Общие сведения о механизме воздействия ионизирующей радиации на биологические объекты

Один из уникальнейших факторов окружающей среды – это ионизирующие излучения разных видов. Они не обладают избирательным действием по отношению к каким-либо тканям или системам организма. При этом последствия от поглощенной энергии радиоактивного излучения организмом на первый взгляд неэквивалентны дозе облучения. Невелико и число ионизированных молекул в биологических тканях даже при смертельных дозах.

Особенность данного фактора также проявляется в том, что наши органы чувств не улавливают ионизирующего излучения, т. е. мы не ощущаем изменения свойств окружающей среды в момент излучения ни по температуре, ни по шуму, свету, давлению, запаху, цвету и т.д. Человек не получает сигнала бедствия от организма, поэтому возможно облучение в больших дозах. Однако установлено, что любое воздействие ионизирующего излучения небезразлично для организма.

В основе первичных радиационно-химических изменений молекул лежит два механизма:

· прямое действие, при котором молекула изменяется при непосредственном взаимодействии с ионизирующим излучением;

· косвенное действие, когда изменяемая молекула получает энергию от другой молекулы, а не непосредственно от электрона.

Исследователями установлено, что поражение в организме после воздействия ИИ протекает в несколько стадий.

Первая стадия – физическая, которая характеризуется процессами поглощения энергии излучения. Причем поглощение энергии той или иной молекулой не зависит от ее химического строения. Количество энергии, поглощенной молекулами каждого типа, примерно пропорционально их относительной массе. Известно, что в живых клетках органическими и неорганическими молекулами поглощается около 25 % энергии, а водой – 75 %. В результате образуются ионизированные и возбужденные атомы и молекулы.

Вторая стадия – физико-химическая. В этой стадии происходит перераспределение поглощенной энергии внутри молекул и между ними, а также образование свободных радикалов. Поскольку большая часть энергии поглощается водой, в результате образуются продукты радиолиза воды (Н^●, ОН^●, «гидратированный электрон», Н⁺, ОН^-, Н₂О⁺, Н₂О^-, Н₃О).

Третья стадия – химическая, во время которой происходят реакции, как между свободными радикалами, так и между ними и интактными молекулами, при этом образуется широкий спектр молекул с измененными структурой и функциональными свойствами. Считается, что основной биологический эффект лучевого воздействия обусловлен такими радикалами, как Н^●, ОН^● и особенно НО₂ (гидропероксид).

Перечисленные первые три стадии воздействия ИИ на организм оцениваются как первичные или добиологические, причем их продолжительность очень мала и колеблется от 10^-16 с до 10^-3 с.

Четвертая стадия – биологическая, продолжительность которой «секунды – годы», характеризуется последовательным развитием поражения на всех уровнях биологической организации: от субклеточного до организменного.

Происходят специфические радиационно-химические превращения в тканях. В дальнейшем радиационное поражение молекулярных структур приводит к изменению физиологических свойств элементов клеток и различных видов обмена. Повреждение ядерного аппарата клеток, связанное с нарушением обмена нуклеиновых кислот, является одним из важных элементов общего лучевого поражения. Возникающая при этом дискоординация различных обменных процессов служит основой функциональных и структурных нарушений в облученном организме.

Принципиальной разницы в механизме действия радиации на соматические и зародышевые клетки нет. Одинаково поражаются как те, так и другие, но исходы поражений разные. Мутации, однажды возникнув, устойчивы в результате конвергентной редупликации ДНК, они передаются во всех последующих клеточных поколениях. И в связи с этим для генетических повреждений нет порога действия, т. е. любой акт ионизирующего воздействия опасен. Мутации в соматических клетках могут привести либо к их гибели, либо к приобретению новых свойств, например к малигнизации.

Клинические эффекты ионизирующего излучения зависят не только от повреждений отдельных клеток и тканей, но и от нарушения многочисленных нервно-гуморальных и эндокринных взаимосвязей различных физиологических систем организма.

Каждому уровню биологической организации свойственны свои повреждающие дозы. Биологические формации разного уровня имеют и разный инкубационный период повреждений. На уровне молекул он отсутствует, на уровне биологической ткани (крови) он больше, на уровне целостного организма еще больше. В связи с этим изменения в клетке самые ранние, для нарушения состава крови требуется доза около 250 мЗв, а клиника лучевой болезни выявляется при дозе 500 мЗв – 1000 мЗв.

Опасно внутренне облучение человека, поскольку при вкраплении в ткани и обменные процессы цезий-стронциевых излучателей (техногенных), энергия фотонов которых лежит в пределах 1 Мэв, взаимодействие с ними ведет к разрушению валентных оболочек и естественных химических свойств атомов облучаемого вещества. Такой процесс ведет к инициации неестественных биохимических реакций, разрушению биологических структур.