лекция №6. биологическое действие ионизирующих излучений

«РАДИАЦИЯЛЫҚ ҚОРҒАУ ЖƏНЕ
ЭКОЛОГИЯ ОРТАЛЫҒЫ»
Мекемесі
Учреждение
«ЦЕНТР РАДИАЦИОННОЙ
ЗАЩИТЫ И ЭКОЛОГИИ»
Курс «РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ»
ЛЕКЦИЯ №6.
БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ
ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ЧЕЛОВЕКА
Клетка ткани человека содержит около 20 тысяч генов, представляющих гигантские
молекулы, в каждую из которых входит более одного миллиона атомов. Ионизируя атомы,
излучение приводит к нарушению генотипа человека. Если учесть, что наш организм на ⅔
состоит из молекул воды и углерода, также чувствительных к ионизирующим излучениям, то
становится совершенно ясно, какое огромное влияние на организм человека может оказывать
радиация. Лейкемия, рак, наследственные заболевания и др. – вот зловещие результаты
воздействия на человеческий организм ионизирующих излучений.
Механизм биологического действия может быть упрощенно представлен следующим
образом. Ионизирующие излучения, воздействуя на вещество, производят ионизацию и
возбуждение атомов и молекул. Возбуждение и ионизация сложных органических соединений
(белков, нуклеиновых кислот и т.д.), входящих в состав клеток, органов и тканей живого
организма, приводят к нарушениям их структуры и образованию новых, не свойственных
организму веществ и соединений. Этот процесс – результат прямого действия излучений.
Прямое действие ионизирующей радиации – это непосредственное поглощение
ионизации и связанные с ним соответствующие изменения той или иной молекулы.
Кроме того, ионизирующее излучение оказывает непрямое, вторичное действие на
биополимерные структуры клетки.
Косвенное действие – это изменение молекул в результате поглощения энергии
соседними близь лежащими молекулами.
Кислородный эффект – это усиление радиационных эффектов в биологических
структурах от одной и той же дозы ионизирующего излучения в случае повышенного
содержания в системе кислорода.
Известно, что основную массу живого организма (от 50 до 80%) составляет вода. В
результате воздействия ионизирующих излучений на молекулы воды образуются химически
активные соединения- свободные радикалы, которые взаимодействуют далее с молекулами
белков, нуклеиновых кислот и т. д., приводя к их разрушению и инактивации.
В результате ионизации молекулы воды образуются свободные радикалы Н· и ОН*
Н2О+ → Н+ + ОН*
Н2О+ → ОН‫ ـ‬+ Н*
В присутствии кислорода образуются также свободный радикал гидроперекиси (НО*2 ) и
перекись водорода (Н2О2), являющиеся сильными окислителями. Получающиеся в процессе
радиолиза воды свободные радикалы и окислители, обладая высокой химической
активностью, вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментов и других
структурных элементов биологической ткани, что приводит к изменению биохимических
процессов в организме.
Таким образом, прямое и косвенное действие радиации на сложные органические
компоненты биологических объектов существенно изменяет их структуру и химические
Лекция № 6 Биологическое действие ИИ на человека Стр. 1 из 8 «РАДИАЦИЯЛЫҚ ҚОРҒАУ ЖƏНЕ
ЭКОЛОГИЯ ОРТАЛЫҒЫ»
Мекемесі
Учреждение
«ЦЕНТР РАДИАЦИОННОЙ
ЗАЩИТЫ И ЭКОЛОГИИ»
Курс «РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ»
свойства, что ведет в дальнейшем к различного рода нарушениям жизнедеятельности клеток,
тканей, органов и живого организма в целом.
Особенность отношения человеческого организма к энергии атомного ядра состоит в том,
что наши органы чувств, столь восприимчивые к изменению степени механического, светового
и теплового воздействия, не приспособлены к восприятию ионизирующих излучений. Поэтому
человек не может с помощью органов чувств обнаружить наличие радиоактивных веществ и их
излучений, сколь ни были бы они опасны для его здоровья и даже жизни.
Биологическое действие ионизирующих излучений в живом организме условно можно
подразделить на три уровня: физический, клеточный и организменный или системный.
Альфа- и бета-частицы, гамма-кванты, нейтроны, протоны, ядра отдачи и т.д.,
образующиеся в процессе ядерных превращений (радиоактивный распад, ядерные реакции),
которые принято называть проникающим или ионизирующим излучением , при прохождении
через вещество расходуют свою энергию в основном на ионизацию и возбуждение.
Установлено, что на каждую пару образованных ионов приходится примерно 2-3
возбужденных атома. Заряженные частицы непосредственно производят ионизацию, в то
время как нейтроны и гамма-кванты в процессе взаимодействия с веществом образуют
заряженные частицы, которые передают всю или часть своей энергии при каждом акте
взаимодействия. Последние, проходя через вещество, производят ионизацию.
Время жизни ионизированных и возбужденных атомов ничтожно мало – порядка 10-6 сек.
Положительные и отрицательные ионы, сталкиваясь между собой, рекомбинируют
(воссоединяются), образуя нейтральные атомы или молекулы. В простых веществах,
молекулы которых состоят из атомов одного и того же элемента, в процессе рекомбинации
образуются молекулы исходного вещества: в результате ионизация не вызывает изменения
химического состава вещества.
Если происходит ионизация или возбуждение сложных молекул, то это может привести
либо к разрушению молекулы, либо к образованию химически активных свободных радикалов
с ненасыщенными валентностями, которые могут инициировать ряд химических реакций,
вследствие чего возникают новые химические соединения.
Например, в водных растворах образуется атомарный водород и радикалы ОН, НО2 и др.
Таким образом, в сложных веществах под воздействием излучения происходит изменение их
химических свойств в результате прямого (дезинтеграция молекулы) или непрямого действия
(образование свободных радикалов), Чем сложнее вещество, тем более сложные процессы
возникают в нем.
В биологических объектах изменения химических структур приводят к различного рода
нарушениям жизнедеятельности клеток, тканей и организма в целом.
Клеточный уровень воздействия включает в себя все нарушения и процессы,
обусловленные изменениями функциональных свойств облученных клеточных структур.
Изменения на клеточном уровне приводят к нарушению наследственных структур,
угнетению кроветворения, подавлению сперматогенеза, угнетению кроветворения, т.е в
конечном счете влияют на весь механизм жизнедеятельности организма многоклеточных и
высших животных.
Организменный (системный) уровень является результатом биологического воздействия
ионизирующего излучения на клетки и органы живого организма, так как деятельность всех их
находится в постоянной взаимосвязи и взаимозависимости. Под действием энергии
радиоактивных частиц или электромагнитных колебаний может происходить образование
раневой поверхности или разрыв хромосом. В абсолютном большинстве случаев клетки при
этом погибают, но в очень редких случаях, при наличии особых биохимических условий, клетки
Лекция № 6 Биологическое действие ИИ на человека Стр. 2 из 8 «РАДИАЦИЯЛЫҚ ҚОРҒАУ ЖƏНЕ
ЭКОЛОГИЯ ОРТАЛЫҒЫ»
Мекемесі
Учреждение
«ЦЕНТР РАДИАЦИОННОЙ
ЗАЩИТЫ И ЭКОЛОГИИ»
Курс «РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ»
с поврежденными хромосомами делятся и дают начало новой ткани, не свойственной
облученному органу (опухоли).
При этом вероятность развития опухоли тем больше, чем больше клеток подвергалось
облучению одинаковой дозой.
Все ткани обладают регенеративной способностью, т.е. способностью к восстановлению
клеток на пораженном участке. Скорость регенерации клеток у разных тканей различна. После
разрушения клеток ткань начинает ускоренно делить здоровые клетки, восполняя утерянные.
Однако регенерирующим способностям тканей есть предел. Пока доза облучения разрушает
клетки в пределах регенеративных способностей ткани, мы еще не замечаем действия
радиации, но как только доза вызывает разрушение клеток в количестве, превышающем
регенеративные способности ткани, ткань не справляется со своими функциями, тогда и
начинают проявляться функциональные расстройства – это порог дозы, после которого
возникают детерминированные эффекты. Тяжесть этих эффектов прямо зависит от дозы
излучения. Эти эффекты наблюдаются у всех облученных после превышения порога дозы, и
для каждого эффекта существует своя пороговая доза. Очевидно, чем больше происходит в
веществе актов ионизации под воздействием излучения, тем больше и биологический эффект.
Следовательно, биологическое действие излучения зависит от числа образованных пар
ионов или от однозначно связанной с ним величины – поглощенной дозы.
Многочисленными экспериментами установлено, что биологический эффект возрастает с
увеличением линейных потерь энергии излучения (ЛПЭ), т.е. зависит от плотности ионизации
или числа пар, образованных ионов на единице пути излучения в веществе.
Например:
Если облучать глаз потоками электронов и нейтронов, которые создают одну и ту же
ионизацию в хрусталике, катаракта обнаружится в хрусталике, облученном нейтронами,
поскольку образованные ими протоны отдачи обладают большей плотностью ионизации, чем
электроны.
Для оценки биологического действия различного рода излучений введено понятие
относительной биологической эффективности (ОБЭ).
Биологическую эффективность излучения условились оценивать путем сравнения с
биологическим эффектом, который создается рентгеновским и гамма-излучением. Было
доказано, что биологическая эффективность рентгеновского или гамма-излучения практически
не зависит от энергии кванта.
Поэтому ОБЭ рентгеновского и гамма-излучения всех энергий может быть принята равной
1. Очевидно, что ОБЭ бета-частиц (электронов) и гамма-квантов одинакова, так как
ионизирующее
действие
гамма-квантов
обусловлено
вторичными
электронами,
образующимися в процессе взаимодействия гамма-излучения с веществом.
Таким образом, ОБЭ или фактор качества – это число показывающее, во сколько раз
ожидаемое биологическое действие данного вида излучения больше или меньше
биологического действия рентгеновского и гамма-излучения при одинаковых условиях
облучения и равных поглощенных энергиях излучения в облучаемом объекте.
Считается, что ОБЭ быстрых нейтронов такая же, как и альфа-частиц и протонов. Это
обусловлено тем, что по числу атомов в биологической ткани содержится свыше 90%
водорода. Следовательно, при воздействии нейтронов на организм ионизацию производят в
основном ядра отдачи водорода, т.е. протоны, ОБЭ которых равна 10.
Таким образом, можно выделить основные особенности биологического воздействия
ионизирующих излучений:
Лекция № 6 Биологическое действие ИИ на человека Стр. 3 из 8 «РАДИАЦИЯЛЫҚ ҚОРҒАУ ЖƏНЕ
ЭКОЛОГИЯ ОРТАЛЫҒЫ»
Мекемесі
Учреждение
«ЦЕНТР РАДИАЦИОННОЙ
ЗАЩИТЫ И ЭКОЛОГИИ»
Курс «РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ»
•
•
•
•
•
•
•
радиоактивный распад невозможно приостановить ни химическими, ни
физическими факторами воздействия;
каждый радионуклид имеет свою специфику действия (поражает преимущественно
какой-то определенный («свой») орган;
при поражении радиационным фактором развивается только своя специфическая
нозологическая форма, характерная для этого фактора – лучевая болезнь со
своими симптомами, синдромами и профилактическими мерами;
превращение одних радионуклидов, попавших в организм в другие, часто более
токсичные, чем попавший.
радионуклиды могут находиться в различном агрегатном состоянии и различными
способами попадать в организм, а отсюда и специфика поражения и
распределения в организме;
различная всасываемость радионуклидов, которые делятся на быстро-,
значительно- и умеренно всасываемые.
помимо выведения радионуклидов естественными путями, еще действует фактор
полураспада радионуклидов.
Радиационные эффекты облучения
А. Соматические:
1. острая лучевая болезнь;
2. хроническая лучевая болезнь;
3. локальные лучевые повреждения.
Б. Генетические:
1. доминантные генные мутации;
2. рецессивные генные мутации;
3. хромосомные аберрации.
В. Соматико-стохастические эффекты:
1. сокращение продолжительности жизни;
2. лейкозы;
3. опухоли разных органов и тканей.
Они могут быть стохастическими и нестохастическими.
Стохастические – беспороговые эффекты, для которых вероятность их появления
рассматривается, как функция дозы. К стохастическим эффектам относятся злокачественные
опухоли, генетические эффекты
Нестохастические – эффекты, для которых тяжесть поражения изменяется в
зависимости от дозы и для которых может существовать порог. К ним относятся поражение
половых желез, поражение костного мозга, хрусталика глаза, кожи, хроническая лучевая
болезнь, повреждение беременности.
Под физическим механизмом повреждения молекулы понимают процесс поглощения
энергии ионизирующей радиации (вне зависимости от вида).
Лекция № 6 Биологическое действие ИИ на человека Стр. 4 из 8 «РАДИАЦИЯЛЫҚ ҚОРҒАУ ЖƏНЕ
ЭКОЛОГИЯ ОРТАЛЫҒЫ»
Мекемесі
Учреждение
«ЦЕНТР РАДИАЦИОННОЙ
ЗАЩИТЫ И ЭКОЛОГИИ»
Курс «РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ»
В результате поглощения энергии происходит:
1 – ионизация;
2 – возбуждение;
3 – образование свободных радикалов (образование свободных радикалов идет и тогда,
когда поглощенная энергия пошла на разрыв химических связей),
4 – образование гидратированных ионов.
Схема действия излучения на организм
Время с начала облучения Облучение организма 10‐12 сек 10‐5 сек 10‐3 Сек, мин Мин, месяцы Вся жизнь Физическое взаимодействие ↓ Поглощение энергии ↓ Ионизация и возбуждение молекул Первичные радиохимические реакции ↓ Образование радикалов ↓ Изменения молекул ↓ Нарушение биохимических реакций ↓ Поражение клетки ↓ Поражение структур, ответственных за наследственность ↓ ↓ ↓ ↓ Нарушение функции Гибель Появление клеток морфологии клеток с измененной структурой ↓ ↓ ↓ Поражение целого организма ↓ ↓ ↓ Нарушение функции Морфологические Гибель организма органов изменения Отдаленные последствия (рак, лейкоз) Генетические последствия (неограниченно долгое время) Каждый орган, ткань не только по-разному реагируют на поглощенную дозу облучения,
но и оказывают различное влияние на работу организма в целом.
Для учета этих особенностей в практической дозиметрии используется понятие
«эффективная доза».
Лекция № 6 Биологическое действие ИИ на человека Стр. 5 из 8 «РАДИАЦИЯЛЫҚ ҚОРҒАУ ЖƏНЕ
ЭКОЛОГИЯ ОРТАЛЫҒЫ»
Мекемесі
Учреждение
«ЦЕНТР РАДИАЦИОННОЙ
ЗАЩИТЫ И ЭКОЛОГИИ»
Курс «РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ»
Дифференциация острой лучевой болезни по степени тяжести
в зависимости от проявлений первичной реакции
Степень
тяжести
Легкая
1-2,5 Гр
Ведущий
признак: рвота
(время и
кратностность)
Общая
слабость
Косвенные признаки
Головная боль
Температура
и состояние
тела
сознания
Нет или спустя
3 часа,
однократно
Через 1,5-3
часа,
2 раза и более
Легкая
Кратковременно,
сознание ясное
нормальная
Умеренная
Постоянная,
сознание ясное
Нормальная
или
субфебрильная
Тяжелая
4-10 Гр
Через 30 мин
до 1,5 часов,
многократно
Выражена
Постоянная,
сильная
головная боль,
сознание ясное
Нормальная
или
субфебрильная
Крайне
тяжелая
< 10 Гр
Через 10-30
минут,
неукротимая
Резко
выражена
Упорная,
сильная,
сознание
спутанное
Фебрильная
или
субфебрильная
Средняя
2,5-4 Гр
Гиперемия
кожи и
интоксикация
склер
Может быть,
очень легкая
Гиперемия
выражена,
Инъекция
склер
Выраженная
гиперемия
кожи и
инъекция
склер
Резкая
гиперемия
кожи, резкая
инъекция
склер.
Под внешним облучением понимают такое воздействие излучения на человека, когда
источник радиации находится вне организма и исключена вероятность попадания
радиоактивных веществ внутрь организма. В основном это работы с источниками закрытого
типа.
При проведении радиохимических или других работ с радиоактивными веществами
(выделение радиоизотопов из смеси продуктов деления, приготовление радиоактивных
источников или соединений, расфасовка радиоактивных веществ и т.д.) возможно загрязнение
радиоактивными веществами поверхностей и воздуха рабочих помещений, а также рук и
спецодежды обслуживающего персонала.
При внешнем облучении человек подвергается вредному воздействию только в течение
того времени, когда он находится вблизи источников излучения. Если же радиоактивные
вещества попадают внутрь организма, то человек подвергается непрерывному облучению до
тех пор, пока радиоактивные вещества не выведутся из организма в результате распада или
физиологического обмена.
Основные принципы обеспечения радиационной безопасности
В Казахстане в настоящее время действуют:
1. Закон РК №219 «О радиационной безопасности населения» от 23 апреля 1998 г.
2. Гигиенические нормативы «Санитарно-эпидемиологические требования к
обеспечению радиационной безопасности», утверждены постановлением
Правительства РК от 03.02.2012 г. №201.
3. Санитарные правила «Санитарно-эпидемиологические требования к обеспечению
радиационной безопасности», утверждены постановлением Правительства РК от
03.02.2012 г №202.
Лекция № 6 Биологическое действие ИИ на человека Стр. 6 из 8 «РАДИАЦИЯЛЫҚ ҚОРҒАУ ЖƏНЕ
ЭКОЛОГИЯ ОРТАЛЫҒЫ»
Мекемесі
Учреждение
«ЦЕНТР РАДИАЦИОННОЙ
ЗАЩИТЫ И ЭКОЛОГИИ»
Курс «РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ»
4. Санитарные
правила
«Санитарно-эпидемиологические
требования
к
радиационно-опасным объектам», утвержденные постановлением правительства
РК от 11 марта 2012 г. №308
Они регламентируют правила работы всех учреждений и министерств, производящих,
применяющих и транспортирующих радиоактивные вещества и другие источники
ионизирующих излучений.
Установлены следующие категории облучаемых лиц:
- персонал (группы А и Б):
- все население, включая лиц из персонала, вне сферы и условий их производственной
деятельности.
Персонал – это лица, работающие с техногенными источниками излучения (группа
А) или находящиеся по условиям работы в сфере их воздействия ( группа Б).
Население – все лица, включая персонал вне работы с источниками
ионизирующего излучения.
Для обеспечения радиационной безопасности при нормальной эксплуатации источников
излучения руководствуются основными принципами:
1. не превышение допустимых пределов индивидуальных доз облучения граждан от
всех источников излучения (принцип нормирования);
2. сведение дозы облучения до минимально возможного уровня;
3. исключение всякого необоснованного облучения.
Для категорий облучаемых лиц устанавливаются три класса нормативов:
1. основные пределы доз (ПД);
2. допустимые уровни монофакторного воздействия (для одного радионуклида, пути
поступления или одного вида внешнего облучения), являющиеся производными от
основных пределов доз: пределы годового поступления (ПГП), допустимые
среднегодовые объемные активности (ДОА), среднегодовые удельные активности
(ДУА) и другие;
3. контрольные уровни (дозы, уровни, активности, плотности потоков и др.). Их
значения должны учитывать достигнуты в организации уровень радиационной
безопасности и обеспечивать условия, при которых радиационной воздействие будет
ниже допустимого.
В основные пределы доз облучения не включены дозы от природного и медицинского
облучения, а также дозы вследствие радиационных аварий. На эти виды облучения
устанавливаются специальные ограничения.
Все работы с источниками излучений проводятся с разрешения и под контролем органов
Государственного санитарного надзора, которым представляется вся необходимая
информация для оценки радиационной обстановки в учреждении и на прилегающей
территории. Контроль радиационной обстановки в учреждении должен осуществляться
дозиметрической службой учреждения или специально выделенным лицом.
При работе с закрытыми источниками важным элементом при обеспечении
радиационной безопасности является проектирование защиты от внешнего ионизирующего
излучения и меры по предотвращению механического повреждения источников.
Лекция № 6 Биологическое действие ИИ на человека Стр. 7 из 8 «РАДИАЦИЯЛЫҚ ҚОРҒАУ ЖƏНЕ
ЭКОЛОГИЯ ОРТАЛЫҒЫ»
Мекемесі
Учреждение
«ЦЕНТР РАДИАЦИОННОЙ
ЗАЩИТЫ И ЭКОЛОГИИ»
Курс «РАДИАЦИОННАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ»
При работе с открытыми источниками излучения наряду с защитой от внешнего
излучения необходимо предусматривать меры по защите персонала и населения от
внутреннего облучения и охране окружающей среды от радиоактивных загрязнений.
КОНЕЦ ЛЕКЦИИ.
ВНИМАНИЕ!!!!!
Все лекции и тесты имеют авторские права на интеллектуальную собственность.
Несанкционированное их использование будет преследоваться законом Республики Казахстан.
Лекция № 6 Биологическое действие ИИ на человека Стр. 8 из 8