Фотомонтаж, демонстрирующий пути воздействий солнечной активности на Земную магнитосферу. Пунктиры – путь фотонов и частиц из активной области, находящейся в геоэффективной позиции, в направлении Земли. Время фотонов в пути до Земли около 8 минут. Космические лучи и солнечный «ветер» убегают от Солнца в среднем в 200 раз медленнее. Светлая парабола перед Землей – ударный фронт сверхзвуковых волн солнечного «ветра», образующийся при их встрече с магнитосферой Земли (с сайта ВВС News).

    Согласно законам физики механизм любого эволюционного процесса в системе – взаимодействие между составляющими этой системы. Сами взаимодействия носят весьма разнообразный характер. Это не только обычное притяжение или отталкивание, о котором говорится в курсах физики, хотя любой процесс в живом организме,– будь-то движение, химический процесс преобразования вещества в организме, или просто передача элементов питания внутри организма – это цепь иногда сложнейших комбинаций фундаментальных взаимодействий между элементами живой материи. Взаимодействия неизбежны и в социумах. Прежде всего, это взаимодействия между людьми (группами). Но именно из-за комплексности взаимодействий, а также вследствие выполнения принципа Шателье–Брауна, причинно-следственые связи не всегда очевидны. Так, даже в социуме у каждого «начальника» есть власть, чтобы заставить подчиненого выполнить то или иное задание. Но и у любого подчиненного всегда есть возможность воздействия на руководителя (реакция). Кроме того, циркуляция информации между руководителем и подчиненным также представляет обмен (взаимодействие). У подчиненного (исполнительного элемента) также есть доля власти. Совокупность подчиненных может оказать управляющему весьма ощутимое противодействие, особенно если цели исполнителей и управляющих различаются.
    Различие интересов элементов системы является источником противоречий. Как правило, развитие никогда не происходит при полном равенстве действия и противодействия (третий закон Ньютона не выполняется). Но именно «ассиметрия» действия и противодействия, и определяемая этой ассиметрией нелинейность приводит к неоднозначности направления этого развития. Нелинейность в сочетании с противодействием (диссипацией) приводит при определенных условиях к возникновению бифуркаций. Большие бифуркации (в том числе, в социуме) иногда называют революциями. Но сложные системы, способные выбирать поведение в зависимости от своих целей, могут и не препятствовать серьезно внешнему воздействию (т.е. большие бифуркации не возникают), если воздействие не противоречит целям системы. Поэтому не всякое воздействие со стороны управляющей надсистемы будет приниматься исполнителями с антагонизмом, что облегчает целеустремленное управление. Вместе с тем, всё разнообразие взаимодействий, каким бы сложным оно не было, в конце концов, сводится к комбинации фундаментальных взаимодействий, а управление любой системой – это асимметричное взаимодействие в нелинейной системе, когда действие не равно противодействию.
    Поэтому, чтобы понять механизмы взаимодействия и возможности управления различными системами, как организма, так и общества в целом¹, важно понимать сами механизмы осуществления взаимодействий.
    Именно обсуждению этих вопросов посвящен данный раздел.

Радиационная экология

Радиационная экология изучает особенности существования живых организмов и их сообществ в условиях наличия етестественных радионуклидов или техногенного радиоактивного загрязнения. Существует два важнейших направления в радиоэкологии – изучение поведения радионуклидов в экосистемах и их компонентах (почве, растительном покрове, сообществах животных) и воздействия ионизирующего излучения на биоту и человека.
Радиоэкология сформировалась к середине 50-х гг. ХХ в. в связи с загрязнением окружающей среды радиоактивными веществами в результате ядерных испытаний, отходов атомной промышленности, аварий на атомных электростанциях и ядерных установках.

Я убежден, что ядерная энергетика необходима человечеству и должна развиваться, но только в условиях практически полной безопасности.

Академик А.Д. Сахаров

XX век – век «расщепленного» атома

    Ушедший XX век по праву называют веком расщепленного атома. Два величайших открытия привели к революции в физике. На пороге 1895-96 гг. Вильгельм Рентген в Вюрцбургском университете обнаружил излучение, невидимое глазом, но вызывающее почернение фотопластинки, которое проходило через ткань, дерево и даже тело человека. В.Рентген это излучение назвал Х-лучами, однако сегодня мы используем чаще термин рентгеновское излучение.
    Всего спустя несколько месяцев французский физик Анри Беккерель положил несколько фотографических пластинок в ящик стола, при­давив их кусками какого-то минерала, содержащего уран. Когда он проявил пластинки, то, к своему удивлению, обнаружил на них следы излучений, которые он приписал урану. Вскоре этим явлением заинтересовалась Мария Склодо́вская-Кюри, молодой химик, которая и ввела в обиход слово «радиоактивность». В 1898 г. она и ее муж Пьер Кюри обнаружили, что уран после излучения таинственным об­разом превращается в другие химические элементы. Один из этих элементов супруги назвали полонием в память о Польше,– родине М. Склодовской-Кюри, а еще один – радием (от лат. – «испускающий лучи»). В ходе экспериментов М. Склодовская-Кюри вручную переработала 11 тонн урановой руды и умерла от отдаленных последствий облучения.
    Практически сразу новые открытия были задействованы в биологии и медицине. Уже в 1896 г. российский физиолог И.Р.Тарханов исследовал действие рентгеновских лучей на нервную систему лягушек. Медики стали использовать необыкновенную проникающую способность для выявления и распознавания болезней. В прессе были даже предложения дарить любимой женщине рентгенограмму ее скелета.
    Однако вскоре выяснилось, что использование X-лучей вовсе не так безобидно как кажется на первый взгляд. У людей, демонстрировавших их замечательные свойства стали появляться ожоги, которые со временем у некоторых перерастали в раковые опухоли. В первые десятилетия использования новых лучей, включая и открытые Беккерелем, более 300 человек, работавших с радиоактивными материалами, умерли в результате облучения. Сам Беккерель одним из первых столкнулся со свойством радиоактивного излучения – его воздействием на ткани живого организма, положив пробирку с радием в карман и получив в результате ожог кожи.
    Со временем стал появляться страх перед радиацией. Считается, что при больших дозах радиация вызывает серьезнейшие поражения тканей, а при малых может вызвать рак и индуцировать генетические дефекты. Существенно, что разнообразие самих вторичных эффектов весьма сильно затрудняет анализ степени вредности радиоактивности и установления относительно простых критериев определения биологически опасных уровней радиоактивного облучения. Поэтому сложилась ситуация, когда ряд аспектов проблемы, относимых не всегда обоснованно к несущественным, практически не выносится на широкое обсуждение, в то время как некоторые из них, наоборот, возводятся в ранг «актуальнейших» (тоже не всегда обоснованно). Как следствие, тема радиационного загрязнения окружающей среды в настоящее время стала наиболее «озвучиваемой» в средствах массовой информации, причем не всегда правильно.
    Лучшим противоядием страха являются знания. Важно представлять ту грань, где радиация становится действительно опасной для жизни. Поэтому в данном разделе мы попытались кратко рассмотреть основные аспекты воздействия радиации на природные объекты, отсылая за более подробной информацией к специальным учебникам.

Радиация

    Слово радиация происходит от латинского radiatio – сияние, блеск, и формально обозначает любое излучение. Однако исторически сложилось так, что этот термин относят к более конкретному виду излучений – ионизирующему.
    Ионизирующее излучение – в самом общем смысле – различные виды микрочастиц и физических полей, взаимодействие которых со средой способные ионизировать атомы и молекулы. В более узком смысле к ионизирующему излучению не относят ультрафиолетовое излучение и излучение видимого диапазона света, которое в отдельных случаях также может быть ионизирующим. Излучение микроволнового и радиодиапазонов не является ионизирующим.
    Все явления природы воедино связывают физические поля, а «сила» такого единства во многом определяется двумя факторами: энергией, определяемой этими физическими полями и способом ее передачи объекту взаимодействия. Поэтому при одном и том же значении энергии последствия взаимодействия могут быть принципиальо различными

Таблица 4.6. Уровни и стадии радиобиологических процессов.

    Тем не менее, именно из сравнения энергии различных видов излучений, можно лучше понять их различие. Например, смертельная для человека доза рентгеновского (ионизирующего) излучения, при общем облучении соответствует тепловой энергии, поглощенной человеком после выпитой чайной ложки горячего кофе, нескольких минут принятия солнечных ванн (неионизирующее излучение) в теплый день, или работе, выполняемой одним человеком при подъеме тела другого человека на высоту 40 см (рис.4.21).

Рис.4.21. Сравнение результата проявления одной и той же величины энергии ~ 280 Дж (67 кал), но полученной различными способами.

Некоторые необходимые сведения о строении ядер

    Свойства атомов различных известных химических элементов определяются количеством нуклонов в ядре атома. Так, под номером 1 в периодической таблице Менде­леева (рис. 4.23) располагается водород.
    Ядро наиболее распространенного атома водорода состоит из одной элементарной частицы – протона. Все остальные ядра химических элементов состоят из группы протонов и нейтронов. Номер химического элемента в таблице соответствует количеству протонов в ядре. Атомная масса (массовое число) численно равна суммарному количеству нуклонов в ядре. Важно отметить, что в ядре атома при одинаковом числе протонов может содержаться разное количество нейтронов. Поэтому экспериментально определенная атомная масса для большинства химических элементов не является целым числом, а представляет собой среднее значение нуклонов, приходящихся на одно ядро элемента, и зависит от соотошения количества атомов с различным числом нейтронов.
    Ядра с одинаковым количеством протонов и разным количеством нейтронов называют изотопами. Все изотопы делят на две группы: стабильные и нестабильные, или радиоактивные. Стабильные изотопы не подвержены самопроизвольному распаду. Радиоактивные изотопы способны самопроизвольно распадаться и превращаться в ядра других элементов.

Радиоактивность

Радиоактивность (лат. radio – излучаю, radius – луч и activus – действенный) – способность некоторых атомных ядер превращаться в ядра других атомов с испусканием частиц.

    К радиоактивным относятся превращения ядер с испусканием α-частиц (альфа-распад), электронов и позитронов (бета-распад), спонтанное деление ядер. Радиоактивность часто сопровождается γ-излучением. Испускаемые частицы взаимодействуют с атомами среды, в результате чего происходит образование электрических зарядов. Такое излучение впоследствии стали называть ионизирующим. Различают:
    Естественная радиоактивность – самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе (открыта А. Беккерелем).
    Искусственная радиоактивность – самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции (обнаружена в 1934 г. И. Жолио-Кюри и Ф. Жолио-Кюри для открытых ранее двух новых элементов – радия и полония).

Рис.4.24. Схема возникновения на уровне атома и проникающая способность теплового, нейтронного и ионизирующих излучений, названных α-, β- и γ-лучами до того, как стала известна их истинная природа.

Рис.4.25. Пример превращения элементов при α- и β-распадах. Внизу указано время жизни изотопа.

    Альфа-лучи обладают наибольшей ионизирующей способностью. Вылетая из ядра со скоростью порядка 20000 км/с, они способны в воздухе преодолеть расстояние 8-9 см (рис.4.24). Проникающая способность α-частиц невелика. Их способен остановить лист бумаги. В биологическую ткань α-частицы проникают на глубину всего несколько десятков микрон. Однако при торможении они выделяют большое количество энергии, вызывая тем самым сильную ионизацию, что становится особо опасным при попадании α-частиц внутрь организма, например, через дыхательные пути. В этом случае α-частицы «прожигают» ткани легких, провоцируя развитие раковых заболеваний легких.
    Бета-распад представляет собой превращение ядер с испусканием электронов или позитронов. Если ядро испускает электрон, то номер элемента увеличивается на единицу. Так, образовавшиеся после α-распада полония изотоп свинца после испускания электрона (β-частицы) превращается в изотоп висмута (рис.4.25). Энергия β-частиц значительно меньше энергии α-частиц, но значительно меньший размер позволяет им пролететь в воздухе несколько метров, а в биологической ткани – на глубину 1-2 см, что способно вызвать ожоги.
    Гамма-излучение – ионизирующее коротковолновое электромагнитное излучение (испускание фотонов), часто сопровождает радиоактивность. Превращений элементов при γ-излучении не происходит, поскольку заряд и масса ядра не изменяются. γ-лучи обладают наибольшей проникающей способностью, и наименьшей ионизирующей.
    Отметим, что α- и β-излучение отклоняются в магнитном поле, а γ-лучи не отклоняются.
    Радиоактивность и сопутствующее ей ионизирующее излучение всегда существовали и на Земле и в космосе, поэтому во всякой живой ткани присутствуют следы радиоактивности. Умеренная радиация обладает стимулирующим действием. Она способствует повышению жизнестойкости организмов и увеличивает продолжительность жизни. Однако существенное уменьшение или увеличение ионизирующего излучения действует на живые организмы угнетающе.
    Находясь вне организма, радиоактивные вещества облучают его снаружи (внешнее облучение). Попадая внутрь организма, они вызывают внутреннее облучение. Существует четыре возможных пути для внутреннего облучения: через легкие (1) при дыхании, вместе с пищей (2), через повреждения и разрезы на коже (3), путем абсорбции (4) через здоровую кожу.
    Организм человека усваивает вещества, исходя из их химической природы, вне зависимости от радиоактивности. Например, кости хорошо усваивают как обычный кальций, так и его радиоактивные изотопы. Радий, находясь в той же группе периодической таблицы Менделеева, что и кальций, также усваивается организмом, накапливаясь преимущественно в растущих концах костей. Другой пример, йод. Его радиоактивный изотоп главным образом усваивается щитовидной железой.
    До открытия явления радиоактивности облучение населения Земли происходило за счет естественных источников, в последнее столетие к ним добавились техногенные источники радиации.

Естественные источники радиации

    Естественный радиационный фон является неотъемлемым фактором окружающей среды, таким же как, например, гравитация и электромагнитные поля. Все живые организмы развиваются в условиях постоянного воздействия естественной радиации, которая играет существенную роль в процессе их жизнедеятельности. Причем в различных местах земного шара ее количественное значение существенно меняется.
    Создается естественный радиационный фон космическими лучами и радионуклидами земной коры, распределенными на поверхности и в недрах Земли, в атмосфере, растениях и организмах всех живых существ. Чуть меньше половины внешнего обучения, создаваемого естественными источниками радиации, приходится на космические лучи.
    Различают первичное и вторичное космическое излучения.
    Первичное космическое излучение представляет собой поток частиц высоких энергий, которые попадают в земную атмосферу непосредственно из межзвездного пространства. Бóльшая часть первичного космического излучения возникает в пределах нашей Галактики, в результате извержения и испарения материи при звездных взрывах и образовании сверхновых звезд. Энергия таких галактических частиц значительно превышает по своему значению энергию частиц, возникающих при солнечных вспышках. По составу практически 90% такого излучения – это протоны, порядка 7% – α-частицы, около 1% составляют нейтроны, фотоны, электроны и ядра легких элементов.
    Галактические космические лучи формируются при прохождении межзвездной среды. Их средний возраст составляет 10⁶-10⁷ лет. Такой длительный процесс позволяет перемешиваться космическим лучам от различных источников, в результате чего излучение становится изотропным. Попадая в атмосферу Земли, протоны и ядра легких элементов космических лучей сталкиваются с ядрами атомов воздуха, находящимися в атмосфере Земли и тормозятся. В результате первичное космическое излучение практически не доходит до уровня моря. Однако эти столкновения рождают вторичное космическое излучение за счет каскада последующих, обусловленных значительной энергией столкновений, ядерных превращений, которое и доходит до поверхности Земли.

Рис.4.26. Возрастание с высотой мощности облучения за счет космических лучей.

    На высоте 45 км над уровнем моря преобладает первичное космическое излучение. На высоте 20-25 км наблюдается максимальная интенсивность вторичного космического излучения, которое с уменьшением высоты также уменьшается и достигает минимума на уровне море.
    На интенсивность космического излучения влияет также и магнитное поле Земли. Северный и Южный полюса получают больше радиации, чем экваториальные области.
    Обобщая можно сказать, что наибольшему воздействию космического излучения подвергаются жители высокогорных районов. В средних широтах на уровне море эквивалентная доза космического излучения составляет около 10% от величины космического излучения на высоте 4-5 км. Космическое излучение на высоте полетов современных самолетов в несколько десятков раз выше, чем на уровне моря (рис.4.26). Отметим, что из-за существенной разницы в скорости во время полета на сверхзвуковых самолетах пассажир подвергается меньшему излучению.
    Радионуклиды земной коры могут быть как земного происхождения, так и космогенного. Естественные радионуклиды земного происхождения подразделяются на радионуклиды, относящиеся к радиоактивным семействам, и радионуклиды элементов из средней части периодической системы элементов Д.И. Менделеева.
    Всего в природе существует три радиоактивных семейства: урана–радия, тория и актиния. Каждое из семейств образует цепочку радионуклидов, в которой последующий нуклид становится продуктом распада предыдущего. У каждого есть родоначальник и конечный продукт распада (обычно один из стабильных изотопов свинца). Во всех трех семействах один из продуктов распада – газ (один из изотопов радона), который называется эманацией. Эманация обуславливает существование продуктов распада в заметных количествах в воздухе, воде и почве.
    Родоначальник семейства урана-радия – ²³⁸U (рис.4.27), конечный продукт распада – ²⁰⁶Pb, эманация – радон (изотоп ²²²Rn). Родоначальник семейства тория – ²³²Th, конечный продукт распада – ²⁰⁸Pb, эманация – торон (изотоп ²²⁰Rn). Родоначальник семейства актиния – ²³⁵U, конечный продукт распада – ²⁰⁷U, эманация – актион (изотоп ¹¹⁹Rn).
    Наиболее весомый вклад из всех естественных источников радиации оказывает радон – газ, в 7.5 раз тяжелее воздуха и не имеющий ни вкуса, ни запаха.

Радон вместе со своими дочерними продуктами радиоактивного распада ответствен при­мерно за 3/4 годовой индивидуальной эффективной эквивалентной дозы облучения, получаемой населением от земных источников радиации, и примерно за половину этой дозы от всех естественных источников радиации.

    Радиотоксичность радона обусловлена его α-радиоактивностью и радиоактивными нелетучими продуктами распада – Ро, Bi и Pb, которые с большим трудом выводятся из организма. Наиболее биологически опасен для вдыхания изотоп ²¹⁸Po, продуктами распада которого являются α-активные изотопы и свинец. Ниже представлен фрагмент схемы распада радона:

    Однако в медицине и бальнеологии (раздел курортологии, изучающий происхождение и физико-химические свойства минеральных вод, методы их использования с лечебно-профилактической целью при наружном и внутреннем применении, медицинские показания и противопоказания к их применению) радон широко применяют в виде радоновых воздушных, водных и грязевых ванн, а так же воздушных ингаляций и эманаториев, при лечении нервной и сердечнососудистой систем, органов дыхания и пищеварения, опорно-двигательного аппарата, гинекологических заболеваний и болезней обмена веществ.
    К радионуклидам из средней части периодической системы элементов Д.И. Менделеева относят 12 элементов, которые образовались в результате первичных процессов, происходивших на нашей планете ⁴⁰K, ⁴⁸Ca, ⁸⁷Rb, ⁹⁶Zr, ¹¹⁵In, ¹³⁸La, ¹⁴²Ce, ¹⁴⁴Nd, ¹⁴⁹Nd, ¹⁴⁷Sm, ¹⁷⁶Lu.

Рис. 4.27. Пример цепочки распада изотопа U-238 (семейство урана-радия).

    Космогенные радионуклиды образуются, в основном, в результате взаимодействия космического излучения с ядрами атомов, входящих в состав атмосферы. Небольшая часть космогенных радионуклидов образуется при взаимодействии космического излучения с ядрами атомов, находящихся в толще Земли. В целом, они вносят незначительный вклад в естественное радиационное излучение.
    Уровень фоновой земной радиации формируется в основном за счет членов двух радиоактивных семейств – урана-радия и тория и естественных радионуклидов земной коры ⁴⁰Ka ⁹⁷Rb. В различных местах концентрация этих элементов варьируется и поэтому уровень фоновой земной радиации также меняется. На Земле есть места, где уровни земной радиации намного выше фоновой. Одно из таких мест находится недалеко от города Посус-ди-Калдас в Бразилии, где уровень радиации в 800 раз выше среднего и достигает 250 мЗв в год. Этот населенный пункт стоит на песках, богатых торием. В Иране, в районе городка Рамсер, где бьют ключи, богатые радием, были зарегистрированы уровни радиации до 400 мЗв в год. Известны и другие места с высоким уровнем радиации.

Техногенные источники радиации

    Техногенные радионуклиды разделяются на искусственные, получаемые в ядерных реакциях (работающие ускорителях, ядерные взрывы, отработанное топливо и аварийные выбросы энергетических ядерных реакторов) и природные, концентрирующиеся при добыче, переработке и использовании полезных ископаемых (уран, фосфорные удобрения, стройматериалы). Разработка нефтяных и газовых месторождений приводит к загрязнению почвы и водоносных горизонтов пластовыми водами, содержание ²²⁶Ra в которых в 10²-10³ раз превышает естественное.
    В отличие от естественной, искусственная радиоактивность – следствие человеческой деятельности. Источниками искусственной радиации являются атомные электростанции, военная и мирная техника, использующая ядерные реакторы, места добычи полезных ископаемых с нестабильными атомными ядрами, зоны ядерных испытаний, места захоронения и утечки ядерного топлива, кладбища ядерных отходов, некоторая диагностическая и лечебная техника, а также радиоактивные изотопы в медицине.
    Медицинские процедуры, с использованием ионизирующих излучений находят все больше и больше областей применения. К ним относятся ранняя диагностика заболеваний и борьба с раком. При этом уровень облучения населения в медицинских целях дает наибольший вклад по сравнению с другими искусственными источниками излучения, превышая в некоторых странах уровень естественного радиационного фона.

Рис.4.28. Вклад во влияние на человека различных источников радиации.

    В отличие от фонового излучение, действующего равномерно на весь организм, облучение с медицинскими целями воздействует на определенную часть тела. По мнению ряда врачей обследования при помощи облучения должны быть сведены к минимуму. Так, например, нет смысла в массовой рентгеноскопии грудной клетки в районах с низкой заболеваемостью туберкулезом, если тщательно и добросовестно изучать истории болезни и проводить вовремя все необходимые лабораторные анализы.
    При испытаниях ядерных зарядов огромное количество радиоактивности уносится в атмосферу. Наибольшее количество относится к продуктам деления урана. Крупные частицы под действием силы тяжести оседают, более мелкие поднимаются вместе с восходящим потоком воздуха. Часть из них размером 1-5 мкм выпадают на поверхность земли в течение 2-3 последующих недель. Такие выпадения называются полуглобальными. Другие частицы размером менее 1-1.5 мкм, уносятся в стратосферу и могут выпадать на поверхность земли от 1.5 до 7 лет. Такие выпадения называют глобальными. В основном радиоактивные осадки состоят из изотопов ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs.Они выпадают в растворимой форме, накапливаются в почве и затем поглощаются листьями или корнями растений.
    Использование каменного угля и природного газа, также приводят к повышенным уровням радиации. Каменный уголь содержит естественные радионуклиды ⁴⁰K и радиоизотопы семейства урана-радия. При его сжигании исключается органический компонент и за счет этого зола содержит уже на порядок больше радионуклидов, чем сам уголь. Радионуклиды рассеиваются вместе с золой в атмосфере и становятся источником дополнительного облучения.
    Природный газ содержит небольшое количество радона, поэтому при его использовании также повышается радиационный фон.
    Кроме того, определенный вклад в техногенную радиацию вносят аварии на АЭС, использование строительных материалов с повышением содержания природных радионуклидов (радоновая проблема в Швеции и Финляндии). Радиация, связанная с развитием атомной энергетики, составляет лишь малую долю радиации, порождаемой деятельностью человека.

Радиационная экология предмет и задачи

    Радиационная экология, как уже отмечалось ранее, изучает взаимоотношения радиоактивной среды с организмами и их сообществами, процессы миграции и накопления радионуклидов в пищевых цепях, а также качественные и количественные изменения биосферы под действием внешнего и внутреннего облучения.
    Зарождение радиационной экологии в России относят к концу двадцатых годов XX века. В это время В.И.Вернадский изучал процесс накопления радия живыми организмами. Термин «радиационная экология» (радиоэкология) был предложен в 1956 г. А.М. Кузиным и А.А. Передельским (СССР), а также Е. Одумом (США).
    В середине XX столетия в радиационной экологии были выделены два направления. Первое, связанное с изучением влияния ионизирующих излучений на живые организмы. Второе – с изучением закономерностей распределения и накопления радионуклидов в природных сообществах.
    Как уже отмечалось выше, окружающая нас среда всегда была радиационной. Конечно, создаваемые в последнее столетие искусственные источники излучения повышают уровень фона, однако, это лишь небольшая дополнительная нагрузка, в отличие от многих других загрязняющих веществ, которых не существовало на Земле, пока люди не начали их промышленное производство.

Основные термины и понятия радиационной экологии

    Радиационные явления можно исследовать либо измеряя активность источника излучения, либо посредством измерения дозы излучения. Чтобы говорить об активности источника введем ряд понятий.
    Радиоактивный распад – явление вероятностное (статистическое). Если в образце имеется N нераспавшихся ядер, то невозможно указать, какие из них распадутся за ближайший достаточно малый интервал времени. Полностью определенной является вероятность распада ядра за 1 с, называемая постоянной распада λ.
    Закон радиоактивного распада в дифференциальном виде предсказывает число dN ядер, распавшихся за интервал времени dt:

dN = –λNdt.

    Активность радионуклида А (радиоактивность) – важнейшая его характеристика, определяется как скорость радиоактивного распада следующим образом:

А = –dN/dt = λN.

    Единица измерения активности Беккерель (Бк) названа в честь первооткрывателя явления радиоактивности. Активность радионуклида ничего не говорит о дозах радиации, она указывает только на число атомов, распадающихся в секунду, ничего не сообщая ни о виде радиоактивного излучения, ни о величине его энергии. Одинаковая активность различных веществ не подразумевает одинаковую степень поражения биологических тканей. Например, одна и та же величина активности 37·10⁶ Бк у полония будет крайне опасна, а у тритиевой воды – почти безвредна.
    Закон радиоактивного распада в интегральном виде:

N(t) = N₀e^-λt.

Здесь N₀ – исходное число нераспавшихся ядер (при t = 0), N – число нераспавшихся ядер по истечении времени t.

Период полураспада T_1/2 – время, необходимое для того, чтобы радиоактивное вещество потеряло половину своей активности, определяют из условия t = T_1/2, если N/N₀ = 1/2, или

 T_1/2 = ln2/λ = 0.693/λ.

    Каждый радионуклид имеет неизменный, характерный только ему период полураспада, который может составлять от нескольких секунд до миллионов лет. Например, радионуклиды ²³⁸U и ²²⁶Ra являются долгоживущими, т.к. для них значения T_1/2 равны 4.56·10⁹ лет и 1622 года соответственно, а половина изотопов ¹³¹I распадается за 8 суток.
    Взаимосвязь между активностью и массой m радионуклида устанавливается соотношением

A = 0.693N_Am/(T_1/2M),

где М – молекулярная масса в [г/моль], N_A = 6.022·10²³ моль^-1 – число Авогадро, а размерности величин: А – [Бк], T_1/2 – [с], m – [г]. Анализ этого соотношения показывает, что активность радионуклида, опасная для здоровья, соответствует ничтожно малым значениям m. Например, предел годового поступления радионуклида ²²⁶Ra (часто записываемого в виде Ra-226, T_1/2 = 5.1·10¹⁰ с,
M = 226 г/моль) через органы дыхания для условий профессионального облучения установлен как 1.3·10³ Бк. Это соответствует значению массы всего m = 3.6 ·10^–8 г.
    Для того чтобы структурировать воздействие различных видов излучений и их последствия была введена логически последовательная система для расчета и согласования доз облучения. При этом под понятием доза подразумевается непосредственно количество энергии излучения переданной организму.
    Повреждений, вызванных в живом организме излучением, будет тем больше, чем больше энергии оно передаст тканям. Однако, вследствие того, что энергия передается квантами (порциями), в общем случае, чтобы оценить последствия воздействия, для радиоактивного облучения необходимо учитывать не только общую энергию, но тип источника излучения и условия взаимодействия излучения с биологической тканью. Например, внутреннее облучение по последствиям считается наиболее опасным. Поэтому для количественной оценки облучения и нормирования радиоактивного излучения приходится вводить целый ряд дополнительных понятий.
    Доза излучения – ионизационный эквивалент энергии, переданной радиационным излучением фиксированному объему (массе).
    Дозы можно рассчитывать по-разному, с учетом того, каков размер облученного участка и где он расположен, один ли человек подвергся облучению или группа людей и в течение какого времени это происходило.
    Различают следующие понятия.
    Экспозиционная доза излучения X – ионизационный эквивалент энергии, переданной фотонами фиксированному объему воздуха.

    Единицы измерения:
    в системе СИ – 1 Кл/кг (Кулон-на-килограмм);
    специальная единица – 1 Р (сокращение от «Рентген»).

    Рентген – специальная единица экспозиционной дозы, устанавливаемой только для фотонного излучения в системе единиц измерения СГСЭ (энергии, переданной фотонами единице массы сухого воздуха, находящегося при нормальных физических условиях: температура 273 К, давление 0.1 МПа). Названа по имени В. Рентгена, который в 1895 г. открыл Х-лучи (рентгеновское излучение).
    Областью передачи энергии фотонного излучения является объем воздуха, равный 1 см³. 1 Р соответствует образованию за пределами рассматриваемого объема одной электростатической единицы заряда СГСЭ в результате полного торможения комптоновских электронов, образующихся в этом объеме.
    Единица экспозиционной дозы в системе СИ (1 Кл/кг = 3880 Р) менее удобна для практического применения, поскольку существенно превосходит смертельную дозу. Кроме того, все отечественные приборы прокалиброваны в традиционных единицах измерения.

    Отметим, что в данном определении экспозиционной дозы область передачи и поглощения энергии имеет существенно разные пространственные масштабы. Уже отмечалось (см. рис.4.21), что, например, наружное облучение человека стандартной массы (70 кг) смертельной дозой ионизирующего излучения порядка 600 Р соответствует такой же величине энергии в виде хаотического движения молекул, содержащейся в чайной ложке горячего кофе.
    Биологическая опасность зависит не от полной энергии излучения, а от той ее части, которая сконцентрирована в отдельной ее порции (кванте), т.е. квантовый характер воздействия на организм имеет решающее значение.
    Поглощенная доза D – определяется как отношение энергии, переданной излучением любого вида единице массы вещества.

    Единица измерения:
    в системе СИ – 1 Гр (Грей) = 1 Дж/кг,
    в физической системе СГС – 1 рад = 100 эрг/г = 0,01 Гр.

    Исходные принципы дозиметрии фотонного излучения сформулировал английский физик и радиобиолог Л. Грей. Он же и предложил название «рад», являющееся акронимом термина «radiation absorbed dose». Следует отметить, что энергетический эквивалент Рентгена для воды и биологической ткани равен 93 эрг/г, т.е. является достаточно близким к единице поглощенной дозы.

    Мощность поглощенной дозы = dD/dt определяется отношением приращения dD поглощенной дозы к интервалу времени dt, за который оно происходит.
    Эквивалентная доза Н – мера индивидуального риска возникновения стохастического эффекта облучения. Определяется как произведение поглощенной дозы на взвешивающий коэффициент (коэффициент качества) W_R для данного вида излучения (ранее называвшийся биологическим эквивалентом радиоактивного излучения).

    Единицы измерения:
    в системе СИ – 1 Зиверт (1 Зв = 1 Гр·W_R),
    специальная единица – 1 бэр = 0.01 Зв.

    До 1963 года единица «бэр» понималась как «биологический эквивалент рентгена» (англ. rem – roentgen equivalent man). В этом случае 1 бэр соответствует такому облучению живого организма данным видом излучения, при котором наблюдается тот же биологический эффект, что и при экспозиционной дозе гамма-излучения в 1 Рентген. В системе СИ бэр имеет ту же размерность и значение, что и рад – обе единицы равны 0.01 Дж/кг для излучений с коэффициентом качества, равным единице.

    Значения W_R устанавливаются для каждого вида излучения индивидуально. Например, в случае γ- и β-излучений – W_R = 1, для α-частиц – W_R ≈ 20, для протонов с энергией более 2 МэВ – W_R ≈ 5.
    Радиационный риск R – вероятность проявления стохастического эффекта в результате облучения всего тела в течение года. Определяется как произведение годовой эквивалентной дозы на коэффициент риска r смертельного (ракового) исхода, или серьезных наследственных эффектов, приведенных к смертельным последствиям.
    Следует учитывать, что одни части тела (органы, ткани) более чувствительны, чем другие. Поэтому дозы облучения органов и тканей также следует учитывать с разными коэффициентами. Умножив эквивалетные дозы на соответствующие коэффициенты и просуммировав по всем органам и тканям, получим эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения для организма. Для населения это среднее значение полагают обычно равным r = 7.3·10^–2 Зв^–1.

Рис.4.29. Коэффициенты радиационного риска для разных тканей (органов) человека при равномерном облучении всего тела, рекомендованные Международной комиссией по радиационной защите (МКРЗ) дляисления эффективной эквивалентной дозы.

    Эффективная эквивалентная доза Е – расчетная величина, определяемая из условия равенства значений индивидуального риска для эффективного наружного и реального внутреннего облучения. Измеряется в единицах эквивалентной дозы.
    Ожидаемая эквивалентна доза Н_с, приведенная к средней длительности жизни (условно 70 лет) используется, если скорость выведения радионуклидов из внутренних органов мала, и, следовательно, облучение продолжается спустя длительное время после окончания поступления радионуклидов. Для наиболее медленно выводящихся трансурановых радионуклидов отношение Н_с к годовой эквивалентной дозе превышает 100.
    Коллективная доза S = NE используется для определения радиационного ущерба в простейшем случае облучения группы численностью N одинаковой дозой Е.
    Считается, что при S = N^.E = 1 чел.^.1 Зв отдаленные последствия облучения приводят к потере 1 человека в год. Согласно рекомендациям МКРЗ цена единицы коллективной дозы составляет (1-2)·10⁴ долл./(чел.-Зв). Просуммировав индивидуальные эффективные эквивалентные дозы, полученные группой людей, мы придем к коллективной эффективной эквивалентной дозе, которая измеряется в человеко-зивертах (чел-Зв).
    Поскольку многие радионуклиды распадаются очень медленно и останутся радиоактивными в отдаленном будущем, вводят еще одну характеристику:
    Ожидаемая (полная) коллективная эффективная эквивалентная доза – коллективная эффективная эквивалентная доза, которую получат многие поколения людей от какого-либо радиоактивного источника за все время его дальнейшего существования.
    Такая иерархия понятий на первый взгляд может показаться слишком слож­ной, но, тем не менее, она представляет собой логически последовательную систе­му и позволяет рассчитывать согласую­щиеся или сопоставимые друг с другом дозы облучения.

Таблица 4.7. Сводка основных дозиметрических характеристик и единиц их измерений

Радиационный фон

Рис.4.30. Среднегодовые дозы (мЗв/год) облучения в различных странах за счет естественных источников.

    В среднем доза облучения человека от естественных источников радиации составляет около 2.4 мЗв/год. Доля космического излучения составляет около 15%, оставшиеся 85% приходится на долю земных источников радиации. 95 % населения Земли проживает в местах с уровнем естественной земной радиации 0.3-0.6 мЗв/год. Около 3% населения в местах своего проживания получает дозу 1 мЗв/год. Однако, как указывалось выше, на Земле существуют местности с существенно более высоким уровнем земной радиации.
    Внутреннее облучение от естественных радионуклидов примерно в два раза выше, чем внешнее. Основной вклад в него вносят короткоживущие продукты распада изотопов радона ²²²Rn и ²²⁰Rn (79%), ⁴⁰K (11%), ²¹⁰Pb и ²¹⁰Po (7%). В целом, исключая радон, внутренне облучение составляет около 1 мЗв/год.

Рис.4.31. Удельная радиоактивность воздуха, обусловленная присутствием радона и его дочерних продуктов, в ванной комнате одного из домов в Канаде в течение семи минут работы теплого душа и после его отключения (концентрация радона в воде составляла 4400 Бк/м3).

    Радон стоит особняком в ряду естественных радионуклидов. Его источником является грунт, на котором построены дома, строительные материалы, артезианская вода и природный газ.
    Радон высвобождается из земной коры повсеместно, но его концентрация в наружном воздухе существенно различается для разных точек земного шара (рис.4.32). Основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении.
    В зонах с умеренным климатом, где жилые помещения более закрытые, чем в тропических странах, концентрация радона в помещениях в среднем примерно в 8 раз выше, чем в наружном воздухе. Радон концентрируется в воздухе внутри помещений лишь тогда, когда они в достаточной мере изолированы от внешней среды. Поступая внутрь помещения тем или иным путем (просачиваясь через фундамент и пол из грунта или, или высвобождаясь из материалов, использованных в конструкции дома), радон накапливается в нем. Герметизация помещений с целью утепления только усугубляет дело, поскольку при этом еще более затрудняется выход радиоактивного газа из помещения.
        Высокое содержание радона может быть обнаружено в артезианских скважинах. По данным НКДАР ООН среди населения Земли 1% жителей потребляют воду с удельной радиоактивностью более 1 кБк/л и около 10% – превышающей 0.1 кБк/л. При кипячении воды значительная часть радона улетучивается.
    Помимо естественных источников радиации существуют также антропогенные. Как правило, их доля невелика. Наибольшую часть составляют источники, использующиеся в медицинских целях.

Рис. 4.32. Некоторые результаты измерения концентрации Rn-222 в различных местах Земли.

Радиочувствительность живых организмов     Изучение биологического воздействия ионизирующего излучения началось еще в первые десятилетия XX века. Интерес резко возрос в 1940-х годах после первых испытаний и применения ядерного оружия. Многочисленные исследования показали, что радиочувствительность организма напрямую связана с индивидуальными особенностями организма. При этом под понятием радиочувствительность понимают степень реакции клеток, тканей, органов, систем и организма в целом на воздействие ионизирующего излучения.     Живые организмы обладают различной радиочувствительностью. Некоторые из них исключительно чувствительны и погибают при малых дозах, другие устойчивы к дозам, которые разрушают белок и ДНК. Из позвоночных наиболее уязвимы к излучению млекопитающие. Причем наибольшая чувствительность наблюдается у новорожденных, перед наступлением половой зрелости она снижается и затем остается постоянной. Можно также говорить о том, что более холоднокровные животные менее чувствительны к радиации.     Интересный опыт был проведен в начале прошлого столетия (1925 г.) П. Анцелем и П. Винтембергером. Куриное яйцо, сохранявшееся в холодильнике в течение 24 часов, было подвергнуто действие рентгеновских лучей, а затем снова помещено в холодильник, через 3 дня никаких повреждений обнаружено не было. Облученное яйцо, помещенное после этого в инкубатор на 3 дня, обнаруживало многочисленные повреждения. Проведенные исследования позволили сделать «пророческие» выводы: Необходимо четко различать 3 существенных момента: 1) радиационное повреждение, 2) факторы, способствующие проявлению этого повреждения, 3) восстанавливающие факторы.     Последующие исследования позволили предположить, что существенную роль в развитии повреждений играет обмен веществ. Чем он интенсивнее, тем быстрее образуются патологические метаболиты. Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют также о замедлении радиационного эффекта у животных, находящихся в условиях пониженной температуры. Например, у ряда млекопитающих в состоянии зимней спячки значительно снижается чувствительность к действию излучения. Однако говорить о том, что радиационное повреждение на холоде полностью исчезает и организм восстанавливается нельзя, часто оно просто остается в скрытом виде.      Насекомые, как правило, более устойчивы к радиации, чем млекопитающие. В среднем доза способная убить насекомого примерно в 100 раз больше соответствующей дозы для млекопитающего. Воздействие излучения на живые организмы     Несмотря на интенсивные и достаточно длительные исследования последствий облучения на организм, многие аспекты до сих пор не ясны.     Считается, что малые дозы облучения могут «запустить» некоторую цепь событий, приводящую к раку или к генетическим повреждениям. Раковые заболевания проявляются спустя много лет после облучения (не ранее чем через одно-два десятилетия). Врожденные пороки развития и другие наследственные болезни, вызываемые повреждением генетического аппарата, проявляются лишь в следующем или последующих поколениях.     При больших дозах радиация может разрушать клетки, повреждать ткани органов и явиться причиной скорой гибели организма. Эти повреждения проявляются в течение нескольких часов или дней. Чтобы вызвать острое поражение организма, дозы облучения должны превышать определенный уровень. Однако для того, чтобы вызвать такие последствия, как рак, или повреждение генетического аппарата достаточно самой малой дозы. Вместе с тем, никакая доза облучения не приводит к этим последствиям во всех случаях: человек, подвергшийся действию радиации, не обязательно должен заболеть раком или стать носителем наследственных болезней. У такого человека лишь возрастает риск наступления таких последствий по сравнению с необлученным человеком. Рис.4.33. Средние годовые эффективные эквивалентные дозы облучения от естественных и техногенных источников радиации.     Индивидуальная реактивность организма на радиационное воздействие определяется совокупностью признаков индивидуума, которая характеризует отклонение тех или иных параметров от условно принятых средних значений. В настоящее время выявлена взаимосвязь между индивидуальными адаптивными способностями организма и его радиочувствительностью.     С одной стороны, экранирование живых организмов от естественного радиационного фона приводит к ослаблению процессов жизнедеятельности организмов и снижению их жизнеспособности. С другой стороны, радиационное воздействие вызывает сильное нарушение равновесия различных систем организма. Излучение, поглощенное веществом вызывает изменения на молекулярном уровне. Большинство компонентов клетки при этом изменяется, в течение тысячных долей секунды. Важную роль при этом играют и химические компоненты среды, окружающие поврежденные структуры.     В ответ на воздействие организм мобилизует гомеостатические функции, направляя их на устранение повреждения. Видимая реакция на облучение организма наступает в том случае, когда эффект воздействия превосходит компенсаторные процессы. Все повреждения можно разделить на три группы: обратимые, необратимые и повреждения, которые по своей природе могут проявляться в потомстве.     Для предварительной оценки индивидуальной радиочувствительности необходимо провести исследования по трем направлениям: – оценить исходное состояние различных систем организма в обычных условиях его жизнедеятельности; – оценить общую реактивность организма по его реакции на функциональные нагрузки и действия различных факторов – сопоставить реакции систем организма на облучение в малых дозах.     Исследования реакции организма на облучение, проведенные на крысах, позволили выявить следующие закономерности: наиболее подвержены радиации животные с сильными, но неуравновешенными нервными процессами. Самки, у которых было потомство, менее чувствительны к радиации, чем девственные. Скорость деления клеток в организме также влияет на радиочувствительность. Чем больше скорость, тем больше радиочувствительность. В целом зависимость биологических эффектов от дозы облучения носит нелинейный характер. Постлучевые реакции могут заключаться в усилении, снижении ряда параметров, отсутствовать вообще и проходить по механизму адаптивного ответа.     Для того чтобы прогнозировать исход лучевой болезни с точностью до 60-80%, необходимо изучить несколько показателей организма в корреляции, таких как, например, количество лейкоцитов и эритроцитов в периферической крови, объем выпиваемой за сутки воды, объем потребляемого кислорода и выдыхаемого углекислого газа, показатели ректальной температуры. При этом на выживаемость больше влияют хорошие компенсаторно-приспособительные реакции, чем выносливость.     Отдаленные последствия воздействия излучений, возникают в результате появления необратимых нарушений в организме. Большинство пострадиационных эффектов инициируется не прямо, а опосредуется изменениями в нервной, гормональной, иммунной, антиоксидантной и других системах организма. На уровне организма постлучевые изменения могут компенсироваться и выявляться только при функциональных организма к действию других повреждающих факторов. Выраженность постлучевых изменений в значительной мере определяется физиологическим состоянием организма, органов и тканей.     Немецкий физик Ф. Дессауэр в 1922-1933 гг. выдвинул теорию «попадания», суть которой заключается в следующем: поглощение энергии излучения биообъектом, процесс не непрерывный, а квантовый. Такое применение понятий квантовой физики к биологическим проблемам позволило объяснить, так называемый «радиобиологический парадокс», заключающийся в том, что при воздействии ионизирующей радиации на живую клетку поглощение чрезвычайно малого, ничтожного количества энергии может давать заметный и даже значительный биологический эффект. Именно поэтому разделение поглощенной энергии ионизирующих излучений на большие и малые дозы весьма условно. Поглощенная доза 10 Гр – смертельная для большинства млекопитающих, выраженная в тепловом эквиваленте соответствует стакану горячего чая.     Следующим шагом к пониманию причин чрезвычайной биологической активности ионизирующей радиации стала теория мишени, согласно которой малые порции энергии могут дать сильный эффект только тогда, когда они попадают в малую мишень. Сам Ф.Десссауэр назвал это термином «точечное тепло». При помощи теория мишени можно перейти от формального анализа к пониманию физической природы попадания.     Мутагенный эффект ионизирующих излучений был открыт в 1925-1927 гг.     Здесь важно отметить, что мутации возникают не мгновенно. Вначале под воздействием мутагенов возникает предмутационное состояние клетки. Различные репарационные системы стремятся устранить это состояние, и тогда мутация не реализуется. Основу репарационных систем составляют различные ферменты, закодированные в генотипе клетки. Таким образом, мутагенез находится под генетическим контролем клетки. Это – не физико-химический, а биологический процесс. Например, ферментные системы репарации вырезают поврежденный участок ДНК, если повреждена только одна нить (эту операцию выполняют ферменты эндонуклеазы), затем вновь достраивается участок ДНК, комплементарный по отношению к сохранившейся нити (эту операцию выполняют ДНК-полимеразы), затем восстановленный участок сшивается с концами нити, оставшимися после вырезания поврежденного участка (эту операцию выполняют лигазы).     Существуют и более тонкие механизмы репарации. Например, при утрате азотистого основания в нуклеотиде происходит его прямое встраивание (это касается аденина и гуанина). Метильная группа может просто отщепляться. В некоторых случаях действуют более сложные, малоизученные системы репарации, например, при повреждении обеих нитей ДНК.     Однако при большом числе повреждений ДНК они могут стать необратимыми. Это связано с тем, что, во-первых, репарационные системы могут просто не успевать исправлять повреждения, а во-вторых, могут повреждаться сами ферменты систем репарации. Необратимые повреждения ДНК приводят к появлению мутаций – стойких изменений наследственной информации.     В настоящее время известно множество самых разнообразных мутагенов, одним из которых может выступать ионизирующее излучение. Действие ионизирующего излучения основано на ионизации компонентов цитоплазмы и ядерного матрикса. При ионизации возникают высокоактивные химические вещества (например, свободные радикалы), которые различным образом действуют на клеточные структуры. Из наиболее изученных механизмов отметим следующие.     Непосредственное воздействие частиц с высокой энергией на ДНК, которое приводит к ее разрывам. Это универсальный механизм возникновения хромосомных перестроек на всех стадиях клеточного цикла, но он действует очень грубо – обычно клетки теряют способность к нормальному делению и погибают.     Опосредованное воздействие ионизирующих факторов связано с нарушением структуры ферментов, контролирующих репликацию, репарацию и рекомбинацию ДНК. Этот механизм наиболее эффективно действует на синтетической стадии интерфазы. При больших дозах мутагенов клетки погибают. Поскольку раковые клетки делятся непрерывно, то облучение является универсальным средством подавления развития метастазов при онкологических заболеваниях – непрерывно делящиеся раковые клетки более уязвимы, чем медленно пролиферирующие или непролиферирующие нормальные клетки.     При опосредованном действии ионизирующих факторов их мутагенный эффект может быть снижен с помощью специальных веществ – радиопротекторов. К радиопротекторам относятся различные антиоксиданты, взаимодействующие с продуктами ионизации. В то же время, мутагенный эффект может быть усилен, например, высокая температура повышает мутагенный эффект радиации.     Мутагенное действие ультрафиолетовых лучей. ДНК интенсивно поглощает жесткий ультрафиолет с длиной волны ≈ 254 нм. Основным продуктом является образование нуклеотидных димеров: два нуклеотида, расположенных рядом в одной цепи ДНК, «замыкаются» сами на себя, образуя пары «тимин–тимин» и «тимин–цитозин». При репликации ДНК напротив такой пары в достраивающейся цепи могут стать два любых нуклеотида, т.е. принцип комплементарности не выполняется. Ультрафиолетовый свет – это сравнительно мягкий мутаген, поэтому его широко используют в селекции растений, облучая проростки.     В целом же, радиогенные эффекты имеют неспецифический характер и могут стать основой, как для развития патологических состояний, так и для повышения радиорезистентности.     Ничтожная величина поглощенной энергии крайне высоко выражена реакция биологического объекта. При этом биологические системы способны реагировать даже на небольшие отклонения радиационного фона. Большинству из них присуща способность очень четко определять местоположение источника дополнительного излучения и избегать зоны его действия.     Острое поражение. Радиация оказывает подобное действие, лишь начиная с некоторой минимальной, или «пороговой», дозы облучения. Смертельной дозой γ-излучения считается 600 Р. Так называемая «смерть под лучем» наступает при дозе около 200 000 Р. При дозах свыше 25 бэр могут иметь место генетические последствия.     Реакция для разных органов и тканей не одинакова, а различия достаточно велики (рис. 4.34). Величина дозы, определяющая тяжесть поражения организма, зависит также от того, получает ли ее организм сразу или в несколько приемов. Большинство органов успевает в той или иной степени залечить радиационные повреждения и поэтому лучше переносит серию мелких доз. Очень большие дозы облучения (порядка 100 Гр) вызывают настолько серьезное поражение центральной нервной системы, что смерть, как правило, наступает в течение нескольких часов или дней (рис. 4.35). При дозах облучения от 10 до 50 Гр при облучении всего тела поражение ЦНС может оказаться не настолько серьезным, чтобы привести к летальному исходу, однако облученный человек, скорее всего, все равно умрет через одну-две недели от кровоизлияний в желудочно-кишечном тракте. При еще меньших дозах может не произойти серьезных повреждений желудочно-кишечного тракта или организм с ними справится, и, тем не менее, смерть может наступить через один-два месяца с момента облучения, главным образом из-за разрушения клеток красного костного мозга − главного компонента кроветворной системы организма: от дозы в 3-5 Гр при облучении всего тела умирает примерно половина всех облученных. Таким образом, в этом диапазоне доз облучения большие дозы отличаются от меньших лишь тем, что смерть в первом случае наступает раньше, а во втором – позже. Рис.4.34. «Допустимые» дозы (которые пациент без особого вреда для себя может получить за пять сеансов в течение недели) в лучевой терапии (по данным Р. Rubin, G. W. Casarett in Clinical Radiation Pathology, 1968).     Репродуктивные органы и глаза также отличаются повышенной чувствительностью к облучению. Однократное облучение семенников при дозе всего лишь в 0,1 Гр приводит к временной стерильности мужчин, а дозы свыше 2 Гр могут привести к постоянной стерильности: лишь через много лет семенники смогут вновь продуцировать полноценную сперму. Яичники гораздо менее чувствительны к действию радиации, по крайней мере, у взрослых женщин. Но однократная доза более 3 Гр все же приводит к их стерильности, хотя еще большие дозы при дробном облучении никак не сказываются на способности к деторождению. Дети также крайне чувствительны к действию радиации. Относительно небольшие дозы при облучении хрящевой ткани могут замедлить или вовсе остановить у них рост костей. Чем меньше возраст ребенка, тем сильнее подавляется рост костей. По-видимому, для такого действия радиации не существует никакого порогового эффекта. Крайне чувствителен к действию радиации и мозг плода, особенно если мать подвергается облучению между восьмой и пятнадцатой неделями беременности. Рис.4.35. Летальные дозы.     Большинство тканей взрослого человека относительно мало чувствительны к действию радиации. Почки, без особого для себя вреда, выдерживают суммарную дозу около 23 Гр, полученную в течение пяти недель, печень – 40 Гр за месяц, мочевой пузырь – 55 Гр за четыре недели.     Рак – наиболее серьезное из всех последствий облучения человека при малых дозах, по крайней мере, непосредственно для тех людей, которые подверглись облучению. Оценка вероятности заболевания людей раком в результате облучения не вполне надежна. Согласно данным, которыми располагает НКДАР ООН, во-первых, не существует никакой пороговой дозы, за которой отсутствует риск заболевания раком, во-вторых, риск заболевания возрастает прямо пропорционально дозе облучения. Первыми в группе раковых заболеваний стоят лейкозы (рис. 4.36). Они вызывают гибель людей в среднем через 10 лет с момента облучения – гораздо раньше, чем другие виды раковых заболеваний.     Самыми распространенными видами рака, вызванными действием радиации, оказались рак молочной железы и рак щитовидной железы. Однако обе разновидности рака в принципе излечимы. Рак легких, получеый за счет радиации, напротив, – практически неизлечим.     Изучение генетических последствий облучения связано с еще бóльшими трудностями, чем в случае рака. Часто эти дефекты невозможно отличить от тех, которые возникли совсем по другим причинам. Вместе с тем, среди более чем 27 000 детей, родители которых получили относительно большие дозы во время атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки, были обнаружены лишь две вероятные мутации, а среди примерно такого же числа детей, родители которых получили меньшие дозы, не отмечено ни одного такого случая. Рис. 4.36. Относительная среднестатистическая веротность заболевания раком после получения однократной дозы в один рад (0,01 Гр) при равномерном облучении всего тела на основании результатов обследования людей, переживших атомную бомбардировку. Показано ориентировочное время появления злокачественных опухолей с момента облучения.     Согласно оценкам, доза в 1 Гр, полученная при низком уровне радиации только особями мужского пола, индуцирует появление от 1000 до 2000 мутаций, приводящих к серьезным последствиям, и от 30 до 1000 хромосомных аберраций на каждый миллион живых новорожденных. Оценки, полученные для особей женского пола, гораздо менее определенны, но явно ниже. 1. В рамках данного учебного пособия этот интерейснейших аспект взаимодействий, как выходящий за рамки предмета, мы не рассматриваем 2. Исторически численное значение 1 Ки было устанавливлено по активности радиоизотопа 226Ra с массой, равной 1 г.