CC BY
261
ДЕЙСТВИЕ РАДИАЦИИ НА ОРГАНИЗМ
© Тестов Б.В.*
Пермский государственный национальный исследовательский университет,
г. Пермь
Предложена энергетическая теория действия радиации на организм, которая заключается в том, что при больших дозах облучения в организме выделяется много тепла и клетки погибают от теплового шока. Гамма- и рентгеновское излучение легко проникают через кожный покров, теряют энергию и превращаются в ультрафиолетовое излучение. Кванты ультрафиолетового излучения, нагревают клетки и при больших дозах вызывают тепловой шок. Хроническое облучение приводит к физиологической адаптации за счет снижения интенсивности метаболизма.
В настоящее время, когда мы не имеем возможности получать от Солнца энергии больше, чем падает на Землю, наибольшие энергетические перспективы сулит использование ядерной энергии. Эта энергия создается за счет изменения структуры атомных ядер и позволяет использовать энергию неорганического вещества. Однако расширение использования ядерной энергии встречает большие препятствия со стороны общественного мнения населения, которое очень обеспокоено повышением радиационного загрязнения Земли отходами ядерной энергетики.
Негативное отношение населения к радиации во многом обусловлено отсутствием четкого понимания действия ионизирующего излучения на живые организмы, что привело к развитию радиофобии среди людей. К ионизирующим излучениям относят потоки излучения, возникающего при распаде и делении атомных ядер. Эти излучения способны ионизировать атомы вещества, что, по мнению большинства ученых, и является причиной разрушения различных объектов и гибели живых организмов. Следует заметить, что поглощенные энергии, приводящие к разрушению неживого вещества, в миллионы раз превосходят энергию, убивающую живые организмы. Из этого следует логичный вывод о том, что ионизирующее излучение особенно опасно для всего живого. Однако причина столь высокой чувствительности живых организмов к радиации до сих пор четко не определена. Это объясняется упорным желанием ученых связать действие излучения с изменением атомов в клетках живых организмов.
Элементарные расчеты показывают, что при смертельной дозе (10 Гр) энергии излучения хватает на ионизацию только одного атома из десяти миллионов. Если допустить, что каждый акт ионизации приведет к изме-
* Профессор, доктор биологических наук, профессор.
нению одного атома живого вещества, то при смертельной дозе у человека массой 70 кг будет инактивировано только 7 миллиграммов вещества. Разрушение такого количества вещества не может привести к гибели человека, у которого при полостных операциях удаляют сотни и тысячи граммов пораженной ткани.
В настоящее время многие исследователи связывают действие ионизирующего излучения на организм с образованием свободных радикалов. Свободный радикал - это атомы или химические соединения, имеющие неспаренный электрон [1]. Поскольку на орбите атома в норме должно быть два электрона, то отсутствие одного означает, что свободный радикал является ионом. А количество образующихся при облучении ионов является недостаточным, для объяснения поражения организма.
В тоже время все люди знают, что длительное пребывание белого человека под лучами весеннего солнца неизменно приводит к солнечному ожогу. Клетки кожи сгорают и отмирают, в то время как одежда и все предметы вокруг весной остаются почти холодными. Следовательно, нагрев кожного покрова происходит не за счет энергии излучения, а за счет энергии человека. Если же человек загорает постепенно, то возникает загар, который защищает кожу от действия солнца. Под действием солнечного ультрафиолета в коже вырабатывается пигмент меланин, который не позволяет ультрафиолетовому излучению проникать через кожу. Поэтому у жителей южных областей цвет кожи значительно темнее, чем живущих на севере людей. Африка, где очень сильная инсоляция, является родиной негров, которым толстый слой меланина позволяет длительное время находиться под палящим солнцем без особого ущерба для организма. Мы предложили тепловую теорию действия радиации на человека, которая заключается радиация формирует поток ультрафиолетового излучения.
Рентгеновское и гамма-излучение обладает меньшей длиной волны и в отличие от ультрафиолета легко проникает через кожный покров в клетки организма. При взаимодействии с атомами и молекулами клеток фотоны этого излучения рассеиваются, теряют энергию и превращаются в фотоны ультрафиолетового излучения. Эти фотоны ультрафиолета, возникшие внутри организма, и приводят к повышению температуры клеток организма.
Расчеты показывают, что смертельная доза облучения (10 Гр) передает животному энергию, достаточную для повышения температуры тела только на 0,002 0С. Литературные данные и наши эксперименты показали, что рентгеновское и гамма-излучение приводит к повышению температуры животных и человека на 1-3 0С, даже при дозах в тысячи раз меньших смертельной [2, 4]. Ученые Томского университета показали, что облучение собак радиоактивным газом радоном, привело к повышению температуры во внутренних органах (печени, почке, селезенке) на 3-5 0С [3]. Результаты таких экспериментов позволяют предположить, что при облучении происходит массовый гидролиз АТФ и резкое увеличение теплопродукции орга-
низма. Таким образом, основой для радиационных повреждений при действии радиации являются не молекулярные и атомарные повреждения, а увеличение теплопродукции и нарушение метаболических реакций в организме. Становиться понятно почему гипертермия при облучении всегда усиливает, а гипотермия ослабляет эффект радиационного повреждения. Известно, что низшие организмы (бактерии, водоросли, травянистые), состоящие из тех же атомов, что высшие организмы, в 10 тысяч раз устойчивее к ионизирующему излучению, чем животные и человек. Это становится очевидным, если учесть, что интенсивность метаболизма у теплокровных животных значительно больше, и они обладают теплоизолирующим покровом, затрудняющим сброс тепла в окружающую среду.
Ученые, которые считают, что основа радиационных воздействий на организм связана с повреждениями атомов, до сих пор не могут объяснить стимулирующий эффект малых доз облучения. Если исходить из тепловой теории становиться понятным, что при малых дозах облучения происходит небольшое дополнительное выделение тепла, а это благоприятно для роста и развития любых организмов. Многочисленные примеры благоприятного воздействия малых доз ионизирующего излучения на любые организмы приведены монографии А.М. Кузина «Природный радиационный фон и его значение для биосферы Земли» [5].
В настоящее время большинство людей очень боятся даже небольшого радиационного загрязнения окружающей среды. Однако в литературе показано, что небольшие мощности доз, создаваемые естественным и техногенным радиационным загрязнением, благоприятно отражаются на состоянии биоты [5]. Наши наблюдения и экспериментальные исследования показали, что организм легко адаптируется к повышенному уровню радиационного загрязнения. Впервые факты «радиоадаптации популяций» были описаны в работе А.И. Ильенко и Т.П. Крапивко «Экология животных в радиационном биогеоценозе» [6]. Авторы показали, что красные полевки и лесные мыши, отловленные на территории ВУРСа, оказались более устойчивы к облучению 60Со, чем животные, обитающие на контрольных участках. Они сделали вывод о том, на загрязненной радионуклидами территории в течении 30 поколений происходила «радиоадаптация» диких грызунов. Адаптация происходила путем отбора более устойчивых особей к радиационному фактору. «Таким образом, в биогеоценозе, загрязненном 908г, под воздействием хронического облучения в результате многолетнего радиационного отбора сложилась более радиорезистентная популяция лесных мышей» [6].
По нашим данным феномен, который обнаружили авторы работы [6], сформировался не путем многолетнего отбора устойчивых животных, а на базе физиологической адаптации животных. Так, на самом загрязненном участке Чернобыльского полигона, через 5 месяцев после радиационной аварии, мы не могли отловить на одной полевки. После аварии они либо погибли, либо, что более вероятно, мигрировали на более благоприятные
(более холодные) участки. Однако через год численность мышей и полевок на этом участке была выше, чем на сравниваемой слабо загрязненной территории. Животные уже через год адаптировались к радиационному загрязнению и не чувствовали его вредного влияния.
Каков же механизм адаптации? Известно, что колебания дневных и сезонных температур на Земле достаточно большие и все организмы давно к ним приспособились. В жаркое летнее время люди и животные снижают интенсивность метаболизма. Они потребляют меньше пищи и снижают потребление кислорода, по сравнению с холодным зимним периодом. Если в основе радиационного воздействия лежит тепловой эффект, то все организмы способны легко адаптироваться и компенсировать повышение температуры, создаваемое радиационным облучением. К этому нас приучили большие колебания дневной и сезонной температуры на Земле. У мышей на территории с высоким уровнем радиации, мы регистрировали, более высокую ректальную температуру по сравнению с животными, обитающими в менее загрязненной зоне (рис. 1). Затем изменение ректальной температуры мы подтвердили в лабораторных условиях, когда помещали лабораторных мышей в поле излучения радиационного источника (рис. 2).
38
37 "
36 k
35 "
34
33 -
0 1 2 3 4 5
Рис. 1. Динамика изменения ректальной температуры у рыжих полевок, отловленных на участках со слабым (1) и сильным (2) радиоактивным загрязнением, после перемещения в виварий (по оси ординат: температура, 0С; по оси абсцисс: время после отлова, сутки)
ой об ой об
_1___I_!_:_I___1_1_
10 II 12 13 14 15 К
об об об
-1_I_I_I_I_I_III 12 13 14 15 16 17
Рис. 2. Динамика изменения ректальной температуры при фракционном облучении (об) лабораторных мышей мощностью дозы 1,0 мГр/час (верхний график), мощностью дозы 1,5 мГр/час (нижний график) (по оси абсцисс: часы суток; по оси ординат: ректальная температура, градусы Цельсия)
В полевых условиях мы регистрировали реакцию лабораторных крыс на хроническое радиационное облучение по изменению ректальной температуры. Снижение ректальной температуры у лабораторных крыс на территории с высоким радиационным загрязнением свидетельствовало о физиологической реакции животных на хроническое облучение. По нашим данным адаптация животных к внешнему хроническому облучению формировалась в течение 3-5 суток. Если радиоактивные вещества попадали в организм через пищу, то адаптация наступала примерно через полгода.
Изучая на термоградиентной установке величину предпочитаемой температуры у рыжих полевок и полевых мышей, мы обнаружили, что дикие животные, обитающие на участках с большим радиационным загрязнением, предпочитали находиться на месте с более высокой температурой (табл. 1). Похожий эффект мы наблюдали, изучая продолжительность плавания животных, отловленных на участках с различным радиоактивным загрязнени-
ем (табл. 2). Из таблицы следует, что зверьки, отловленные на участке с сильным загрязнением, дольше плавают в теплой воде, а зверьки, обитавшие на участках со слабым радиоактивным загрязнением, дольше плавают в холодной воде. Такая температурная адаптация может быть осуществлена животными за счет изменения интенсивности метаболизма. Это мы проверили в лабораторных условиях на беспородных белых мышах (рис. 3). Примерно через сутки после включения источника облучения, облучаемая группа животных снизила потребление кислорода и удерживала такое потребление до выключения источника излучения. После выключения этого источника ранее облучаемые животные повысили потребление кислорода. Эти эксперименты свидетельствуют о физиологической адаптации, в основе которой лежит повышение температуры облучаемых животных. Температурная компенсация легко осуществляется за счет изменения интенсивности метаболизма.
Таблица 1
Предпочитаемая температура у зверьков на Чернобыльском полигоне
Животные Загрязненность Число зверьков Вес, г Предпочитаемая температура, градусы
Полевые мыши (1990 г)
Неполовозрелые самки и самцы Сильная 16 15,2 ± 0,5 36,0 ± 0,4
Слабая 7 15,0 ± 0,4 26,9 ± 1,4
Рыжие полевки (1990 г)
Неполовозрелые самки и самцы Сильная 10 12,6 ± 0,8 26,9 ± 1,4
Слабая 12 15,1 ± 0,8 13,9 ± 0,4
Таблица 2
Продолжительность плавания рыжих полевок, отловленных на участках с сильным и слабым радиоактивным загрязнением, в теплой и холодной воде
Степень загрязнения Число зверьков Пол Масса, г Продолжительность плавания, с Отношение
при 43° (а) при 10°(б) а / б
Сильная 10 самки 18,8 ± 1,1 152,9 ± 19,8 150,0 ± 21,6 1,1 ± 0,20
10 самцы 20,6 ± 1,4 182,9 ± 16,4 160,2 ± 17,5 1,22 ± 0,15
20 самцы и самки 19,7 ± 0,8 168,2 ± 12,9 155,1 ± 13,6 1,22 ± 0,15
Слабая 10 самки 17,5 ± 0,7 144,4 ± 44,1 240,0 ± 18,9 0,62 ± 0,06
9 самцы 21,3 ± 1,2 123,4 ± 21,4 193,4 ± 17,3 0,61 ± 0,07
19 самки и самцы 19,3 ± 0,8 134,5 ± 2,50 221,1 ± 12,8 0,62 ± 0,04
Такие же физиологические изменения были зарегистрированы в опытах А.И. Ильенко (табл. 3), однако он считал, что они возникают в результате длительного отбора в результате генетических изменений. Разница между физиологической и популяционной адаптацией, в том, что физиологическая адаптация в организме наступает достаточно быстро, а популяционная адаптация протекает медленно за счет отбора более приспособленных особей.
Рис. 3. Потребление кислорода белыми мышами при непрерывном облучении источником 137Сб при мощности дозы 3 мр/час: 1 контрольная группа; 2 - облучаемая группа (по оси абсцисс: время, сутки; по оси ординат: потребление кислорода, мл/г час)
Таблица 3
Физиологические показатели лесных мышей на участках Полигона ВУРС [6]
Показатели Контрольные участки Радиоактивные участки
Потребление кислорода, мл/г-час Средняя частота дыхания, мин. Средняя величина предпочитаемой температуры, оС Средняя величина ректальной температуры, °С 6,3 ± 0,06 158,4 ± 1,5 23,8 ± 0,14 36,1 ± 0,14 5,8 ± 0,06 182,6 ± 1,3 27.7 ± 0,11 38.8 ± 0,1
Таким образом, через полгода после радиоактивного загрязнения территории, животные адаптируются к хроническому радиоактивному загрязнению и не испытывают никакого вредного воздействия от радиационного облучения. Поэтому нет необходимости в работах по реабилитации (снижении радиоактивного загрязнения) территорий для обеспечения нормальной жизнедеятельности природных популяций животных и растений. Через полгода после радиационной аварии животные и растения, выжившие после радиационного удара, приспособятся к нормальному функционированию в новых радиационных условиях, и не будут испытывать вредного влияния радиации.
Исходя из этого нормы радиационного воздействия, разработанные на основе ионизирующего действия радиации, давно требуют пересмотра. В основу радиационного воздействия необходимо поставить физиологическую реакцию организма, связанную с тепловым воздействием проникающего излучения. Такая аргументация позволит населению нашей планеты
понять механизм действия проникающей радиации и устранит радиофобию среди населения. Изменение нормативов по работе с источниками ионизирующего излучения приведет к существенному снижению затрат на радиационную защиту и снизит стоимость электрической энергии ядерных электростанций.
Список литературы:
1. Новая иллюстрированная энциклопедия. - М.: Научное изд-во «Большая Российская энциклопедия», 2003.
2. Kandasamy S.B., Hunt W.A. Involvement of prostaglandins and histamine in radiation-induced temperature response in rats // Radiat. Res. - 1990. -V 121. - P. 84-95.
3. Пегель В.А., Докшина Г.А. Влияние радона на температуру внутренних органов животных // Мед. Радиол. - 1961. - Т. 6, № 11. - С. 54-58.
4. Тестов Б.В. Реакция организма на радиационный стресс // Проблемы радиоэкологии и пограничных дисциплин / Под ред. В.И. Мигунова и А.В. Трапезникова. - Екатеринбург, 2006. - Вып. 8. - С. 140-155.
5. Природный радиационный фон и его значение для биосферы Земли / А.М. Кузин. - М.: Наука, 1991. - 117 с.
6. Экология животных в радиационном биогеоценозе / А.И. Ильенко, Т.П. Крапивко. - М.: Наука, 1989. - 224 с.
