4. Действие ионизирующих излучений на биологические объекты.

Существующие ныне формы жизни, включая млекопитающих и человека, возникли и эволюционно сложились на уровне постоянного фона радиации. Однако у живых организмов не выработались специальные органы для распознавания этого постоянно действующего фактора. Характерное свойство радиации - скрытное воздействие на организм. Другое свойство – способность вызывать отдаленные последствия (сокращение срока жизни, снижение сопротивляемости заболеваниям). γ-Радиация и нейтроны, а также протоны больших энергий, кроме того, обладают способностью глубоко проникать в облучаемую ткань.

В свете современных представлений, разработанных теоретической радиобиологией и радиационной медициной, эффекты, вызванные воздействием ионизирующей радиации, могут быть систематизированы в три группы:

• соматические (острая и хроническая лучевая болезнь, локальные лучевые повреждения — катаракта, незлокачественные опухоли);

• соматико-стохастические (сокращение продолжительности жизни, лейкозы, опухоли разных органов и тканей);

• генетические (доминантные и рецессивные генные мутации, хромосомные аберрации).

Соматические эффекты (нестохастического и стохастического характера) развиваются у человека, непосредственно подвергшегося облучению, а генетические (наследственные изменения) — у его потомства.

4.1. Действие ионизирующих излучений на клеточном уровне.

Каждая доза облучения оставляет глубокий след в организме, а при многократном облучении их действия суммируются. При достижении определенного предела (более высокого по сравнению с одноразовой дозой) проявляется суммарный эффект. Это явление называют кумулятивным действием радиации. Кумулятивное действие оказывается особенно сильным при попадании в организм радиоактивных веществ, отлагающихся в определенных тканях. Такие радиоактивные вещества, присутствуя в организме даже в небольшом количестве изо дня в день в течение длительного срока, облучают близлежащие клетки и ткани. Это так называемое инкорпорированное хроническое облучение. Под его влиянием происходит перерождение нормальных клеток в злокачественные. Накопление (тропность) изотопов в определенном органе или ткани связано с особенностями химической природы изотопов, так, радиоактивный йод мало чем по химическим свойствам отличается от обычного йода, в связи с чем происходит его накопление в щитовидной железе. Радиоактивный стронций, располагаясь в таблице Менделеева в одной групп с кальцием, активно накапливается в костной ткани.

Особенности распределения радиоактивных веществ в организме, выраженная тропность к отдельным органам и тканям дают основание говорить о так называемом скелетном (Ra, Sr, Pu, Th, U, Zn и др.), печеночном (Се, La, Pm, Pr и др.) и сравнительно равномерном (Сs, Ru, Nb, НТО, Ро и др.) типе распределения. Характер распределения радиоактивных изотопов в организме в значительной степени определяет специфику генерируемой ими патологии. Так, радиоактивные изотопы йода вызывают преимущественное повреждение щитовидной железы и способны индуцировать доброкачественные и злокачественные опухоли при средних поглощенных в железе дозах порядка 11—1,7 крад и ниже.

Редкоземельные элементы вызывают преимущественно опухоли печени; остеотропные изотопы — остеосаркомогенные и лейкомогенные эффекты, угнетение костномозгового кроветворения. Сравнительно равномерно распределяющиеся изотопы (Cs, Ru, Nb, НТО, Ро) вызывают угнетение лимфоидного кроветворения, атрофию семенников, преимущественное возникновение опухолей мягких тканей (молочных желез, желудочно-кишечного тракта, печени). При внутреннем заражении наиболее опасны α-излучающие изотопы полония и плутония.

Известно, что гигантские молекулы ДНК хранят в своей структуре в закодированном виде всю информацию, нужную для развития организма данного вида. В процессе эволюции в организме выработалась сложная система защиты этих макромолекул, обеспечивающая точное воспроизведение структуры ДНК при каждом делении клетки и надежную сохранность информации в молекулах ДНК. Но при облучении элементарные частицы ионизирующей радиации, глубоко проникая в организм, как бы бомбардируют молекулы ДНК. Они нарушают структуру ДНК, вызывают перестройку кода, в результате чего наступают изменения в потомстве, появляются новые признаки, исчезают или видоизменяются ранее существовавшие.

Следует также сказать и о том, что глубокие нарушения жизнедеятельности организма могут вызываться ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии. Так, энергия, поглощенная телом млекопитающего при облучении смертельной дозой, при превращении в тепловую привела бы к нагреву тела всего на 0,001⁰С.

Первичное действие радиации любого вида на любой биологический объект начинается с поглощения энергии излучения, что сопровождается возбуждением молекул и их ионизацией. При ионизации молекул воды (косвенное действие излучения) в присутствии кислорода возникают активные радикалы, гидратированные электроны, а также молекулы перекиси водорода, включающиеся затем в цепь химических реакций в клетке. При ионизации органических молекул (прямое действие излучения) возникают свободные радикалы, которые, включаясь в протекающие в организме химические реакции, нарушают течение обмена веществ и, вызывая появление несвойственных организму соединений, нарушают процессы жизнедеятельности. Поглощение энергии и ионизация молекул занимают доли секунды. Образовавшиеся активные радикалы нарушают нормальные ферментативные процессы в клетке, что ведет к уменьшению количества макроэргических соединений.

Воздействие ионизирующего излучения вызывает повреждение клеток. Наиболее важно нарушение клеточного деления – митоза. При облучении в сравнительно малых дозах наблюдается временная остановка митоза. Нарушение нормального хода митоза сопровождается хромосомными перестройками, возникновением мутаций и развитию цитогенетического эффекта. При облучении половых клеток многоклеточных организмов нарушение генетического аппарата ведет к изменению наследственных свойств развивающихся из них организмов. Возникающие в облучаемых клетках изменения ведут к нарушениям в тканях, органах и жизнедеятельности всего организма.

Радиационные эффекты проявляются по-разному, в зависимости от дозы. Так, дрожжи погибают при дозе 30000 рад, амебы – 100000 рад, а инфузории выдерживают облучение в дозе 300000 рад. Растения несколько более радиочувствтельны: диапазон радиочувствительности у них на порядок сужен. Еще выше радиочувствительность животных, а к самым радиочувствительным принадлежат теплокровные животные (таблица 6)

Таблица 6.

Радиочувствительность различных представителей животного мира

Вид	ЛД50/30, рад	Вид	ЛД50/30, рад
Морская свинка	300	Лягушка	1000
Собака	400	Черепаха	1500
Свинья	430	Змея	8000 – 20000
Обезьяна	500	Моллюск	12000
Мышь	550	Насекомое (взрослое)	10000 – 100000
Крыса	600
Кролик	800
Золотистый хомяк	900

Особое положение занимает ткань мозга у млекопитающих. Клетки головного мозга не делятся, поэтому они не гибнут даже при смертельных дозах облучения. Однако функции центральной нервной системы, регулирующие все процессы в организме млекопитающих, видоизменяются даже при небольших дозах облучения. У животных наблюдаются изменения в поведении, условных рефлексах, в регуляции обмена веществ.

Особенно выражена реакция на облучение тканей, в которых отдельные клетки живут сравнительно недолго. Это слизистая оболочка желудка и кишечника, которая после облучения воспаляется, покрывается язвами, что ведет к нарушению пищеварения и всасывания, а затем к истощению организма, отравлению его продуктами распада клеток (токсемия) и проникновению бактерий, живущих в кишечнике, в кровь (бактериемия). Сильно повреждается кроветворная система, что ведет к резкому уменьшению числа лейкоцитов в периферической крови и к снижению ее защитных свойств. Одновременно падает и выработка антител, что еще больше ослабляет защитные силы организма. Уменьшается и количество эритроцитов, с чем связано нарушение дыхательной функции крови.

К отдаленным последствиям облучения относятся изменения крови, нефросклероз, циррозы печени, изменения мышечных оболочек сосудов, раннее старение, появление опухолей.

Однако организмы – от простейших до самых высокоорганизованных – имеют защитные механизмы, эффективно противодействующие влиянию небольших доз облучения. Облученная клетка мобилизует все свои регуляторные механизмы для противодействия наступающим изменениям, в первую очередь очень сложную систему ферментов, восстанавливающих ДНК. Эти ферменты выщепляют поврежденные участки ДНК и застраивают образующиеся бреши в одной спирали ДНК по второй спирали (если она сохранилась). Клетка мобилизует резервные пути метаболизма, чтобы снабжать энергией процессы репарации ДНК, использует имеющиеся антиокислители, чтобы затормозить образование токсических перекисей и хинонов, направляет запасные липиды на восстановление структуры биомембран и нарушенного при облучении ионного баланса. Вероятностный характер взаимодействия противоположно направленных процессов и будет определять вероятность того, выживет или погибнет данная клетка.

При облучении высокоорганизованного многоклеточного организма последний также мобилизует все свои защитные механизмы. В ответ на массовую гибель кровяных телец начинается усиленная выработка эффекторов типа эритропоэтина, под влиянием которых начинается размножение покоящихся стволовых клеток, их дифференциация и замена, возмещение погибших клеток. Выделительная система организма очищает его от радиотоксинов и токсических веществ, распадающихся, пораженных радиацией клеток.