20.6 Биологические эффекты радиации (Biological Effects of Radiation)

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

• описывать биологическое воздействие ионизирующего излучения;
• определять единицы измерения воздействия излучения;
• объяснять принцип работы наиболее распространённых приборов для регистрации радиоактивности;
• перечислять основные источники радиационного воздействия в США.

Расширение использования радиоизотопов привело к усилению опасений по поводу влияния этих материалов на биологические системы (в том числе на человека). Все радиоактивные нуклиды испускают высокоэнергетические частицы или электромагнитные волны. Сталкиваясь с живыми клетками, такое излучение может нагревать вещество, разрывать химические связи или ионизировать молекулы. Наиболее серьёзные биологические повреждения возникают тогда, когда радиоактивное излучение фрагментирует или ионизирует молекулы. Так, \(\alpha\)- и \(\beta\)-частицы, испускаемые при ядерном распаде, обладают энергиями, значительно превосходящими энергии обычных химических связей. Попадая в вещество и проникая в него, эти частицы образуют ионы и осколки молекул, которые крайне реакционноспособны. Повреждения биомолекул в живых организмах могут серьёзно нарушать нормальные клеточные процессы, перегружать систему репарации и приводить к заболеваниям и даже гибели (рис. 20.30).

Рис. 20.30. Излучение может повреждать биологические системы, нарушая ДНК клеток. Если такие повреждения не восстанавливаются, клетки могут начать неконтролируемо делиться и вызвать рак.

Ионизирующее и неионизирующее излучение

Биологические эффекты неионизирующего излучения (nonionizing radiation) (например, света и микроволн) и ионизирующего излучения (ionizing radiation) — излучения, энергии которого достаточно, чтобы выбить электроны из молекул (например, \(\alpha\)- и \(\beta\)-частицы, \(\gamma\)-лучи, рентгеновское излучение и высокоэнергетическое ультрафиолетовое излучение), — сильно различаются по величине (рис. 20.31).

Рис. 20.31. Низкочастотное электромагнитное излучение с меньшей энергией — неионизирующее, а высокочастотное с большей энергией — ионизирующее.

Энергия, поглощаемая из неионизирующего излучения, ускоряет движение атомов и молекул, что эквивалентно нагреву образца. Хотя биологические системы чувствительны к нагреву (это известно каждому, кто прикасался к горячей плите или провёл день на пляже под солнцем), для достижения опасных уровней требуется значительное количество неионизирующего излучения. Ионизирующее же излучение способно причинять гораздо более серьёзные повреждения, разрывая связи или удаляя электроны в биологических молекулах и нарушая их структуру и функцию. Повреждения могут наноситься и косвенно — за счёт сначала ионизации \(\ce{H2O}\) (самой распространённой молекулы в живых организмах) с образованием иона \(\ce{H2O^{+}}\), который затем реагирует с водой, образуя ион гидроксония и гидроксильный радикал:

\[ \ce{H2O ->[\text{излучение}] H2O^{+} + e^{-}} \qquad \ce{H2O^{+} + H2O -> H3O^{+} + OH^{.}} \]

Поскольку у гидроксильного радикала есть неспаренный электрон, он крайне реакционноспособен. (Это вообще свойство любой частицы с неспаренными электронами — свободного радикала.) Гидроксильный радикал может реагировать с самыми разными биологическими молекулами (ДНК, белками, ферментами и так далее), повреждая их и нарушая физиологические процессы. Примеры прямого и косвенного повреждения показаны на рис. 20.32.

Рис. 20.32. Ионизирующее излучение может: (а) непосредственно повреждать биомолекулу, ионизируя её или разрывая её связи; (б) образовать ион \(\ce{H2O^{+}}\), который реагирует с \(\ce{H2O}\) с образованием гидроксильного радикала, а тот, в свою очередь, реагирует с биомолекулой, повреждая её косвенным образом.

Биологические эффекты воздействия радиации

Излучение может повреждать как организм в целом (соматические повреждения, somatic damage), так и яйцеклетки и сперматозоиды (генетические повреждения, genetic damage). Сильнее всего его эффекты проявляются в клетках, которые быстро делятся, — таких как клетки слизистой оболочки желудка, волосяных луковиц, костного мозга, а также эмбриональных клеток. Именно поэтому пациенты, проходящие лучевую терапию, часто испытывают тошноту или расстройство желудка, теряют волосы, жалуются на боли в костях и так далее, и именно поэтому при проведении лучевой терапии во время беременности требуется особая осторожность.

Разные виды излучения по-разному способны проходить через вещество (рис. 20.33). Очень тонкий барьер — например, один-два листа бумаги или верхний слой клеток кожи — обычно останавливает \(\alpha\)-частицы. Поэтому источники \(\alpha\)-частиц, как правило, не опасны вне тела, но весьма опасны при попадании внутрь — с пищей или при вдыхании (см. ниже врезку «Воздействие радона»). \(\beta\)-частицы пройдут через кисть руки или тонкий слой материала вроде бумаги или дерева, но останавливаются тонким слоем металла. \(\gamma\)-излучение обладает очень большой проникающей способностью и может пройти через толстый слой большинства материалов. Некоторые высокоэнергетические \(\gamma\)-лучи способны проходить через несколько футов бетона. Плотные элементы с большим атомным номером (например, свинец) эффективно ослабляют \(\gamma\)-излучение и используются в качестве защитного материала. Способность разных видов излучения вызывать ионизацию очень различна: некоторые частицы почти не производят ионизации. У \(\alpha\)-частиц ионизирующая способность примерно вдвое больше, чем у быстрых нейтронов, примерно в 10 раз больше, чем у \(\beta\)-частиц, и примерно в 20 раз больше, чем у \(\gamma\)- и рентгеновских лучей.

Рис. 20.33. Показана способность различных видов излучения проходить через вещество. От наименее к наиболее проникающим: $\alpha < \beta < $ нейтроны $ < \gamma$.

Химия в повседневной жизни. Воздействие радона

Для многих людей одним из наибольших источников воздействия излучения служит газ радон (\(\ce{Rn{-}222}\)). Радон-222 — \(\alpha\)-излучатель с периодом полураспада \(3{,}82\) сут. Он входит в радиоактивный ряд распада \(\ce{^{238}U}\) (рис. 20.9), который в следовых количествах встречается в почве и горных породах. Образующийся газообразный радон медленно выходит из земли и постепенно проникает в дома и другие здания над её поверхностью. Поскольку радон примерно в восемь раз плотнее воздуха, он накапливается в подвалах и на нижних этажах и медленно диффундирует по всему зданию (рис. 20.34).

Рис. 20.34. Радон-222 просачивается в дома и другие здания из пород, содержащих уран-238 — родоначальник радона. Радон попадает внутрь через трещины в бетонных фундаментах и подвальных полах, через каменную и пористую (шлакоблочную) кладку фундаментов, а также через места ввода водопроводных и газовых труб.

Радон встречается в зданиях по всей стране, причём его количество зависит от того, где вы живёте. Средняя концентрация радона в домах США (\(1{,}25\ \text{пКи/л}\)) примерно в три раза выше, чем в наружном воздухе, и примерно в каждом шестом доме уровни радона достаточно высоки, чтобы рекомендовались меры по их снижению. Воздействие радона повышает риск онкологических заболеваний (особенно рака лёгких); высокий уровень радона может быть так же вреден для здоровья, как выкуривание блока сигарет в день. Радон — главная причина рака лёгких у некурящих и вторая по значимости причина рака лёгких в целом. Считается, что воздействие радона в США уносит более \(20\,000\) жизней в год.

Измерение воздействия излучения

Для регистрации и измерения излучения применяют различные приборы: счётчики Гейгера, сцинтилляционные счётчики (сцинтилляторы), а также дозиметры (рис. 20.35). Самый известный прибор для регистрации излучения — счётчик Гейгера (Geiger counter; называемый также счётчиком Гейгера—Мюллера) — обнаруживает и измеряет излучение. Излучение вызывает ионизацию газа в трубке Гейгера—Мюллера. Скорость ионизации пропорциональна интенсивности излучения. Сцинтилляционный счётчик (scintillation counter) содержит сцинтиллятор — материал, испускающий свет (люминесцирующий) под действием ионизирующего излучения — и датчик, преобразующий этот свет в электрический сигнал. Радиационные дозиметры (radiation dosimeters) также измеряют ионизирующее излучение и часто применяются для определения индивидуальной дозы. Наиболее распространены электронные, плёночные (с пленочным значком), термолюминесцентные и кварц-нитевые дозиметры.

Рис. 20.35. Для измерения излучения применяются приборы: (а) счётчики Гейгера, (б) сцинтилляторы и (в) дозиметры. (фото в: модификация работы «osaMu»/Wikimedia commons).

Для измерения различных характеристик излучения используют целый набор единиц (рис. 20.36). Единицей СИ для скорости радиоактивного распада служит беккерель (\(\text{Бк}\)) (becquerel, Bq): \(1\ \text{Бк} = 1\) распад в секунду. Кюри (\(\text{Ки}\)) (curie, Ci) и милликюри (\(\text{мКи}\)) (millicurie, mCi) — значительно более крупные единицы; их часто используют в медицине (\(1\ \text{кюри} = 1\ \text{Ки} = 3{,}7 \times 10^{10}\) распадов в секунду). Единица СИ для измерения дозы излучения — грей (\(\text{Гр}\)) (gray, Gy): \(1\ \text{Гр} = 1\ \text{Дж}\) поглощённой энергии на килограмм ткани. В медицинских приложениях чаще пользуются единицей рад (radiation absorbed dose, rad) — поглощённой дозы излучения (\(1\ \text{рад} = 0{,}01\ \text{Гр}\); \(1\ \text{рад}\) соответствует поглощению \(0{,}01\ \text{Дж/кг}\) ткани). Единица СИ, измеряющая ущерб, наносимый излучением тканям, — зиверт (\(\text{Зв}\)) (sievert, Sv). Она учитывает как энергию, так и биологические эффекты соответствующего вида излучения в данной дозе. Единица бэр (roentgen equivalent for man, rem) — мера ущерба от излучения, чаще всего применяемая в медицине (\(100\ \text{бэр} = 1\ \text{Зв}\)). Заметим, что единицы тканевого ущерба (бэр или Зв) учитывают как энергию дозы (рад или Гр), так и биологический коэффициент, называемый относительной биологической эффективностью (ОБЭ) (relative biological effectiveness, RBE), который является приблизительной мерой относительного ущерба, причиняемого данным видом излучения. Эти величины связаны соотношением:

\[ \text{число бэр} = \text{ОБЭ} \times \text{число рад}, \]

где ОБЭ для \(\alpha\)-излучения составляет приблизительно \(10\), для протонов и нейтронов — \(2{+}\), а для \(\beta\)- и \(\gamma\)-излучения — \(1\).

Рис. 20.36. Разные единицы используются для того, чтобы измерять скорость испускания излучения радиоактивным источником, энергию, поглощаемую из источника, и величину наносимого поглощённым излучением ущерба.

Единицы измерения излучения

В таблице 20.4 сведены единицы, используемые для измерения излучения.

Таблица 20.4. Единицы, используемые для измерения излучения.

Цель измерения	Единица	Измеряемая величина	Описание
активность источника	беккерель (\(\text{Бк}\))	радиоактивные распады или испускания	количество вещества образца, претерпевающего \(1\) распад в секунду
	кюри (\(\text{Ки}\))		количество вещества образца, претерпевающего \(3{,}7 \times 10^{10}\) распадов в секунду
поглощённая доза	грей (\(\text{Гр}\))	энергия, поглощённая на килограмм ткани	\(1\ \text{Гр} = 1\ \text{Дж/кг}\) ткани
	поглощённая доза излучения (рад)		\(1\ \text{рад} = 0{,}01\ \text{Дж/кг}\) ткани
биологически эффективная доза	зиверт (\(\text{Зв}\))	тканевый ущерб	\(\text{Зв} = \text{ОБЭ} \times \text{Гр}\)
	бэр (бэр)		\(\text{бэр} = \text{ОБЭ} \times \text{рад}\)

Пример 20.8. Расчёт активности

Кобальт-60 (\(t_{1/2} = 5{,}26\) года) применяют в лучевой терапии рака, поскольку испускаемые им \(\gamma\)-лучи можно сфокусировать на небольших участках, где находится опухоль. Для лечения имеется образец Co-60 массой \(5{,}00\ \text{г}\).

(а) Какова его активность в беккерелях (\(\text{Бк}\))?

(б) Какова его активность в кюри (\(\text{Ки}\))?

Решение. Активность задаётся выражением:

\[ \text{Активность} = \lambda N = \left(\frac{\ln 2}{t_{1/2}}\right) N = \left(\frac{\ln 2}{5{,}26\ \text{года}}\right) \times 5{,}00\ \text{г Co-60}, \]

откуда получаем:

\[ \text{Активность} = 0{,}659\ \frac{\text{г}}{\text{год}}\ \text{распадающегося Co-60}. \]

Переводя в распады в секунду:

\[ 0{,}659\ \frac{\text{г}}{\text{год}} \times \frac{1\ \text{год}}{365\ \text{сут}} \times \frac{1\ \text{сут}}{24\ \text{ч}} \times \frac{1\ \text{ч}}{3600\ \text{с}} \times \frac{1\ \text{моль}}{59{,}9\ \text{г}} \times \frac{6{,}02 \times 10^{23}\ \text{атомов}}{1\ \text{моль}} \times \frac{1\ \text{распад}}{1\ \text{атом}} \]

\[ = 2{,}10 \times 10^{14}\ \frac{\text{распад}}{\text{с}}. \]

(а) Поскольку \(1\ \text{Бк} = 1\ \dfrac{\text{распад}}{\text{с}}\), активность в беккерелях (\(\text{Бк}\)) равна:

\[ 2{,}10 \times 10^{14}\ \frac{\text{распад}}{\text{с}} \times \left(\frac{1\ \text{Бк}}{1\ \dfrac{\text{распад}}{\text{с}}}\right) = 2{,}10 \times 10^{14}\ \text{Бк}. \]

(б) Поскольку \(1\ \text{Ки} = 3{,}7 \times 10^{11}\ \dfrac{\text{распад}}{\text{с}}\), активность в кюри (\(\text{Ки}\)) равна:

\[ 2{,}10 \times 10^{14}\ \frac{\text{распад}}{\text{с}} \times \left(\frac{1\ \text{Ки}}{3{,}7 \times 10^{11}\ \dfrac{\text{распад}}{\text{с}}}\right) = 5{,}7 \times 10^{2}\ \text{Ки}. \]

Проверь себя. Тритий — радиоактивный изотоп водорода (\(t_{1/2} = 12{,}32\) года), у которого есть множество применений, в том числе в автономных источниках света, где электроны, испускаемые при \(\beta\)-распаде трития, заставляют светиться фосфор. Ядро трития содержит один протон и два нейтрона, а атомная масса трития — \(3{,}016\ \text{а.е.м.}\) Какова активность образца, содержащего \(1{,}00\ \text{мг}\) трития: (а) в беккерелях (\(\text{Бк}\)) и (б) в кюри (\(\text{Ки}\))?

Ответ: (а) \(3{,}56 \times 10^{11}\ \text{Бк}\); (б) \(0{,}962\ \text{Ки}\).

Эффекты длительного воздействия излучения на организм человека

Эффекты излучения зависят от типа, энергии и расположения источника, а также от длительности воздействия. Как показано на рис. 20.37, в среднем человек подвергается воздействию фонового излучения — космических лучей от Солнца и радона от урана в земной коре (см. врезку «Воздействие радона» выше); излучения от медицинских процедур, включая компьютерную томографию (КТ), радиоизотопные исследования, рентгеновские снимки и так далее; а также малых количеств излучения от других видов человеческой деятельности — авиационных перелётов (в верхних слоях атмосферы самолёты подвергаются повышенному воздействию космических лучей), радиоактивности потребительских товаров и различных радионуклидов, попадающих в организм при дыхании (например, \(\ce{^{14}C}\)) или с пищей по пищевой цепи (например, \(\ce{^{40}K}\), \(\ce{^{90}Sr}\) и \(\ce{^{131}I}\)).

Рис. 20.37. Суммарное годовое радиационное воздействие на человека в США составляет около \(620\ \text{мбэр}\). Различные источники и их относительный вклад показаны на этой столбчатой диаграмме. (Источник: U.S. Nuclear Regulatory Commission.)

Кратковременное резкое получение большой дозы излучения может вызвать самые разные последствия для здоровья — от изменений в составе крови до гибели. Кратковременное воздействие в десятки бэр, скорее всего, приведёт к заметным симптомам или к болезни; доза около \(500\ \text{бэр}\) оценивается как имеющая \(50\,\%\) вероятность вызвать гибель пострадавшего в течение \(30\) суток после воздействия. Воздействие радиоактивных излучений накапливается в организме на протяжении всей жизни — это ещё одна причина, по которой важно избегать любого ненужного облучения. Эффекты кратковременного воздействия излучения на здоровье приведены в таблице 20.5.

Таблица 20.5. Воздействие излучения на здоровье.¹

Доза (бэр)	Эффект для здоровья	Время до проявления (без лечения)
\(5{-}10\)	изменения в составе крови	—
\(50\)	тошнота	часы
\(55\)	слабость	—
\(70\)	рвота	—
\(75\)	выпадение волос	\(2{-}3\) недели
\(90\)	диарея	—
\(100\)	кровоизлияния	—
\(400\)	возможная смерть	в течение \(2\) месяцев
\(1000\)	разрушение эпителия кишечника	—
	внутренние кровотечения	—
	смерть	\(1{-}2\) недели
\(2000\)	повреждение центральной нервной системы	—
	потеря сознания	минуты
	смерть	от часов до суток

Полностью избежать воздействия ионизирующего излучения невозможно. Мы постоянно подвергаемся воздействию фонового излучения из самых разных природных источников: космического излучения, горных пород, медицинских процедур, потребительских товаров и даже собственных атомов. Снизить дозу можно тремя способами: преградив или экранировав излучение, увеличив расстояние до источника и сократив время воздействия.

---

1. Источник: U.S. Environmental Protection Agency. ↩