2. Биологическое действие ионизирующих излучений

Парадокс воздействия ионизирующего излучения на организм состоит в том, что энергия, отвечающая поглощению организмом человека, например, дозы в 1 Гр, сама по себе очень мала, а вот вредное воздействие она оказывает значительное. Между тем с точки зрения поглощенной энергии доза в 1 Гр отвечает, например, тому, что человек выпил чайную ложку воды с температурой около 55 °С. Понятно, что температура тела при этом практически не изменится и никакого вреда человеку не принесет.

Причиной тяжелых последствий в случае воздействия на организм даже небольших доз являются образующиеся под действием излучения ионы, и особенно свободные радикалы. Процесс образования ионов и радикалов длится всего около 10^-13 с, после чего наступают физико-химические изменения ткани организма, представляющие цепочку обратимых и необратимых превращений.

Механизм физико-химических изменений в живой ткани объясняют две теории – теория «мишени» и теория радикалов. Согласно первой, излучение действует непосредственно на органические вещества клетки (липиды, белки, нуклеиновые кислоты), на так называемую мишень (мишенью называется вычисленный из сопоставления дозы облучения и биологического эффекта чувствительный объем, действие на который ведет к его поражению).

Но теория мишени оказалась неудовлетворительной для объяснения биологического действия излучения на сложные соединения, на которые влияют не только доза излучения, но и физиологическое состояние объекта, концентрация кислорода, изменение температуры и т.д. Поэтому имеется мнение, что излучение действует косвенным путем, через продукты разложения воды (теория радикалов).

Вероятность попадания ионизированной частицы в молекулу воды в 10⁴ раз больше, чем в молекулу белка, так как в отдельных тканях организма содержится до 80 % воды. Рассмотрим процесс радиолиза воды.

Под действием излучения в воде образуется положительно заряженный ион воды: Н₂О → Н₂О⁺ + е^-. Освободившийся электрон может соединяться с другой молекулой воды, которая приобретает в этом случае отрицательный заряд: Н₂О + е^- → Н₂О^-. Разложение положительного иона воды можно записать так: Н₂О⁺ → ОН∙ + Н⁺.

Водород (Н⁺) и гидроксильная группа (ОН∙), обладая большой химической активностью, взаимодействуют с биологическими веществами и вызывают их изменение, с образованием новых химических соединений, не свойственных организму. При наличии кислорода, усиливающего эти процессы, могут образовываться ионы (ОН^-₂, НО^-), радикалы (НО₂∙) и перекись водорода Н₂О₂, которые также являются сильными окислителями.

Таким образом, согласно теории радикалов, физико-химические изменения сначала происходят в среде, в которой находятся органические вещества, а уже продукты разложения раствора (воды) действуют на белки, липиды и нуклеиновые кислоты, вызывая соответствующие в них изменения. Индуцированные ионами и свободными радикалами химические реакции развиваются с большим выходом, вовлекая в процесс сотни и тысячи молекул, не задействованных излучением. В этом состоит специфика действия ионизирующего излучения на биологические объекты. Эффекты развиваются в течение разных промежутков времени: от нескольких секунд до многих часов, дней, лет.

Наличие промежуточного этапа в биологическом действии ионизирующего излучения (образование продуктов разложения воды) отнюдь не означает, что это действие не может быть вызвано и прямой ионизацией органических веществ. Очевидно, отношение прямого и косвенного действий ионизирующего излучения сильно сдвинуто в пользу второго, но, по-видимому, оно может меняться в зависимости от конкретных условий облучения, в частности от дозы и содержания воды в облучаемом объекте.

Полученные под действием ионизирующего излучения изменения на молекулярном уровне приводят к изменениям и на клеточном. Если излучение затрагивает молекулы в клеточной цитоплазме, то это может приводить к образованию многочисленных клеточных ядов, влияющих на клеточные функции или даже ведущих к гибели клетки. При очень высоких дозах облучения гибель клетки наступает вследствие разрушения клеточной мембраны. Если облучение воздействует на дезоксирибонуклеиновую кислоту (ДНК) клеточного ядра, то это ведет к изменению заключенного в ней генетического кода, следствием чего, наряду с нарушениями функций и гибелью клеток, может быть утрата контроля роста клеток (онкологические заболевания), а в случае с генеративными клетками – передача измененного генетического материала потомству.

Таким образом, биологическое действие ионизирующих излучений сводится к изменению структуры или разрушению молекул различных органических веществ, из которых состоит организм человека. Это приводит к нарушению биохимических процессов, протекающих в клетках, или даже к их гибели, в результате чего происходит поражение организма в целом.