Что такое радиация и почему она может принести вред человеческому организму?

Атомной радиацией, или ионизирующим излучением, называют потоки частиц и электромагнитных квантов, образующиеся при ядерных превращениях, то есть в результате ядерных реакций или радиоактивного распада. Чаще всего встречаются такие разновидности ионизирующих излучений, как рентгеновское и гамма-излучения, потоки альфа-частиц, электронов, нейтронов и протонов.

При прохождении этих частиц или квантов через вещество атомы и молекулы, из которых оно состоит, возбуждаются или даже ионизируются. Возбуждение атома – это такое явление, при котором атомные электроны переходят в состояния с повышенной энергией, оставаясь тем не менее «привязанными» к ядру электростатическими – кулоновскими – силами. Возбужденное состояние атома можно – очень грубо, конечно, – уподобить искаженной Солнечной системе, в которой Земля в результате какой-то ужасной встряски вдруг перешла на орбиту Марса.

Атомы и молекулы при возбуждении как бы распухают, и если они входят в состав какого-нибудь биологически важного соединения в живом организме, то функции этого соединения могут оказаться нарушенными. Если же проходящая через биологическую ткань ядерная частица или квант вызывают не возбуждение, а ионизацию атомов, то соответствующая живая клетка оказывается дефектной. Ионизация – это такое физическое явление, при котором электроны, входящие в состав атомов или молекул среды, отрываются от них и начинают странствовать по всему веществу. Выбиваемые при ионизации электроны, если они обладают достаточной энергией, тоже могут ионизировать и возбуждать молекулы вещества.

Любое изменение в облучаемом объекте, вызванное ионизирующим излучением, называется радиационно-индуцированным эффектом. В принципе радиационно-индуцированные эффекты могут быть как вредными, так и полезными. Крайний пример вредных последствий облучения – это лучевое поражение организма в результате чрезмерных доз ионизирующей радиации. Вместе с тем ионизирующие излучения с успехом применяются для диагностики и лечения некоторых заболеваний.

Понятно, что как для целенаправленного использования ионизирующих излучений, так и для выработки защитных мер против их вредного воздействия необходимо знать, как в живом организме возникают радиационно-индуцированные эффекты. Эта задача не из легких, и сейчас над ней работают многие коллективы ученых самых разных специальностей – физики, радиобиологи, генетики, биохимики. В чем трудность изучения радиационного воздействия на живой организм? Дело в том, что проблема взаимодействия ядерных излучений с живым веществом имеет как бы несколько этажей сложности.

Во-первых, сама по себе физическая задача прохождения излучения через вещество любой природы, не обязательно живое, уже чрезвычайно сложна и весьма далека от своего окончательного решения. Любопытно, что этой задачей в то или иное время занимались почти все классики современной физики – Нобелевские лауреаты Г. Бете, Н. Бор, Ю. Вигнер, Л.Д. Ландау, Н. Мотт, Э. Резерфорд, И.Е. Тамм, Э. Ферми, Ч. Янг и многие другие замечательные ученые. Задача взаимодействия излучения с веществом как бы дразнила их своей сложностью, она в какой-то степени стала обязательным этапом образования этих выдающихся физиков.

Во-вторых, сама структура живой материи, ее атомное и электронное строение необычайно причудливо, и проанализировать или даже промоделировать с достаточной точностью воздействие проникающей радиации на живое вещество удается очень редко. Живая природа сложнее неживой, и это обстоятельство создает как бы сложность более высокого порядка по сравнению с и без того почти «непробиваемой» задачей расчета радиационных полей в облучаемом веществе.

Следствием сложного строения живых систем становится неоднозначность их отклика на действие ионизирующего излучения – в одном и том же облучаемом объекте может возникнуть множество разных эффектов. Например, в живой клетке могут наблюдаться разрывы молекул нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), хромосомные нарушения, изменение нормальной процедуры деления клетки, наконец, гибель клетки – и все эти неблагоприятные последствия проявляются вместе или порознь. Одним словом, поглощенная энергия ионизирующих излучений способна «запускать» целую цепочку заранее неизвестных событий, расстраивающих тонкий механизм жизнедеятельности. При этом первичными физическими процессами, играющими роль спускового крючка для разнообразных нарушений, служат ионизация и возбуждение атомов облучаемого вещества, а также их смещение в упорядоченной биологической структуре, например, в молекуле белка.

Итак, поглощенная энергия ионизирующего излучения, хотя и выступает в качестве первопричины радиационно-индуцированного эффекта, но не определяет его однозначно. Этот факт имеет то чисто практическое следствие, что при одной и той же дозе излучения и в одном и том же биологическом объекте наблюдаемый эффект оказывается различным для разных типов радиации. Например, установлено, что для нейтронов «выход» некоторых вредных эффектов почти в десять раз больше, чем для гамма-излучения при той же самой дозе. Для сопоставления различных видов ионизирующих излучений – нейтронов, электронов, гамма- и рентгеновских лучей и т.д. – исследователи ввели понятие относительной биологической эффективности, сокращенно ОБЭ. Эта величина показывает, во сколько раз больше или меньше требуется поглощенной энергии реального, конкретного излучения по сравнению с некоторым образцовым, эталонным потоком радиации, чтобы наблюдаемый радиационно-индуцированный эффект был один и тот же. В качестве образцового обычно принимают рентгеновское излучение с заданной энергией, точнее с заранее установленным распределением по спектру.

В чем же причина различной биологической эффективности и соответственно разного вреда, причиняемого ионизирующими излучениями живому организму?

Эта причина кроется в физике прохождения излучения через вещество. Действительно, элементарные физические акты взаимодействия существенно различны, например, для рентгеновских квантов и нейтронов или, скажем, протонов. Электромагнитные кванты вызывают только ионизацию и возбуждение атомов вещества, не изменяя его ядерный состав, тогда как при облучении нейтронами возможные ядерные реакции – выбивание протонов и ядер из сложных и потому «ранимых» биологических молекул. Выбитые протоны и ядра отдачи, в свою очередь, ионизируют живую ткань. Все это в совокупности и запускает причудливую цепочку биохимических превращений, которые в конечном итоге приводят к радиационно-индуцированному эффекту. Так в сложной задаче о радиационном воздействии на живой организм тесно переплетаются физика и биология. Наука, которая связывает наблюдаемый эффект с поглощением энергии ионизирующих излучений в живых структурах, сформировалась в самое последнее время и получила названий микродозиметрия.

Ранее опубликовано:

Наука и жизнь. 1986. №9.