радиоактивность

О существовании ионизирующего излучения люди узнали в самом конце XIX века, когда Анри Беккерель открыл явление радиоактивности. И первые же исследователи этого феномена столкнулись с его губительным воздействием на человека.

Словом «радиация» в физике называется любое излучение. Однако в обыденной жизни этот термин закрепился за излучением, рождающимся при распаде нестабильных атомных ядер. Это может быть поток ядер атомов гелия (альфа-излучение), нейтронов, электронов (бета-излучение), сверхкоротковолновых электромагнитных квантов (гамма-излучение), но в любом случае это частицы с очень высокой энергией. Ее достаточно, чтобы при столкновении с любой молекулой разорвать в ней одну или несколько связей, выбить атом или вообще разбить молекулу на куски. Понятно, что внутри живой клетки такой снаряд может вызвать немало разрушений.

Однако прямое воздействие радиоактивного излучения на молекулярные структуры клетки — не единственный и даже не главный источник повреждений. Гораздо вероятнее, что попавшая в клетку частица столкнется не с белком или ДНК, а с какой-нибудь маленькой и простой молекулой, скорее всего с молекулой воды. Удар оказывается достаточно сильным, чтобы разбить молекулу на фрагменты — свободные радикалы. Чаще всего это атомарные (не соединенные в молекулы отдельные атомы) водород и кислород, гидроксил-радикал (ОН), гидропероксид-радикал (НОО). Все они обладают неспаренным электроном и потому немедленно вступают в реакции с любыми оказавшимися рядом веществами — нуклеиновыми кислотами, белками, липидами мембран и т. д. (Так же ведет себя и перекись водорода, тоже образующаяся при взаимодействии радиоактивных частиц с водой.) Мало того, при окислении радикалами и перекисью липидов и соединений, содержащих бензольное ядро (например, фенолов, фенилаланина), образуются ядовитые вещества — липидные и хиноновые радиотоксины. Они способны действовать не только там, где они образовались, но и мигрировать с током крови, отравляя ткани, не подвергшиеся непосредственно облучению.

Но и это еще не все. Частицы излучения и радикалы разрушают в числе прочего и мембраны, в том числе мембраны лизосом — внутриклеточных емкостей с гидролитическими ферментами. При их разрыве такие ферменты, как протеазы и липазы, получают доступ к внутриклеточным структурам и начинают рубить их на мелкие кусочки.

Впрочем, лизосомные ферменты бесчинствуют в цитоплазме, в то время как пострадавшие от облучения клетки гибнут в основном от повреждения их генетического аппарата, находящегося в ядре. Потери тем больше, чем интенсивнее делятся клетки данной ткани: в неделящейся клетке большая часть ДНК закрыта разного рода ядерными белками и недоступна воздействию излучения, радикалов и радиотоксинов. Деление же требует предварительного удвоения ДНК, во время которого она совершенно беззащитна. Поэтому от облучения особенно сильно страдают клетки кожи и волосяных луковиц, слизистые оболочки. А самая радиочувствительная ткань — красный костный мозг, где идет непрерывное деление стволовых клеток, порождающих все типы клеток крови. При дозах облучения выше 5 зивертов (единица измерения эффективной дозы ионизирующего излучения) костномозговая ткань полностью гибнет, в то время как прочие пострадавшие ткани еще сохраняют способность к восстановлению. Впрочем, практически столь же уязвимы для радиации лимфоциты, хотя некоторые их разновидности делятся только в особых обстоятельствах, а другие — и вовсе никогда. Сокращение числа эритроцитов и тромбоцитов приводит к понижению гемоглобина, возникновению кровотечений, что вызывает анемию (малокровие).

Формы, степени, периоды

Нельзя сказать с уверенностью, что до начала ХХ века ни один человек на Земле не попадал под воздействие больших доз радиации. Но если такое и случалось, у врачей или лекарей, пытавшихся помочь больному, не было шансов понять истинную причину его состояния.

Человек, если у него нет соответствующего прибора, может и не узнать, что оказался под губительным лучом: проникновение радиации в ткани не вызывает совершенно никаких ощущений. Лишь через некоторое время он внезапно ощущает тошноту, у него болит и кружится голова, подкашиваются ноги, подскакивает температура, его кожа (особенно с той стороны, которая была обращена к источнику) краснеет, как при солнечном ожоге. Это реакция организма на отравление радиотоксинами.

Чем больше излучения проникло в тело, тем быстрее проявляются эти симптомы: доза в 1 зиверт сообщает о себе через 5–6 часов после облучения, вдесятеро большая — через несколько минут. От дозы зависит и то, сколько продлится эта стадия (от 1 до 5 дней) и насколько сильно будут выражены ее эффекты. Но затем (по крайней мере при дозах в 1–6 зивертов) температура спадает, тошнота и головная боль отступают, аппетит улучшается — организм справился с интоксикацией. Эта фаза, во время которой пострадавший чувствует себя вполне нормально, длится от нескольких дней до месяца — в зависимости опять-таки от дозы. У медиков она носит название периода мнимого благополучия: в это время в губчатой ткани костей умирают кроветворные клетки, а в крови падает содержание всех клеточных элементов.

Когда нехватка кровяных и других нуждающихся в постоянном пополнении клеток становится заметной, наступает период разгара болезни. Самочувствие снова ухудшается, появляется лихорадка, сердце сбивается с ритма и не поддерживает нужного давления в артериях — ему самому не хватает кислорода. Если лучевой удар пришелся в область живота, может начаться энтерит (воспаление кишечника). Но наиболее опасное проявление болезни — множественные кровотечения, как внешние (из носа, в местах уколов), так и внутренние: в крови практически отсутствуют тромбоциты. Другая опасность — вторичные инфекции, легкой добычей которых может стать лишенный иммунной системы организм.

При острой лучевой болезни I степени (что соответствует дозе в 1–2 зиверта) практически все больные выздоравливают даже без лечения. При IV степени (6–10 зивертов) даже самое радикальное лечение, включающее пересадку донорского костного мозга, спасает лишь примерно десятую часть пациентов.

Все сказанное относится к так называемой костномозговой форме лучевой болезни — только она имеет степени и периоды. Более высокие дозы облучения вызывают другие формы: 10–20 зивертов — кишечную, 20–80 — токсемическую, свыше 80 — церебральную. Вряд ли стоит подробно описывать их клиническую картину. Достаточно сказать, что в этих случаях лечение может быть только паллиативным, направленным на облегчение мук: спасти человека, получившего такую дозу радиации, уже невозможно.

Радиоактивное излучение

— Альфа

Положительно заряженные частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов, крепко связанных между собой. В природе альфа-частицы возникают в результате распада атомов тяжелых элементов, таких как уран, радий и торий. В воздухе альфа-излучение проходит не более пяти сантиметров и, как правило, полностью задерживается листом бумаги или внешним омертвевшим слоем кожи. Однако если вещество, испускающее альфа-частицы, попадает внутрь организма с пищей или вдыхаемым воздухом, оно облучает внутренние органы и становится потенциально опасным.

— Бета

Электроны, которые значительно меньше альфа-частиц и могут проникать вглубь тела на несколько сантиметров. От него можно защититься тонким листом металла, оконным стеклом и даже обычной одеждой. Попадая на незащищенные участки тела, бета-излучение оказывает воздействие, как правило, на верхние слои кожи. Во время аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 году пожарные получили ожоги кожи в результате очень сильного облучения бета-частицами. Если вещество, испускающее бета-частицы, попадет в организм, оно будет облучать внутренние ткани.

— Гамма

Фотоны, то есть электромагнитная волна, несущая энергию. В воздухе проходит большие расстояния, постепенно теряя энергию в результате столкновений с атомами среды. Интенсивное гамма-излучение может повредить кожу и внутренние ткани. Железо и свинец являются отличными барьерами на пути гамма-излучения.

— Рентгеновское

Аналогично гамма-излучению, испускаемому ядрами, но оно получается искусственно в рентгеновской трубке, в которой ускоренные электроны бомбардируют мишень. Поскольку рентгеновская трубка питается электричеством, то испускание рентгеновских лучей может быть включено или выключено.

— Нейтронное

Образуется в процессе деления атомного ядра и обладает высокой проникающей способностью. Нейтроны можно остановить толстым бетонным, водяным или парафиновым барьером. К счастью, в мирной жизни нигде, кроме как непосредственно вблизи ядерных реакторов, нейтронное излучение практически не существует.

Эхо лучей

Вернемся к костномозговой форме лучевой болезни. Разгар болезни может длиться от 1–2 недель (I степень болезни) до 7–10 (IV степень). Если больному удается выжить, она сменяется фазой восстановления. Выраженной границы между ними нет: выздоровление идет медленно, с несколькими волнами рецидивов. Первым намеком на поворот к лучшему может стать ослабление и постепенное исчезновение так называемого «орального синдрома», или лучевого мукозита: сухости во рту, вязкой, забивающей горло слюны, болезненных язв и белесых корок на слизистой оболочке рта. Следом за ним отступают головные боли, улучшается сон, нормализуется работа кишечника (в период разгара болезни больным приходится вводить питательные вещества через капельницу). Костный мозг (восстановившийся или пересаженный) наполняет кровь всеми видами клеток. После нескольких месяцев лечения пострадавший выписывается из больницы.
Однако последствия лучевого удара часто на этом не кончаются. Уже во время восстановления у многих больных развиваются лучевая катаракта (помутнение хрусталика глаза) и лучевой гепатит. Последний может через много лет перерасти в цирроз печени.

Люди, пережившие лучевую болезнь, намного чаще страдают онкологическими, сердечно-сосудистыми и целым рядом других заболеваний. Причины уязвимости их для злокачественных опухолей понятны. Как известно, раковое перерождение клетки начинается, когда в ней выходят из строя сразу несколько протоонкогенов — ключевых регуляторных генов, обеспечивающих ее подчинение управляющим командам. Среди пострадавших от облучения, но выживших клеток могут найтись такие, у которых повреждены именно некоторые протоонкогены. Даже если этих повреждений недостаточно для начала болезни, вероятность ее развития в будущем резко возрастает: если часть предохранителей уже отключена, критическим может оказаться выход из строя любого из оставшихся. К тому же в организме ослаблен контроль за подозрительными клетками со стороны иммунной системы, которая обычно так и не оправляется полностью от лучевого удара.

Связь облучения с сосудистыми патологиями сложнее, но в некоторых случаях тоже понятна. Внутренняя выстилка кровеносных сосудов (эндотелий) сильно страдает при облучении. Восстанавливаясь, эндотелий может избыточно разрастаться, что приводит к склеротизации сосудов. Так или иначе, отдаленные последствия лучевой болезни приводят к тому, что средняя продолжительность жизни перенесших ее людей оказывается примерно на 30% ниже средней для их поколения.

Однако в отличие от острой лучевой болезни, развитие которой при получении определенной дозы радиации неизбежно, отдаленные последствия — эффект вероятностный. В январе 2010 года в Японии умер Цутому Ямагути — «двойной хибакуся», попавший в августе 1945-го под обе атомные бомбардировки и в обоих случаях получивший солидную дозу радиации. Перенесенная им острая лучевая болезнь не помешала ему дожить до 93 лет.

Проблема малых доз

Последствия облучения продолжают подтачивать здоровье, когда сама лучевая болезнь прошла, но, возможно, это происходит и тогда, когда она не развивается вовсе. За все время Чернобыльской эпопеи диагноз «лучевая болезнь» получили менее 150 человек. При этом облучению подверглись многие сотни тысяч людей — участники работ по ликвидации последствий аварии (около 180 000 человек) и жители загрязненных территорий. Полученные ими дозы различны, но в любом случае ниже того порога, за которым начинается болезнь (примерно 1 зиверт). Это так называемая лучевая травма, проявляющаяся как легкое недомогание либо вовсе никак. Но как она сказывается на здоровье в дальнейшем?

Сведения, которыми располагает сегодня мировая наука, наиболее полно представлены в отчетах и рекомендациях Международной комиссии по радиационной защите (МКРЗ) — самой авторитетной организации в этой области, существующей с 1928 года. Основным предметом ее анализа стали многолетние данные о заболеваемости среди жертв атомных бомбардировок в Японии. Из них следует, что зависимость между полученной дозой и вероятностью развития целого ряда заболеваний (раковых, сердечно-сосудистых, болезней органов дыхания и пищеварения) сохраняется и при дозах ниже порога лучевой болезни. Ниже 0,5 зиверта эта зависимость перестает быть достоверной, однако вопрос о существовании безопасного уровня облучения остается открытым.

А может ли в самом деле существовать такой порог? По идее, одного-единственного удачно попавшего кванта или радикала может хватить, чтобы запустить перерождение клетки, которое без этого бы не произошло. С другой стороны, какое-то количество радиации человек получает всегда и везде. Естественный радиационный фон обычно составляет 10–20 микрорентген в час, но в некоторых районах планеты (в высокогорье, в местах выхода гранитов и т. д.) он может быть в 3–4 раза больше. В результате средний житель Земли получает в год примерно 2,4 миллизиверта, а, скажем, средний обитатель Финляндии — целых 7,5. Лет за 25 набегает почти 0,2 зиверта. Однако финны болеют раком не чаще, чем жители менее радиоактивных районов.

Казалось бы, вопрос о пороге безопасности легко проверить. Как бы ни был мал вклад той или иной дозы в заболеваемость, его можно заметить, сравнивая достаточно большие группы людей, получивших такую дозу, с необлученными. Однако не все так просто: обследование бывших жителей населенных пунктов, оказавшихся в зоне отчуждения вокруг Чернобыльской АЭС, показало, что они чаще среднего страдают сердечно-сосудистыми заболеваниями. Но эта повышенная частота никак не зависела от того, попал ли данный человек под реальное радиоактивное заражение или был эвакуирован из «чистого» поселка (как известно, отселению подлежали все населенные пункты в радиусе 30 км). То есть в данном случае причина повышенной заболеваемости кроется не в радиации, а в каких-то других, вероятно, эмоционально-психологических факторах: стрессе, вызванном внезапным крушением налаженной жизни, страхе перед невидимой угрозой и т. д. «Лучевая боязнь» может оказаться не менее разрушительной, чем лучевая болезнь.