Влияние ионизирующего излучения на организм

Возникшая на территории Беларуси в результате аварии на ЧАЭС радиационная обстановка заставила обратиться к изуче­нию влияния ионизирующих излучений на организм и биомеди­цинских последствий, связанных с аварией.

Ионизирующие излучения, или радиоактивность, возникают в результате способности нестабильных изотопов¹ химического элемента к самопроизвольному распаду и превращению в другой изотоп до тех пор, пока не образуется стабильный элемент. Так, цепочка распада наиболее распространенного изотопа урана 11-238 ведет к образованию радиоактивного ряда, конечным продуктом которого является стабильный изотоп свинца. Среди радиоактивных элементов, образуемых при этом, встречаются короткоживущие (например, протоактиний Ра-234 с продолжи­тельностью жизни 1,18 мин) и долгоживущие, такие как торий (Тп-230 — 80 000 лет). Каждый акт распада сопровождается вы­делением лучистой энергии, способной вызывать ионизацию — превращение нейтральных атомов и молекул облучаемого веще­ства в электрически заряженные. В процессе самопроизвольного радиоактивного распада² атомными ядрами выделяются излуче-

¹ В каждом атоме числу протонов соответствует число электронов, так что в целом атом электронейтрален. В ядре присутствуют также нейтроны — электри­чески нейтральные частицы. Ядра атомов одного и того же элемента всегда со­держат одно и то же число протонов, но число нейтронов в них может быть разным. Атомы, имеющие ядра с одинаковым числом протонов, но различающиеся по числу нейтронов, называются изотопами одного и того же элемента. Чтобы от­личить их друг от друга, к названию или символу элемента приписывают число, равное сумме всех частиц в ядре данного изотопа. Так, уран-238 (11-238) содер­жит 92 протона и 146 нейтронов, в уране-235 (11-235) тоже 92 протона, но 143 ней­трона. Ядра всех изотопов химического элемента образуют группу нуклидов.

² Радиоактивным распадом называется процесс самопроизвольного распада нестабильного нуклида, сам же нуклид — радионуклидом. Время распада может длиться от доли секунды до миллиардов лет. Период полураспада — время, необ­ходимое для того, чтобы радиоактивное вещество потеряло половину своей ак­тивности. Каждый радионуклид имеет неизменный, присущий только ему пери­од полураспада (11-238 — 4470 млн лет; 1-131 — 8 суток). При следующих друг за другом периодах полураспада активность вещества уменьшается соответственно на 1\2, 1\4, 1\8, 1\16 и т.д. своей первоначальной величины.

К корпускулярным относятся альфа-излучение — поток поло­жительно заряженных частиц (ядер атома гелия); бета-излуче­ние — поток отрицательно заряженных частиц (электронов). Электромагнитным является гамма-излучение — коротковолно­вое излучение, близкое к рентгеновскому, при котором не про­исходит испускания каких-либо частиц.

Человек и животные в процессе эволюции адаптировались к ионизирующим излучениям от естественных природных ис­точников земного и космического происхождения. Но в настоя­щее время радиационный фон окружающей среды значительно повысился за счет искусственных источников облучения. Меди­цинское применение рентгеновских лучей, испытание атомного оружия и последующее выпадение радиоактивных осадков, раз­витие атомной энергетики сыграли значительную роль в повы­шении радиоактивности на земном шаре. Отмечено, что с 1944 по 1988 г. в мире произошло 296 аварий, связанных с использо­ванием атомной энергетики, в которые было вовлечено около 140 000 человек. При этом значительные дозы облучения (более 600 Р на участок кожи и более 25 Р на костный мозг) получили 25 000 человек. Следует учитывать, что на организм человека, кроме общего облучения, воздействуют и радиоактивные веще­ства, попадающие через дыхательные пути и желудочно-кишечный тракт.

Спустя 10 лет после открытия рентгеновских лучей узнали о возникновении вследствие облучения ими злокачественных новообразований, а первыми жертвами стали медицинские работ­ники. Вскоре появились экспериментальные данные о лучевом канцерогенезе (развитии злокачественных опухолей) у различ­ных видов животных. Наиболее полные сведения об индуциро­ванных облучением лейкозах и опухолях у человека содержатся в многочисленных сводках и обзорах, посвященных отдаленным последствиям действия излучения у пострадавших при атомных бомбардировках в Японии. По данным отчета ООН за 1964 г., заболеваемость лейкозами в Японии с 1946 по 1960 г. выросла с 10,7 до 28 на 1 млн человек. Получены важные данные о зави­симости частоты острых и хронических лейкозов от возраста и дозы излучения. Показано, что в целом риск заболевания лейкозом у переживших бомбардировку с течением времени снижа­ется, однако у тех, кто 30 лет назад подвергся сильному облуче­нию, вероятность заболевания все еще превышает контрольный уровень. Степень поражения организма в результате воздействия про­никающей радиации зависит от двух основных факторов:

♦ радиочувствительности тканей, органов и систем;

♦ величины поглощенной дозы излучения и ее распределе­ния в организме. Каждый в отдельности и в сочетании друг с другом эти факторы определяют тип реакции организма на лу­чевые воздействия (местные или общие), а также время ее про­явления (непосредственно после облучения, вскоре после него или в более отдаленные сроки).

Поглощенная телом человека доза измеряется в грэях (ра­дах), а естественный радиационный фон, действию которого

¹ В научный оборот введены различные единицы измерения уровня радио­активности, что часто затрудняет интерпретацию данных разных авторов. Для облегчения задачи можно выделить дозы активного излучения и дозы поглоще­ния. Доза активного излучения определяется числом распадов в секунду в радио­активном образце. Единица измерения активности, названная в честь впервые выделивших чистый радий Пьера и Марии Кюри — кюри (Ки), была введена применительно к радию, 1 г которого обладал активностью 1 Ки. По отношению ко всем остальным радиоактивным элементам 1 Ки стал выражать количество вещества, в котором за 1 с происходит распад 37 млрд атомов. Поскольку кюри относительно крупная единица радиоактивности, чаще применяют милликюри (0,001 кюри) или микрокюри (0,000001 кюри). Введенная в Международную сис­тему единиц новая единица активности, названная в честь первооткрывателя яв­ления радиоактивности А.А. Беккереля — беккерель (Вк), соответствует 1 распа­ду в 1 с. Один беккерель — мелкая единица по отношению к одному кюри (1 Вк = = 27 тКи). Для удобства пересчета активности, выраженной в беккерелях, и на­оборот, можно использовать коэффициенты пересчета активности. Поглощен­ной дозой называется количество энергии излучения, поглощенное единицей массы облучаемого тела (тканями организма). В медицинской и биологической литературе радиационный фон выражают в показателях мощности поглощен­ной дозы в тканях организма — грэй в секунду (Гр/с) или рад в секунду (рад/с). Грэй равен поглощенной дозе излучения, при которой веществу массой 1 кг пе­редается энергия ионизирующего излучения, равная 1 Дж. Единица поглощен­ной дозы 1 рад равна 0,01 Гр, а 1 Гр = 100 рад. Кроме физического распада ра­дионуклидов в организме происходят химические процессы, способствующие выведению радиоактивных веществ. Для характеристики времени выведения ис­пользуется специальный параметр — период полувыведения — время, в течение которого выводится половина радиоактивного вещества, попавшего в организм или орган.

Равные дозы различных видов излучения вызывают различные биологи­ческие эффекты. Например, поглощенная доза нейтронного из­лучения приводит к более тяжелым последствиям, чем такая же доза рентгеновского.

Радиочувствительность организма тем выше, чем моложе че­ловек. Особенно сильное влияние радиация оказывает на эм­брион. На ранних этапах эмбриогенеза плод представляет собой конгломерат из делящихся и дифференцирующихся клеток, об­ладающих наибольшей радиочувствительностью. Весьма частым следствием облучения эмбриона является микроцефалия (недо­развитие мозга) или вообще отсутствие центральной нервной системы, возникающее при дозах 0,5-2 Гр. Во взрослом орга­низме таких последствий нельзя вызвать никакими дозами. Об­лучение на ранних стадиях развития организма (до имплантации оплодотворенной яйцеклетки в матку и в начале органогенеза), как правило, заканчивается внутриутробной гибелью, а при об­лучении в середине периода органогенеза — гибелью новорожден­ного. Воздействие в период основного органогенеза вызывает уродства, а облучение плода — лучевую болезнь новорожденно­го. Изучение последствий облучения беременных женщин во время атомной бомбардировки в городах Хиросима и Нагасаки показало, что степень проявления аномалий и их особенности в основном соответствуют теоретически ожидаемым. У полови­ны детей, матери которых находились в 2 км от эпицентра взрыва, отмечена внутриутробная смертность, а у выживших младенцев наблюдалась умственная отсталость. Согласно другим данным, у 45 % детей, родившихся от матерей, подвергшихся облучению в сроках беременности 7-15 недель, имелись признаки умствен­ной отсталости. У потомства женщин, перенесших облучение в первой половине беременности, отмечены микроцефалия, за­держка роста, болезнь Дауна и врожденные пороки сердца. Часто­та и степень аномалий были выше в тех случаях, когда постра­давшие матери находились на расстоянии менее 2 км от эпицентра взрыва.

После открытия биологического действия ионизирующих излучений было установлено, что приводящие к гибели предста­вителей различных видов животных дозы варьируют в широких пределах. Наряду с межвидовой и индивидуальной радиочувст­вительностью различаются по радиочувствительности клетки и ткани одного и того же организма.

Основу отдаленной лучевой патологии составляют различ­ные нарушения на клеточном уровне, возникающие в результате непосредственного воздействия радиации. К ним относятся ги­бель клеток и изменения в половом аппарате. В тканях с низким уровнем физиологической регенерации происходит консерва­ция стойких наследственных нарушений. Фиксируются также нелетальные наследственные изменения. Все это — результат накопления повреждений в генетическом аппарате соматиче­ских клеток. Отдаленные последствия охватывают такие струк-• туры, как кожа, соединительная, легочная, почечная и другие ткани, в которых развиваются уплотнения и атрофии на пора­женных участках. Вследствие этих процессов развивается ката­ракта, нефросклероз, различные нейродистрофические и другие расстройства.

Следует учитывать также, что одни части (органы, ткани) тела более радиочувствительны, чем другие. При одинаковой эк­вивалентной дозе облучения возникновение рака легких более вероятно, чем рака щитовидной железы, а облучение половых желез особенно опасно из-за риска генетических повреждений. Поэтому дозы облучения органов и тканей учитываются с раз­ными коэффициентами.

Типичный пример радиационного поражения организма жи­вотных и человека — острая лучевая болезнь — развивается при облучении в дозах, превышающих 1 Гр.

Симптомы этой болезни — отсутствие аппетита, а также тош­нота, рвота, усиливающиеся после приема жидкости. Ощущает­ся сухость и горечь во рту. Пострадавшие жалуются на тяжесть в голове, головную боль, общую слабость, сонливость. Продол­жительность этой фазы (фаза первичной острой реакции) — 1—3 дня. После исчезновения этих симптомов наступает фаза кажущегося благополучия, или латентная стадия лучевого пора­жения, при которой в течение 14—32 суток отсутствуют видимые проявления признаков болезни. Спустя 2—4 недели после облу­чения самочувствие резко ухудшается, нарастает слабость, повы­шается температура, возникают изменения крови: повышается СОЭ (скорость оседания эритроцитов), снижается количество эритроцитов (эритропения) и лейкоцитов (лейкопения), проявля­ется геморрагический синдром (кровоизлияния в кожу, слизи­стые оболочки, желудочно-кишечный тракт, мозг, сердце, легкие). Опасность кровотечений из-за тромбоцитопении (уменьшение количества тромбоцитов) и возникновение инфекционных ос­ложнений из-за резкого и длительного угнетения иммунной сис­темы представляют угрозу для жизни.

Начало фазы восстановления характеризуется нормализаци­ей температуры, улучшением самочувствия, появлением аппети­та, восстановлением сна. Прекращается кровоточивость, исчеза­ют или ослабевают другие симптомы. Происходит постепенное восстановление показателей крови.

Рассмотренный вариант острой лучевой болезни при относи­тельно равномерном внешнем облучении встречается редко. Чаще всего возникают неравномерные облучения. В таком слу­чае какой-то орган или ткань поражается больше (так называе­мые критические органы). В результате аварии на ЧАЭС многие ликвидаторы страдали острой лучевой болезнью, возникшей от общего относительно равномерного облучения обширных участ­ков кожного покрова и частично от ингаляционного поступле­ния нуклидов (в основном радиоактивных йода и цезия). Основ­ными критериями при первичной диагностике и определении очередности госпитализации были наличие, срок возникнове­ния и интенсивность тошноты и рвоты.

Хроническая лучевая болезнь не является отдаленным по­следствием острого облучения, она развивается в результате продолжительного облучения организма в малых дозах. Специ­фика хронической лучевой болезни состоит в том, что в активно пролиферирующих (обновляющихся) тканях длительное время сохраняется возможность морфологического восстановления ткане­вой организации. Такие системы, как нервная, сердечно-сосудистая и эндокринная, отвечают на хроническое лучевое воздействие сложным комплексом функциональных реакций и медленным нарастанием дистрофических изменений. Одной из особенно­стей лучевой болезни является развитие осложнений в весьма отдаленные сроки — через 10-20 лет и более после облучения.

К отдаленным последствиям облучения относятся возникнове­ние лейкозов, злокачественных опухолей, катаракты и сокраще­ние продолжительности жизни.

Прогноз при острой и хронической лучевой болезнях зави­сит от дозы излучения. Различают четыре прогностические ка­тегории:

1) выживание невозможно;

2) выживание возможно;

3) выживание вполне вероятно;

4) выживание несомненно.

Установлено, что если доза облучения основной массы тела достигает 5-6 Гр, то выживание невозможно, несмотря на меди­цинский уход и самую совершенную терапию. При дозах 2-4,5 Гр выживание возможно, несмотря на тяжелое поражение, но не­обходимо своевременное и квалифицированное лечение. При такой дозе облучения клиническая картина разгара болезни в большинстве случаев связана с реакциями кроветворной си­стемы. Критическая стадия заболевания наступает на 4-5-й неделе, характеризуется подавлением образования тромбоцитов и незре­лых форм лейкоцитов (гранулоцитопения), с чем связаны такие осложнения, как геморрагии (кровоизлияния в ткани), инфек­ции, изъязвления тканей. При дозах 1-2 Гр выживание вероятно без специального лечения. Радиационное воздействие не вызы­вает сильного угнетения образования форменных элементов крови, но полное выздоровление может затянуться. При дозе менее 2 Гр эффект воздействия еще более слабый, поэтому свое­временное восстановление кроветворения и выживание несо­мненны.

Известны данные о заболеваемости раком щитовидной и мо­лочной желез и раком легких, радиационная природа которых ус­тановлена. Ввиду того что латентный период развития опухолей длится много лет и большинство заболеваний развивается к кон­цу жизни, количество лиц с опухолями этих органов среди вы­живших после взрыва растет.

Возникновение катаракты — типичное отдаленное последст­вие после тотального облучения организма или местного облуче­ния хрусталика. Пороговая доза для возникновения катаракты после однократного рентгеновского облучения глаза человека

2 Гр, а при дозе 5 Гр наблюдается прогрессирующее развитие ка­таракты.

Составленные на основании наблюдений в Японии прогно­зы, касающиеся картины развития болезней и появления врож­денных аномалий у населения Беларуси вследствие аварии на ЧАЭС, не подтвердились из-за различия в действии повреждаю­щих факторов.

В Хиросиме взрыв произошел в воздушной среде и основны­ми факторами были ударная волна, электромагнитные излуче­ния и пожары, а радионуклидов рассеялось немного. Поэтому у большинства уцелевших после атомного взрыва развились ост­рая или хроническая формы лучевой болезни с отдаленными по­следствиями.

Ведущим поражающим фактором после аварии на ЧАЭС ста­ло выпадение разнообразных радионуклидов. Радиоактивные вещества, коротко- и долгоживущие, перенесенные воздушны­ми потоками на большие расстояния, послужили причиной внешнего облучения многих людей. На третий день после ава­рии (28.04.1986) радиоактивное загрязнение воздуха короткоживущими нуклидами (йод-131, цезий-134, -136 и -137, молиб-ден-99, цирконий-9, рутений-106 и др.) было обнаружено даже в Финляндии. Долгоживущие радионуклиды, особенно цезий-137 (период полураспада Сз-137 равен 30, 17 года) и стронций-90 (период полураспада 5г-90 — 29 лет), осевшие в почву, до сих пор оказывают негативное воздействие на все живое. Массовая пораженность населения (за исключением ликвидаторов) ост­рой и хронической формами лучевой болезни в первые дни по­сле аварии является дискуссионным вопросом. Информация об аварии на ЧАЭС в первые недели утаивалась, во многих случаях не ставился точный диагноз, т.е. желудочно-кишечные формы острой лучевой болезни могли диагностироваться как иные за­болевания желудочно-кишечного тракта, а радиационные дер­матиты — как аллергии. Поэтому в настоящее время трудно получить точную информацию о фактических проявлениях лу­чевой болезни у населения. Однако уже в 1991 г. на одном из симпозиумов отмечалось, что хроническая лучевая болезнь вы­явлена у половины детей из зоны радиационного загрязнения с уровнем 40 Ки/км². Особенно сильное воздействие на щитовидную железу как взрослых, так и детей в первые дни аварии оказал йод-131. Период его полураспада — 8 суток. Отмечен рост ранее теоретически ожидаемой заболеваемости раком щитовид­ной железы. Если в Японии рост заболеваний щитовидной желе­зы четко прослежен лишь на десятый год после катастрофы, то в Беларуси он отмечен уже на третий год после аварии, при­чем заболеваемость нарастает из года в год во всех возрастных группах.

В прилегающих к ЧАЭС областях Украины случаи рака щи­товидной железы тоже участились, но в значительно меньшей степени (около 80 случаев к концу 1992 г.). В примыкающей к Гомельской области Брянской области России повышения за­болеваемости вообще не отмечалось. Высокий рост патологии щитовидной железы в Беларуси объясняется тем, что воздейст­вие радиоактивного йода прошло на фоне характерной для мно­гих районов Белорусского Полесья зобной эндемии, обуслов­ленной недостатком стабильного йода в продуктах питания и воде. Среди белорусов, родившихся в 1983-1985 гг., зафикси­рована наиболее высокая заболеваемость раком щитовидной же­лезы. Реконструированные поглощенные йодные дозы свиде­тельствуют о том, что у детей они в 3—10 раз выше, чем у взрослых. Этим и объясняется отмечаемый с 1990 г. высокий рост заболеваемости раком щитовидной железы детей. Если до недавнего времени в Беларуси у детей не встречалось ни одного случая указанной болезни, то уже в 1990 г. отмечено 8 случаев, в 1991 г. — 41, в 1992 г. — 127. Половина случаев приходится на Гомельскую область.

Отмечается значительный рост незлокачественной узловой патологии щитовидной железы. В Хойникском районе она встречается в 12,5 случая на 1000 обследованных, в контроль­ном районе — 2 на 1000. Возрастает частота случаев функцио­нальных нарушений (пониженная и повышенная функции) со стороны щитовидной железы.

Морфофункциональные нарушения со стороны щитовидной железы влекут за собой изменения и других эндокринных орга­нов: поджелудочной железы (увеличилась заболеваемость диа­бетом), надпочечников, половых желез и др. У девочек часто регистрируются кисты яичников, у мальчиков — крипторхизм (неопущение яичка в мошонку) и прочие виды патологии поло­вых желез.

Ретроспективное изучение постчернобыльских эффектов у населения Витебской и Гомельской областей показало, что в 1987-1988 гг. наблюдалось снижение числа всех видов клеток крови, включая гранулоциты, моноциты и лимфоциты, причем у населения не только Гомельской, но и Витебской области, ко­торая наименее всего пострадала от аварии и считается относи­тельно чистой. Эти изменения были особенно выражены у лиц с различными инфекционными заболеваниями, когда к органам кроветворения и иммунитета предъявляются повышенные функциональные требования (изучались гемограммы больных дизентерией, сальмонеллезом, менингококковой инфекцией). Контрольной группой послужили допризывники г. Витебска, у которых не выявлено изменений гемограмм при повторных ис­следованиях. После аварии на ЧАЭС, уже начиная с 1986 г., у всех наблюдаемых больных обнаруживается достоверное снижение лейкоцитов более чем в 1,5 раза. Хотя постепенно количество лейкоцитов у больных повышается, но даже к 1990 г. оно не дос­тигло доаварийного уровня. Динамика лейкоцитоза на протяже­нии пяти лет после аварии расценивается как лучевая реакция. Причем в течение первых 8 месяцев изменения в гемопоэзе были наименее выраженными (латентный период).

Психическая дезадаптация в первые месяцы катастрофы от­мечалась у большинства взрослого и детского населения, что вы­ражалось в психических срывах, депрессиях, различного рода фобиях, а у половины детей, родившихся в 1986-1987 гг., — в за­паздывании созревания центральной нервной системы.

Радиационная обстановка негативно сказывается и на пока­зателях физического развития. У новорожденных отмечен дефи­цит массы тела. Как показали исследования отдела антрополо­гии и экологии ИИЭФ НАН Беларуси, дефицит массы тела сохраняется и в более старших возрастах. Группу риска в настоя­щее время составляют дети, облученные внутриутробно или в раннем возрасте (особенно до 1 года) и в период полового со­зревания.

Дефицит массы тела в грудном возрасте у детей из зоны жест­кого радиационного контроля отмечен также Украинским научным центром радиационной медицины и екатеринбургским Ин­ститутом охраны материнства и детства, наблюдавших детей из населенных пунктов, расположенных в непосредственной бли­зости от Семипалатинского ядерного полигона. В этих населен­ных пунктах повышенный радиационный фон оказывал воздей­ствие значительно дольше. Здесь выявлен высокий процент детей, родившихся с внутриутробной гипотрофией (15 % против 6 % в нормальных условиях) и гипоксией (30 % против 14 % в контроле). В изучаемых селах возле Семипалатинска нарушена общебиологическая закономерность соотношения полов (девоч­ки составляли 52 % всех родившихся детей, в то время как в кон­троле — 47 %).

Влияние малых доз радиации.

В последние годы ученые уделяют пристальное внимание воздействию малых доз радиации. Если ранее считалось, что ма­лые дозы не оказывают негативного воздействия на организм, то в результате более чем десятилетнего изучения пришли к выво­ду, что малые дозы радиации изменяют ответную реакцию орга­низма на воздействие различных постоянных факторов. При хроническом воздействии малых доз организм находится в со­стоянии компенсационного напряжения. Длительное существо­вание его в таком состоянии приводит к исчерпанию резервных возможностей, сокращению продолжительности жизни, преж­девременному старению, опухолеобразованию.

Все медико-биологические последствия аварии на ЧАЭС в настоящее время учесть невозможно. Радиационная обстанов­ка требует постоянного и долговременного мониторинга попу­ляций.