3 Действие ионизирующих излучений в зависимости от дозы и мощности дозы

Как уже отмечалось, действие ионизирующих излучений зависит от дозы облучения и мощности дозы, а также от вида частиц, обеспечивающих радиационной действие и времени, в течении которого получена определенная доза. Как уже отмечалось выше, радиационное воздействие происходит в любой среде, изменяет свойства любого объекта. В качестве примера можно привести облучение полиэтилена. Облучение изделий из полиэтилена дозами до 10 КГр снижает их механические свойства, способствует их деструкции. Дозы выше 10⁴ Гр образуют трехмерную структуру вещества, повышают механические свойства изделий, у полиэтилена появляются новые свойства. Облучение дозами порядка 10⁷ Гр вновь изменяют свойства полиэтилена, изделие приобретает свойства эластичности, «каучукоподобности».

В отличие от неживых объектов, биологические системы изменяют свои свойства при сравнительно небольших дозах и мощностях дозы. Общие закономерности величин доз, угнетающих жизненные процессы были приведены выше. Однако важное значение имеет не только величина дозы, но и ее мощность.

3.1 Действие малых доз ионизирующих излучений

Понятие «малая доза» неоднозначно. Исходя из приведенных выше различий в радиочувствительности живых организмов логично сделать вывод о различной величине «малой дозы» для разных организмов или периодов онтогенеза. Часто, в соответствии с антропоцентрическим подходом, малыми дозами считают дозы менее 50-100 мЗв однократно или 5-10 мЗв в год. Однако в научно-практических работах по изучению действия радиации на растения к малым дозам относили величины однократного облучения в 10 и более Гр. Вопрос о биологических эффектах действия малых доз излучения, особенно проблема их количественной оценки (как, впрочем, и любых иных антропогенных факторов малой интенсивности), продолжает оставаться предметом многочисленных дискуссий и полярных мнений по поводу их опасности для человека и среды его обитания.

В зависимости от особенностей биологического действия всю совокупность многообразных факторов физической, химической и биологической природы можно условно разделить на две большие группы: агенты (или факторы), обладающие порогом вредного действия, и агенты, лишенные таких свойств, для которых порога вредного влияния не существует. К числу «пороговых агентов» (т.е. если порог вредного действия не достигнут, биологические эффекты отсутствуют) относят многие ксенобиотики и некоторые виды неионизирующих излучений. К «беспороговым факторам» современная наука относит все виды ионизирующих излучений и некоторые токсиканты химической природы, обладающие канцерогенным и мутационным действием.

По определению, в условиях длительного хронического воздействия на организм «пороговых агентов» в количествах, равных или ниже установленного значения порога (по концентрации, дозе и т.п.), исключаются каких-либо вредные медико-биологические последствия у отдельных лиц, всего населения и его потомков.

Принципиально иной подход используют при прогнозировании и регламентации негативных эффектов в случае воздействия «беспороговых факторов». В мировой науке этот подход впервые был предложен в начале второй половины XX века и относился к ионизирующим излучениям. Только в последние годы этот подход распространен на область химических агентов, для которых получены доказательства их канцерогенного и генотоксического действия.

Концепция (точнее, рабочая гипотеза) беспорогового действия ионизирующих излучений постулирует линейную зависимость биологических эффектов от дозы облучения. Это значит, что отрицательные (но не детерминированные) вредоносные биологические эффекты воздействия ионизирующего излучения - злокачественные опухоли и наследственные нарушения - теоретически возможны при сколь угодно малой дозе облучения вплоть до значений, практически не отличающихся от нуля. При этом вероятность индукции таких эффектов тем меньше, чем ниже доза облучения.

Эффекты, которые порождаются воздействием малых доз, принципиально отличаются от лучевых поражений (лучевая болезнь, лучевые ожоги и т.д.), вызванных дозами порядка 70 - 100 бэр и выше, когда говорят о не стохастических или детерминированных соматических эффектах: увеличивается доза - увеличивается тяжесть поражения.

Детерминированные эффекты с высокой степенью вероятности персонифицированы, и степень тяжести поражения любого облученного индивидуума или группы пострадавших будет тем больше, чем выше доза облучения.

Для стохастических, вероятностных последствий облучения речь идет не о тяжести поражений, а о повышении частоты (вероятности) случаев проявления раковых заболеваний или наследственных дефектов в популяции людей и в том числе у каждого среднестатистического индивидуума. Следовательно, чем больше лучевая нагрузка на популяцию, тем вероятность выхода (частоты) отдаленных последствий будет выше.

Для осуществления соответствующих расчетов и оценок в радиационной защите введено специальное понятие, определяемое термином «коллективная доза облучения» (S). Она представляет собой произведение двух величин:

- средней эффективной индивидуальной дозы в облученной когорте;

- численности людей, которые подверглись облучению.

Обозначается S в человеко - зивертах или человеко - греях (чел-Зв; чел-Гр). Например, когорта населения численностью 1000 человек подверглась облучению средней индивидуальной дозой 0,01 Гр внешнего γ-облучения. Тогда S составляет 1000×0,01 = 10 чел-Гр. Если различные когорты людей получили одинаковую коллективную дозу, то теоретически ожидаемый абсолютный выход опухолей или наследственных дефектов будет равным независимо от численности облучаемых групп. Сказанное можно пояснить следующим примером.

Допустим, одна популяция численностью 1 млн. человек облучена средней эффективной индивидуальной дозой 0,001 Зв, а другая, численностью 10 000 человек, - дозой 0,1 Зв. Тогда коллективные дозы облучения в обоих когортах будут равны, и ожидаемый выход злокачественных опухолей также будет в принципе одинаковым. Для отдельного человека из первой группы, облученного дозой 0,001 Зв, вероятность рака будет в 100 раз меньше, чем во второй когорте, облученных дозой 0,1 Зв.

Линейная беспороговая концепция действия ионизирующих излучений была принята в качестве рабочей гипотезы международными научными организациями (НКДАР и  МКРЗ) в основном для обоснования принципов и методов регламентации малых доз облучения. При ее обосновании исходили из теоретически корректных представлений о механизмах взаимодействия излучений с биосубстратами на молекулярном уровне, экспериментальных исследований на биологических моделях in vitro и на микроорганизмах. Из-за отсутствия сколько-нибудь надежных данных при действии малых доз данные о канцерогенных эффектах у человека при воздействии больших доз и больших мощностей доз были экстраполированы в область малых доз и низких мощностей доз (с введением некоторых поправочных коэффициентов, учитывающих меньшую биологическую эффективность малых доз).

Упомянутая рабочая гипотеза (а не доказанный на человеческих популяциях факт), будучи по сути своей консервативной, явно завышает реальный риск облучения в малых дозах и, следовательно, практически исключает возможную недооценку подобного рода последствий.

В то же время возникает много проблем, касающихся доказательства существования таких эффектов у человека. Согласно теории и соответствующим расчетам риск, точнее вероятность, проявления у людей в обсуждаемом диапазоне малых доз, особенно хронического облучения, - весьма редкое событие. Для выявления таких стохастических эффектов на фоне высоких уровней спонтанной патологии (рак и наследственные дефекты естественного происхождения) требуются популяции, исчисляемые многими сотнями тысяч и даже миллионами людей (без учета так называемых контрольных, т.е. без облучения, групп обследуемого населения). Эти эффекты нельзя наблюдать на единичных случаях - каждый конкретный исход случаен (человек, получивший и малую дозу, может заболеть, а получивший в 100 раз больше - остаться здоровым).

При воздействии на людей различных факторов малой интенсивности, будь то радиация или иные агенты антропогенной природы, возникает необходимость учета и количественного анализа множества дополнительных моментов и обстоятельств, которые затрудняют, маскируют либо искажают оценку истинной картины воздействия данного фактора на здоровье обследуемой популяции людей.

Пока не найдено никакого теста, позволяющего отличить радиогенный рак от других видов опухолей тех же гистологических типов. Поэтому радиогенный рак можно связать с облучением только путем тщательного статистического сравнения с количеством ожидаемых случаев в популяциях, идентичных по всем показателям, кроме воздействия дополнительной дозы облучения. Например, небольшое превышение числа случаев злокачественных опухолей, которое предположительно связывают с излучением, может считаться достоверно установленным только если оно примерно вдвое превышает стандартное отклонение, характерное для неизбежного варьирования ожидаемого числа случаев (спонтанных опухолей) в обследуемой группе населения.

В таблице 3 приведены размеры выборок, необходимых для статистически значимого определения зависимости доза-эффект в канцерогенезе.

Таблица 3 - Размеры выборок, необходимых для статистически значимого определения зависимости доза-эффект

Уровень доз, Зв	Размер выборки, чел
1 0,1 0,01	1 000 100 000 10 000 000

По мнению большинства ученых, не существует совокупности доказанных данных, устанавливающих рост канцерогенного риска при дозах ниже 0,5-0,2 Гр. Известные данные более чем пятидесятилетнего медицинского наблюдения за облученными людьми. Это 90 тысяч человек, переживших атомную бомбардировку в Японии, столько же получивших облучение на ядерных производствах, 500 тысяч облучившихся во время ядерных испытаний, почти миллион ежегодно составляют пациенты, получающие лучевую терапию. Однако мировая практика не знает ни одного случая проявления детерминистских последствий от воздействия доз, меньше 0,5 Гр; канцерогенный и тератогенный эффекты относятся к отдаленным последствиям, реализующимся через годы и даже десятки лет после облучения.

Японские ученые располагают данными, прослеживающими влияние малых доз на протяжении нескольких десятилетий. Согласно статистике, даже после ядерной бомбардировки не было зарегистрировано учащение случаев рака у лиц, облученных дозами менее 0,5 Гр, по сравнению с контрольной группой. Исследовалось также тератогенное влияние облучения, причем оценивались и неблагоприятные исходы беременности (мертворождение, серьезные врожденные дефекты, смерть в первую неделю после рождения). Частота этих нарушений у облученных оказалась не выше, чем в контрольной необлученной группе.

Применительно к некоторым лейкозам человека, радиогенное происхождение которых четко доказано, ряд ученых предполагают наличие практического порога для их индукции в пределах доз 0,3-0,4 Гр.

В последние годы в литературе появились публикации, посвященные так называемому гормезису - положительному эффекту хронического облучения в малых дозах. Так, японский исследователь С. Кондо, проанализировав данные 40-летних наблюдений за лицами, пережившими атомную бомбардировку, обнаружил, что кривая «доза - эффект» для большинства видов раковых опухолей имеет «впадину» в диапазоне малых доз от 1 до 0,5 Гр. Иными словами, малые дозы, по-видимому, способствуют снижению заболеваемости раком.

В.Е. Балакин с соавторами, исследуя эффект возрастной стабилизации генома при действии малых доз ионизирующего излучения установили, что малые дозы ионизирующей радиации подавляют рост уровня цитогенетических нарушений, обусловленный старением, до уровня ниже спонтанного, т.е. переводят организм в новое устойчивое состояние, отличающееся повышенной стабильностью генома. Это явление открывает новое направление в биологии - исследование обнаруженного эффекта стабилизации генома и возможности в дальнейшем его использования в медицине.

Член-корреспондент РАН А. М. Кузин, много лет, изучающий стимулирующее действие малых доз радиации, связывает этот процесс с активизацией иммунной системы организма. Напомним, что по данным НКДАР ООН достоверное снижение иммунитета выявлено в дозах более 100 Гр. При значительно меньшем облучении наблюдаются противоположные явления: усиливается фагоцитоз и образование антител, растет уровень лизоцима и отчетливо прослеживается стимуляция общеиммунологического статуса организма.

Отмечают, что у рентгенологов, в условиях удовлетворительной защиты и малых доз радиации, обнаружена стимуляция бактерицидной активности сыворотки крови, причем ее степень возрастает с увеличением стажа их работы. Стимуляцией иммунитета можно, по-видимому, объяснить и известный оздоравливающий эффект радоновых ванн.

Этот феномен пытались использовать для стимуляции роста и развития животных и растений в сельском хозяйстве. В большом количестве работ было показано ускоренное развитие птиц и различных растений, увеличение их живой массы и урожайности. Однако результаты исследований не были стабильными, а кривая доза-эффект для малых (стимулирующих) доз непостоянной, в отличие от высоких доз, при которых эффект угнетения жизнедеятельности наблюдался со 100% постоянством. Высказывалось мнение, что эффект стимуляции малыми дозами ионизирующего действия семян растений характерен для определенной выборки, не обладающей высокими посевными качествами. При использовании семян с высокими посевными кондициями эффект стимуляции не наблюдается или незначителен, что делает неэкономичным применение данного явления.