4 Биологическое действие 3h на живые организмы

Эффект облучения, как известно, зависит от величины поглощенной, дозы, ее мощности, объема облучаемых тканей и органов и вида излучения. В основе повреждающего действия лежит комплекс взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов — ионизация и возбуждение атомов и молекул дают начало образованию высокоактивных радикалов, вступающих во взаимодействие с различными биологическими структурами клеток. Важное значение имеет внутри- и межмолекулярная передача энергии возбуждения, а также возможные разрывы связей в молекулах за счет непосредственного действия радиации. Физико-химические процессы, протекающие на начальном этапе, принято считать первичными, пусковыми. В последующем развитие лучевого поражения проявляется в нарушении функций органов и их систем. Особую опасность представляют радионуклиды, которые, накапливаясь в органах и тканях, становятся источником длительного внутреннего облучения.

Биологическая эффективность трития и ¹⁴С по сравнению с другими радионуклидами иная, т. к. из ряда естественных нуклидов только углерод и тритий входят непосредственно в генетические структуры живых организмов.

4.1 Биологическое действие 3h на живые организмы

Наиболее характерными химическими формами трития являются его окись (НТО) и элементарное состояние в виде двухатомной молекулы (НТ). Тритий может также входить в состав углеводородов или других водородосодержащих соединений. Биологическое действие трития обусловлено главным образом его окисной формой. НТО не только наиболее, распространенная форма нуклида, но и конечный продукт биохимических превращений и изотопного обмена многих его соединений. Из-за низкой растворимости трития в жидкой фазе организма обычно считают, что НТО представляет большую биологическую опасность, чем тритий. Опасность облучения газообразным тритием, по крайней мере, в 1000 раз меньше, чем опасность облучения тритий содержащей водой, так как только незначительная доля газообразного трития (0,04 -0,10%) задерживается в организме вследствие непосредственного растворения и биологического окисления.

Интегрированный в живой организм тритий эффективно включается в состав биологической ткани, вызывая мутагенные нарушения, как за счет воздействия β-излучения, так и за счет молекулярных изменений, вызванных заменой водорода нейтральным атомом гелия (в результате распада ³H → ³He). ³H с водой поступает практически во все растительные и животные организмы.

Независимо от путей поступления в живой организм ³H распределяется в нем равномерно и находится в нем в виде свободного HTO или в виде связанного ³H. Свободный HTO выводится из организма быстрее, чем связанный. Так, эффективное время полувыведения свободного HTO из организма человека принимается равным 10 суткам (9.7 суток) для взрослых массой 70 кг (стандартный человек) со скоростью дыхания 7300 м³/год, а для связанного ³H — от 30 до 450 суток [3].

Тритий не представляет значительной внешней радиационной опасности, поскольку β–частицы, излучаемые в процессе его распада, имеют низкую энергию и очень низкую проникающую способность (максимальный пробег в ткани – 6,5 мкм). Oднако, тритированная вода и ее пары могут поступать в тело, проникая через кожу, а тритированный водород может вызвать повышенное облучение легочной ткани. С учетом общепринятой зависимости коэффициент качества (КК) или относительную биологическую эффективность для излучения трития следует ожидать в пределах 1,7≤КК≤2,4. Поэтому излучаемая тритием радиация и поглощаемая на очень ограниченной площади тканей тела, а также трансмутация ³H в ³He при β–распаде может быть биологически значимой. Даже более повреждающие эффекты могут быть результатом относительно большой разницы масс, которая происходит при замене в клетке водорода на ³H, причем массовый эффект проявляется немедленно, раньше чем инициируемый распадом атома трития. Пары тритированной воды, поступающие в организм через кожу и ингаляцию, представляют особую опасность для персонала, который должен обращаться с высокими концентрациями трития.

Как отмечено выше, радиоактивный распад трития приводит к нарушению молекулярных структур и межмолекулярных связей под действием β-излучения, а также в результате превращения трития в изотоп гелия. Обладая наименьшей энергией β-частиц, тритий создает значительную плотность ионизации ткани (число пар ионов, образуемых заряженной частицей на единице ее пути). Кроме того, пробег β-частиц трития значительно меньше геометрических размеров клеток, поэтому поражение тритием локализуется возле самого изотопа, и общее поражение зависит от геометрии его распределения в тканях организма и микрогеометрии распределения в клетке. Атомы трития замещают в молекулах ткани атомы водорода.

Органически связанный тритий (ОСТ) представляет более серьезные факторы риска, чем тритиевая вода при одинаковом количестве поглощения трития по двум основным причинам. Во-первых, химическая форма влияет на вероятность проникновения трития в состав ДНК или другие биомолекулы. Поскольку бета-частицы малой энергии трития не распространяются на большие расстояния, то разница в повреждениях, нанесенных тритием, который сконцентрирован в ядре клетки (где находится ДНК), и тем, который находится в цитоплазме, будет велика. Например, органически связанный тритий, попадающий в организм с пищей, более вероятно войдет в состав биомолекул, чем тритий, который проникает в организм с питьевой тритиевой водой.

Второй причиной более опасного влияния ОСТ является то, что по сравнению с тритиевой водой он, как правило, дольше задерживается в организме. Исследования людей показывают, что половина тритиевой воды выходит из организма каждые 10 дней, при этом удаление половины ОСТ из организма занимает от 21 до 76 дней. Для некоторых молекул с очень медленной скоростью перехода это время может увеличиться до 280-550 дней. Более длительное время удержания ОСТ в организме вызывает особое беспокойство, если тритий проникает в такие ткани, как нейроны (основные клетки нервной системы) или ооциты (незрелые яйцеклетки). Учитывая, что формирование яичников у женщин происходит раз в жизни, воздействия радиации на репродуктивную систему внутриутробного плода женского пола, а также возможное воздействие на детей, матери которых были облучены внутриутробно, могут быть значительными.

Последней проблемой, касающейся описанных моделей, является замещение в ДНК атома водорода тритием. Поскольку гелий-3 плохо связывается с углеродом, распад этого атома трития создает свободный ион гелия, который отделяется от молекулы. Это может привести к различным эффектам, например, разрушению однонитевых ДНК. Также возможны точечные мутации, при которых превращение трития в гелий способно трансформировать один из четырех стандартных блоков ДНК (т.е. цитозин) в другой (тимин). Однако действующие модели предполагают, что прямое повреждение от бета-частиц будет более значительным, чем вред, нанесенный при образовании гелия-3.