Глава 6. Что известно о биологическом действии радиации в малых дозах?

Как было уже отмечено выше, проблема действия малых доз радиации на биосферу, живые сообщества, отдельные виды живых организмов и на человека приобретает в настоящее время исключительно большое значение.

Из предыдущей главы мы знаем, что в достаточных дозах ионизирующее излучение несет гибель живым организмам. Если дозы облучения снижаются, то после лучевой болезни той или иной тяжести может наступить выздоровление. Однако выздоровление далеко не полное. В облученном организме развиваются скрытые от внешнего наблюдения процессы. По прошествии некоторого времени (исчисляемого месяцами и годами) проявляются так называемые отдаленные последствия облучения. Из них наибольшее внимание привлекают сокращение сроков жизни, появление злокачественных опухолей, катаракт, наследственных заболеваний в потомстве.

В настоящее время огромное количество исследований подтверждает зависимость между дозой облучения и проявлением того или иного радиобиологического эффекта. Твердо установлено, что проявление отдаленных последствий носит вероятностный характер. Это значит, что если облучается достаточно большая популяция животных, то далеко не у всех проявится то или иное поражение. Чем выше доза облучения, тем больше вероятность проявления отдаленных последствий, тем ранее во времени они начнут возникать. Поясним это на конкретном примере.

Облучили 100 белых крыс дозой 125 рад. Это достаточно высокая, но не смертельная доза: она вызывает легкую, скоро проходящую лучевую болезнь. После выздоровления за облученной популяцией наблюдали в течение многих месяцев (следили за появлением опухолей грудных желез у облученной популяции). Через два месяца все животные были здоровы! Но прошло еще два-четыре месяца, и у нескольких крыс появились опухоли грудных желез. Через 8 месяцев процент заболевших повысился. Последние наблюдения были сделаны через 12 месяцев (для крыс это уже глубокая старость, так как нормальный срок их жизни 14-16 месяцев). Рак был обнаружен у 30 из 100 животных. При увеличении дозы облучения в два раза (250 рад) через 12 месяцев заболело уже 55%- Только 45 из 100 были здоровы. Из этого опыта и на основании многих других, давших аналогичные результаты, можно сделать два очень важных вывода.

Первый вывод заключается в том, что при облучении опухоль возникает не всегда. Облучение только способствует ее образованию. Неизвестно, у каких животных она возникнет, у каких нет. Это вероятностный процесс. Чем выше доза облучения, тем больше вероятность появления опухоли. И наоборот, чем ниже доза, тем менее вероятно возникновение опухоли, т. е. тем у меньшего количества облученных особей она появится.

Второй, не менее интересный вывод: чем больше времени проходит после облучения, тем выше процент заболевших животных, а чем ниже доза облучения, тем длительнее период времени, в течение которого нет проявлений его бластомогенного действия (Бластомогенез - образование опухолей.).

Из этих двух бесспорных выводов естественно следует весьма вероятное предположение, что, снижая дозу облучения, можно дойти до некоторого порога, при котором вероятность возникновения опухоли в популяции будет не выше вероятности ее возникновения в норме или, что почти то же самое, при котором время, необходимое для появления опухоли, превысит сроки жизни у данного вида животных.

Вопрос о том, есть ли порог вредного действия ионизирующей радиации, ниже которого не выявляются опасные последствия облучения, очень важен для правильного понимания и оценки безвредности малых доз радиации. В радиобиологии долгое время принималась концепция беспороговости действия радиации. Работая со сравнительно большими дозами радиации, радиобиологи установили зависимость того или иного радиационного эффекта (гибель, возникновение опухолей, появление наследственных заболеваний в потомстве и др.) от дозы. Чем меньше доза, тем реже проявлялся наблюдаемый эффект. Устанавливалась математическая зависимость проявления эффекта от дозы. Пользуясь ею, можно было рассчитать, что будет при очень малых дозах. Из этих расчетов следовало, что при любых малых дозах всегда остается (хоть и незначительная) вероятность проявления эффекта, т. е. порог не существует!

Однако в подобных рассуждениях и расчетах допускалось, что закономерности, действующие при больших дозах облучения, полностью сохраняются при сколь угодно малых дозах. Но исследования последних лет показали, что это допущение неверно. В живых организмах открыты механизмы, восстанавливающие радиационные повреждения; обнаружены и изучены ферменты, присутствующие во всех нормальных клетках, быстро восстанавливающие радиационные повреждения ДНК. Были изучены системы, удаляющие из организма поврежденные радиацией клетки и замещающие их здоровыми. Открыты механизмы мобилизации резервных путей обмена вместо поврежденных при облучении. При больших дозах облучения, когда повреждений очень много, эти системы не справляются с их ликвидацией, и наблюдаются законы развития поражения. Но чем меньше доза, тем отчетливее проявляется их действие. А при малых дозах они способны полностью ликвидировать все повреждения, т. е. существует порог вредного действия радиации, ниже которого уже нельзя говорить об опасности ионизирующей радиации!

Какая же из этих двух концепций (пороговость или беспороговость) ближе к истине? Начнем с самого опасного действия радиации - с гибели организма. Здесь имеется большой экспериментальный материал, и кривые "доза-эффект" дают вполне определенный ответ. Он особенно нагляден, если эти кривые построить в полулогарифмическом масштабе (для выявления событий при малых дозах в логарифмическом масштабе возьмем шкалу дозы). На рис. 5 мы видим, что даже для наиболее радиочувствительных организмов - млекопитающих - имеется надежный порог. Облучение до 100 рад не ведет к гибели. Все остальные виды организмов еще более устойчивы к действию радиации (данные для взрослых животных). Известно, что развивающийся эмбрион более радиочувствителен, чем взрослый организм. Исследования по облучению животных в различные периоды беременности показали, что при облучении дозой менее 20 рад не удается выявить снижения приплода, отклонений в развитии, появления уродств. При этих дозах процессы репарации полностью ликвидируют редкие и небольшие повреждения, наносимые облучением.

Рис. 5. Зависимость смертности организмов от дозы облучения (1 - собаки, 2 - мыши, 3 - крысы, 4 - насекомые, (амбарные долгоносики), 5 - растения (кукуруза), 6 - синезеленые водоросли)

Переходя к рассмотрению отдаленных последствий облучения, остановимся прежде всего на преждевременном старении облученного организма и, как следствие, на сокращении сроков жизни.

В 1967 г. большое исследование было проведено на γ-облученных мышах А. Аптоном в США. На основании полученных им данных составлен рис. 6, на котором показано, что обнаружить небольшое сокращение сроков жизни (5,3%) удается лишь при дозе 100 рад. При дозе в 300 рад сокращение достигает 19%. При дозе в 25 и 50 рад отмечено обратное явление - увеличение сроков жизни. При хроническом облучении (1-5 рад в сутки) сокращение сроков жизни отмечалось лишь при накоплении суммарной дозы в 400 рад. Хроническое облучение мышей в дозе 300 рад в течение года (около 1 рад в день) не сокращало продолжительности жизни мышей, а, наоборот, в среднем увеличивало ее на 5%.

Приведенные данные наглядно показывают, что закономерности, найденные при больших дозах облучения, не проявляются при действии малых доз.

Исходя из экспериментов на животных, нет оснований ожидать сокращения продолжительности жизни человека при остром облучении в дозе 50 рад и ниже, а при хроническом облучении - до накопления суммарной дозы в 200-300 рад.

Рис. 6. Продолжительность жизни мышей после облучения: 1 - острое облучение, 2 - хроническое облучение (1-5 раз в день), контроль - необлученные животные

По рекомендациям Международного комитета по радиационной защиту поглощенная доза, допустимая в производственных условиях, составляет Д = 5 (В - 18) рад, где Д - доза в радах, В - возраст человека в годах. Это значит, что к 60 годам в организме человека может накопиться суммарная доза Д = 5 (60 - 18) =210 рад, т. е. доза, не сокращающая сроков жизни.

Восстановительные силы организма и идущие в нем репаративные процессы обусловливают наличие отчетливого порога по этому признаку, ниже которого нет научно обоснованных данных о влиянии облучения на среднюю продолжительность жизни популяции.

Говоря об отдаленных последствиях облучения, следует особенно тщательно рассмотреть вероятность заболевания раком, в том числе лейкемией - злокачественным перерождением кроветворной ткани.

Эксперименты на животных показали, что возникновение различных форм рака наблюдается при весьма различной дозе облучения. Некоторые из этих данных приведены, на рис. 7. В то время как заболевание лейкемией проявлялось при дозах выше 50 рад, другие формы рака наблюдались лишь при дозе более 100-400 рад, а для возникновения рака кожи требовались дозы выше 600 рад. Остеосаркома костной ткани при ее облучении поглощенными радиоактивными веществами (радий, стронций-90) наблюдалась только подле накопления дозы около 1000 рад.

Рис. 7. Возникновение опухолей у мышей в зависимости от дозы облучения: 1 - миелоидная лейкемия, 2 - лимфома тимуса, 3 - опухоли почек, 4 - кожные опухоли

Отчетливо проявляются пороги бластомогенного действия радиации. Сторонники беспороговой концепции исходили из гипотезы, что при попадании ионизирующей частицы в нормальную клетку вследствие мутации она превращается в злокачественную. Далее допускалось, что через какое-то время злокачественная клетка начинала безудержно делиться и давала опухоль. Так как для возникновения мутации достаточно одной частицы, то подобная ситуация может возникнуть при любом малом облучении, т. е. порог не существует.

Однако исследования последних лет показали, что образование опухоли - более сложный процесс, который зависит от ряда факторов. Прежде всего, присутствующий в здоровых тканях в неактивной форме онкогенный вирус должен под влиянием радиации превратиться в активную форму. Одновременно должно произойти второе событие - мутация в клетке, делающая ее восприимчивой к внедрению активированного онкогенного вируса.

Как уже говорилось, доказано, что радиационные повреждения в молекуле ДНК, ведущие к возникновению мутации, легко восстанавливаются специальными ферментами. Только в том случае, если повреждений возникает настолько много, что ферменты репарации не успевают их ликвидировать, возникает мутация. Если все перечисленные события произойдут одновременно (концепция одного попадания здесь явно несостоятельна), то образуется чуждая организму злокачественная клетка.

Однако образование злокачественной клетки совершенно не означает появления злокачественной опухоли.

Сейчас есть все основания полагать, что единичные перерождения нормальной клетки в злокачественную постоянно происходят в организме животного под влиянием естественного фона, радиации и благодаря присутствию в окружающей нас среде различных канцерогенных веществ. Однако организм животного и человека в процессе эволюции выработал иммунные механизмы для уничтожения чуждых организму клеток. Иммунными силами организма (например, макрофагами) постоянно уничтожаются проникающие в ткани болезнетворные микробы и возникающие злокачественные клетки. Чтобы под влиянием радиации повысилась частота случаев прорыва этих клеток через иммунологический барьер, должна ослабиться иммунологическая защита организма. Действительно, облучение ослабляет иммунитет. Однако это удается обнаружить лишь при дозах выше 100 рад. Только при ослаблении иммунитета начнется развитие злокачественной клетки в опухоль с большей вероятностью, чем это происходит спонтанно.

Таким- образом, современные теоретические представления говорят о многофакторности образования опухоли и, следовательно, о существовании порога. Более того, обнаружено, что облучение в малых дозах (около 25 рад) стимулирует активность иммунной системы, что может даже снижать вероятность образования опухолей при малых дозах облучения.

Исследование радиационного канцерогенеза на животных показало, что частота возникновения опухолей у различных видов млекопитающих варьирует в широких пределах. Поэтому переносить количественные соотношения, полученные на животных, на человека не вполне оправданно. Что же известно о бластомогенном действии различных доз радиации на человека?

Наблюдение в течение 25 лет за частотой возникновения лейкемии у жителей Хиросимы и Нагасаки, перенесших атомную бомбардировку в 1945 г., позволило установить количественную зависимость возникновения лейкемии от дозы острого облучения. На рис. 8 представлена зависимость возникновения лейкемии от дозы облучения по данным Научного комитета по действию атомной радиации, опубликованным в 1972 г. Из этих данных видно, что в Нагасаки у населения, получившего ?-облучение менее 100 рад, не обнаружено повышения заболеваемости лейкемией. В Хиросиме, где поток радиации содержал значительное количество нейтронов, порог действия снизился до 10 рад.

Рис. 8. Возникновение лейкемии у жителей Хиросимы (1) и Нагасаки (2), перешивших атомный взрыв

При экспериментальном взрыве атомно-водородной бомбы, осуществленном США в 1954 г. на уединенном коралловом рифе в Тихом океане, 17 тыс. жителей Маршалловых островов (удаленных более чем на 300 км от места взрыва) подверглись γ-облучению от радиоактивных осадков в дозе около 175 рад. Однако среди них в течение 15 последующих лет не было обнаружено ни одного случая заболевания лейкемией.

Для лечения заболеваний щитовидной железы широко применяется раствор солей радиоактивного йода. При приеме внутрь радиоактивный йод почти полностью поглощается щитовидной железой, оказывая лечебное действие. Однако некоторое небольшое его количество, циркулируя в крови, осуществляет общее облучение организма. В течение курса лечения организм оказывается облученным в дозе 15-20 рад. Обследование десятков тысяч таких больных отчетливо показало, что при этих дозах облучения не происходит заболевания лейкемией.

Из имеющегося фактического материала можно сделать вывод, что при остром облучении в малых дозах (10 рад и ниже) и тем более при хроническом облучении в течение длительного времени нельзя говорить о риске возникновения лейкемии с большей вероятностью, чем она наблюдается в нормальных условиях в современной жизни человека. В еще большей степени это справедливо для других форм рака, имеющих более высокий порог действия радиации.

Интересны с точки зрения проблемы малых доз результаты обследования рабочих урановых, радиевых и других шахт (в Чехословакии, Канаде, Великобритании, США, Швеции), где систематическое вдыхание радона приводит к α-облучению эпителия бронхов с большой плотностью ионизации. При обследованиях за единицу была принята доза, получаемая на рабочем уровне за месяц (РУМ), соответствующая дозе ?-облучения бронхиального эпителия 1-2 рад. У рабочих, получивших менее 120 РУМ (т. е. менее 120-240 рад), не выявлено увеличения количества заболеваний раком легких по сравнению с окружающим населением. Большая смертность от рака легких наблюдалась лишь у рабочих, получивших 360 и более РУМ.

Из всего сказанного видно, что при малых дозах облучения (25 рад и ниже) нет никаких оснований утверждать, что они повышают количество раковых заболеваний по сравнению с нормой.

Снижение иммунитета животных и человека под влиянием больших, сублетальных и летальных доз ионизирующего излучения в настоящее время твердо установлено. Опасность снижения сопротивляемости человеческого организма различным вирусным, бактериальным и другим инфекциям, падение способности к выработке защитных антител в результате облучения побудили провести специальные исследования его систем в зависимости от дозы облучения.

Сопоставление всех имеющихся данных о влиянии ионизирующего излучения на иммунный ответ человеческого организма позволило Научному комитету по действию атомной радиации при ООН сделать вывод, что только дозы порядка 100 рад приводят к повышению чувствительности организма к инфекциям. Из этого заключения следует, что облучение в малых дозах (50 рад и ниже) нельзя рассматривать как вредное для иммунитета человека.

Наиболее сложен вопрос об определении опасности облучения для потомства, т. е. определении так называемых генетических последствий облучения.

При облучении гонад в воспроизводящих клетках (сперматозоидах, яйцеклетке) возможно повреждение ДНК, в структуре которой, как известно, в виде генетического кода хранится вся информация, необходимая для нормального развития плода. Радиационное нарушение генетического кода( мутация), в зависимости от его характера и локализации нарушения, может привести к тем или иным дефектам развития, ведущим к рождению потомства, отягощенного наследственными заболеваниями.

За последние годы накоплен значительный материал по радиационному поражению генома мышей. Повышение генетических повреждений в потомстве при облучении ниже 25 рад не удалюсь обнаружить. Экстраполировать эти данные на человека очень трудно. Имеется большое различие в размерах генома мыши и человека, различно время созревания половых клеток, период репродуктивной жизни, количество потомства.

Введя ряд поправочных коэффициентов на отличие генома человека от генома мыши, Научный комитет по действию атомной радиации при ООН на основе концепции бесцороговости и линейности (не доказанной для малых доз и дающей верхний возможный предел поражаемости) рассчитал, что при облучении всего населения в дозе 1 рад на миллион новорожденных возможны 2-20 случаев тяжелых генетических дефектов.

Статистическое обследование в ряде стран показало, что около 4% новорожденных имеют различные отклонения от нормы, связанные с наследственностью. Это, как говорят генетики, тот генетический груз, которым отягощено современное человечество. Четвертая часть (1%) страдает серьезными генетическими дефектами, такими, как слабоумие, шизофрения, физические уродства и др. Это значит, что из 1 млн. новорожденных около 10 тыс. имеют тяжелые наследственные дефекты. Достаточно сопоставить цифры - 2-30 и 10 тыс., чтобы стало ясно, что при дозах в несколько рад нет оснований говорить о реальном риске генетических дефектов для потомства.

С генетическим грузом человечество живет, и он не останавливает процесс увеличения населения на нашей планете, не препятствует социальному прогрессу, нормальной жизни общества, хотя сопровождается страданиями отдельных людей. Небольшие колебания процента генетических дефектов в сторону уменьшения или увеличения практически не заметны для общества, и говорить о риске, опасности, по-видимому, можно лишь при его существенном увеличении. Генетики рассчитали, что заметно и опасно для общества увеличение генетического груза в два раза. Доза облучения, которая способна привести к удвоению образования мутаций, удвоению наследственных аномалий, получила название "удваивающей дозы". Генетики согласились, что облучение всего человеческого общества в размахах удваивающей дозы уже следует рассматривать как реально ощутимую для человечества опасность.

Анализируя имеющиеся данные, Научный комитет пришел к выводу, что удваивающая доза для человеческой популяции лежит в области 70 рад. Следует особенно подчеркнуть, что все расчеты генетической опасности справедливы при условии облучения всей популяции. Облучение небольших групп населения резко снижает вероятность появления генетических отклонений.

Суммируя все сказанное в этой главе, мы приходим к выводу об отсутствии научных оснований для представлений об опасности для человечества ионизирующей радиации в малых дозах, сопоставимых с колебаниями естественного фона радиации, т. е. в дозах, с которыми реально сталкивается население в своей повседневной деятельности.