобиологии, то можно легко увидеть четкие пики и спады интереса к ней. Причем пики всегда следовали за трагическими событиями в мире.

Первый пик относительно массового интереса к радиобиологии приходится на середину 1930-х гг., когда в широкой прессе разных стран были опубликованы статьи и книги, обобщившие начальный, нередко полный драматизма опыт естествоиспытателей, работавших с рентгеновскими лучами и излучением радия. Именно тогда с легкой руки журналистов появился встречающийся еще и в настоящее время зловещий термин «лучи смерти», «лучи-убийцы». Но выяснилось, что жертвами ионизирующей радиации становился в основном относительно небольшой круг любознательных ученых, добровольно идущих на контакт с такими лучами, которые для населения опасности

не представляют. Поэтому интерес общественности к таким лучам, а вместе с тем и к проблемам радиобиологии, как и всех наук, связанных с ионизирующей радиацией, упал.

Трагические события в Японии в августе 1945 г., когда в результате взрывов двух атомных бомб в одночасье погибли более 100 тыс. мирных жителей, вызвали второй пик всеобщего внимания к радиобиологии во всем мире. Но окончилась Вторая мировая война, Хиросима и Нагасаки больше не повторялись и к середине 1950-х гг. интерес к ней снова снизился. К началу 1960-х гг. он вновь резко возрос. Причиной тому были массовые испытания атомных бомб, связанные с ними трагические события с человеческими жертвами, а главное, резкое повышение на всей планете радиационного фона. Но последовал запрет на испытание атомных бомб в атмосфере, космическом пространстве и под водой, явно снизилась вероятность возникновения ядерной войны и опять интерес общественности и правительств к радиобиологии совершенно неоправданно угас. События на Чернобыльской АЭС стимулировали его вновь с необычайной силой.

Однако в последние годы даже в странах, в наибольшей степени пострадавших от катастрофы, отмечается снижение интереса к радиобиологическим последствиям, по-видимому, поощряемое властями, уповающими на самоочищение биосферы от радиоактивных веществ, адаптацию населения к малым дозам радиации. Налицо и падение внимания к проблемам радиобиологии.

Но как показали совсем недавние события на АЭС «Фу- кусима-1», радиационные аварии, подобные Чернобыльской, не единичны. Авария в Японии, которая, как и Чернобыльская, по международной шкале INES оценена в семь баллов, вновь всколыхнула общественность.

Главной причиной такого неровного интереса к радиобиологии является одностороннее понимание ее задач, ассоциирование их только лишь с атомной угрозой – последствиями возможного ядерного конфликта или авариями на предприятиях атомной промышленности и энергетики. Но как можно было убедиться на основе вышесказанного, радиобиология – наука необычайно разноаспектная и многоплановая. Многие ее задачи и проблемы действительно в той или иной мере связаны с ликвидацией последствий ядерных катастроф, и было бы неверным утверждать, что это второстепенная задача радиобиологии. В нашу эпоху ядерная опасность существует не только в виде атомных бомб и боеголовок, подводных лодок и ледоколов с атомными двигателями, исследовательских ядерных реакторов и атомных электростанций. Атом энергично внедряется в повседневный обиход вместе с наиболее чувствительной и точной методикой ученого, как тончайший и незаменимый ин-

струмент врача, новейшая прогрессивная технология, агротехнический прием. Неумелое или просто неграмотное обращение с таким методом, инструментом, технологией может привести к печальным последствиям. Примеров тому, увы, много.

Вот почему знание основ радиобиологии в наше время стало необходимым не только ученым-естествоиспытателям, но и каждому человеку, занятому в сфере производства материальных и духовных ценностей. Вот почему радиобиология прочно становится в ряд наук первостепенного значения, в ряд как общеобразовательных, так и специализированных дисциплин наряду с некоторыми другими биологическими науками, математикой, физикой, химией.

Контрольные вопросы к главе 1

1.Определение радиобиологии и радиоэкологии как наук.

2.Место радиобиологии среди смежных наук.

3.Основные направления радиобиологии.

4.Главные задачи радиобиологии и радиоэкологии.

5.Открытия в области физики, давшие начало развитию радиобиологии.

6.Этапы развития радиобиологии.

7.Вклад российских ученых в развитие радиобиологии и радиоэкологии.

8.Современные проблемы радиобиологии.

9.Теоретическое и практическое значение радиобиологии.

10.Необходимость широкой пропаганды радиобиологических знаний.

11.Перспективы развития радиобиологии.

2. ТИПЫ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ, ИХ ХАРАКТЕРИСТИКА И ДОЗИМЕТРИЯ

Строение атома. Изотопы. Ядро атома. Ядерные силы. Явление радио­ активности. Закон радиоактивного распада. Типы ядерных превращений: альфа-распад, бета-распад, электронный захват, внутренняя конверсия. Природа ионизации. Типы ионизирующих излучений. Физические характеристики разных типов ионизирующих излучений электромагнитной и корпускулярной природы. Взаимодействие ионизирующих излучений с веществом. Проникающая способность ионизирующих излучений. Линейная потеря энергии ионизирующих излучений и их относительная биологическая эффективность. Дозы ионизирующих излучений: экспозиционная, поглощенная и эквивалентная. Связь между радиоактивностью вещества и дозой ионизирующих излучений. Единицы радиоактивности и доз. Виды облучения в зависимости от фактора времени и кратности облучения.

На живые и неживые объекты окружающей среды воздействует множество различных факторов физической природы, в том числе и излучений – видимый свет, ультрафиолетовый, инфракрасный, магнитные поля, радиоволны различных диапазонов. Действует и ионизирующая радиация. Однако если большинство видов излучений отражается от предметов либо поглощается лишь поверхностными слоями, то ионизирующая радиация проникает далеко вглубь, взаимодействуя при этом с атомами и молекулами вещества.

Радиобиология, как было сформулировано в главе 1, изучает действие на живые организмы именно ионизирующих излучений, т.е. таких высокоэнергетических излучений, взаимодействие которых с веществом приводит к ионизации его атомов и молекул – превращению их из электрически нейтральных частиц в положительно и отрицательно заряженные ионы. Ионизированное состояние атомов и молекул продолжается совсем недолго – всего 10–8 с, после чего ионы вновь превращаются в нейтральные частицы. И само по себе оно не является драматичным для клетки и ее компонентов, но переход к ионизированному состоянию сопровождается возникновением огромного количества вторичных высокоэнергетических частиц, способных как и ионизирующее излучение глубоко проникать в вещество тканей и наносить повреждения.

Так, средняя кинетическая энергия гамма-квантов (g-кван­ тов) радиоактивного изотопа цезия 137Сs – одного из несколь-

ких наиболее опасных искусственных долгоживущих радиоактивных загрязнителей окружающей среды в настоящее время, источником которого являются взрывы атомного оружия и аварии на атомных реакторах, составляет 660 000 эВ. Для сравнения: энергия видимого света составляет от 1 до 3 эВ, ультрафиолетового­ света – в среднем 12 эВ.

При попадании только одного его фотона в вещество в ходе реализации (размена) такого количества энергии может произойти до 11 тыс. ионизаций (660 000:60; 60 эВ – средняя энергия связи электрона в атоме), вследствие которой возникает лавина электронов. Еще в прошлом веке было рассчитано, что при дозе всего 1 Р (рентген) в 1 см3 воздуха образуется 2.08×109 пар ионов. Лишь немного меньше – в 1 см3 живой ткани, а при летальных (смертельных) для млекопитающих дозах 4–18 Гр, т.е. примерно 400–1800 Р – до 5×1012 пар ионов. Соответственно подобное количество превращений (повреждений) теоретически может осуществиться в веществах клетки, которые и могут привести к ее гибели.

В этой и других главах будет рассмотрена физическая, фи- зико-химическая и химическая природа этих явлений.

2.1. Строение атома. Изотопы

Атом – это наименьшая частица химического элемента, которая сохраняет его свойства. Атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся по орбитам вокруг него. Электрон (е–) – легчайшая элементарная частица вещества, несущая отрицательный электрический заряд наименьшей возможной величины, равный 1.6×10–19 Кл (кулон – единица количества электричества).

Абсолютная масса электрона составляет 9.31×10–28 г. Согласно принципу эквивалентности А. Эйнштейна (Е = mс2), масса электрона может быть выражена через энергию. Энергетический эквивалент электрона составляет 0.511 МэВ. Суммарный заряд электронов равен заряду ядра, и поэтому в целом атом электрически нейтрален.

Вращающиеся вокруг ядра электроны обладают определенной для каждой орбиты энергией. При переходе с одной орбиты на другую энергия электрона изменяется скачкообразно, вследствие чего при переходе на орбиту с меньшей энергией (более отдаленную от ядра) он испускает, а при переходе на орбиту с большей энергией (более близкую) – поглощает электромагнитное излучение в виде фотона. Второй процесс, сопровождающийся увеличением энергии, называется возбуждением элек­ трона. Поэтому классическое понятие об орбите электрона в атоме, как определенной окружности, теряет смысл, ибо оказывается, что электроны, которым присущи волновые свойства,