Лекція № 4 Іонізуюче випромінювання та його вплив на організм людини

Україна належить до країн з пріоритетним розвитком використання атомної енергії. Вона посідає 11 місце у світі і перше в Європі за запасами, промисловий видобутком та збагаченням урану; на чотирьох АЕС нашої держави працюють 15 атомних реакторів; існує проблема природного радіаційного радонового забруднення приміщень в деяких регіонах. Аварія 1986 р. на Чорнобильській АЕС стала найдраматичнішим світовим прикладом можливих екологічних, соціально-економічних та політичних наслідків впровадження ядерної енергетики. На сьогодні забруднено радіонуклідами понад 5,4 млн. га території 74 районів 12 областей України, де проживає понад 3,2 млн. осіб. Гострота проблем радіобіології та радіоекології набула нового глобального значення після вибуху АЕС «Фукусіма-1» в Японії у 2011 р.

За понад чверть століття з 1986 року радіаційна обстановка на території України часткового покращилась за рахунок природного розпаду штучних радіонуклідів ⁹⁰Sr і ¹³⁷Cs, проте їх міграція трофічними ланцюгами «ґрунт-рослина-тварина» триває. На забруднених територіях разом із продуктами харчування (молоком, м'ясом, картоплею, овочами) населення отримує до 90% дози іонізуючого випромінювання.

Основними джерелами радіоактивного забруднення біосфери сьогодні є джерела антропогенного походження: залишки випробовувань ядерної зброї, аварії на атомних електростанціях, підводних човнах та виробництвах радіоактивних матеріалів тощо.

За європейськими стандартами радіаційна обізнаність населення України до 1986 року була майже повністю відсутня, але й сьогодні вона оцінюється як низька. За даними В.М. Давиденка (2011 р.)лише 29 % українців обізнані з проблемами радіації на науковому рівні, 51% – мають певне уявлення, і 20% населення не розуміють сутність іонізуючої радіації. Саме це й спонукає до необхідність вивчення основ радіобіологічних та радіоекологічних студентами університету.

Почнемо з теорії

Радіаційна біологія як самостійна наука виникла наприкінці XIX ст. і пов’язана з трьома великими відкриттями: 1) Х-променів – В. Рентгеном (1895), названих потім його ім’ям – рентгенівськими; 2) природної радіоактивності – А.Беккерелем (1898); 3) радіоактивних властивостей Полонію і Радію – подружжям П. Кюрі і М. Складовскої-Кюрі (1898 р.). Важливість цих відкриттів підкреслюється тим, що В.К. Рентгену в 1901 році була присуджена Нобелівська премія з фізики, а у 1903 році цієї ж премії були удостоєні А. Беккерель і подружжя Кюрі.

Задля коректності історії науки зауважимо, що фізик Іван Павлович Пулюй (українець, народився у 1845 р. в м. Гримайлів на Тернопільщині), доцент Віденського університету, доктор Страсбурзького університету першим у 1881 р. розробив пристрій, що випромінював невидимі компоненти катодних променів, і одержав з його допомоги фотографічні знімки різних предметів у серпні 1895 року (зокрема, руки своєї доньки). Офіційною датою відкриття В.К. Рентгеном Х-променів є 8 листопада 1895 р. (тобто, свої дані Пулюй отримав на 14 років раніше Рентгена). Але-але. Іван Пулюй був особисто знайомий з Вільгельмом Рентгеном і охоче ділився своїми здобутками з колегами (обидва працювали Страсбурзького університету в лабораторії професора А. Кундта). Факт, що перший у світі знімок скелета зробив Іван Пулюй, і тільки потім такі знімки за пропозицією професора анатомії фон Коллікера назвали «рентгенівськими».

Фактом є також те, що В. Рентген першим запатентував результати своїх досліджень у цій галузі, що юридично засвідчило його пріоритет. Зауважимо, що Тернопільський національний технічний університет носить сьогодні ім'я Івана Пулюя та щороку проводить Пулюївські наукові читання.

А тепер розглянемо деякі з основних теоретичних положень і категоріальний апарат радіобіології.

Радіоактивність – це явище спонтанного перетворення ядра атома нестійкого ізотопу одного хімічного елемента (природне чи штучне) з основного стану в ізотоп іншого елемента, що супроводжується виділенням енергії шляхом випускання заряджених частинок (α, β) або γ-квантів. Звідси,

Радіація – це потік різних видів випромінювання, які утворюються в процесі радіоактивного розпаду і взаємодіють з навколишнім середовищем. Кожний вид радіоактивних елементів розпадається з певною швидкістю, яка характеризується періодом напіврозпаду – часом, протягом якого число атомів даного радіонукліду зменшується вдвоє.

Радіоактивний елемент – це елемент, усі відомі ізотопи якого радіоактивні. З природних елементів таким є Уран, що складається трьох радіоактивних ізотопів – ²³⁴U, ²³⁵U, ²³⁸U, Торій, Радій, Полоній, Радон. Зі штучних – Плутоній, що має 15 радіоактивних ізотопів із масовими числами від 232 до 246, Америцій, Кюрій та ін.

Нукліди – це загальна назва атомів, які мають в ядрі однакову кількість протонів і різну кількість нейтронів, тому вони мають однаковий заряд і займають одне положення в системі елементів Д.І. Менделєєва. Нукліди розрізняють стабільні і радіоактивні. Нукліди одного елемента – ізотопи. Відомо понад 1400 нуклідів.

Терміном «радіонуклід» позначають радіоактивний атом елемента. Радіонукліди поділяють на короткоживучі, середньживучі і довго живучі.

Цезій (Cs) – існує тільки один природний ізотоп цезію – ¹³³Cs (100 %). Радіоактивний ізотоп ¹³⁷Cs виникає при ядерних вибухах і аваріях на об'єктах атомної енергетики (період напіврозпаду 28 років). Cs – хімічний аналог Калію.

Стронцій (Sr) – в природі існує у вигляді чотирьох ізотопів: ⁸⁴Sr (0,5 %), ⁸⁶Sr (9,8 %),⁸⁷Sr (7,2 %),⁸⁸Sr (82,5 %). В організмі накопичується у місцях активного остеогенезу. Радіоактивний ізотоп ⁹⁰Sr також виникає при ядерних вибухах та аваріях на об'єктах атомної енергетики (період напіврозпаду 30 років). Хімічний аналог Са.

Іонізуюча дія випромінювання при розпаді радіоактивних ізотопів ¹³⁷Cs і ⁹⁰Sr призводить до ушкодження кісткового мозку, сприяє розвитку лейкемії, злоякісних пухлин та інших негативних наслідків для здоров’я людини, тварин та нормального стану інших біологічних об’єктів.

Наука різнить кілька видів іонізуючого випромінювання: α (альфа)-, β (бета)- і γ (гамма)-частинки.

Альфа-випромінювання є потоком позитивного заряджених ядер Гелію. Альфа (α)-частинки (геліони) – це найважчі, позитивно заряджені ядра Гелію з масовим числом 4 і зарядом 2 (кожна така частинка є міцним агрегатом з двох нейтронів і двох позитивно заряджених протонів). Проникають α - частинки в біологічний матеріал до 0,03 мм, але мають небезпечну високу щільність іонізації. Заряд α-частинок спричинює утворення іонів скрізь шляхом пошкодження, розриву збуджених молекул на частини. Мають високу щільність іонізації (на 1 см пробігу в повітрі одна альфа-частинка здатна утворити 40-100 тис. пар іонів, або до 250 тис. пар іонів за весь шлях). Рухаються з швидкістю близько 20 000 км/с. Втративши швидкість, α-частинки приєднують два електрони і стають нешкідливим і хімічно інертними атомами Гелію.

Бета-випромінювання – бета (β)-розпад – радіоактивний розпад ядра атома, що супроводжується виділенням з ядра потоку негативно заряджених частинок (електронів) зі швидкістю світла. При β-розпаді проникна здатність частинок через базальний шар шкіри людина до 0,07 мм. Щільність іонізації нижча, ніж в α-частинок.

Гамма(γ)-випромінювання – це потік електромагнітних коротких хвиль від 0,1 до 0,001 нм. За властивостями близьке до рентгенівського, але володіє значно більшою швидкістю і енергією; розповсюджується із швидкістю світла. Внаслідок надвисокої частоти та енергії (понад 100 кеВ) своїх хвиль γ-кванти легко і глибоко проникають в живі об’єкти, зіштовхують електрони з орбіт, відривають їх від молекул і надають їм швидкості. Таке явище і називають «іонізуючим випромінюванням» – іонізацією молекул чи атомів, коли після відриву електрона ці атоми чи молекули перетворюються на заряджений іон. Відірваний електрон забирає від γ-кванту частину його енергії. Вона цілком достатня для того, щоб цей електрон сам став іонізатором, зриваючи з місця інші електрони чи розбиваючи молекули на частини з утворенням позитивно і негативно заряджених іонів, доки не втратить швидкість. .... Ці процеси спричинюють радіаційне ураження живих істот. Лише втративши більшу частину енергії, гамма-кванти поглинаються і зникають.

Отже, іонізуюче випромінювання – це випромінювання, при взаємодії якого з речовиною утворюються позитивно і негативно заряджені іони; це різні форми енергії, яка виділяється при розчепленні атомів. До іонізуючих випромінювань належать усі типи випромінювань (α, β, γ). При їх проходженні через речовину відбувається дискретне передавання енергії, що викликає іонізацію або збудження зустрічних атомів і молекул. Цими процесами спричинюється радіаційне ураження організму людини, тварин, що часто призводить до руйнування клітин, зміни складу крові, опікам тощо.

Радіометрія – це сукупність методів визначення активності й концентрації радіоактивних речовин у різних побах і джерелах іонізуючого випромінювання, а токож спектрів їх випромінювання.

За одиницю радіоактивності в системі СІ прийнято беккерель (Бк);

1 Бк дорівнює такій радіоактивності, при якій за 1 секунду в даному джерелі відбувається один спонтанний розпад ядер будь-яких радіоактивних ізотопів.

Позасистемними одиницями радіоактивності є кюрі (Кі), грей (Гр), ренттген (Р):

1 Бк = 1 розпад /с = 2,7 ∙ 10^-11 Кі; 1 Кі = 3,7 ∙ 10¹⁰ розп./с = 3,7∙ 10¹⁰ Бк;

1 Гр = 1∙ 10² рад; 1 рад = 1,14 Р;

1 Р = 2,5 ∙ 10^-4 Кл/кг = 0,01 Гр; 1 Кл/кг = 3,77∙ 10^-3 ;

1 Бер (біологічний еквівалент Рентгену) = 10^-2 Зв = 10^-2 Гр.

Бєр, біологічний еквівалент рентгена – доза будь-якого виду іонізуючого випромінювання, яка має таку ж біологічну дію, що й доза рентгенівських або гамма-променів.

Під дозою випромінювання слід розуміти величину поглинутої енергії в одиниці маси або об’єму речовини. Різнять питому (Am, Бк/г), об’ємну (Аv, Бк/м³) і поверхневу радіоактивність (As, Бк/м²) – відношення радіоактивності зразка до його маси, об’єму чи площі поверхні. Така фізична величина є мірою будь-якого іонізуючого випромінювання на біологічні об’єкти. Оскільки енергія випромінювання, яка надходить на об’єкт, різниться від енергії, що поглинається досліджуваним об’єктом, у радіобіології виокремлюють три види доз: експозиційну, поглинуту та еквівалентну.

Для вимірювання ступеня радіаційної небезпеки використовують такі показники: експозиційну дозу, поглинену дозу та еквівалентну дозу, які вимірюються певними одиницями.

Доза експозиції – кількість енергії рентгенівського або гама випромінювання, поглинутої одиницею маси повітря.

Поглинута доза — енергія іонізуючого випромінювання, яка поглинулась тілом (тканинами організму), у перерахунку на одиницю маси. Вимірюється у системі СІ в греях (Гр). (1Гр =1 Дж/кг).

Еквівалентна доза – поглинена доза, що помножена на коефіцієнт, який відображає здатність даного виду випромінювання пошкоджувати тканини організму. Вимірюють у системі СІ в одиницях – зівертах (Зв). Зіверт – одиниця еквівалентної дози у СІ. Відповідає поглиненій дозі в 1 Дж/кг (для рентгенівського, гамма- і бета-випромінювання).

Необхідно враховувати, що одні частини тіла (органи, тканини) більш чутливі, ніж інші. Існує поняття

Критичні органи (клітини, тканини) – органи, які в наслідок опромінення найбільш чутливі і спричинюють найбільшу шкоду для здоров'я і життя організму; в яких вибірково накопичується радіонуклід. Різнять три групи критичних органі:

1. група – гонади, червоний кістковий мозок;

2. група – щитоподібна залоза, легені, печінка, селезінка, шлунково-кишковий тракт, хрусталик ока та інші органи, які не віднесені до 1 та 3 груп;

3. група – кісткова тканина, шкіра, кістки передпліччя, ступні та долоні.

Отже, при однаковій еквівалентній дозі випромінювання виникнення раку в одних більш ймовірно, ніж у інших; однозначно, що опромінення статтевих залоз особливо небезпечно з причин ризику генетичних пошкоджень.

З цієї причини дози опромінювання органів і тканин враховують різні коефіцієнти. Помноживши еквівалентні дози на відповідні коефіцієнти і додавши суми по усіх органах і тканинах, отримуємо ефективну еквівалентну дозу, яка відображає сумарний ефект опромінювання для організму. Вимірюється у зівертах.

В контексті цього обговорення введено поняття:

Радіочутливість – це здатність живих організмів реагувати у відповідь на подразнення, викликане поглинутою енергією іонізуючого випромінювання. Мірою радіочутливості є доза опромінення, що викликає загибель 50% опромінених клітин або організмів (ЛД₅₀). Різні біологічні об’єкти мають різний рівень радіочутливості. Зокрема, ЛД₅₀ для вірусів 62 – 4600 Гр; рептилій – 15-500; водорості, лишайників – 300- 7000; гризунів – 8-15; комах – 580- 2000; ЛД₅₀ людини – 2,5 – 3,0 Гр (тобто, 250-300 Р).

Радіочутливість тканини прямо пропорційна мітотичній активності її клітин та обернено пропорційна ступеню диференціювання клітин, з яких вона утворена. Найбільш радіочутливими є тканини, що діляться (клітини кісткового мозку, яєчників, сім’яників), а диференційовані – відносно резистентні до певних доз. Радіочутливість частіше за все оцінюють за смертельною дією радіації.

!!!!! ***Багато вчених вважають, що не існує таких малих доз радіації, які не можуть бути шкідливими, і до іонізуючої радіації не може бути адаптації***.

Рівень вмісту радіоактивних ізотопів у організмі залежить від їх концентрації в навколишньому середовищі. Припустимий вміст радіоактивних речовин в організмі (тобто така кількість, за наявності якої утворюється доза на критичний орган, що перевищує ГДД) залежить від ступеня безпеки радіоактивних елементів у випадку потрапляння всередину і визначається їх радіотоксичністю.

Радіотоксичність – це властивість радіоактивних ізотопів спричинювати патологічні зміни у випадку потрапляння їх до організму. Радіотоксичність ізотопів залежить від низки моментів, основними з яких є: 1) вид радіоактивного перетворення; 2) середня енергія одного акту розпаду; 3) схема радіоактивного розпаду); 4) шляхи надходження радіоактивних речовин до організму; 5) розподіл в органах та системах; 6) час перебування радіонукліда в організмі; 7) тривалість надходження радіоактивних речовин до організму людини.

Основними шляхами надходження радіоактивних речовин до людського організму є: дихальні шляхи, кишково-шлунковий тракт і шкіра. Найнебезпечнішим є потрапляння радіоізотопів через верхні дихальні шляхи, звідки вони потрапляють у шлунок і легені. Через неушкоджену шкіру резорбція у 200–300 разів менша, ніж через травний канал, що не відіграє суттєвої ролі, за винятком ізотопу Гідрогену – Тритію, який легко потрапляє через шкіру. Додаткове внутрішнє опромінення є під час споживання забрудненої їжі.