Как влияет радиация на организм человека?
Воздействие на органы тела (соматические эффекты)
В ответ на облучение радиацией в различных органах и тканях тела возникают самые разные реакции. Некоторые реакции происходят быстро, другие медленно. Как влияет радиация на организм человека? Например, гибель клеток в пораженных тканях может быть обнаружена в течение нескольких минут после воздействия, тогда как дегенеративные изменения, такие как рубцевание и разрушение тканей, могут появиться только через несколько месяцев или лет.
В общем, делящиеся клетки более радиочувствительны, чем неделящиеся, в результате чего лучевое поражение радиацией обычно появляется быстрее всего в тех органах и тканях, в которых клетки быстро размножаются. К таким тканям относятся кожа, слизистая оболочка желудочно-кишечного тракта и костный мозг, где клетки-предшественники непрерывно размножаются, чтобы заменить старые-зрелые клетки, которые постоянно разрушаются в результате нормального старения.
Раннее воздействие излучения на эти органы в значительной степени является результатом разрушения клеток-предшественников и последующего вмешательства в замену зрелых клеток, процесс, необходимый для поддержания нормальной структуры и функции ткани. Повреждающее воздействие радиации на орган обычно ограничивается той частью органа, которая подвергается прямому воздействию. Соответственно, облучение только части органа обычно вызывает меньшее нарушение функции органа, чем облучение всего органа.
Влияние радиации на кожу
Радиация может вызывать различные повреждения кожи в зависимости от дозы облучения и условий воздействия. Как влияет радиация на кожу? Самая ранняя внешняя реакция кожи на радиацию - это временное покраснение (эритема) пораженного участка, которое может появиться в течение нескольких часов после облучения дозой радиации равной 6 Гр(грей) или более.
Эта реакция обычно длится всего несколько часов, а через две-четыре недели за ней следует одна или несколько волн более глубокого и продолжительного покраснения в той же области. Более высокая доза радиации может вызвать последующее образование волдырей и язв на коже, а также потерю волос с последующим нарушением пигментации через несколько месяцев или лет.
Влияние радиации на костный мозг
Кроветворные клетки костного мозга являются одними из самых радиочувствительных клеток в организме. Если большой процент таких клеток погибает, что может произойти при интенсивном облучении всего тела, нормальное замещение циркулирующих клеток крови нарушается. В результате количество клеток крови может снизиться и, в конечном итоге, может возникнуть инфекция, кровотечение или и то, и другое.
Как влияет радиация на костный мозг? Доза радиации ниже 0,5–1 Зв(зивертов) обычно вызывает лишь легкое временное истощение кроветворных клеток; однако доза выше 8 Зв обычно вызывает фатальное угнетение образования клеток крови.
Влияние радиации на желудочно-кишечный тракт
Как влияет радиация на желудочно-кишечный тракт? Реакция желудочно-кишечного тракта на радиацию во многих отношениях сопоставима с реакцией кожи. Пролиферирующие клетки слизистой оболочки ЖКТ, легко уничтожаются облучением, что приводит к денудации слизистой оболочки. Если значительная часть тонкой кишки быстро подвергается воздействию радиации дозой, превышающей 10 Гр, как это может произойти при радиационной аварии, в течение очень короткого периода времени возникает фатальная дизентерийная реакция.
Влияние радиации на органы репродуктивной системы
Не смотря на то, что зрелые сперматозоиды относительно устойчивы к радиации, незрелые сперматозоиды (сперматогонии) являются одними из самых радиочувствительных клеток в организме. Как влияет радиация на органы репродуктивной системы? Быстрое воздействие радиации на оба семенника дозой облучения всего 0,15 Зв может временно прервать производство спермы, а доза, превышающая 4 Зв, может быть достаточной, чтобы вызвать постоянное бесплодие у определенного процента мужчин.
В яичнике ооциты средней зрелости более радиочувствительны, чем ооциты большей или меньшей зрелости. Таким образом, доза радиации 1,5–2,0 Зв, быстро полученная обеими яичниками, может вызвать только временное бесплодие, тогда как доза, превышающая 2–3 Зв, может вызвать постоянное бесплодие у значительного процента женщин.
Влияние радиации на глаза
Облучение радиацией может вызвать помутнение хрусталика, степень помутнения которого увеличивается с увеличением дозы. Однако эффект может проявиться не раньше, чем через много месяцев после воздействия.
В 1940-х годах у некоторых физиков, которые работали с первыми циклотронами, в результате профессионального нейтронного облучения наблюдалось разрушение катаракты, что впервые указывает на высокую относительную биологическую эффективность нейтронов в отношении повреждения хрусталика.
Как влияет радиация на зрение? Пороговое значение радиации для прогрессирующего, ухудшающего зрение помутнения или катаракты варьируется от 5 Зв, подаваемых на линзу за одно воздействие, до 14 Зв, подаваемых при нескольких воздействиях в течение нескольких месяцев.
Влияние радиации на мозг и органы чувств
Вообще говоря, люди не ощущают умеренного радиационного поля, однако малые дозы радиации (менее 0,01 Гр) могут производить фосфен, световое ощущение на сетчатке, адаптированной к темноте.
Как влияет радиация на органы чувств? Американские астронавты на первом космическом корабле, совершившем посадку на Луну («Аполлон-11», 20 июля 1969 г.), наблюдали во время полета нерегулярные световые вспышки и полосы, которые, вероятно, возникли в результате попадания одиночных тяжелых частиц космических лучей на сетчатку.
В различных тестах на предпочтение пищи крысы, когда им предоставляется выбор, избегают радиационных полей даже в несколько мГр. Дозы 0,03 Гр достаточно, чтобы разбудить спящую крысу, вероятно, за счет воздействия на обонятельную систему, а доза того же порядка может ускорить судороги у генетически восприимчивых мышей.
Зрелый мозг и нервная система относительно устойчивы к радиационному поражению, но развивающийся мозг ребёнка более радиочувствителен к повреждению.
Лучевая болезнь
Признаки и симптомы, возникающие в результате интенсивного радиационного облучения значительной части костного мозга или желудочно-кишечного тракта, составляют клиническую картину, известную как лучевая болезнь или острый лучевой синдром. Ранние проявления этого состояния обычно включают потерю аппетита, тошноту и рвоту в течение первых нескольких часов после облучения, за которыми следует бессимптомный интервал, который длится до основной фазы болезни (см. таблицу).
Симптомы острой лучевой болезни (гемопоэтическая форма)
| Время после воздействия | Высокий диапазон доз (6-10 Гр) | Средний диапазон доз (2,5-5 Гр) | Низкий диапазон доз (1-2 Гр) |
|---|---|---|---|
| Несколько часов | нет определенных симптомов | тошнота и рвота | |
| Первая неделя |
|
нет определенных симптомов | |
| Вторая неделя | лихорадка с последующим быстрым истощением организма и фатальным исходом в 100% случаев | ||
| Третья неделя |
приводящие к быстрому истощению и смерти в 50% случаев |
|
Основная фаза кишечной формы болезни обычно начинается через два-три дня после облучения, с боли в животе, лихорадки и диареи, которые быстро прогрессируют по степени тяжести и в течение нескольких дней приводят к обезвоживанию, прострации и фатальному, шоковому состоянию. Основная фаза кроветворной формы болезни обычно начинается на второй или третьей неделе после облучения с лихорадки, слабости, инфекции и кровотечения. Если повреждение костного мозга является серьезным, смерть от обширной инфекции или кровотечения может наступить через четыре-шесть недель после заражения, если не будет исправлена трансплантация совместимых не облученных клеток костного мозга.
Чем выше полученная доза радиации, тем раньше и сильнее проявляются радиационные эффекты. После однократного облучения дозой радиации более 5 Гр на все тело выживаемость маловероятна (см. таблицу). Доза облучения в 50 Гр или более на голову может вызвать немедленное и заметное воздействие на центральную нервную систему с последующим периодическим ступором и бессвязностью, чередующимися с повышенной возбудимостью, эпилептиформными припадками и смертью в течение нескольких дней (церебральная форма острого лучевого синдрома).
В случае, когда доза облучения радиацией всего тела составляет от 6 до 10 Гр, самыми ранними симптомами являются потеря аппетита, тошнота и рвота, за которыми следует прострация, водянистая и кровавая диарея, отвращение к пище и лихорадка. Кроветворные ткани глубоко повреждены, и количество лейкоцитов может снизиться в течение 15–30 дней с примерно 8000 на кубический миллиметр до 200.
В результате этих эффектов организм теряет свою защиту от микробной инфекции, слизистые оболочки, выстилающие желудочно-кишечный тракт, могут воспаляться. Кроме того, может возникнуть внутреннее или внешнее кровотечение из-за снижения количества тромбоцитов в крови. Возвращение ранних симптомов, часто сопровождающихся делирием или комой, предвещает смерть. Однако симптомы могут значительно отличаться от человека к человеку. Полная потеря волос в течение 10 дней была расценена как указание на смертельно опасное воздействие.
В диапазоне доз 1,5–5,0 Гр возможно выживание (хотя в верхнем диапазоне маловероятно), и симптомы проявляются, как описано выше, но в более легкой форме и обычно после некоторой задержки. Тошнота, рвота и недомогание могут начаться в первый день, а затем исчезнуть, далее следует латентный период относительного благополучия. Постепенно наступают анемия и лейкопения. Через три недели внутренние кровоизлияния могут возникнуть практически в любой части тела, но особенно на слизистых оболочках. Восприимчивость к инфекции остается высокой, и происходит некоторая потеря волос. Вялость, истощение и жар могут сохраняться в течение многих недель, прежде чем наступит выздоровление или смерть.
Умеренные дозы радиации могут серьезно подавить механизмы иммунологической защиты, что приводит к повышенной чувствительности к бактериальным токсинам, значительному снижению фиксации антигенов и снижению эффективности образования антител. К сожалению, эффективность антибиотиков в борьбе с пострадиационными инфекциями ограничена. Значительную ценность в этом случае представляют капсулы-изоляторы, позволяющие антисептически изолировать человека от окружающей его среды. Они обеспечивают защиту от заражения из внешних источников в критический для выздоровления период.
При дозе радиации ниже 1,5 Гр человек обычно способен пережить интенсивное облучение всего тела. Симптомы после воздействия в этом диапазоне доз аналогичны уже описанным, но менее выражены и проявляются с задержкой. При дозе менее 1 Гр симптомы могут быть настолько слабыми, что человек, подвергшийся воздействию, может продолжать свою обычную деятельность, несмотря на поддающееся измерению угнетение его костного мозга. Некоторые люди, однако, испытывают субъективный дискомфорт от доз всего лишь 0,3 Гр. Хотя такие дозы радиации могут не вызывать немедленных реакций, они могут вызывать замедленные эффекты, которые проявляются спустя годы.
Влияние радиации на рост и развитие эмбриона
Ткани эмбриона, как и другие ткани, состоящие из быстро пролиферирующих клеток, очень радиочувствительны. Однако типы и частота радиационных эффектов сильно зависят от стадии развития эмбриона или плода на момент воздействия радиации. Например, когда воздействие радиацией происходит во время формирования органа, это может привести к его деформации. Воздействие на раннем этапе эмбриональной жизни с большей вероятностью убьет эмбрион, чем вызовет врожденный порок, тогда как воздействие на более поздней стадии с большей вероятностью вызовет функциональную аномалию у потомства, чем летальный эффект или порок развития.
У экспериментально облученных грызунов наблюдалось большое количество пороков развития, вызванных радиацией. Многие из них представляют собой пороки развития нервной системы, в том числе микроцефалию (уменьшение размера мозга), экзэнцефалию (часть мозга, формирующуюся вне черепа), гидроцефалию (увеличение головы из-за чрезмерного количества жидкости) и анофтальмию (недостаточность зрения). Такие эффекты могут возникнуть после дозы радиации 1-2 Гр на соответствующей стадии развития.
Функциональные нарушения, вызванные пренатальным облучением у лабораторных животных, включают аномальные рефлексы, беспокойство и гиперактивность, нарушение способности к обучению и предрасположенность к припадкам, вызванным извне. Нарушения, вызванные радиацией, аналогичны нарушениям, которые могут быть вызваны некоторыми вирусными инфекциями, нейротропными препаратами, пестицидами и мутагенами.
Нарушения нервной системы, которые встречаются у 1-2 процентов младенцев, чаще обнаруживались у детей, рожденных беременными женщинами, проживавшими в Хиросиме или Нагасаки во время атомных взрывов. Частота уменьшения размера головы и умственной отсталости у таких детей увеличивалась примерно на 40 процентов на 1 Гр, когда облучение происходило между восьмой и 15-й неделями беременности, возрастом наибольшей восприимчивости к радиации.
Период максимальной чувствительности для каждого развивающегося органа резко ограничен во времени, в результате чего риск порока развития в конкретном органе сильно зависит от точной стадии развития, на которой эмбрион облучается. Таким образом, риск того, что данная доза радиации вызовет конкретный порок развития, намного меньше, если доза облучения распределяется на много дней или недель, чем если бы она была получена в течение нескольких часов самого критического периода.
Кроме того, для индукции порока обычно требуется повреждение многих клеток в развивающемся органе, так что вероятность такого эффекта в результате низких доз, характерных для естественного фонового излучения, мала.
Влияние радиации на заболеваемость раком
Выжившие после атомной бомбардировки, определенные группы пациентов, подвергшиеся радиационному облучению в медицинских целях, и некоторые группы людей работающих с радиацией продемонстрировали дозозависимый рост заболеваемости некоторыми видами рака. Однако индуцированные раковые заболевания появились только через несколько лет после облучения, и у них не было обнаружено никаких отличительных признаков, по которым их можно было бы идентифицировать индивидуально как возникшие в результате радиации. Более того, за некоторыми исключениями, заболеваемость раком не увеличивалась заметно при дозах радиации менее 0,01 Зв.
Поскольку канцерогенные эффекты радиации не были задокументированы в достаточно широком диапазоне доз, чтобы точно определить форму кривой «доза-частота», риск радиационно-индуцированного рака при низких уровнях облучения можно оценить только путем экстраполяции и путём наблюдений при более высоких уровнях доз, основанных на предположениях о связи между заболеваемостью раком и дозой. Для большинства типов рака информация о соотношении "доза-заболеваемость" довольно скудна. Наиболее обширные доступные данные относятся к лейкозам и раку женской груди.
Общая частота всех форм лейкемии, кроме хронического лимфатического типа, увеличивалась примерно пропорционально дозе в течение первых 25 лет после облучения. Однако разные типы лейкемии различаются по величине радиационно-индуцированного увеличения для данной дозы, возрасту, в котором происходит облучение, и времени после облучения. Общее превышение всех типов, кроме хронического лимфатического лейкоза, в среднем по всем возрастам, составляет примерно от одного до трех дополнительных случаев лейкемии в год на 10 000 человек из группы риска на зиверт костного мозга.
Заболеваемость раком женской груди также увеличивается пропорционально дозе радиационного облучения. Кроме того, даже небольшие воздействия, сильно разнесенные во времени, оказывают канцерогенное воздействие на грудь, которое является полностью аддитивным и кумулятивным. Хотя восприимчивость к радиационному облучению резко снижается с возрастом, превышение количества случаев рака груди в среднем по всем возрастам составляет от трех до шести случаев на 10 000 женщин на зиверт ежегодно.
Дополнительным доказательством того, что канцерогенные эффекты могут быть вызваны относительно небольшой дозой радиации, является увеличение числа опухолей щитовидной железы, которое, как было замечено, является результатом воздействия дозы рентгеновского излучения 0,06–2,0 Гр на щитовидную железу в младенчестве. или в детстве, а также связью между пренатальным диагностическим рентгеновским облучением и детской лейкемией. Последняя связь подразумевает, что воздействие рентгеновского излучения всего лишь 10–50 мГр во время внутриутробного развития может увеличить последующий риск лейкемии у облученного ребенка на 40–50 процентов.
Хотя некоторые, но не все, другие типы рака наблюдались с большей частотой в облученных популяциях (см. таблицу ниже), данных недостаточно, чтобы указать, распространяется ли риск на низкие дозы. Однако очевидно, что соотношение "доза-заболеваемость" варьируется от одного типа рака к другому. Из имеющихся данных можно сделать вывод, что общее превышение всех типов рака вместе составляет приблизительно 0,6–1,8 случая на 1000 человек на зиверт в год, когда все тело подвергается облучению, начиная с двух до 10 лет после облучения.
Это увеличение соответствует кумулятивному увеличению продолжительности жизни примерно на 20–100 дополнительных случаев рака на 1 000 человек на зиверт или увеличению естественного риска рака на протяжении жизни на 8–40 процентов на зиверт.
Риск возникновения рака в течение жизни, связанный с облучением радиацией в малых дозах:
| Место возникновения рака | Случаев возникновения рака на 10000 человеко/зивертов* |
|---|---|
| костный мозг (лейкемия) | 15-20 |
| щитовидная железа | 25-120 |
| грудь (только для женщин) | 40-200 |
| лёгкие | 25-140 |
| желудок | |
| печень | 5-60 |
| толстая кишка | |
| кости | |
| пищевод | |
| тонкий кишечник | 5-30 |
| мочевой пузырь | |
| поджелудочная железа | |
| лимфатическая ткань | |
| кожа | 10-20 |
| всего (для обоих полов) | 125-1000 |
*-Единица человеко-зивертов представляет собой произведение средней дозы на человека на количество облученных людей (1 зиверт на каждого из 10 000 человек = 10 000 человеко-Зв), все указанные здесь значения округлены.
Приведенные выше оценки риска предполагают, что не более 1–3 процентов всех онкологических заболеваний среди населения в целом является результатом естественного фонового ионизирующего излучения. Однако, в то же время, данные показывают, что до 20 процентов случаев рака легких у некурящих может быть связано с вдыханием радона и других естественных радионуклидов, присутствующих в воздухе.
Радиация и сокращение продолжительности жизни
Лабораторные животные, все тела которых подвергаются радиационному облучению в первой половине жизни, страдают от сокращения продолжительности жизни, которое увеличивается по мере увеличения дозы. Этот эффект был ошибочно интерпретирован ранними исследователями как проявление ускоренного или преждевременного старения.
Однако с тех пор было установлено, что сокращение продолжительности жизни облученных животных в значительной степени, если не полностью, связано с индукцией доброкачественных и злокачественных новообразований. Это наблюдение подтверждается выводом о том, что смертность от других болезней, помимо рака, не увеличилась заметно в результате облучения среди выживших после атомной бомбардировки.
Защита от внешнего излучения и радиации
С каждым годом обнаруживается все большее количество веществ, которые обеспечивают защиту от радиационного поражения при введении до облучения (см. таблицу ниже). Многие из них, по-видимому, действуют, вызывая кислородное голодание или конкурируя за кислород с нормальными составляющими клетки и радикалами, производимыми излучением.
Однако все опробованные до сих пор защитные соединения токсичны, а аноксия сама по себе опасна. Как следствие, их введение людям пока нецелесообразно.
Некоторые химические вещества, оказывающие радиозащитное действие (опробовано на лабораторных животных):
| Класс | Химическое вещество | эффективная доза (в миллиграммах на килограмм ткани) |
|---|---|---|
| соединения серы |
|
|
| гормоны |
|
|
| ингибиторы ферментов |
|
|
| метаболиты | муравьиная кислота | 90 |
| сосудосуживающие средства | серотонин | 50 |
| препараты для нервной системы |
|
|
* Гидробромид аминоэтилизотиурония бромида.
Суточные изменения радиочувствительности грызунов указывают на то, что факторы, ответственные за суточные биологические ритмы, также могут изменять реакцию тканей на радиацию. К таким факторам относится гормон тироксин, нормальная секреция щитовидной железы. Другие сенсибилизаторы на клеточном уровне включают аналоги нуклеиновых кислот (например, 5-фторурацил), а также определенные соединения, которые избирательно радиосенсибилизируют гипоксические клетки, такие как метронидазол.
Радиочувствительность в некоторой степени также находится под генетическим контролем, восприимчивость варьируется у разных инбредных линий мышей и увеличивается при наличии унаследованных недостатков способности восстанавливать радиационно-индуцированные повреждения ДНК. Свободные от микробов мыши, которые проводят всю свою жизнь в стерильной среде, также обладают большей устойчивостью к радиации, чем животные в нормальной микробной среде, благодаря устранению риска заражения.
Многие годы считалось, что лучевая болезнь необратима после получения смертельной дозы радиации. С тех пор было обнаружено, что клетки костного мозга, введенные вскоре после облучения, могут позволить человеку пережить смертельную дозу рентгеновских лучей, поскольку эти клетки мигрируют в костный мозг облученного реципиента, где они размножаются и повторно заселяют кроветворные ткани.
В этих условиях трансплантация костного мозга возможна даже между гистосовместимыми индивидуумами, поскольку облученный реципиент утратил способность вырабатывать антитела против введенных «чужеродных» клеток. Однако по прошествии нескольких месяцев трансплантированная ткань может в конечном итоге отторгнуться или у нее может развиться иммунная реакция против облученного хозяина, которая также может быть фатальной.
Трансплантация клеток костного мозга помогла предотвратить радиационную смерть среди жертв аварий реактора, как, например, облучённых в 1986 году на Чернобыльской атомной электростанции на Украине. Однако следует отметить, что культивируемые или хранимые клетки костного мозга пока не могут быть использованы для этой цели.
Контроль радиационных рисков
Принимая во внимание тот факт, что в настоящее время считается, что радиация играет роль в мутагенной или канцерогенной активности, считается, что любая процедура, связанная с радиационным облучением, влечет за собой определенную степень риска. В то же время, однако, радиационно-индуцированные риски, связанные со многими видами деятельности, пренебрежимо малы по сравнению с другими рисками, обычно встречающимися в повседневной жизни.
Тем не менее, такие риски не обязательно приемлемы, если их можно легко избежать или если от деятельности, с которой они связаны, не может быть получена измеримая польза. Следовательно, предпринимаются систематические усилия, чтобы избежать ненужного воздействия ионизирующего радиационного излучения в медицине, науке и промышленности. С этой целью были наложены ограничения на количество радиоактивности и на дозы облучения, которые могут накапливаться различными тканями тела у людей работающих с радиацией или населения в целом.
Хотя большинство видов деятельности, связанных с радиационным облучением в медицинских целях, очень полезны, нельзя полагать, что преимущества перевешивают риски в ситуациях, когда радиация используется для проверки больших слоев населения с целью выявления случайного человека с бессимптомным заболеванием. Примеры таких приложений включают «ежегодное» рентгеновское обследование грудной клетки(флюорографию) и маммографию. Каждое использование радиационного излучения в медицине (и стоматологии) теперь оценивается в каждом конкретном случае.
Другие виды деятельности, связанные с радиационным облучением, также оцениваются с осторожностью, чтобы гарантировать, что ненужное облучение исключено и что их предполагаемая польза перевешивает рассчитанные риски. Например, при эксплуатации атомных электростанций большое внимание уделяется минимизации риска для окружающего населения.
