Текст книги "Ядерные излучения и жизнь"

Автор книги: Вилен Барабой

сообщить о нарушении

Текущая страница: 4 (всего у книги 18 страниц)

Основные двигатели обмена веществ в каждой живой клетке – особые белки-ферменты, которые смело можно назвать биологическими катализаторами. Каждый школьник знает, что катализаторы – вещества, которые в ничтожных примесях во много раз ускоряют течение различных химических реакций. Живая природа создала много тысяч особых катализаторов – ферментов, каждый, из которых участвует в ускорении какой-то определенной биохимической реакции. Бесчисленные реакции складываются внутри каждой клетки в единый сложный процесс обмена веществ только благодаря строжайшей упорядоченности внутренних клеточных структур. Каждый фермент в нормальной клетке имеет свое строго определенное место и назначение. Питательные вещества, попавшие в клетку, проходя по внутриклеточным структурам, последовательно подвергаются действию различных ферментов, изменяются под их влиянием и либо полностью сгорают, отдавая заключенную в них энергию клетке, либо расходуются на построение частей клетки.

Итак, достаточно было лучу повредить в нескольких местах внутриклеточные мембраны, как ферменты вышли из своих привычных, строго определенных отсеков и начали действовать на структуры самой клетки. Удивительная последовательность обменных реакций нарушилась, и началось беспорядочное, хаотическое разрушение деталей еще недавно идеально работавшего сложнейшего механизма. Ферменты, освобожденные радиацией из тесных рамок внутриклеточной структуры, начинают действовать особенно активно, изменяют и расщепляют вещества клеточной протоплазмы. В клетках накапливаются вещества, которые в нормальных условиях либо совсем не образуются, либо возникают в ничтожных количествах и существуют недолго. В облученной клетке концентрация таких необычных веществ – продуктов воздействия ядерных излучений – может оказаться настолько высокой, что жизнедеятельность клетки нарушится, и она погибнет. Название этих веществ – радиотоксины – удачно подчеркивает как их ядовитые свойства (токсин-яд), так и происхождение, связанное с воздействием радиации. Накопление радиотоксинов и повреждение хромосомного аппарата клетки – одна из важнейших причин интерфазной гибели клеток.

Клетки различных тканей и органов отличаются по своей структуре, по интенсивности и характеру обменных процессов. Одна и та же доза радиации вызывает в них различную дезорганизацию обмена, количество образующихся радиотоксинов и чувствительность к ним клеток тоже неодинаковы. Поэтому в одних клетках интерфазная гибель не происходит вовсе, в других наблюдается изредка, в третьих является главным результатом лучевого поражения. Чувствительность ткани или органа к радиации зависит, таким образом, и от интенсивности процесса клеточного деления (митотическая гибель), и от особенностей обмена веществ, определяющих степень выраженности интерфазной гибели клеток.

Накопление радиотоксинов не только приводит к гибели клеток, в которых они образовались под влиянием облучения, но и через кровь оказывает воздействие на отдаленные от облученной области органы. Вот к какому результату может привести один единственный луч, разрушивший в начале всего несколько десятков молекул.

Что же происходит при пролете ионизирующей частицы через живую систему?

Прямое и косвенное действие радиации

Мы уже знаем, что основной результат действия проникающей радиации на вещество – ионизация молекул и атомов этого вещества. Ионизирующая частица (или квант энергии рентгеновских и гамма-лучей), пролетая через пространство, заполненное атомами вещества, неизбежно сталкивается с некоторыми из них. Путь ионизирующей частицы отмечен появлением множества пар ионов. Отсюда и происходит название частиц и всего излучения – ионизирующее.

Для понимания закономерностей биологического действия радиации очень важно иметь в виду еще два обстоятельства. Во-первых, способность частицы ионизировать атомы и молекулы вещества не ограничивается ее траекторией. Если исходная энергия частицы достаточно велика, электроны, выбитые ею из атомов, приобретают настолько большую энергию и скорость, что в свою очередь вызывает вторичную ионизацию. Эти вторичные электроны отдачи увеличивают зону вредного действия ионизирующих частиц.

Во-вторых, действие ионизирующей радиации приводит к образованию не только ионов. Если частица почему-либо отдает встреченным атомам небольшую порцию энергии (это бывает в тех случаях, когда она, пролетая, только задевает электронную оболочку атома), то ее оказывается уже недостаточно для того, чтобы выбить электрон из пределов атома. Электрон лишь на короткое время (одну миллионную долю секунды) отдаляется от ядра (такой электрон называется возбужденным), а затем скачком возвращается на свое обычное место, отдавая избыточную энергию в виде кванта ультрафиолетового излучения, тепла или химической энергии взаимодействия.

Таким образом, в результате пролета ионизирующей частицы в веществе образуются ионы и возбужденные атомы, лежащие как вдоль траектории первичной частицы, так и в стороне от нее, по пути движения вторичных электронов отдачи. Но это чисто физическое представление может служить лишь отправным пунктом для понимания сложнейших изменений, порождаемых радиацией в живой ткани.

Живая клетка, как мы уже отмечали, представляет собой очень сложную систему. Какие же последствия будет иметь образование в живой клетке ионов и "возбужденных атомов? Прежде всего надо иметь в виду, что в сложной клеточной организации есть молекулы веществ разного строения и разной сложности. Основную массу живого тела (от 50 до 80%) составляет вода. Она является растворителем органических веществ, входящих в состав организма, фоном, на котором протекают все жизненные обменные процессы. В воде растворены или взвешены молекулы солей, простых Сахаров, жирных кислот, аминокислот, а также большие сложные полимерные молекулы белков, нуклеиновых кислот, полисахаридов.

Ионизирующие частицы, естественно, наталкиваются на атомы и молекулы вещества клетки без всякого разбора, так как движутся прямолинейно. Однако для живого вещества, для жизни и здоровья отдельной клетки и всего организма в целом вовсе не безразлично, какие именно молекулы встретились на пути смертоносной частицы. Если в результате облучения оказались разрушенными несколько десятков или даже сотен молекул воды, в общей массе клеточной жидкости эта ничтожная потеря не может играть серьезной роли. Но если пострадали молекулы нуклеиновых кислот и белков – наиболее важных структур клетки, тех самых веществ, которые обеспечивают протекание всех жизненных процессов в нужном порядке и последовательности, а также передачу признаков организма по наследству, такое повреждение уже не безразлично как для организма в целом, так и для отдельных его клеток.

Гигантские молекулы белков и нуклеиновых кислот состоят из десятков и сотен тысяч атомов. Даже прямое попадание ионизирующей частицы в такую молекулу неспособно ее разрушить полностью. Слишком большое количество связей объединяет отдельные атомы в целостную сложную систему. Разрыв нескольких связей, казалось бы, не может иметь серьезных последствий – ведь если общая структура молекул сохранена, разорванные связи могут со временем восстановиться. Как показывает опыт, такое восстановление возможно и происходит в действительности.

Однако наряду с процессом восстановления в молекулах биологических полимеров наблюдаются процессы другого порядка. Это прежде всего разрыв связей между атомами в молекуле белка или другого биополимера, образование ионов и свободных валентностей, которые резко увеличивают биохимическую реактивность поврежденных молекул. Разорванные связи стремятся соединиться, свободные валентности – заполниться. Но они могут быть заполнены любым химически активным атомом, а таких в протоплазме клеток немало. Таким образом, на место атома, входившего в состав белковой молекулы, может стать другой атом, с новыми свойствами. Это само по себе нежелательно, но главную опасность представляет все же другой процесс.

Из числа веществ, всегда присутствующих в растворенном состоянии в каждой клетке и межклеточной жидкости организма и обладающих большим химическим сродством, наибольшее значение имеет кислород. Он особенно легко соединяется с атомами и молекулами, имеющими свободные связи, и вызывает их окисление, сгорание, разрушение. Присоединяясь по месту разорванных связей в белковых структурах, молекулы кислорода как бы расширяют брешь, пробитую снарядом атомной артиллерии – ионизирующей частицей. Но разрушительный процесс не ограничивается быстрым окислением. Образуются разнообразные органические перекиси, которые надолго сохраняют окислительную способность и могут вызвать дальнейшее разрушение биополимерных структур спустя несколько часов и даже дней после облучения.

Наконец, энергия излучения, поглощенная молекулами белков и нуклеиновых кислот, не уменьшаясь, может перемещаться по цепочкам атомов, достигать самых слабых мест и разрушать молекулу не в месте попадания ионизирующей частицы, а довольно далеко от него.

Теперь ясно, какие разнообразные и сложные процессы возникают в гигантских молекулах биологических полимеров при попадании в них ионизирующих частиц, т. е. при прямом действии радиации. Под влиянием взаимодействия различных компонентов протоплазмы и в зависимости от структуры самих макромолекул первоначальный разрушительный эффект радиации многократно усиливается и нарастает. Однако вредоносное действие радиации не ограничивается прямым эффектом. Разрушение молекул воды ионизирующими частицами может оказывать на биополимерные структуры клетки и непрямое, вторичное действие.

При бомбардировке молекул воды Н₂O ионизирующими частицами образуются такие обломки, как атомы водорода Н и гидроксилы ОН. Иногда они несут электрический заряд: Н⁺ и ОН^-, но чаще остаются нейтральными. И все же, несмотря на отсутствие заряда, эти обломки резко отличаются от нейтральных молекул: они обладают свободными валентными связями. Такие обломки молекул называются свободными или активными радикалами, ибо, стремясь заполнить свободную связь, они чрезвычайно легко вступают в химические реакции с молекулами и другими радикалами. Эти обломки называют также окислительными, так как они, присоединяясь к молекулам, вызывают их окисление. Это относится прежде всего к гидроксилу – ОН, а также к продуктам его взаимодействия с кислородом – перекиси водорода Н₂О₂ и радикалу гипероксиду НО₂.

Все активные продукты, образующиеся при облучении молекул воды в присутствии растворенного в ней кислорода, способны вступать в реакции взаимодействия с нейтральными молекулами белков, нуклеиновых кислот и других важных клеточных структур, вызывая их окисление, разрушение. При реакции между свободным радикалом и нейтральной молекулой всегда образуются новая молекула и новый радикал. Иными словами, свободная валентность, присущая радикалу, во время реакции не исчезает, а переходит. Радикалы воды, образовавшиеся при воздействии ионизирующей радиации на живые системы, взаимодействуя с молекулами биополимеров, передают им свои свободные валентности. Нейтрализуясь, они вызывают образование органических радикалов. Но точно такие же радикалы образуются и при прямом действии радиации на молекулы нуклеиновых кислот и белков.

Таким образом, прямое и косвенное действие ядерных излучений приводит в сущности к одним и тем же результатам – к разрушению самых важных, сложных и ответственных соединений, без которых немыслима жизнь клетки и всего организма. Действие радиации на живую клетку значительно усиливается в присутствии кислорода и, наоборот, может быть существенно ослаблено, если удалить кислород или хотя бы уменьшить его концентрацию. Различие заключается только в том, что в случае косвенного действия лучей повреждение биополимерных макромолекул происходит не сразу, а как бы во вторую очередь, после взаимодействия лучей с молекулами воды. Но это различие носит в сущности второстепенный характер. С одной стороны, активные водные радикалы существуют всего десятитысячную долю секунды и успевают за столь короткое время вступить в реакцию с другими радикалами или молекулами. С другой стороны, при прямом попадании ионизирующей частицы в белковую молекулу поглощенная молекулой энергия не полностью и не сразу обусловливает разрыв тех или иных связей. Часть энергии как бы консервируется, переходит в скрытую форму, и лишь при определенных условиях проявляется в виде дополнительного повреждения.

Такова общая схема процессов, которые возникают в живой клетке под действием ядерных излучений. Однако общая схема еще не раскрывает всей сложности механизмов лучевого поражения, всех деталей разрушительной работы, первый толчок которой дает ионизирующая частица. Изучение этих сложнейших процессов продолжается, так как даже специалистам-радиобиологам далеко не все еще ясно.

Особенности биологического действия разных видов излучения

Выше говорилось, что ионизирующим действием обладают как электромагнитные колебания большой частоты (рентгеновские и гамма-лучи), так и потоки разнообразных частиц с высокой энергией (протоны, электроны, нейтроны, альфа-частицы и более тяжелые ядра). Все эти излучения способны проникать в организм на большую глубину и даже пронизывать его насквозь; они вызывают ионизацию атомов и молекул. Но при всем сходстве физических свойств и биологического эффекта между ними существуют и серьезные различия. Да и может ли быть иначе? Если легкие кванты рентгеновских или гамма-лучей без труда проскальзывают между атомами вещества, лишь изредка задевая их электронные оболочки, то тяжелые частицы альфа-лучей как мощные танки сокрушают все встречающиеся на их пути препятствия, ломают электронные заграждения и быстро растрачивают свою энергию. На пути в 1 мк альфа-частицы образуют около 5000 пар ионов, электроны (в зависимости от скорости и энергии) – от 5 до 20 пар, а рентгеновские и гамма-кванты – от 0,5 до 2 пар. Следовательно, на единицу пути пробега в живых тканях альфа-частицы оказывают действие в тысячи раз более сильное, чем гамма-лучи, и в сотни раз более интенсивное, чем электроны (бета-частицы).

Для оценки силы разрушительного действия разных видов ядерных излучений важное значение имеет не только удельная плотность ионизации, но и глубина проникновения лучей, внутрь тела. По этому признаку описанные излучения располагаются в обратном порядке. Мы знаем, что рентгеновские и гамма-лучи способны проникать в живое тело на глубину в десятки сантиметров и даже проходить насквозь; электроны обычно не проникают глубже 4 – 5 см, а для альфа-частиц даже поверхностный слой кожи толщиной в 0,1 – 0,2 мм – непреодолимое препятствие. Если сравнить альфа-, бета-и гамма-излучения по их опасности для здоровья и жизни живого организма, а не клетки, станет ясно, что именно гамма– и рентгеновские лучи представляют наибольшую опасность. Правда, тут следует сделать серьезную оговорку. На проникающую способность протонов, альфа-частиц и более тяжелых ионизирующих ядер серьезно влияют величина их энергии и скорость движения. Чем больше скорость, тем глубже способны они проникать и тем меньше линейная плотность ионизации. При очень больших скоростях (150 – 200 тыс. км/сек) протоны по проникающей и ионизирующей способности приближаются к гамма-лучам.

Таким образом, суммарный эффект действия на организм того или иного вида ядерного излучения зависит от многих факторов: размеров, скорости и энергии частиц, от их проникающей способности и линейной плотности ионизации. Поэтому сравнить вредоносное действие разных излучений на организм можно только в опыте на животных. Облучая животных одинаковой физической дозой различных излучений, по вызываемому ими биологическому эффекту можно составить представление об их относительной биологической эффективности. В зависимости от избранного показателя (выживаемость, изменения в крови, выпадение волос и т. п.) относительная эффективность может колебаться.

Если принять эффект рентгеновских и гамма-лучей за единицу, то относительная эффективность потока электронов составит 0,3 – 3, протонов и быстрых нейтронов– 0,5 – 10, медленных нейтронов – 4 – 5, альфа-частиц – 1 – 6,5. Наиболее высока относительная биологическая эффективность – ОБЭ – нейтронов с энергией от 100 кэв до 1 Мэв (так называемые нейтроны деления и близкие к ним нейтроны с промежуточной энергией и умеренно быстрые нейтроны). Если судить по отдаленным и поздним последствиям облучения, то особенно опасны потоки нейтронов. Они особенно сильно поражают хрусталик глаза (вызывая катаракты), половые железы, что влечет за собой бесплодие, уродства развития плода и т. п. Высокой ОБЭ отличаются также протоны с энергией 0,6 Мэв и альфа-частицы с энергией 3,4 – 6 Мэв. На различные органы и процессы в теле млекопитающих они оказывают поражающее действие, которое в один-шесть раз сильнее, чем действие такой же физической дозы рентгеновских лучей. Протоны же с энергией 660 Мэв действуют подобно рентгеновским или гамма-лучам или еще слабее (ОБЭ 0,5 – 0,6 – 0,75 – 1,0).

Внешнее и внутреннее облучение организма

До сих пор мы рассматривали главным образом такой случай, когда источник ядерных излучений (ускоритель элементарных частиц или атомный реактор, рентгеновский аппарат или кобальтовая пушка) расположен где-то вне живого организма и извне облучает организм ионизирующими лучами. Именно к этому случаю относится наше утверждение о сравнительно серьезной опасности для организма излучений с небольшой плотностью ионизации, подобных рентгеновским лучам, из-за высокой проникающей способности.

Однако ядерные излучения коварно подстерегают живой организм и действуют на него не только извне. Нередко бывают и такие случаи, когда источник радиации тем или иным способом проникает внутрь организма. Такая ситуация возможна потому, что ядерные излучения рождаются не только в недрах реакторов или рентгеновских трубок, но и при внутриядерных превращениях целого ряда элементов.

Способные к такому радиоактивному распаду изотопы могут проникать в живой организм разными путями. Вдыхаемый животными атмосферный воздух может при некоторых особых условиях содержать радиоактивные изотопы кислорода, азота и углерода (в составе углекислоты), газообразный продукт распада радия – радон (эманация радия). Кроме того, образующиеся во время ядерных взрывов изотопы разносятся по атмосфере в виде пылинок и в таком состоянии также могут поступать в легкие. Некоторые изотопы в виде жирорастворимых солей способны всасываться через неповрежденную кожу. Наконец, необходимо иметь в виду, что изотопы могут проникать в организм через рот с пищей и водой. Это возможно в случаях заражения пищевых продуктов и водоемов радиоактивными осадками, при загрязнении ими кожи рук и лица.

В сравнительно ранние сроки после атомного взрыва наибольшую опасность представляют радиоактивный изотоп йода – йод – 131, а также стронций – 89, рутений-108, цезий – 137, которые составляют значительную часть осколочных продуктов цепной реакции распада урана и быстро отдают энергию в виде излучения. В более отдаленные сроки наибольшую опасность представляют долгоживущие изотопы, способные накапливаться в теле человека, такие как стронций – 90 и цезий – 137.

Радиоактивный изотоп стронция – стронций – 90 по своим химическим свойствам очень близок к кальцию – элементу, широко распространенному в живой природе и играющему важную биологическую роль. Достаточно сказать, что кальций входит в состав наших костей, присутствует во всех жидкостях организма, участвует в процессе свертывания крови и т. п. Не менее разнообразные функции выполняет кальций и в растительном организме. Стронций, подобно кальцию, способен накапливаться во многих зеленых растениях, в частности, в зернах злаков. Так как злаковые растения– один из основных продуктов питания, то выпавший из атмосферы и накопившийся в злаках стронций может поступить в организм животных и человека. Стронций может длительно находиться в теле домашних животных, например у коров, и выделяться в довольно значительном количестве с молоком. Этот весьма распространенный и часто употребляемый продукт является вторым после хлеба источником поступления в наш организм радиоактивного стронция. Выпавший над поверхностью океана стронций легко поглощается некоторыми рачками и другими мелкими организмами, входящими в состав планктона. В свою очередь эти рачки .становятся пищей определенных видов рыб, в теле которых концентрация радиоактивного стронция может быть в десятки тысяч раз выше, чем в морской воде. Следовательно, рыба – третий распространенный пищевой продукт, с которым в наш организм может поступать стронций – 90.

Таким образом, существует немало способов проникновения в живой организм изотопов радиоактивных элементов. В связи с этим весьма реальна опасность внутреннего облучения организма. Ясно, что в таких условиях особенно опасно излучение альфа-частиц, которые всю свою большую энергию полностью растрачивают на сравнительно небольшом участке пробега и вызывают поэтому наиболее глубокие местные поражения, оказывающие влияние на весь организм. Гамма-лучи с их высокой проникающей способностью успевают покинуть организм, не растратив всей своей энергии, поэтому их поражающее действие относительно невелико. Следовательно, в условиях внутреннего облучения организма наиболее опасны плотно ионизирующие лучи, а их проникающая способность играет меньшую роль, чем при внешнем облучении.

Размер поражающего действия изотопов, проникших внутрь организма, зависит и от других причин. Очень важное значение имеет скорость распада. Чем быстрее идет этот процесс, тем больше выделяется ионизирующих частиц, но зато процесс облучения более ограничен во времени. Существенное значение имеет также способность изотопа накапливаться в отдельных органах и тканях. Естественно, что в том органе, в котором накапливается наибольшее количество изотопа, максимальным будет и размер повреждений. Такие изотопы, как стронций – 90, радий – 226, накапливаются в костях, поэтому наибольшие разрушения наблюдаются в органах, близко соприкасающихся с костями: в костном мозге, половых железах и т. п.

Наконец, не менее важное значение имеет растворимость изотопа в жидкостях организма, скорость его всасывания и способность к выведению из организма. Некоторые изотопы настолько плохо растворимы, плохо всасываются, что транзитом проходят через желудочно-кишечный тракт, не успев причинить серьезного вреда. Другие хорошо всасываются, но не накапливаются в отдельных органах и быстро удаляются из организма через почки. Третьи (это все тот же стронций-90, а также радий, цезий, уран и некоторые другие радиоактивные вещества), всосавшись в кровь, оседают в костях или других местах организма, где остаются десятками лет, до конца жизни организма, непрерывно продолжая свою разрушительную работу.

Вот почему ученые-радиобиологи не могут ограничиться физической характеристикой каждого изотопа, его способностью излучать те или иные ионизирующие лучи, а всегда внимательно изучают условия проникновения изотопов в организму, их поведение, растворимость, способность накапливаться, пути и условия выведения из организма, способы искусственного ускорения этого процесса.