Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УЧРЕЖДЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ «БРЕСТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ А.С. ПУШКИНА»

Биологический факультет

Кафедра генетики

КУРСОВАЯ РАБОТА

«Генетические последствия влияния радиации на человека»

Выполнила студентка 5 курса,

специальность «Химия. Биология»

Ключук Виктория Ивановна

Научный руководитель:

Магистр биологических наук, преподаватель

Кирисюк Юлия Викторовна

Брест, 2015 г



ВВЕДЕНИЕ

радиация облучение лучевой генетический

С некоторым допущением можно сказать, что радиация -- это явление, происходящее в радиоактивных элементах, ядерных реакторах, при ядерных взрывах, сопровождающееся испусканием частиц и различными излучениями, в результате чего возникают вредные и опасные факторы, воздействующие на людей.

Основную часть облучения население земного шара получает от естественных источников радиации. Большинство из них таковы, что избежать облучения от них совершенно невозможно. На протяжении всей истории существования Земли разные виды излучения падают на поверхность Земли из космоса и поступают от радиоактивных веществ, находящихся в земной коре.

Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи; в этом случае говорят о внешнем облучении. Или же они могут оказаться в воздухе, которым дышит человек, в пище или в воде и попасть внутрь организма. Такой способ облучения называют внутренним.

Облучению от естественных источников радиации подвергается любой житель Земли, однако одни из них получают большие дозы, чем другие. Это зависит, в частности, от того, где они живут.

Существует три пути поступления радиоактивных веществ в организм: при вдыхании воздуха, загрязненного радиоактивными веществами, через зараженную пищу или воду, через кожу, а также при заражении открытых ран. При попадании радиоактивных веществ в организм любым путем они уже через несколько минут обнаруживаются в крови. В результате воздействия ионизирующего излучения на организм человека в тканях могут происходить сложные физические, химические и биохимические процессы.

Основная цель данной курсовой работы изучить воздействие, которое оказывает радиация на живую материю, а в частности на человеческий организм.



ГЛАВА 1. ИСТОЧНИКИ ОБЛУЧЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА

Ш Естественный, технологически измененный и искусственный радиационный фон

Ш Земная радиация

Ш Космическое излучение

Ш Техногенные источники излучения

Ш Радиация в медицине

Ш Испытания ядерного оружия

Ш Атомная энергетика

Ш Профессиональное облучение

1.1 Естественный, технологически измененный и искусственный радиационный фон

Под радиационным фоном понимают ионизирующее излучение земного и космического происхождения, постоянно воздействующее на человека. Различают естественный, технологически измененный естественный и искусственный радиационный фоны.

Естественный радиационный фон обусловлен излучением природных радионуклидов Земли и космическим излучением.

Технологически измененный естественный радиационный фон формируется из природных источников ионизирующего излучения, например излучения рассеянных в окружающей среде естественных радионуклидов, извлеченных из недр Земли вместе с полезными ископаемыми или содержащихся в строительных материалах жилищ.

Искусственный радиационный фон - глобальное загрязнение окружающей среды искусственными радионуклидами, образующимися при расщеплении ядер урана и плутония; возник после начала испытаний ядерного оружия, а также частично за счет выброса атомными электростанциями благородных газов, углерода и трития. Искусственный радиационный фон в масштабах земного шара в среднем составляет 1 - 3% естественного радиационного фона.

Основная часть воздействия ионизирующего излучения на население Земли приходится на естественные источники радиации. При этом избежать облучения от большинства из них невозможно.

1.2 Земная радиация. Радон

Более 80% годовой эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением от естественных источников, приходится на внутреннее облучение от земной радиации - радионуклидов, попадающих в организм с пищей, водой и воздухом. Остальную часть этой дозы вносят космические лучи, главным образом путем внешнего облучения.

Главные радионуклиды, встречающиеся в Земле, - это калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств, берущих начало от урана-238 и тория-232 - долгоживущих изотопов, включившихся в состав Земли с самого ее рождения. Наиболее весомым естественным источником радиации является тяжелый (в 7,5 раза тяжелее воздуха) газ радон, в форме радона-220, образующегося в цепочке продуктов распада урана-238, промежуточными элементами которой являются торий-232 и радон-222. Радон относится к благородным газам, удаляемым из легких с такой же скоростью, с какой он и поступает, поэтому облучение от самого радона незначительно. Однако продукты распада радона оседают на пыль и другие мельчайшие частицы, например на частицы табачного дыма, которые оседают на слизистых дыхательных путей. Таким образом, когда говорят об облучении человека от радона, на самом деле имеется в виду облучение от продуктов его деления, в первую очередь полония-218 и полония-214.

Согласно оценкам НКДАР ООН, радон обусловливает 75% годовой индивидуальной эффективной эквивалентной дозы, получаемой населением от земных источников радиации, и примерно половину этой дозы от всех естественных источников.

Основную часть дозы облучения от радона человек получает, находясь в закрытом, непроветриваемом помещении, в которое радон поступает, просачиваясь через фундамент и пол из грунта или, реже, высвобождаясь из строительных материалов, использованных в конструкции дома. В результате в помещении могут возникать довольно высокие уровни радиации, особенно если дом стоит на грунте с повышенным содержанием радионуклидов или если при его постройке использовали материалы с повышенной радиоактивностью. Герметизация помещений с целью утепления лишь усугубляет дело, так как затрудняет выход газа из помещения.

Уровни земной радиации различаются для разных мест земного шара, так как зависят от концентрации радионуклидов в том или ином участке земной коры.

Другими источниками радиации являются уголь и образующаяся в результате его сжигания зола и зольная пыль, приводящие к увеличению коллективной эффективной дозы на сотни тысяч чел. Значительно меньший вклад в дозу вносит добыча фосфатов для производства удобрений.

1.3 Искусственные источники облучения человека

За прошедшее столетие и особенно за последние 50 - 60 лет человек создал несколько сотен искусственных радионуклидов, научился использовать энергию атома в самых разных областях: в науке, на транспорте, в медицине, для производства энергии и для создания атомного оружия, а также во многих других отраслях промышленности и быта. Все это приводит к увеличению дозы облучения как отдельных людей, так и населения Земли в целом, хотя доза, создаваемая всеми искусственными источниками радиации составляет около 20% естественного фона (рис. 1).

Рис.1 Источники облучения человека

Интенсивность воздействия техногенных источников радиации сильно варьирует, но, как правило, легче контролируется, хотя облучение, связанное с радиоактивными осадками от ядерных взрывов, почти также невозможно контролировать, как и облучение, обусловленное космическими лучами или земными источниками.

1.4 Источники радиации, используемые в медицине

В настоящее время основной вклад в дозу, получаемую человеком от техногенных источников радиации, вносят связанные с их применением диагностические процедуры и методы лечения. Лучевая терапия широко применяется при лечении рака. При этом используются очень высокие дозы, направленные на исцеление больного. Но получают такие дозы отдельные лица, что мало влияет на коллективную эффективную дозу.

Наиболее распространенным видом медицинского применения радиации является ее использование в диагностических целях. В наиболее развитых странах на каждую 1000 жителей приходится от 300 до 900 обследований в год, не считая рентгенологических обследований зубов и массовой флюорографии. Правда, около 2/3 населения Земли проживает в странах, где среднее число рентгенологических обследований составляет не более 10% от соответствующих показателей в промышленно развитых странах. Дозы излучения, получаемые при рентгенодиагностических процедурах, варьируют в очень широких пределах: в зависимости от технических параметров оборудования, методов, применяемых в различных медицинских учреждениях, и опыта рентгенологов. Для большинства рентгенодиагностических процедур средняя доза воздействия на кожу составляет 0,5 - 5 сГр за процедуру, хотя в отдельных случаях (например, при обследовании сердца) разовая доза может достигать 0,5 Гр. В зубоврачебной практике доза воздействия на голову и щитовидную железу достигает соответственно 0,2 - 0,5 и 0,002 - 0,07 сГр. Доза облучения участков костного мозга измеряется сотнями и тысячами мкГр за процедуру; при использовании соответствующей аппаратуры и сверхчувствительной пленки эта доза может быть уменьшена в 5 раз и более.

В последнее время появился ряд технических усовершенствований, правильное использование которых значительно снижает поглощенную дозу. Однако исследования, проведенные в ФРГ, Великобритании и США, показывают, что дозы, получаемые человеком в пределах одной страны, но в разных клиниках, могут различаться в 100 раз. Это зависит от тщательности ограничения облучаемого объема, состояния и правильной эксплуатации оборудования, качества и чувствительности пленок и других технических и методических факторов. Значительное снижение лучевых нагрузок (от 5 до 50 раз) достигается в результате применения компьютерной томографии.

При обсуждении целесообразности или необходимости диагностического применения ионизирующих излучений следует, как это всегда принято при регламентации радиационных воздействий, исходить из принципа сравнительной оценки пользы и риска. Наглядным примером такого подхода могут служить данные массовой флюорографии в Японии, в результате которой при изготовлении 40 млн. рентгеновских снимков легких было обнаружено около 44 500 случаев туберкулеза. Согласно подходам, рекомендуемым МКРЗ, такое облучение может гипотетически привести к появлению у обследованного контингента в течение 25 лет лишь 45 заболеваний лейкозами и 7 случаев рака, что свидетельствует о существенном положительном балансе пользы рентгенодиагностики относительно риска. В тоже время, по расчетам Э. Холла (1989), на каждого японца, заболевшего раком вследствие атомной бомбардировки, приходится не меньше 20 заболевших из-за неоправданного облучения в медицинских целях.

1.5 Испытания ядерного оружия

Максимум испытаний ядерного оружия приходится на два периода: первый - 1954 - 1958 гг., когда взрывы проводили Великобритания, США и СССР, и второй, более значительный - на 1961 - 1962 гг., когда ядерные взрывы проводили в основном Соединенные Штаты и Советский Союз. В результате этих испытаний выпадают радиоактивные осадки. Часть из них выпадает неподалеку от места испытания, а другая часть перемещается ветром на большие расстояния и постепенно выпадает на землю. После подписания в 1963 г. Договора об ограничении испытаний ядерного оружия, запрещающего его испытание в атмосфере, под водой и в космосе, серию таких испытаний в Индии и Пакистане провели Франция и Китай. Подземные испытания проводятся до сих пор, но они обычно не сопровождаются образованием радиоактивных осадков.

Вклад в ожидаемую коллективную эффективную дозу облучения населения от ядерных взрывов, превышающий 1%, дают только четыре радионуклида: это ¹⁴С, ¹³⁷Cs, ⁹⁵Zr и ⁹⁰Sr. В настоящее время существенную долю в дозу вносит только ¹⁴С, период полураспада которого составляет 5730 лет. Остальные практически уже потеряли активность. Большая часть радиоактивных осадков выпала в северном полушарии, где проводилась большая часть испытаний. Дозы, полученные пастухами на Крайнем Севере, в 100 - 1000 раз превышают среднюю индивидуальную дозу для остальной части населения. Суммарная ожидаемая коллективная эффективная доза от всех ядерных взрывов, произведенных в атмосфере, составляет около 40 млн чел. К настоящему времени человечество получило 15% этой дозы, остальную часть оно будет получать еще миллионы лет.

1.6 Атомная энергетика

Источником облучения, вокруг которого ведутся наиболее интенсивные споры, являются атомные электростанции (АЭС), хотя в настоящее время их вклад в суммарное облучение населения весьма незначителен, так как при нормальной работе ядерных установок выбросы радиоактивных материалов в окружающую среду незначительны.

АЭС являются лишь частью ядерного топливного цикла, который начинается с добычи и обогащения урановой руды. Другой, не менее важный источник облучения - производство ядерного топлива для АЭС, которое после отработки в реакторах станции иногда (примерно 10%) подвергают вторичной отработке, чтобы извлечь из него уран и плутоний. Как правило, цикл заканчивается захоронением радиоактивных отходов. На каждой стадии цикла в окружающую среду могут поступать радиоактивные вещества, количество которых, а следовательно, и создаваемые уровни облучения населения зависят от многих технологических причин и от места проживания.

Каждый реактор выбрасывает в окружающую среду целый ряд радионуклидов с разными периодами полураспада. Большинство радионуклидов распадается быстро и поэтому имеет лишь местное значение. Однако некоторые живут достаточно долго и могут распространяться по всему земному шару, а определенная часть из них остается в окружающей среде бесконечно.

Согласно оценкам НКДАР (сложные методы получения этих оценок здесь не приводятся), годовая коллективная эффективная доза облучения от всего ядерного цикла к 2000 г. составляла около 10 000 чел. * Зв, а к 2100 г. она возрастет до 200 000 чел.* Зв. Эти оценки основаны на пессимистическом предположении, что нынешний уровень выбросов сохранится и не будут введены существенные технические усовершенствования. Но даже и в этом случае средние дозы будут малы по сравнению с уровнями облучения от естественных источников - в 2100 г. они составят лишь 1% от естественного фона. Люди, проживающие вблизи АЭС, конечно, получают гораздо большие дозы, чем в среднем все население. Тем не менее в настоящее время эти дозы обычно не превышают нескольких процентов естественного радиационного фона.

Все приведенные цифры получены на основании предположения, что ядерные реакторы работают нормально. Однако количество радиоактивных веществ, поступивших в окружающую среду при авариях, оказывается гораздо большим. Поэтому особое внимание придается максимальному обеспечению радиационной безопасности на действующих реакторах, а также при проектировании и строительстве новых АЭС.

Самые большие дозы облучения, источником которого являются объекты атомной промышленности, получают работающие на них люди. Дозы, получаемые рабочими урановых рудников и обогатительных фабрик, составляют в среднем 1 чел. - Зв на каждый гигаватт/год электроэнергии. Примерно 90% этой дозы приходится на долю рудников, причем персонал, работающий в шахтах, подвергается большему облучению. Коллективная эквивалентная доза от заводов, на которых получают ядерное топливо, также составляет 1 чел. - Зв на гигаватт/год. Наиболее типичное значение среднегодовой коллективной эффективной дозы для реакторов составляет 10 чел. * Зв на гигаватт/год электроэнергии. Средняя доза, получаемая людьми, занятыми научно-исследовательской работой, в среднем по всем странам составляет ~3 чел. * Зв на гигаватт/год. Все эти величины суммарно добавляют 0,03% дозы, получаемой от естественных источников. Понятно, что средние оценки профессиональных доз не отражают большого разброса индивидуальных доз.

Кроме рабочих предприятий атомной промышленности, облучению подвергаются работники обычных предприятий, а также медицинский персонал. Вклад дозы, получаемой медиками, занимающимися радиологическими обследованиями, в коллективную эффективную дозу населения в странах с высоким уровнем медицинского обслуживания составляет около 1 чел. * Зв на миллион жителей.

Рис.2. Облучение населения земли от разных источников в сопоставлении с существующими и ожидаемыми лучевыми нагрузками от атомной энергетики в связи с ее предполагаемым развитием; цифры - годовая эффективная коллективная доза, выраженная в чел. * Зв

На рисунке сопоставлены дозы, создаваемые различными искусственными источниками облучения. Из рисунка видно, сколь скромное место по сравнению с сегодняшним применением радиации в медицине занимает современная атомная энергетика и каков прирост лучевой нагрузки от нее в перспективе.

1.7 Другие источники облучения

Самым распространенным источником облучения являются часы со светящимся циферблатом. Они дают годовую дозу, в 4 раза превышающую обусловленную утечками на АЭС.

Такую же коллективную эффективную дозу получают работники атомной промышленности и экипажи авиалайнеров. При перелете из Москвы в Нью-Йорк пассажир обычного турбореактивного самолета получает дозу около 0,05 мЗв, а пассажир сверхзвукового лайнера получал бы на 20% меньше, хотя подвергался бы более интенсивному облучению, но за более короткий промежуток времени.

В авиалайнерах облучение происходит за счет космической радиации, относящейся к естественным источникам. Однако возможностью систематически подвергаться столь интенсивному космическому облучению человечество обязано техническому прогрессу XX в., в связи с чем этот вопрос рассматривается как своеобразное следствие антропогенной деятельности. Всего за счет использования воздушного транспорта человечество получает в год коллективную эффективную дозу около 2000 чел. * Зв. Источником рентгеновского излучения, наконец, являются цветные телевизоры, однако при правильной настройке и эксплуатации дозы облучения от их современных моделей ничтожны.

1.8 Современные дозы внутреннего облучения от цезия-137 жителей Минского региона

Бондаренко О. В.БелМАПО, г. Минск, Республика Беларусь

Мониторинг доз внутреннего облучения населения, формирующихся от разных источников радиации, остается для Беларуси актуальной задачей. Его результаты позволят более корректно «ранжировать» различные дозообразующие факторы по степени их гигиенической значимости и на этой основе успешнее реализовывать принцип ALARA.

Среди источников радиации, продолжающих воздействовать на население, следует отметить цезий-137 «чернобыльского» происхождения, который способен формировать как дозу внешнего, так и внутреннего облучения.

До последнего времени основное внимание исследователей было направлено на оценку доз от выброса ЧАЭС и дозовый мониторинг проводился лишь в загрязненных районах. Вместе с тем, известно, что уровень присутствия цезия-137 в объектах окружающей среды изменился не только на загрязненных территориях, но и по всей территории страны.

Исходя из этого, представляется важным провести соответствующие исследования на территориях, относящихся к категории «чистых». С этой целью был проведен мониторинг доз внутреннего облучения от цезия-137
взрослого населения Минского региона.

Измерения содержания цезия-137 в организме проводились в период с 2007 по 2010 г. на экспертном бета-гамма СИЧ (СКС-АТ 1317), установленном на базе Международного государственного экологического университета имени А.Д. Сахарова. Дозы внутреннего облучения (ДВО) рассчитывались, исходя из значений соответствующего дозового коэффициента.

В исследовании участвовало 480 человек - в основном, слушатели БелМАПО. В результате проведенных измерений установлено, что в организме жителей Минского региона постоянно определялось содержание цезия-137, формирующее среднюю дозу порядка 49,7±3,1 мк³/год. Анализ полученных данных показал, что ДВО у жителей г. Минска и Минской области составляли соответственно 51,8±1,8 и 47,5±4,4 мкЗв/год (Р > 0,05). Сравнение полученных значений ДВО у жителей Минского региона с таковыми у населения, проживающего на загрязненных территориях выявили, что на территории Гомельской области ДВО остается значительно выше.

Сопоставление современных данных по ДВО жителей Минского региона с доаварийным периодом (1985 г.) показывает, что они остаются на относительно высоком уровне, превышая фоновый почти в 10 раз.



ГЛАВА 2. РАДИОЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬ ТКАНЕЙ, ОРГАНОВ, ОРГАНИЗМА

Нам предстоит разобраться в сложной картине лучевого поражения организма, многообразие которой определяется особым свойством ионизирующих излучений, не присущим ни одному другому агенту внешней среды. Речь идет об их проникающей способности (отсюда и название - проникающая радиация). В результате общего (тотального) облучения ни один участок организма не остается интактным от радиационного воздействия. Это определяет одновременно и своеобразие, и многообразие форм непосредственных и отдаленных последствий облучения.

Закономерности поражения организма определяются двумя факторами:

1) радиочувствительностью отдельных тканей, органов и систем, в том числе и критических, - ответственных за выживание организма;

2) величиной поглощенной дозы излучения и ее распределением в облучаемом объеме и во времени.

Каждый в отдельности и в сочетании друг с другом эти факторы определяют преимущественный тип лучевых реакций (местные или общие), специфику и время проявления (непосредственно после облучения, вскоре после него или в отдаленные сроки) и их значимость для организма (преходящие или летальные).

При переходе от изолированной клетки к ткани, органу и организму все проявления радиационных эффектов усложняются. Это происходит потому, что не все клетки поражаются в равной степени, а тканевой эффект не равен сумме клеточных эффектов; следовательно, ткани, а тем более органы и системы нельзя рассматривать как простую совокупность клеток.

Клетки, находясь в составе ткани, в значительной степени зависимы и друг от друга, и от окружающей среды. Митотическая активность, степень дифференцировки, уровень и особенности метаболизма, а также другие физиологические параметры отдельных клеток не безразличны для их непосредственных «соседей», а следовательно, и для всей популяции в целом. Общеизвестно, например, что заживление раны происходит вследствие временного ускорения размножения оставшихся клеток, обеспечивающего рост ткани и замещение вызванных травмой тканевых утрат, после чего темп клеточного деления нормализуется. В механизме испытываемых клетками стимулирующих или ингибирующих влияний принимают участие не только локальные факторы, но и регулирующие системы, поддерживающие состояние гомеостаза в организме. Те же процессы играют важную роль в реализации тканевых и системных реакций на облучение. Кроме того, на тканевую радио-чувствительность оказывают большое влияние и другие факторы, например, степень кровоснабжения и величина облучаемого объема.

Таким образом, радиочувствительность ткани нельзя рассматривать только с позиций составляющих ее клеток без учета морфофизиологических факторов прежде всего клеточного окружения. Например, радиочувствительность эритробластов зависит от места их нахождения в организме - в селезенке или в костном мозге. Различается радиочувствительность одной и той же опухоли, привитой в разные ткани, и ее метастазов, в зависимости от их локализации. Все это усложняет оценку радиочувствительности тканей, органов и целого организма, но не отвергает принципиальное и ведущее значение цитокинетических параметров, определяющих тип и выраженность лучевых реакций на всех уровнях биологической организации.

Самый типичный пример радиационного поражения организма животных и человека -- острая лучевая болезнь, возникающая после тотального однократного внешнего равномерного облучения. В этом случае одновременно и практически в одинаковой дозе подвергаются радиационному воздействию все системы, органы, ткани и клетки.

Наилучшее понимание основных проявлений лучевого поражения организма может быть достигнуто сопоставлением их с поглощенной дозой в так называемых «критических органах». Под критическими органами понимают жизненно важные органы или системы, первыми выходящие из строя в исследуемом диапазоне доз излучения, что обусловливает гибель организма в определенные сроки после облучения.

Таким образом, между величиной поглощенной дозы в организме и средней продолжительностью жизни существует строгая зависимость, определяемая различиями в радиочувствительности отдельных жизненно важных (критических) органов или систем.

2.1 Характер радиационных изменений центральной нервной системы

Ответ ЦНС на облучение принципиально отличается от реакций костного мозга и кишечника отсутствием клеточных потерь. Это явление обусловлено тем, что зрелая нервная ткань -- непролиферирующая система, состоящая из высокодифференцированных клеток, замещение которых в течение жизни не происходит. Поэтому ЦНС можно рассматривать как крайний (стационарный) вариант системы клеточного обновления со всеми вытекающими отсюда последствиями, характерными для лучевых реакций радиорезистентных неделящихся клеток.

Гибель клеток, приводящая к церебральному синдрому, происходит, при огромных дозах, порядка сотен грей, причем до сих пор не выяснено, является ли причиной гибели нервных клеток их непосредственное повреждение или она вызвана опосредованно повреждениями других систем, прежде всего кровеносных сосудов.



2.2 Радиочувствительность и лучевые реакции отдельных органов и тканей

Общая реакция млекопитающих, как функция дозы и времени после облучения, определяется четырьмя кардинальными параметрами клеточных популяций: величиной пула стволовых клеток, радиочувствительностью клеток и способностью их к восстановлению, клеточной пролиферацией и длительностью функционирования зрелых элементов.

С этих же позиций достаточно надежно могут быть предсказаны события, которые произойдут при облучении различных областей тела, если известны клеточно-кинетические параметры облучаемых тканей, что весьма важно для оценки эффектов локального облучения, а также при планировании курса лучевой терапии опухолей и прогнозировании ее последствий. Далее коротко рассматриваются соответствующие данные для наиболее ответственных систем организма.

Кожа и ее производные. Это активно обновляющиеся, а потому весьма радиочувствительные клеточные системы. Стволовые клетки эпидермиса хорошо восстанавливают сублетальные повреждения.

Принято считать, что максимально переносимая кожей доза рентгеновского излучения при однократном внешнем воздействии составляет 10 Гр. При больших дозах возникают дерматиты, а затем и язвенные поражения.

Семенники. Высокая радиочувствительность мужских половых желез известна очень давно. Еще в 1903 г. Г. Альберс-Шонберг показал возможность радиационной стерилизации яичек кроликов и морских свинок, а И. Бергонье и Л. Трибондо, изучая радиационные повреждения семенников, смогли сформулировать упоминавшуюся выше зависимость радиочувствительности клеток от интенсивности деления и степени дифференцировки.

Источником самообновления зародышевых клеток при сперматогенезе служит размножение сперматогониев. Одни из них, по аналогии со стволовыми клетками костного мозга, путем ряда последовательных актов деления и созревания служат родоначальниками функциональных клеток -- сперматозоидов, другие - источником новых («стволовых») сперматогониев.

Вследствие крайне высокой радиочувствительности половых клеток на ранних стадиях развития уже при дозах 0,5-1 Гр у большинства животных происходит массивное клеточное опустошение семенников, а выше 2-4 Гр наступает стерильность. Зрелые клетки -сперматозоиды, напротив, крайне радиорезистентны.

Рис. 3 Изменение массы семенников крыс(а) и мышей (б) после y-облучния в дозе 2,5 Гр: 1 - необлученные (контроль), 2 - облученные

В опытах на мышах, крысах и кроликах показано, что число сперматозоидов, их морфология, подвижность и способность к оплодотворению не меняются после облучения при дозах до 10 Гр. Поэтому плодовитость облученных млекопитающих сохраняется до тех пор, пока не истощится запас жизнеспособных зрелых половых. Но и после этого наступающая стерильность носит временный характер, так как происходит постепенное восстановление сперматогенеза из сохранившихся жизнеспособных сперматогониев типа Л.

Пороговая поглощенная в яичках мужчин доза, вызывающая временную стерильность, составляет около 0,15 Гр при остром облучении и около 0,4 Гр/год при пролонгированном. Постоянная стерильность возникает соответственно при дозах от 3,5 до 6 Гр и при 2 Гр/год.

Важно заметить, что радиационная стерильность не вызывает существенного изменения гормонального баланса, либидо и половой потенции животных и человека.

Яичники. Физиологическая регенерация в половых органах самок млекопитающих проявляется в основном не в смене отдельных клеток, а в циклически повторяющихся процессах развития, регулируемых эндокринным аппаратом, и охватывающих целые клеточные комплексы. В процессе развития того или иного фолликула происходит созревание женских половых клеток от оогоний до ооцита. Наиболее радиочувствительный элемент яичника -- яйцеклетка.

Стерильность самок возникает при больших дозах, чем у самцов (у мышей -- при 2--5 Гр, у крыс -- при 15--20 Гр), но, как правило, необратимо. Это связывают с тем, что образование женских половых клеток заканчивается в ранние сроки после рождения и у взрослых яичники не способны к активной регенерации. Поэтому если облучение вызвало гибель всех потенциальных яйцеклеток, то плодовитость утрачивается необратимо.

Пороговая доза, вызывающая постоянную стерильность у женщин, составляет от 2,5 до 6 Гр при остром облучении и более 0,2 Гр/год при длительном многолетнем облучении.

Органы зрения. Известны два типа поражения глаз -- воспалительные процессы в конъюнктиве и склере при дозах, близких к вызывающим поражение кожи, и катаракта при дозах 3-10 Гр, в зависимости от вида животных. Катарактогенная доза для человека составляет около 6 Гр. Особенно опасны в этом отношении нейтроны, эффективность которых в 3-9 раз выше, чем у-излучения. Причины образования катаракты полностью не выяснены. Наиболее убедительна точка зрения о ведущем значении первичного поражения клеток ростковой зоны хрусталика и относительно меньшей роли нарушения его питания.

Органы пищеварения. Наиболее радиочувствителен тонкий кишечник, поражение которого и обусловливает кишечный синдром, описанный в начале главы. Далее по убыванию радиочувствительности следуют: полость рта, язык, слюнные железы, пищевод, желудок, прямая и ободочная кишки, поджелудочная железа и печень.

Самый радиорезистентный орган -- печень; у взрослых особей печень относится к наиболее «стабильным». Непосредственных морфологических изменений в клетках интактной печени взрослых крыс не удается обнаружить при дозах локального однократного облучения до 15 Гр. Согласно результатам количественных экспериментов Д. Джексона и Г. Христенсена, позволивших оценить радиочувствительность клеток печени крыс к интерфазному поражению составила 90 Гр.

Сердечно-сосудистая система. К настоящему времени достаточно полно изучена лучевая эритема кожи, возникающая вследствие повреждений кожных кровеносных сосудов, которым не свойственна физиологическая регенерация. Как показали специальные исследования, наиболее радиочувствительным является наружный слой сосудистой стенки, что объясняют относительно высоким содержанием в нем коллагена, подверженного радиационному перерождению. Через 4-5 мес после облучения некоторые сосуды оказались полностью лишенными наружной стенки. Кроме того, в коже мышей уже при дозах 4-15 Гр снижалась последующая реваскуляризация из-за уменьшения способности эндотелия облученных участков к образованию новых капилляров.

Г. Рейнгольдом и Г. Байсманом (1973) разработан количественный флюорометрический микрометод оценки состояния капилляров в подкожной клетчатке. Метод основан на сравнительном изучении восстановления капиллярного русла после его разрушения воздействием низкой (-196°С) температуры и последующего стимулирования пролиферации эндотелия инъекцией мочевой кислоты или лактата лития. В качестве критерия поражения используют так называемый индекс васкуляризации. Этот метод позволил получить кривые выживаемости эндотелия капилляров.

Сердце до недавнего времени рассматривали как радиорезистентный орган, основываясь главным образом на результатах гистологических исследований. Однако Е.И. Воробьевым с помощью биохимических, морфофункциональных и электронно-микроскопических методов были обнаружены непосредственные и отдаленные изменения миокарда после локального облучения в дозах 5-10 Гр. Эти наблюдения были подтверждены С. Таярдо и А- Стьюартом, показавшими, что в развитии радиационного миокардиофиброза после 12-кратного облучения сердца кроликов в суммарной дозе 4,5 Гр основную роль играет нарушение микроциркуляции вследствие облитерации капилляров. Кроме того, теми же авторами получены данные, свидетельствующие и о значительной радиочувствительности эндотелия эндокарда, повреждение которого приводило к образованию внутрижелудочковых тромбов, обнаруживаемых через полгода после локального облучения (20 Гр) области сердца мышей.

Органы дыхания. Легкие взрослых -- стабильный орган с крайне низкой пролиферативной активностью в капиллярной системе; последствия облучения легких проявляются не сразу. После облучения грудной клетки мышей в достаточно больших дозах они погибают от пневмонитов через 100-160 сут. При этом, по данным Т. Филипса, при однократном облучении составила 13 Гр, а при 20-кратном фракционировании -- более 45 Гр. Тщательные гистологические исследования выявили начальные изменения при дозах 20 Гр, наступающие через 3 мес после облучения. Такая задержка в проявлении повреждений связана со слабым клеточным обновлением в легочных капиллярах. Поражение легочной ткани часто лимитирует лучевую терапию.

Головной мозг, спинной мозг и периферические нервы. Выше уже отмечалась значительная радиорезистентность тканей ЦНС. Лучевые реакции нервной ткани головного мозга животных и человека количественно охарактеризованы лишь в последние десятилетия прошлого столетия, когда начали применять заряженные частицы высоких энергий для радиационного удаления гипофиза при лечении злокачественных опухолей молочной железы.

В опытах со строго локальным облучением седалищного нерва крыс и спинного мозга кроликов узкими пучками протонов 185 МэВ при длительном (до 7 мес) наблюдении также отмечена четкая зависимость вероятности и времени возникновения парезов от ширины пучка и дозы излучения. Так, облучение седалищного нерва 11-мм. пучком в дозах 200 и 300 Гр вызывало парезы соответственно через 15 - 17 и 9 - 12 сут после облучения; при 4-мм. пучке они наблюдались только с увеличением доз до 300 и 400 Гр, а при диаметре пучка в 2 мм парезы вообще не возникали.

Эндокринные железы. Железы внутренней секреции относят к радиорезистентным органам, хотя реакции эндокринной системы на общее облучение общеизвестны. Однако так же как в отношении нервной системы очень трудно оценить, являются ли эти реакции результатом непосредственного повреждения эндокринных желез или отражением воздействия излучения на другие системы и весь организм. Можно предположить, например, что наблюдаемые после общего облучения нарушения баланса гормонов, особенно щитовидной железы, надпочечников и гонад, могут быть следствием реакции гипоталамо-гипофизарной системы, учитывая тесную взаимосвязь между тирео-, адрено- и гонадотропными факторами гипофиза. Во всяком случае, с позиций систем клеточного обновления эндокринные железы представляют собой популяции функциональных высокодифференцированных клеток, как правило, с очень низким уровнем физиологической регенерации. Особый случай составляет щитовидная железа в детском возрасте, когда, благодаря свойственной ей высокой пролиферативной активности, она оказывается весьма радиочувствительной, в частности, относительно возникновения рака, как это имело место в результате аварии на ЧАЭС.

Органы выделения. Почки достаточно резистентны к действию излучения. В экспериментах на животных разных видов при местном и общем облучении морфологические и функциональные нарушения наблюдались только при дозах в несколько десятков грей. Однако повреждение почек является лимитирующим фактором при облучении опухолей брюшной полости в процессе лучевой терапии. Как отмечает М. Тюбиана, облучение обеих почек при дозе, большей 30 Гр за 5 нед, может вызвать необратимый хронический нефрит, способный привести к смертельному исходу. В исследованиях Т. Филипса показано, что после строго локального облучения области почек мышей ЛД50 через 6 мес составляет около 24 Гр, а через 16 мес -- около 13 Гр. При этом как в канальцах, так и в клубочках выявляются изменения, приводящие к почечной не-достаточности.

Экспериментальных сообщений относительно радиационных поражений мочеточников, мочевого пузыря и мочеиспускательного канала известно мало, тем не менее, радиационные циститы довольно часто осложняют лучевую терапию рака.

Кости и сухожилия. В период роста кости и хрящи весьма радиочувствительны, а во взрослом состоянии они становятся значительно резистентнее. В качестве примера лучевого поражения костей можно указать на образование остеонекроза, а также возникновение спонтанных переломов в зоне облучения. Несмотря на отсутствие видимых радиационных повреждений кости, они отчетливо выявляются замедлением заживления переломов, вплоть до образования ложных суставов.

Мышцы. Это - высокорадиорезистентные ткани организма. Еще по данным К. Клемедсона и А. Нельсона в ранних экспериментальных работах 50-х годов прошлого столетия слабая мышечная атрофия наблюдалась лишь при дозах 60 Гр, а микроскопические и гистологические изменения мышечной ткани возникали после 500-1000 Гр (через 24 ч -- геморрагии, через 72 ч -- некроз). Не изменили этой точки зрения и более поздние исследования.



ГЛАВА 3. ГЕНЕТИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ РАДИАЦИИ

Ионизирующее излучение вызывает мутации любого рода -- от точечных замен до хромосомных аберраций и разрывов. Поместив источники невысокой радиации в лесу, исследователи доказали, что постоянное излучение убивает и повреждает растения, а это может иметь далеко идущие экологические последствия.

Ужасные ядерные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки послужили источником сведений о долговременных последствиях воздействия радиации на людей. Для изучения этого вопроса в США и Японии была образована Комиссия по обследованию жертв атомной бомбардировки. Нелегко было следить за судьбой выживших на протяжении многих лет, определить их местонахождение относительно центра взрыва и рассчитать полученную ими дозу радиации. Особое внимание обращалось на четыре возможных нарушения:

Ш ненормальный исход беременности (рождение мертвого плода, серьезные врожденные пороки);

Ш смертность среди новорожденных;

Ш частота анеуплоидии половых хромосом детей;

Ш ненормальные варианты белков.

Среди выживших жертв двух бомбардировок наблюдалось увеличение числа хромосомных повреждений и случаев заболевания раком, но, что удивительно, не очень высокое количество наследственных нарушений у потомства. Для того чтобы в полной мере оценить последствия радиации, нужно проследить за судьбой нескольких поколений и выявить рецессивные аллели или обнаружить эффект, вызываемый сразу несколькими повреждениями. Вместе с тем, казалось бы, доминантные мутации должны были сразу проявиться в следующем поколении, но таковых не наблюдалось. До сих пор нет подтверждений того, что радиоактивное воздействие атомных бомбардировок привело к появлению тяжелых наследственных заболеваний.

Тем не менее эксперименты на разных организмах, от бактерий до млекопитающих, доказывают, что различные виды облучения, вызванные применением атомного оружия, могут послужит причиной мутаций. Мутагенным воздействием обладает не только сам ядерный взрыв, но и различные частицы, переносимые на сотни и тысячи километров и выпадающие в виде радиоактивных осадков (содержащих, например изотоп стронций-90). Джеймс Кроу предположил, что по своим генетическим последствиям воздействие приблизительно 10 рентген на гонады каждого из 100 млн человек сравнимо с воздействием крупной аварии на атомной электростанции. И хотя его расчеты очень приблизительны, такая доза должна увеличить процент доминантных мутаций и мутаций, связанных с половыми хромосомами в значительное число раз (от 20 до 200), а это будет иметь серьезные последствия для населения.

Хотя радиация вызывает рак и другие нарушения у человека, подвергшегося ее воздействию, наибольшее беспокойство вызывает влияние радиации на клетки половых желез, в которых образуются сперматозоиды и яйцеклетки. Мутантные аллели, почти все вредоносные, могут передаться последующим поколениям и увеличить число генетически обусловленных заболеваний внутри вида. Конечно, после облучения мутантными становятся не все половые клетки. Мутации больше подвержены женские половые клетки, так как женщины рождаются уже с запасом будущих яйцеклеток. На протяжении всего репродуктивного периода они постоянно подвергаются воздействиям мутагенов. У мужчин сперматозоиды образуются постоянно, и хотя во время воздействия повышенной радиации мутации происходят чаще, после прекращения такого воздействия уровень мутаций новых сперматозоидов возвращается к норме.

Ядерное оружие по-прежнему представляет собой угрозу, хотя в последнее время люди все чаще испытывают беспокойство по поводу аварий на атомных электростанциях и их радиоактивных отходов. Среди самых известных -- авария 1979 года близ Харрисберга (штат Пенсильвания), и авария 1986 года в Чернобыле. Они показали ошибочность хвастливых утверждений, что атомная энергетика -- самый безопасный вид современных технологий. В ходе расследования инцидента в Харрисберге выяснилось, что низкий уровень радиации не так уж безвреден, как считалось ранее. Самое неприятное впечатление осталось от того рвения, с каким государственные чиновники стремились скрыть или приуменьшить размеры опасности радиации. Для проверки боеспособности войск в радиусе действия ядерного взрыва военное командование США намеренно организовало ряд учений, в которых воздействию радиации повергались тысячи солдат. Впоследствии центры по контролю заболеваний зафиксировали высокий уровень смертности от лейкемии среди участников этих учений. Лейкемия отмечалась также и у детей, родившихся в Юте во время наземных испытаний ядерного оружия в Неваде, причем частота заболеваний соответствовала графику испытаний.

Обследования рабочих военных судостроительных заводов в Портсмуте показали, что из-за повышенного воздействия радиации, источником которой были атомные подводные лодки, увеличился уровень смертности и повысилась частота хромосомных повреждений. У рабочих военных судостроительных заводов Великобритании, доза облучения которых превышала нормативные 5 бэр в год, также наблюдалась повышенная частота хромосомных аберраций. После этого Национальная академия наук США объявила, что минимально допустимого уровня биологической опасности радиации не существует.

Как нам относиться к постоянно появляющимся в средствах массовой информации сенсационным рассказам о мутациях? К катастрофам на атомных электростанциях? К проблеме захоронения радиоактивных отходов, которые останутся радиоактивными на протяжении десятков тысяч лет? К тому, что весь город Порт-Хоуп в канадской провинции Онтарио заражен радиоактивным газом радоном, который образовался в результате захоронения отходов близлежащей компании по производству радиоактивных веществ? И хотя раковые заболевания чрезвычайно опасны, действие радиации не ограничивается мутациями в соматических клетках. Последствия мутаций половых клеток более непредсказуемы и потому значительно опаснее. Человечество подвергает себя серьезному риску непредвиденных генетических последствий, так как передаваемые по наследству мутации способны полностью изменить нас как биологический вид, и после какой-то стадии эти изменения будут уже практически необратимы. Существует ли на самом деле такая генетическая бомба с часовым механизмом, отсчитывающим последние мгновения до ужасной генной катастрофы? К сожалению, пока никто не может дать ответы на эти вопросы.

3.1 Мутации, индуцированные радиацией

Именно при исследовании радиационного мутагенеза была впервые показана возможность индуцировать мутации при действии факторов внешней среды.

Основы радиационной генетики были заложены работами Г.А.Надсона и Г.Т.Филиппова в 1925г. в опытах на плесневых и дрожжевых грибах.

Позже, в 1927г. Г.Д.Меллер, используя методы количественного учета мутаций у дрозофилы, обосновал факт мутагенного действия рентгеновских лучей.

В 1928г. Л.Д.Стадлер в опытах на ячмене и кукурузе показал, что ионизирующие излучения разных видов способны вызывать мутации.

В последующие два десятилетия происходило достаточно активное развитие классической радиационной генегики. Основные положения ее изложены в трудах Д.Ли, Д.Кэтчсайда, Н.В.Тимофеева-Ресовского, К.Г.Циммера, А.Хол-ландера, А.С.Серебровского, Н.П.Дубинина, Ядерные взрывы, прогремевшие в Хиросиме и Нагасаки, стимулировали бурное развитие работ по изучению влияния радиации на человека. Усилия ученых многих стран привели к разработке современных представлений о механизмах воздействия ионизирующих излучений. При этом основные закономерности воздействия ионизирующих излучении были вскрыты в исследованиях, проведенных на микроорганизмах, растениях и животных. Используя принципы экстраполяции, результаты, полученные на экспериментальных объектах, широко используют для оценки генетического риска облучения человека. Например, исследования, проведенные на мышах, в ходе которых изучали частоту индуцированных радиацией катаракт и скелетных аномалий, явились основой для расчета ожидаемой частоты индуцированных доминантных мутаций у человека.

Все радиобиологические эффекты, вызываемые ионизирующими излучениями у различных видов живых существ, могут быть подразделены на стохастические и нестохастические.

Стохастические эффекты характеризуются линейной беспороговой зависимостью вероятности их появления от дозы ионизирующего излучения. При этом от величины дозы зависит частота рассматриваемых событий, а не их тяжесть. К таким эффектам относятся генетические последствия облучения и радиационный канцерогенез.

Нестохастические эффекты имеют пороговую (сигмоидную) зависимость от дозы, причем с дозой связана как вероятность эффекта, так и его тяжесть. Примерами нестохастических эффектов являются: лучевая болезнь, сокращение продолжительности жизни, смертность, индуцированные радиацией пороки развития, поражение иммунной системы. Следует заметить, что механизмы возникновения стохастических и нестохастических эффектов совершенно различны, поэтому при оценке рисков появления этих эффектов в результате облучения недопустимо их объединение.



3.2 Сходство и различие спонтанных и индуцированных мутаций

В повреждающем действии радиации на генетический аппарат клетки есть несколько основных моментов, которые имеют важное значение для оценки последствий облучения.

Как показали многочисленные исследования, ионизирующие излучения вызывают все типы мутаций, свойственные спонтанному, мутационному процессу - точковые мутации, аберрации хромосом и генные мутации. Однако следует отметить, что не все типы спонтанных мутаций с одинаковой частотой увеличиваются под действием радиации.

Одним из фундаментальных предложений, на которых основаны оценки риска облучения человека, является допущение сходства спонтанных и индуцированных ионизирующими излучениями мутаций. Предполагая такое сходство, можно оценить вред, причиненный воздействием радиации, путем расчета, какую прибавку к спонтанному мутационному процессу дает мутагенез, вызванный облучением. Так производится определение дозы, удваивающей естественный мутационный процесс. Однако экспериментальные данные молекулярной генетики демонстрируют различия между спонтанными и индуцированными мутациями, вызывающими менделевские болезни. Остановимся на этом важном вопросе и рассмотрим различия между этими мутациями:

спонтанные мутации - это чаще всего точковые мутации и небольшие делеции;

индуцированные мутации - делеции, затрагивающие многие гены.

Спонтанные мутации могут вызывать как утрату, так и усиление функции генов, большинство же индуцированных мутаций вызывает потерю функции. Происхождение спонтанных мутаций связано с организацией генов, т.е. они сайт-специфичны.

Ииндуцированные мутации происходят в результате случайного попадания энергии излучения в генетический материал и могут затрагивать несколько генов, имеющих разное значение для выживаемости организма.

Из этих различий между спонтанными и индуцированными мутациями следует важное следствие: вероятность того, что радиация приведет к возникновению мутаций, обладающих такой же специфичностью, какой обладают спонтанные мутации, очень мала. Другими словами, спектры спонтанных и индуцированных радиацией мутаций, как следует из молекулярно-генетических исследований, существенно различаются.

Ионизирующие излучения в основном индуцируют микроделеции, поэтому важно проанализировать, какими проявлениями на уровне фенотипа человека сопровождаются такие микроделеционные изменения. Поскольку данные о микроделеционных синдромах, связанных с воздействием ионизирующих излучений на человека, отсутствуют, рассмотрим, к каким последствиям для здоровья человека приводят спонтанные синдромы, связанные с микроделециями. Таких синдромов в настоящее время известно около 30. Все они связаны с микроделециями в разных хромосомах и обычно сопровождаются потерей функции нескольких генов. Фенотипы носителей таких микроделеции зависят от участков хромосом, затронутых микроделециями (например, хромосомы 19 и 22 изобилуют генами, а хромосомы 4 и 13 генами обеднены), но тем не менее разные делеции имеют ряд общих признаков - они вызывают многочисленные нарушения развития, умственную отсталость, замедленный рост, дисморфные черты лица. Очевидно, такие же изменения в фенотипе человека будут вызывать микроделеции, возникающие в результате радиационного воздействия. Основной особенностью таких микроделеционных фенотипов является несходное с фенотипами большинства спонтанных мутаций, нечеткое, неясное их проявление.