Особливе значення в умовах сучасного науково-технічного прогресу набула можливість використання ядерних реакцій як джерела енергії. Ефективність атомної енергетики та інших джерел іонізуючого випромінювання в житті людини очевидна. У той же час розвиток цієї галузі створило потенційну загрозу радіаційного забруднення навколишнього середовища, що особливо небезпечно для людини і всього живого на Землі. Знання фізичних і біохімічних механізмів впливу радіації на живу і неживу природу є дуже важливим.
Радіоактивні речовини і іонізуюче випромінювання.
Такі хімічні елементи, як уран, радій, плутоній, каліфорній і деякі інші мають здатність до спонтанних перетворень, що призводить до зміни їх атомного номера і маси атома. Ці перетворення супроводжуються потоком випромінювання високої енергії, що складається з позитивно і негативно заряджених частинок і короткохвильового електромагнітного випромінювання.
Вперше явище розпаду спостерігали у радію (Ra), і тому воно отримало назву радіоактивного розпаду, а випромінювання, що супроводжував цей розпад, - радіоактивного випромінювання, іонізуючого випромінювання, або проникаючої радіації. При розпаді радію реєструють випромінювання трьох видів: ядер атома гелію, які мають позитивний заряд, електронів, позитронів, і короткохвильового електромагнітного випромінювання.
Іонізуючим випромінюванням називають будь-яке випромінювання, взаємодія якого з речовиною веде до утворення з нейтральних атомів і молекул позитивних і негативних іонів.
Іонізуюче випромінювання є природним компонентом середовища проживання людини. У результаті його утворюється радіаційний фон, що складається з природного і штучного радіаційного фону. Природний радіаційний фон формують космічні випромінювання, радіоактивні елементи земної кори, вода, повітря та інше.
Рівень радіаційного фону від природних джерел дорівнює 10-18 мікрорентген на годину і діє на все живе.
Сумарна річна доза опромінення людини природним радіаційним фоном становить 0,1-0,7 БЕР (біологічний еквівалент рентгена, дорівнює 0,01 Дж / кг) і залежить від рівня радіаційного фону, енергії і характеру іонізуючого випромінювання, а також від ступеня поглинання цього випромінювання організмом людини.
Рівень радіаційного фону навколишнього середовища останнім часом зріс внаслідок розсіювання штучних радіонуклідів, збільшення кількості промислових викидів і продуктів згоряння органічного палива в 6nocq ру, а також внаслідок роботи транспортних засобів (наземних, підводних, повітряних), радіоелектронної побутової техніки, використання атомної енергії і т . д. Випромінювання, обумовлене розсіюванням в біосфері штучних радіонуклідів, утворює штучний радіаційний фон.
Рівень радіоактивних ізотопів в рослинних і тваринних організмах залежить від їх концентрації в навколишньому середовищі. Радіоактивні елементи надходять в організм людини разом з водою, повітрям і харчовими продуктами.
Всесвітньою організацією охорони здоров'я (ВООЗ) введена гранично допустима доза (ПДР) радіоактивного опромінення - це доза, що не призводить до значних порушень в людському організмі.
Розрізняють зовнішнє і внутрішнє опромінення. Внутрішнє опромінення більш небезпечно, ніж зовнішнє, оскільки джерело випромінювання (радіоактивні елементи) знаходиться в безпосередньому контакті з молекулами живого організму. Крім того, радіоактивні елементи, що потрапили в організм людини, можуть накопичуватися в ньому і діяти протягом тривалого часу.
Дослідження радіаційної генетики, що вивчає спадкові зміни (мутації), що виникли під впливом різних випромінювань, дали можливість встановити ПДР, не перевищує 5 Р в рік.
Шляхи потрапляння радіонуклідів в організм людини.
Допустимий вміст радіоактивних речовин в організмі (тобто така кількість, за наявності якого утворюється доза на критичний орган, що не перевищує ПДР) залежить від ступеня безпеки радіоактивних елементів у разі проникнення всередину і визначається їх радіотоксичність.
Радіотоксичність - властивість радіоактивних ізотопів викликати патологічні зміни в організмі. Радіотоксичність ізотопів залежить переважно від шляхів надходження радіоактивних речовин в організм, розподілу їх в органах і системах, часу перебування радіонуклідів в організмі.
Основними шляхами надходження радіоактивних речовин в організм людини є органи дихання і травлення, а також шкіра. Частинки пилу з радіоактивними ізотопами під час вдихання повітря через верхні дихальні шляхи частково осідають у порожнині носа й носоглотці, а частково потрапляють в шлунок і легені. Великі частинки затримуються у верхніх дихальних шляхах, а малі - в легенях.
Газоподібні радіоактивні речовини з вдихуваного повітря вже за лічені секунди потрапляють у міжклітинну речовину.
Рідкі і тверді радіоактивні речовини залежно від фізико-хімічних властивостей ведуть себе в організмі по-різному. Частина їх відкладається в органах дихання і глибоких відділах легенів, частина видихається. У легенях ці речовини частково накопичуються в альвеолах, частково розносяться кров'ю і осідають в лімфатичних вузлах.
Деяка частина радіоактивних речовин може потрапляти в міжклітинну рідину з тонкої кишки.
Через неушкоджену шкіру поглинання радіоактивних речовин у 200-300 разів менше, ніж через травний канал (винятком є ізотоп водню - тритій, який легко проникає через шкіру, розчиняючись в її жирі). Тому шкіра захищає організм від вступу до нього цих речовин.
За характером розподілу в організмі людини радіоактивні речовини ділять на три групи: радіонукліди, які відкладаються в кістках (кальцій, стронцій, барій, радій); радіонукліди, що концентруються в печінці до 60% за загальним змістом (цезій, нітрат плутонію тощо); радіонукліди , рівномірно розподіляється по всьому організму (кисень, водень, залізо, полоній).
При вживанні харчових продуктів, забруднених радіоактивними речовинами, можливо додаткове внутрішнє опромінення.
Головну роль в додатковому внутрішньому опроміненні відіграють Cs (цезій) і Sr (стронцій), які за хімічними властивостями є аналогами Са і К. Sr і Cs надходять в організм з харчових ланцюжках: 1) атмосфера - грунт - рослина (через кореневу систему) - молоко-м'ясо-людина, 2) атмосфера-рослина (через листя) - молоко - м'ясо - людина. Потрапляючи в організм, вони активно включаються у біологічні цикли.
Чутливість тканин і органів до впливу випромінювання різна. Вчені встановили, що найбільш чутливими до опромінення є слабо диференційовані молоді клітини, що ростуть або розмножуються (наприклад, клітини яєчка, яєчників, лімфатичної тканини, кісткового мозку).
Деякі радіонукліди мають високу вибірковість розподілу в організмі, накопичуються в певних органах або тканинах у великих концентраціях і обумовлюють високі дози опромінення. Прикладом такого радіонукліда є радіоактивний йод-131, який накопичується в щитовидній залозі.
Припускають, що іонізуючі випромінювання здатні надавати безпосередньо руйнівну дію у разі прямого попадання на елементи ядерних структур клітини, зокрема, приводити до так званих хромосомним змін і генним мутаціям.
Генетичні наслідки як результат зовнішнього опромінення.
Закономірності і механізми виникнення спадкових змін (мутацій) під впливом іонізуючого випромінювання вивчає радіаційна генетика.
Іонізуюче випромінювання впливає на організм в різних дозах, навіть у дуже малих. Воно обумовлює радіаційно-хімічне пошкодження молекул, що входять до складу клітинних структур, змінює обмін речовин і фізіологічні функції всього організму. Особливо важкі наслідки впливу випромінювання обумовлені пошкодженням дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Порушення структури клітин і біологічно важливих молекул є причиною розвитку віддалених наслідків дії іонізуючих випромінювань (післядія), проявом яких можуть бути загибель клітин або втрата ними здатності до поділу, виникнення хромосомних мутацій, спадкові зміни, променева хвороба.
Прогнозування та оцінка віддалених наслідків променевих уражень, зумовлених малими дозами опромінення, дуже складні, тому що закономірності їх виникнення істотно відрізняються від променевих уражень внаслідок опромінень дозами 100 рад (позасистемна одиниця поглиненої дози радіації; 1 рад = 0,01 Дж / кг) і більше .
Деякі дослідження радіаційної генетики свідчать, що природна частота захворювання злоякісними новоутвореннями становить 1000-2 000 випадків на 1 млн населення в рік. Ризик виникнення пухлини внаслідок опромінення дозою 0,01 Грей (1 рад) на 1 млн населення складає 3-6 випадків на рік, збільшення частоти генетичних змін в організмі у разі опромінення цієї ж дозою (у першому поколінні) становить 3-4 випадки (0 , 04%).
Дані учених у цій галузі до 1986 року базувалися на дослідженнях наслідків випробувань та використання ядерної зброї, наслідків аварій під час відповідних експериментів та ін Однак весь попередній досвід не може зрівнятися з наслідками, можливими після чорнобильської катастрофи. До цих пір ще не вивчений досить механізм спільного дії зовнішнього і внутрішнього випромінювання (повітря, їжа), зовсім не вивчене явище синергізму - взаємодії радіації з хімічними речовинами (свинцем, пестицидами та ін.)
Захист організму від іонізуючого випромінювання.
Існують заходи, що сприяють зниженню загрози радіаційного ураження організму. Від зовнішніх джерел іонізуючих випромінювань (рентгенівське, гамма-кванти, нейтрони, альфа-частинки і ін) організм захищають за допомогою екранів з матеріалів, що поглинають радіацію. Щоб радіоактивні речовини не потрапили всередину організму, необхідно правильно організувати роботу з джерелами випромінювання, забезпечити персонал індивідуальними засобами захисту (комбінезони, пневмокостюми, взуття та ін), дотримуватися правил особистої гігієни, а також методики збору, збереження, обробки і видалення радіоактивних відходів. Щоб запобігти опромінення організму під час роботи з джерелами іонізуючих випромінювань, проводять дозиметричний контроль. Якщо опромінення організму неможливо уникнути, ступінь променевого ураження можна послабити, застосовуючи радіозахисні засоби (радіопротектори) - вітаміни, сірковмісні речовини, амінокислоти, гормони та ін Вони підвищують природну стійкість організму до іонізуючим випромінюванням - радіоустойчівость. Для виведення радіонуклідів з організму використовують різноманітні адсорбенти, найбільш доступним і поширеним з яких є активоване вугілля.
Вплив електромагнітного випромінювання на організм людини.
До фізичних факторів навколишнього середовища, що мають іонізуючу здатність, відноситься електромагнітне випромінювання (наприклад, гамма-випромінювання, ультрафіолетові промені).
Останнім часом у результаті інтенсивного розвитку електроніки та радіотехніки природне середовище перебуває під впливом електромагнітних випромінювань (електромагнітних полів). Головним їхнім джерелом є радіо-, телевізійні і радіолокаційні станції, високовольтні лінії передач, електротранспорт, трансформаторні станції. Особливо небезпечні потужні військові радіолокаційні станції, напруга поля яких є настільки високим, що нерідко стає причиною загибелі птахів, які у нього.
Напруга електромагнітного поля вимірюють у вольтах на метр (В / м). Електричні поля високої напруги негативно впливають насамперед на нервову систему людини. Так, напруга поля в 100 В / м викликає головний біль і сильну втому, а більш висока напруга - безсоння, неврози, важкі захворювання. У районах, де розташовані радіостанції та військові радіолокаційні станції, рівень електромагнітних випромінювань перевищує гігієнічні норми у 4-8 разів, а поблизу потужних ЛЕП (понад 1000 кВ) - у 20 разів.
Одним з основних засобів охорони населення від впливу електромагнітного випромінювання є винесення потужних комунікацій за межі території проживання людей.
Радіоактивні речовини і іонізуюче випромінювання.
Такі хімічні елементи, як уран, радій, плутоній, каліфорній і деякі інші мають здатність до спонтанних перетворень, що призводить до зміни їх атомного номера і маси атома. Ці перетворення супроводжуються потоком випромінювання високої енергії, що складається з позитивно і негативно заряджених частинок і короткохвильового електромагнітного випромінювання.
Вперше явище розпаду спостерігали у радію (Ra), і тому воно отримало назву радіоактивного розпаду, а випромінювання, що супроводжував цей розпад, - радіоактивного випромінювання, іонізуючого випромінювання, або проникаючої радіації. При розпаді радію реєструють випромінювання трьох видів: ядер атома гелію, які мають позитивний заряд, електронів, позитронів, і короткохвильового електромагнітного випромінювання.
Іонізуючим випромінюванням називають будь-яке випромінювання, взаємодія якого з речовиною веде до утворення з нейтральних атомів і молекул позитивних і негативних іонів.
Іонізуюче випромінювання є природним компонентом середовища проживання людини. У результаті його утворюється радіаційний фон, що складається з природного і штучного радіаційного фону. Природний радіаційний фон формують космічні випромінювання, радіоактивні елементи земної кори, вода, повітря та інше.
Рівень радіаційного фону від природних джерел дорівнює 10-18 мікрорентген на годину і діє на все живе.
Сумарна річна доза опромінення людини природним радіаційним фоном становить 0,1-0,7 БЕР (біологічний еквівалент рентгена, дорівнює 0,01 Дж / кг) і залежить від рівня радіаційного фону, енергії і характеру іонізуючого випромінювання, а також від ступеня поглинання цього випромінювання організмом людини.
Рівень радіаційного фону навколишнього середовища останнім часом зріс внаслідок розсіювання штучних радіонуклідів, збільшення кількості промислових викидів і продуктів згоряння органічного палива в 6nocq ру, а також внаслідок роботи транспортних засобів (наземних, підводних, повітряних), радіоелектронної побутової техніки, використання атомної енергії і т . д. Випромінювання, обумовлене розсіюванням в біосфері штучних радіонуклідів, утворює штучний радіаційний фон.
Рівень радіоактивних ізотопів в рослинних і тваринних організмах залежить від їх концентрації в навколишньому середовищі. Радіоактивні елементи надходять в організм людини разом з водою, повітрям і харчовими продуктами.
Всесвітньою організацією охорони здоров'я (ВООЗ) введена гранично допустима доза (ПДР) радіоактивного опромінення - це доза, що не призводить до значних порушень в людському організмі.
Розрізняють зовнішнє і внутрішнє опромінення. Внутрішнє опромінення більш небезпечно, ніж зовнішнє, оскільки джерело випромінювання (радіоактивні елементи) знаходиться в безпосередньому контакті з молекулами живого організму. Крім того, радіоактивні елементи, що потрапили в організм людини, можуть накопичуватися в ньому і діяти протягом тривалого часу.
Дослідження радіаційної генетики, що вивчає спадкові зміни (мутації), що виникли під впливом різних випромінювань, дали можливість встановити ПДР, не перевищує 5 Р в рік.
Шляхи потрапляння радіонуклідів в організм людини.
Допустимий вміст радіоактивних речовин в організмі (тобто така кількість, за наявності якого утворюється доза на критичний орган, що не перевищує ПДР) залежить від ступеня безпеки радіоактивних елементів у разі проникнення всередину і визначається їх радіотоксичність.
Радіотоксичність - властивість радіоактивних ізотопів викликати патологічні зміни в організмі. Радіотоксичність ізотопів залежить переважно від шляхів надходження радіоактивних речовин в організм, розподілу їх в органах і системах, часу перебування радіонуклідів в організмі.
Основними шляхами надходження радіоактивних речовин в організм людини є органи дихання і травлення, а також шкіра. Частинки пилу з радіоактивними ізотопами під час вдихання повітря через верхні дихальні шляхи частково осідають у порожнині носа й носоглотці, а частково потрапляють в шлунок і легені. Великі частинки затримуються у верхніх дихальних шляхах, а малі - в легенях.
Газоподібні радіоактивні речовини з вдихуваного повітря вже за лічені секунди потрапляють у міжклітинну речовину.
Рідкі і тверді радіоактивні речовини залежно від фізико-хімічних властивостей ведуть себе в організмі по-різному. Частина їх відкладається в органах дихання і глибоких відділах легенів, частина видихається. У легенях ці речовини частково накопичуються в альвеолах, частково розносяться кров'ю і осідають в лімфатичних вузлах.
Деяка частина радіоактивних речовин може потрапляти в міжклітинну рідину з тонкої кишки.
Через неушкоджену шкіру поглинання радіоактивних речовин у 200-300 разів менше, ніж через травний канал (винятком є ізотоп водню - тритій, який легко проникає через шкіру, розчиняючись в її жирі). Тому шкіра захищає організм від вступу до нього цих речовин.
За характером розподілу в організмі людини радіоактивні речовини ділять на три групи: радіонукліди, які відкладаються в кістках (кальцій, стронцій, барій, радій); радіонукліди, що концентруються в печінці до 60% за загальним змістом (цезій, нітрат плутонію тощо); радіонукліди , рівномірно розподіляється по всьому організму (кисень, водень, залізо, полоній).
При вживанні харчових продуктів, забруднених радіоактивними речовинами, можливо додаткове внутрішнє опромінення.
Головну роль в додатковому внутрішньому опроміненні відіграють Cs (цезій) і Sr (стронцій), які за хімічними властивостями є аналогами Са і К. Sr і Cs надходять в організм з харчових ланцюжках: 1) атмосфера - грунт - рослина (через кореневу систему) - молоко-м'ясо-людина, 2) атмосфера-рослина (через листя) - молоко - м'ясо - людина. Потрапляючи в організм, вони активно включаються у біологічні цикли.
Чутливість тканин і органів до впливу випромінювання різна. Вчені встановили, що найбільш чутливими до опромінення є слабо диференційовані молоді клітини, що ростуть або розмножуються (наприклад, клітини яєчка, яєчників, лімфатичної тканини, кісткового мозку).
Деякі радіонукліди мають високу вибірковість розподілу в організмі, накопичуються в певних органах або тканинах у великих концентраціях і обумовлюють високі дози опромінення. Прикладом такого радіонукліда є радіоактивний йод-131, який накопичується в щитовидній залозі.
Припускають, що іонізуючі випромінювання здатні надавати безпосередньо руйнівну дію у разі прямого попадання на елементи ядерних структур клітини, зокрема, приводити до так званих хромосомним змін і генним мутаціям.
Генетичні наслідки як результат зовнішнього опромінення.
Закономірності і механізми виникнення спадкових змін (мутацій) під впливом іонізуючого випромінювання вивчає радіаційна генетика.
Іонізуюче випромінювання впливає на організм в різних дозах, навіть у дуже малих. Воно обумовлює радіаційно-хімічне пошкодження молекул, що входять до складу клітинних структур, змінює обмін речовин і фізіологічні функції всього організму. Особливо важкі наслідки впливу випромінювання обумовлені пошкодженням дезоксирибонуклеїнової кислоти (ДНК). Порушення структури клітин і біологічно важливих молекул є причиною розвитку віддалених наслідків дії іонізуючих випромінювань (післядія), проявом яких можуть бути загибель клітин або втрата ними здатності до поділу, виникнення хромосомних мутацій, спадкові зміни, променева хвороба.
Прогнозування та оцінка віддалених наслідків променевих уражень, зумовлених малими дозами опромінення, дуже складні, тому що закономірності їх виникнення істотно відрізняються від променевих уражень внаслідок опромінень дозами 100 рад (позасистемна одиниця поглиненої дози радіації; 1 рад = 0,01 Дж / кг) і більше .
Деякі дослідження радіаційної генетики свідчать, що природна частота захворювання злоякісними новоутвореннями становить 1000-2 000 випадків на 1 млн населення в рік. Ризик виникнення пухлини внаслідок опромінення дозою 0,01 Грей (1 рад) на 1 млн населення складає 3-6 випадків на рік, збільшення частоти генетичних змін в організмі у разі опромінення цієї ж дозою (у першому поколінні) становить 3-4 випадки (0 , 04%).
Дані учених у цій галузі до 1986 року базувалися на дослідженнях наслідків випробувань та використання ядерної зброї, наслідків аварій під час відповідних експериментів та ін Однак весь попередній досвід не може зрівнятися з наслідками, можливими після чорнобильської катастрофи. До цих пір ще не вивчений досить механізм спільного дії зовнішнього і внутрішнього випромінювання (повітря, їжа), зовсім не вивчене явище синергізму - взаємодії радіації з хімічними речовинами (свинцем, пестицидами та ін.)
Захист організму від іонізуючого випромінювання.
Існують заходи, що сприяють зниженню загрози радіаційного ураження організму. Від зовнішніх джерел іонізуючих випромінювань (рентгенівське, гамма-кванти, нейтрони, альфа-частинки і ін) організм захищають за допомогою екранів з матеріалів, що поглинають радіацію. Щоб радіоактивні речовини не потрапили всередину організму, необхідно правильно організувати роботу з джерелами випромінювання, забезпечити персонал індивідуальними засобами захисту (комбінезони, пневмокостюми, взуття та ін), дотримуватися правил особистої гігієни, а також методики збору, збереження, обробки і видалення радіоактивних відходів. Щоб запобігти опромінення організму під час роботи з джерелами іонізуючих випромінювань, проводять дозиметричний контроль. Якщо опромінення організму неможливо уникнути, ступінь променевого ураження можна послабити, застосовуючи радіозахисні засоби (радіопротектори) - вітаміни, сірковмісні речовини, амінокислоти, гормони та ін Вони підвищують природну стійкість організму до іонізуючим випромінюванням - радіоустойчівость. Для виведення радіонуклідів з організму використовують різноманітні адсорбенти, найбільш доступним і поширеним з яких є активоване вугілля.
Вплив електромагнітного випромінювання на організм людини.
До фізичних факторів навколишнього середовища, що мають іонізуючу здатність, відноситься електромагнітне випромінювання (наприклад, гамма-випромінювання, ультрафіолетові промені).
Останнім часом у результаті інтенсивного розвитку електроніки та радіотехніки природне середовище перебуває під впливом електромагнітних випромінювань (електромагнітних полів). Головним їхнім джерелом є радіо-, телевізійні і радіолокаційні станції, високовольтні лінії передач, електротранспорт, трансформаторні станції. Особливо небезпечні потужні військові радіолокаційні станції, напруга поля яких є настільки високим, що нерідко стає причиною загибелі птахів, які у нього.
Напруга електромагнітного поля вимірюють у вольтах на метр (В / м). Електричні поля високої напруги негативно впливають насамперед на нервову систему людини. Так, напруга поля в 100 В / м викликає головний біль і сильну втому, а більш висока напруга - безсоння, неврози, важкі захворювання. У районах, де розташовані радіостанції та військові радіолокаційні станції, рівень електромагнітних випромінювань перевищує гігієнічні норми у 4-8 разів, а поблизу потужних ЛЕП (понад 1000 кВ) - у 20 разів.
Одним з основних засобів охорони населення від впливу електромагнітного випромінювання є винесення потужних комунікацій за межі території проживання людей.