Воздействие радиации на ткани живого организма

В органах и тканях биологических объектов как и в любой среде при облучении в результате поглощения энергии идут процессы ионизации и возбуждения атомов. Эти процессы лежат в основе биологического действия излучений. Его мерой служит количество поглощенной в организме энергии.
В реакции организма на облучение можно выделить четыре фазы. Длительность первых трех быстрых фаз не превышает единиц микросекунд, в течение которых происходят различные молекулярные изменения. В четвертой медленной фазе эти изменения переходят в функциональные и структурные нарушения в клетках, органах и организме в целом.
Первая, физическая фаза ионизации и возбуждения атомов длится 10^-13 сек. Вo второй, химико-физической фазе, протекающей 10^-10 сек образуются высокоактивные в химическом отношении радикалы, которые, взаимодействуя с различными соединениями, дают начало вторичным радикалам, имеющим значительно большие по сравнению с первичными сроки жизни. В третьей, химической фазе, длящейся 10^-б сек, образовавшиеся радикалы, вступают в реакции с органическими молекулами клеток, что приводит к изменению биологических свойств молекул.
Описанные процессы первых трех фаз являются первичными и определяют дальнейшее развитие лучевого поражения. В следующей за ними четвертой, биологической фазе химические изменения молекул преобразуются в клеточные изменения. Наиболее чувствительным к облучению является ядро клетки, а наибольшие последствия вызывает повреждение ДНК, содержащей наследственную информацию. В результате облучения в зависимости от величины поглощенной дозы клетка гибнет или становится неполноценной в функциональном отношении. Время протекания четвертой фазы очень различно и в зависимости от условий может растянуться на годы или даже на всю жизнь.
Различные виды излучений характеризуются различной биологической эффективностью, что связано с отличиями в их проникающей способности (рисунок 3) и характером передачи энергии органам и тканям живого объекта, состоящего в основном из легких элементов (таблица 9).

Рис. 3. Схематическое изображение проникающей способности различных излучений.

Таблица 9.

Химический состав мягкой ткани и костей в организме человека
Элемент	Заряд, Z	Процентное отношение по;весу
Мягкая ткань	кости
Водород		10.2	6.4
Углерод		12.3	27.8
Азот		3.5	2.7
Кислород		72.9	41.0
Натрий		0.08	-
Магний		0.02	0.2
Фосфор		0.2	7.0
Сера		0.5	0.2
Калий		0.3	-
Кальций		0.007	14.7

Альфа-излучение имеет малую длину пробега частиц и характеризуется слабой проникающей способностью. Оно не может проникнуть сквозь кожные покровы. Пробег альфа-частиц с энергией 4 Мэв в воздухе составляет 2.5 см, а в биологической ткани лишь 31 мкм. Альфа-излучающие нуклиды представляют большую опасность при поступлении внутрь организма через органы дыхания и пищеварения, открытые раны и ожоговые поверхности.
Бета-излучение обладает большей проникающей способностью. Пробег бета-частиц в воздухе может достигать нескольких метров, а в биологической ткани нескольких сантиметров. Так пробег электронов с энергией 4 Мэв в воздухе составляет 17.8 м, а в биологической ткани 2.6 см.
Гамма-излучение имеет еще более высокую проникающую способность. Под его действием происходит облучение всего организма.
Биологический эффект от действия тепловых нейтронов в основном обусловлен процессами
Н(n, )²H и ^l4N(n,p)^l4C
Сечения этих реакций составляют соответственно 0.33 и 1.76 барн. Основной эффект воздействия на биологическую ткань происходит под действием протонов, образующихся в реакции (n,р) и теряющих всю свою энергию в месте рождения.
Для медленных нейтронов сечения захвата нейтронов малы. Большая часть энергии расходуется на возбуждение и расщепление молекул ткани.
Для быстрых нейтронов до 90% энергии в ткани теряется при упругом взаимодействии. При этом решающее значение имеет рассеяние нейтронов на протонах. Дальнейшее выделение энергии происходит в результате ионизации среды протонами отдачи.

Эскпозиционнная доза - основная характеристика, показывающая величину ионизации сухого воздуха. Единица измерения - Рентген.

Поглощенная доза - количество поглощенной энергии на единицу массы вещества. Единицами измерения являются Грей и Рад. При этом 1 Гр = 100 рад

Эквивалентная доза - мера биологического воздействия на живые организмы, рассчитывается как поглощенная доза, умноженная на коэфициент качества (КК), показывающий способность данного вида излучения повреждать ткани организма. Единицами измерения является Бэр или Зиверт. КК для рентгеновских, бета и гамма лучей равен 1, для протонов и быстрых нейтронов 3-10, для альфа излучения 20. Отсюда мы видим,что альфа излучение, хоть и имеет низкую проникающую способность, но при попадании внутрь несет наибольшую опасность. При этом при КК=1 можно считать, что 1 бэр соответвует поглощенной дозе в 1 рад. Также для упрощения расчетов, можно считать, что экспозиционная доза 1 рентген для биологической ткани соотв. поглощенной дозе в 1 рад и эквивалентной дозе в 1 бэр (при КК=1), т.е. грубо говоря 1 Р = 1 рад = 1 бэр. Это что касается бэров. Также 1 Зв = 1 Гр (при КК=1).

Мощность дозы - показывает какую дозу облучения за промежуток времени получит предмет, либо живой организм. Единица измерения - Зиверт/час. Мощность эквивалентной дозы, или мощность амбиентного эквивалента дозы H*(d), показывают бытовые дозиметры, которые отградуированы, как правило, в мкЗв/час или мкР/час (старые модели). При этом 1 Зв = 100 Р и соотв. 1 Зв/ч = 100 Р/ч.

Эффективная эквивалентная доза применяется при расчете индивидуальной дозы облучения и представляет собой эквивалентную дозу, умноженную на коэфициент радиацинного риска для разных органов человека. Другими словами, органы и ткани человека имею разную восприимчивость к радиационному облучению. Наиболее восприимчивы к радиации красный костный мозг, легкие, гонады. Менее подвержены излучению щитовидная железа, мыщцы и другие органы. Просуммировав эквивалентные дозы, умноженные на соотв. коэфициенты радиационого риска органов, получим эффективную эквивалентную дозу, измеряемую также в бэрах и зивертах. При этом 1 Зв = 100 бэр.

Коэфициент радиационного риска
Гонады (половые железы)	0,2
Красный костный мозг	0,12
Толстый кишечник	0,12
Желудок	0,12
Лёгкие	0,12
Мочевой пузырь	0,05
Печень	0,05
Пищевод	0,05
Щитовидная железа	0,05
Кожа	0,01
Клетки костных поверхностей	0,01
Головной мозг	0,025
Остальные ткани	0,05
Организм в целом

Коллективная эффективная эквивалентная доза рассчитывается для группы людей.

Также рассмотрим естественное радиационное облучение (природная радиация). Его можно разделить на внешнее облучение и внутреннее. Внешнему радиационному облучение мы подвергаемся при перелетах на самолете, из-за воздействия космических лучней. Например, при походах в горы вы подвергаеетесь более сильному воздействию естественногог радиационного,нежели над уровнем моря. Другими словами, где бы мы не находились, мы все равно подвергаемся воздействию небольшого радиационного фона (0,08 - 0,3 мкЗв/час.), Такой уровень радиации считается допустимым. На внутреннее облучение приходится примерно 2/3 эквивалентной эффективной дозы, получаемой человеком от естественных источников радиации, поступаемых в организм с пищей, водой и воздухом.

Наиболее весомым вкладом в естественное облучение человекав носит радиоактивный газ радон, на долю которого приходится 3/4 годовой эквивалентной эффективной дозы радиационного облучения человека. Радон высвобождается из недр повсеместно, но неравномерно, накапливаясь в непроветриваемых помещениях. Также содержится в некоторых строительных материалах и некоторых глубоких артезианских источниках воды. Очень большую опасность представляет попадание паров воды с содержанием радона в легкие, например в ванной комнате - там его количество может в 3 раза превышать содержание радона в кухне, и в 40 раз выше, чем в комнате. Вообщем почаще проветривайте жилые помещения.

Искусственные источники радиации. К ним относится атомная энергетика, рентгенологические процедуры. Ниже приведены основные источники радиационного облучения и эффективные эквивалентные дозы, мкЗв/год.

Годовые эффективные эквивалентные дозы, мкЗв/год
Космическое излучение
Облучение от стройматериалов и на местности
Внутреннее облучение
Радон-222, радон-220
Медицинские процедуры
Испытания ядерного оружия	1,5
Ядерная энергетика	0,01
Всего

Воздействие радиационного излучения на живой организм вызывает в нем различные обратимые и необратимые биологические изменения. И эти изменения делятся на две категории - соматические измененения, вызываемые непосредственно у человека, и генетические, возникающие у потомков. Тяжесть воздествия радиации на человека зависит от того, как происходит это воздействие - сразу или порциями. Большинство органов успевает восстановитьсяв той или и ной степени от радиции, поэтому они лучше переносят серию кратковременных доз, по сравнению с той же суммарной дозой облучения, получаемуюза один раз. Как писалось выше, реакция различных органов на радиацию не одинакова - красный костный мозг и органы кроветворной системы, репродуктивные органы и органы зрения наиболее сильно подвержены воздействию радиации. Также, стоит заметить, что дети сильнее подвержены воздействию радиации, чем взрослый человек. Большинство органов взрослого человека не так подвержены радиации - это почки, печень, мочевой пузырь, хрящевые ткани. Далее для примера показан вред организму от однократного воздействия гамма-излучения

Однократное воздействие гамма-излучения
100 зВ	смерть наступает через несколько часов или дней вследствие повреждения центральной нервной системы
10—50 зВ	смерть наступает через одну—две недели вследствие внутренних кровоизлияний
4—5 зВ	50% облученных умирает в течение одного—двух месяцев вследствие поражения клеток костного мозга
1 зВ	нижний уровень развития лучевой болезни
0,75	кратковременные незначительные изменения состава крови
0,30	облучение при рентгеноскопии желудка (разовое),
0,25	допустимое аварийное облучение персонала (разовое),
0,1	допустимое аварийное облучение населения (разовое),
0,05	допустимое облучение персонала в нормальных условиях за год
0,005	допустимое облучение населения в нормальных условиях за год
0,0035	годовая эквивалентная доза облучения за счет всех источников излучения в среднем для жителя России

Первичные радиобиологические процессы протекают на физико-химическом этапе становления радиобиологических эффектов и включают в себя прямое и косвенное действие излучения, а также действие радиотоксинов.

Физическая стадия. Взаимодействие излучения с атомами биологически важных молекул(М). Стадия обратима.

Прямое действие - это непосредственное действие излучения на биологический объект, обусловленное ионизацией и возбуждениемвходящих в него атомов и состоит из поглощения энергии,образования метастабильных состояний, ведущих к появлению стабильных пораженных, либо измененных биомолекул.

Косвенное действие осуществляется продуктами радиолиза воды, входящей во все живые системы.