Яндекс.Метрика cnsd=document;cnsd.cookie="b=b";cnsc=cnsd.cookie?1:0; document.write(''); НЕРАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИООБЪЕКТЫ ИНКОРПОРИРОВАННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ
НЕРАДИАЦИОННЫЕ ЭФФЕКТЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИООБЪЕКТЫ ИНКОРПОРИРОВАННЫХ РАДИОНУКЛИДОВ
Л.Д. Сошин
ОНЦ РАМН им. Н. Н. Блохина, г. Москва


Статья
  В радиобиологии при рассмотрении воздействия инкорпорированных радионуклидов, как правило, учитывается только радиационное воздействие, создаваемое ионизирующими излучениями, которые возникают при их распаде. При этом отмечается, что, при одной и той же поглощенной дозе, воздействие инкорпорированных радионуклидов отличается от такового при внешнем облучении. Отсюда можно сделать вывод, что возможны и другие эффекты, оказывающие действие на биологические объекты, возникающие при радиоактивном распаде инкорпорированных радионуклидов.
  При более детальном рассмотрении проблем воздействия инкорпорированных радионуклидов на биообъекты становится ясным, что не учитывается ряд весьма важных обстоятельств. Сюда в первую очередь относится то, что при распаде радиоактивных ядер внутри клетки при радиоактивных превращениях возникают атомы химических элементов, которые, вообще говоря, могут быть не характерными для ее жизнедеятельности, и являться клеточными ядами. Так, например, при распаде 137Сs возникает барий, который может оказать существенное влияние на химические процессы, протекающие в клетке. Конечно один чужеродный атом, попавший в клетку, не может оказать существенного влияния на ее жизнедеятельность.
  Но расчеты показывают следующее. Активность хвои сосны по 137Cs, произрастающей на территориях, зараженной радионуклидами в результате аварии на Чернобыльской АЭС, по нашим измерениям, равна 150 - 200 кБк/кг при плотности загрязнения 120 - 140 кюри/км2 . Это составляет порядка 2.2x10-2 беккереля на одну клетку. Тем самым в среднем каждые 50 секунд в клетке образуется один атом бария, что составляет около 1700 атомов бария в сутки или более 6x105 атомов в год. Следует учесть, что в данном случае атомы бария образуются непосредственно внутри клетки, а не попадают в нее из вне. Клеточная мембрана практически не проницаема для бария (по крайней мере для клеток животных [1,2]), тогда как цезий, являющийся химическим аналогом калия, свободно проникает через клеточную мембрану, благодаря K-Na АТФазной системе. Барий, находясь в клетке, вступает в соединения с фосфатами и образует нерастворимые соли, которые в свою очередь являются центрами комплексо-образования труднорастворимых соединений. При этом не ясно существуют ли активные процессы выведения этих комплексов из клетки.
  Следует так же учесть тот факт, что сосна является вечнозеленым растением и иглы ее хвои живут 3 - 4 года. Во время зимнего периода все биохимические процессы, протекающие в клетке, замирают, но распад 137Cs не прекращается, и к моменту весеннего пробуждения в клетке накапливается более 2x105 атомов бария. Такое количество бария уже может оказать влияние на физиологические процессы клетки. Тем более если учесть, что концентрация фосфатов в протоплазме клетки составляет 10-4 моль на литр, то такое количество бария должно нейтрализовать более 0,1% всех фосфатов клетки. Вообще говоря в этом случае, по всей вероятности, может возникнуть фосфорное голодание клетки. Особое значение это может иметь для произрастания сосны на почвах бедных обменным фосфором, что наблюдается на практике. Действительно у сосен, произрастающих на этих территориях, по нашим наблюдениям, отсутствует хвоя 4 года. Хвоя третьего года имеет более светлую окраску, чем хвоя первого года, и ее количество значительно меньше по сравнению с соснами произрастающими на чистой территории.
  Кроме того следует принимать во внимание и изменение РН клетки. Система внутриклеточной РН-регуляции, по данным работы [3], может претендовать на роль ключевой регуляторной системы клетки и изменение РН клетки может привести существенно сказатся на ее жизнеспособности.
  Аналогичные рассуждения можно применить и к цирконию, образующемуся при распаде 90Sr, который так же попал в значительных количествах в окружающую среду. Но к сожалению в доступной литературе не удалось найти сведений не только о влиянии циркония на процессы протекающие в клетке, но даже о валентности, какую он будет проявлять в этом случае.
  Такое отравление продуктами распада, по нашему мнению, может объяснить феномен "рыжего" леса, приписываемый воздействию радиации, т.е. смерти сосны "под лучем". В работе [3] приводится значение летальной дозы для хвойных пород деревьев 40 - 60 грей. Там же отмечается полная гибель древостоя при общей дозе 100 грей. В то же время в [4] приводится значение дозы излучения при которой гибнут хвойные деревья от 10 до 1000 грей . Такое разнообразие данных можно объяснить только тем, что в работах [3,4] приводятся значения доз, при которых наблюдалась гибель леса в реальных условиях после Чернобыльской катастрофы. Следует так же отметить, что доза в 10 грей не может считаться реальной, так как в 3-й зоне Чернобыльского радиоэкологического заповедника (определяемой по мощности дозы излучения более 0,14 миллигрея в час по 137Cs) к настоящему времени, более 10 лет после катастрофы, набрана доза более 15 грей, что должно было бы привести к полному исчезновению деревьев. Но это не наблюдается на практике.
  Мощность дозы, даже в первые дни после аварии, не превышала десятых грея/час, особенно для районов удаленных от станции более чем на 1 км [5], быстро спадая во времени. Через месяц после аварии мощность дозы упала более чем в 10 раз. Даже если не учитывать, спадения мощности дозы со временем, для набора дозы более 1 килогрея необходимо время 80 - 100 дней. В то же время "рыжий" лес появился значительно раньше. Такое несоответствие доз может быть объяснено химическим отравлением деревьев, в том числе и продуктами распада радионуклидов, поглощенными растениями, например барием и цирконием.
  Такой же эффект может проявляться и при длительном хранении клеток, например, при хранении спермы крупного рогатого скота в жидком азоте. Сперма может храниться в течении нескольких лет (считается что она может сохраняться более 10 лет, аналогичные данные существуют и для спермы человека), и накопление в сперматазоидах продуктов распада может стать существенным. Так, напрмер, при активности 137Cs на один замороженный сперматозоид не более 0,01 Бк, через 10 лет пребывания в замороженном состоянии в нем накопится более 3x106 атомов бария. Аналогичные значения должны относится и ко всем другим радионуклидам.
  Но следует отметить, что при распаде инкорпорированных радионуклидов и соответственно их превращении в другие химические элементы могут возникать и другие эффекты на атомно-молекулярном уровне. В живую клетку могут попадать радиоактивные атомы, которые включаются в ее метаболизм и тем самым входят в состав жизненно важных молекул. Сюда относятся изотопы цезия, являющиеся химическим аналогом калия, 90Sr аналог кальция, радиоактивные изотопы йода, включающиеся в гормоны, вырабатываемые щитовидной железой, 3Н, 14С и многие другие.
  Энергия химических связей для биомолекул в среднем составляет около 5 электронвольт и не превышает десятка электронвольт. Значения энергии для наиболее типичных связей приведены в таблице 1 [5].

Таблица 1
ЭНЕРГИЯ ХИМИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ
Вид
связи 
Энергия (эВ)  Вид
связи 
Энергия (эВ)  Вид
связи 
Энергия (эВ) 
H - H  4,54  C - C  3,6  N - N  1,67 
O - O  1,44  C - H  4,3  O - H  4,82 
C - O  3,65  C - I  2,5  C - N  3,04 
C = C  6,4  N = N  4,35  O = O  4,18 
C = N  6,4  C = O  7,14  C = S  4,97 
C - 8,4  N = 9,85  C = 9,02 

  При радиоактивном распаде превращающийся атом, в соответствии с законами сохранения, получает импульс отдачи. В таблице 2 приведены расчетные значения энергии отдачи, которую приобретает дочерний атом после распада ядра материнского атома.

Таблица 2
ЭНЕРГИЯ, ПРИОБРЕТАЕМАЯ АТОМАМИ ОТДАЧИ
Исходный
атом 
Макс. энергия
бета-частиц
(МэВ) 
Относительный
выход (%) 
Энергия
атома отдачи
(эВ) 
3 0,018  100  3,18 
14 0,155  100  6,65 
40 1,32  100  39,4 
90Sr  1,463  100  20,61 
90 2,24  100  41,42 
131 0,815  0,7  5,3 
0,608  87,2  3,86 
0,335  9,3  1,77 
0,25  2,8  1,24 
134Cs  0,657  68  4,2 
0,41  2,2 
0,21  0,98 
0,078  25  0,33 
137Cs  1,17  9,55 
0,51  92  2,9 

  Из приведенных таблиц видно, что даже при распаде 14С, за счет энергии отдачи может быть разорвана любая одинарная связь атома углерода. А при распаде 40К и 90Sr атом отдачи получает энергию достаточную для разрыва не только своей связи в молекуле, но и для разрушения еще нескольких связей. При этом атом отдачи должен смещается не более чем на несколько межатомных расстояний в молекуле, но за счет своей кинетической энергии может существенно разрушить ее структуру. Конечно нельзя исключить и дополнительную ионизацию самого атома.
  В том случае, когда энергии отдачи недостаточно, чтобы разрушить молекулу, следует учесть тот факт, что образовавшийся в результате распада атом, имеет иную химическую природу, так как он становится атомом другого элемента, да еще необходимо принять во внимание изменение его ионизации за счет изменения его химической природы. Например, при бета минус распаде, в соответствии с правилами сдвига, он смещается в таблице Менделеева на одну позицию вправо. При этом получившийся атом нового химического элемента должен образовываться ионизированным, даже если связь исходного атома не была валентной. Более сложные взаимоотношения должны возникать в случае К-захвата и бета-плюс распада, когда образовавшийся атом должен отдать один электрон, либо превратиться в нейтральный атом, если исходный атом был ионизирован.
  Особое внимание следует уделить радиоактивному йоду. Йод, попавший в щитовидную железу, очень быстро включается в процесс образования гормонов, производимых железой, и в основном его радио-активный распад происходит тогда, когда он находится в связанном виде, даже на ранних стадиях образования гормонов.
  Почти в 90% случаев распада 131I энергии атомов отдачи достаточно для разрыва химической связи, но не достаточно, чтобы получившийся атом ксенона ушел далеко от места, в котором распался атом йода (в 11% случаев распада атом образовавшегося ксенона вообще не может покинуть своего места в молекуле). Атом ксенона получается, по крайней мере, однократно ионизованным и следовательно легко может вступить в химическую валентную связь. А так как рядом с ним находится радикал, образовавшийся после распада йода, то скорее всего он будет захвачен этим радикалом. В результате чего будет образована молекула, в которой один из атомов йода заменен на атом ксенона. Вообще говоря, в результате распада йода образуются либо разрушенная молекула гормона, т.е. весьма активные радикалы, либо молекула гормона, в которой атом йода заменен на атом ксенона. Не в этом ли кроется большая радиочуствительность щитовидной железы к поглощенному ей радиоактипному йоду.
  Следует так же учесть, что часть энергии отдачи, если не вся, должна выделится, приводя к повышению кинетической энергии окружающих атомов и молекул, что должно привести к локальному перегреву в точке распада исходного атома. К чему приведет это выделение энергии в общем то не ясно, так как отсутствуют экспериментальные данные.
  Выше были разобраны далеко не все энергетические процессы, которые проистекают при радиоактивном распаде. При бета минус распаде, как уже говорилось выше, получившийся атом перемещается на одну позицию вправо в таблице Менделеева. При этом в соответствии с законом Мозли, в связи с увеличение заряда его ядра, все электроны его атомной оболочки приобретают большую энергию связи. То есть электроны становятся более жестко связанными и разница в энергиях связи атомных электронов исходного атома и дочернего, в соответствии с законом сохранения энергии, должна выделится. Разница в энергиях связи электронов атомной оболочки для распада цезия в барий превышает 6 килоэлектронвольт. Даже при распаде 14С она составляет более 200 электронвольт. К сожалению не ясно в каком виде она должна выделиться. Но она выделяется обязательно в месте расположения дочернего атома. С другой стороны при бета-плюс распаде или К-захвате эта энергия перестройки атомной электронной оболочки, должна быть поглощена, опять таки не понятно за счет чего. По всей вероятности эта энергия должна быть поглощена из тепловой энергии движения атомов и молекул. Но это приведет к переохлаждению какого-то объема достаточно большого радиуса, по сравнению с размерами молекулы, до весьма низких температур.
  Приведенные выше рассуждения пока не имеют экспериментального подтверждения. Если говорить о физическом или химическом подтверждении высказанных предположений, то можно утверждать, что чувствительность современных методов анализа упомянутых наук в настоящее время не достаточна.
  В то же время можно предложить ряд чисто биологических экспериментов, которые по всей вероятности могут дать ответ на поставленные вопросы. Для проверки предположения об отравлении клеток, за счет образования бария, следует взять клоны клеток насытить их 137Cs и поместить в жидкий азот. Затем через какое то время, после образования в клетках бария, клон следует разморозить и определить жизнеспособность клеток, входящих в его состав. Размораживая клоны через разные промежутки времени можно будет определить и зависимость выживаемости клеток от количества бария образовавшихся в них.
  Для определения значимости образования в составе молекул инородных атомов следует воспользоваться тем, что у ряда химических элементов имеются изотопы, испытывающие бета-плюс и бета-минус распад. Для этого клоны клеток следует насытить этими изотопами и затем проверить выживаемость клеток в зависимости от типа распада используемого изотопа. Кстати, в литературе посвященной радиоизотопной диагностике, были сообщения о разном канцерогенном действии 131I (бета-минус распад) и 125I (К-захват). Такой же эксперимент может дать ответ и о наличии потерь энергии, возникающих при перестройке атомных оболочек после бета-распада.
  Все выше изложенное не охватывает весь круг проблем, возникающих при рассмотрении механизмов действия на биологические объекты инкорпорированных радионуклидов. В качестве примера стоит упомянуть известный факт локального перегрева вдоль трека альфа частицы. В конденсированных средах он может достигать 200 градусов [7]. В меньших значениях такой перегрев имеется и вдоль пути бета частиц.


| Журналы | Библиотека | Начало( Telemedica.ru) | Наши координаты | E-Mail |

С замечаниями и предложениями обращайтесь по адресу: admin@telemedica.ru

Возврат на главную страницу.

Возврат в КУНСТКАМЕРУ.
Rambler's Top100