Ионизирующие излучения. Живые организмы нашей планеты постоянно испытывают на себе воздействие ионизирующего излучения. Это необходимый компонент обитания в биосфере. Излучение с очень высокой энергией, которое способно выбивать электроны из атомов и присоединять их к другим атомам с образованием пар положительных и отрицательных ионов, называется ионизирующим излучением. Такой способностью не обладают свет и большая часть солнечного излучения.

Изотопы элементов, которые испускают радиоактивное излучение, называются радиоактивными изотопами, или радионуклидами.

Из трех видов ионизирующего излучения, которые имеют важное экологическое значение, два представляют собой корпускулярное излучение (альфа- и бета-частицы), а третье — электромагнитное (гамма-излучение и близкое ему рентгеновское излучение). Корпускулярное излучение состоит из потока атомных или субатомных частиц, передающих свою энергию всему, с чем они сталкиваются. Альфа-излучение — это ядра атомов гелия, имеющие по сравнению с другими частицами огромные размеры. Длина пробега их в воздухе равняется нескольким сантиметрам, их останавливает листок бумаги или верхний роговой слой кожи человека. При остановке они вызывают сильную локальную ионизацию. Бета-излучение — это быстрые электроны. Они гораздо меньше, и длина их пробега в воздухе равна нескольким метрам, а в ткани — нескольким сантиметрам. Свою энергию они отдают на протяжении более длинного следа. Ионизирующее электромагнитное излучение сходно со световым, отличаясь более короткой длиной волны, оно проходит в воздухе большие расстояния и легко проникает в вещество, высвобождая свою энергию на протяжении длинного следа, так называемая рассеянная ионизация. Гамма-излучение легко проникает в живые ткани, может пройти сквозь организм, не оказав никакого воздействия, или не может вызвать ионизацию на большом отрезке своего пути. Действие гамма-излучения зависит от размера источника и энергии, от расстояния между организмами и источником излучения, так как интенсивность излучения экспоненциально падает с увеличением расстояния. Свойства альфа-, бета- и гамма-излучения схематически показаны на рис. 4.29.

Рис. 4.29. Три типа ионизирующего излучения (по Ю. Одуму, 1986)

Примечание. Показана относительная проникающая способность и специфический ионизирующий эффект

Следовательно, в последовательности альфа-, бета- и гамма-излучения проницаемость возрастает, а плотность ионизации и локальное повреждение уменьшаются. Радиоактивные вещества, испускающие альфа- и бета-излучение, нередко называют «внутренними излучателями», как обладающие наибольшим эффектом, будучи поглощены, заглочены или оказались каким-то образом вблизи или внутри живой ткани. К «внешним излучателям» относят радиоактивные вещества, испускающие преимущественно гамма-излучение. Это проникающее излучение, оказывающее действие, когда его источник находится вне организма.

Другие типы излучения также представляют определенный интерес. Так, нейтроны — это крупные незаряженные частицы, сами по себе не вызывающие ионизацию, но, выбивая атомы из стабильных состояний, они создают наведенную радиоактивность в нерадиоактивных материалах или тканях, сквозь которую проходят. При одинаковом количестве поглощенной энергии «быстрые нейтроны» вызывают в 10, а «медленные» — в 5 раз большие поражения, чем гамма-излучение. Нейтронное излучение обнаруживается вблизи атомных реакторов и в местах ядерных взрывов, но оно играет основную роль при образовании радиоактивных веществ, которые в дальнейшем широко распространяются в природе.

Рентгеновское излучение представляет собой электромагнитное излучение, очень близкое гамма-излучению. Оно обусловлено выбиванием электронов из внешних электронных оболочек, не испускается радиоактивными веществами, рассеянными в окружающей среде.

Естественное ионизирующее излучение складывается из трех составляющих: космическая радиация (протоны, альфа-частицы, гамма-лучи), излучение радиоактивных веществ, присутствующих в горных породах, почве, и излучение радиоактивных веществ, попадающих в организм с воздухом, пищей и водой.

Ионизирующее излучение в окружающей среде значительно повысилось в результате использования человеком атомной энергии (атомное оружие, атомные электростанции), рис. 4.30.

Рис. 4.30. Излучение в эпицентре взрыва атомной и водородной бомб

Так, при испытании атомного оружия в атмосферу вносятся радионуклиды, которые в дальнейшем выпадают повсюду в виде радиоактивных осадков. Около 10% энергии ядерного оружия представляют собой остаточную радиацию (Ю. Одум,1986).

Атомные электростанции: получение топлива для их работы, транспортировка и захоронение радиоактивных отходов и наконец аварии — опаснейшие источники загрязнения природной среды. Например, после аварии 26 апреля 1986 г. на Чернобыльской АЭС данные изотопного анализа первых проб воздуха, воды и почвы, отобранных 26 апреля — 1 мая, показали, что около 30% общей активности приходилось на долю йода-131. Кроме йода-131 в пробах были обнаружены изотопы бария и лантана-140, цезия-137 и -134, рутения-103, циркония-95, теллура-132, церия-141 и нептуния-239, а в зоне отселения, в ближайшей зоне от объекта аварии — изотопы стронция-90 и плутония-239, -240.

Характеризуя степень заражения местности, уровни радиации, дозы облучения, применяют термин радиоактивность, предложенный в 1898 г. Марией Склодовской-Кюри. Радиоактивность можно измерить в различных единицах — в беккерелях, кюри, рентгенах, резерфордах, греях, зивертах и т. д., & мощность излучения — в этих же единицах, отнесенных к единице времени (секунде, часу, суткам, неделе, месяцу, году). Основной единицей радиоактивности служит кюри (КИ). 1 Кюри — активность такого количества радиоактивного вещества, в котором происходит 3,7××10¹⁰ распадов атомов в секунду, т. е. происходит 2,2×10¹² распадов в минуту (расп.×мин.^-1). С биологической точки зрения 1 КИ — активность довольно высокая. В связи с этим на практике широкое применение находят более мелкие единицы: милликюри (мКИ = 10^-3КИ); микрокюри (мкКР = 10^-6КИ); нанокюри (нКИ = 10^-9КИ); пикокюри (пКИ = 10^-12КИ). Активность, выраженная в кюри, показывает интенсивность альфа-, бета- или гамма-излучения. Однако это ничего не говорит о действии, которое эти излучения оказывают на организмы, попавшие «под обстрел».

1 рентген — доза рентгеновских (или гамма-) лучей, при которой в 1 см³ воздуха образуется 2,08×10⁹ пар ионов (или в 1 г воздуха — 1,61×10¹² пар ионов). На практике удобны дозы в 1000 раз меньше единицы — миллирентген (мР) или миллирад (мрад) для измерения тех уровней излучения, которые часто регистрируются в окружающей среде.

Доза излучения, полученная в единицу времени, называется мощностью дозы. Например, если организм получает 10 мР в час, то суммарная доза за 24 ч составляет 240 мР, или 0,240 Р.

Космическое и ионизирующее излучения, испускаемые природными радиоактивными веществами, содержащимися в воде и почве, образуют так называемое фоновое излучение, к которому адаптирована ныне существующая биота. Ряд ученых считает, что поток генов в биоте поддерживается из-за наличия этого фонового излучения. В разных частях биосферы естественный фон различается в 3-4 раза.

Наибольшая его интенсивность наблюдается набольших высотах в горах, образованных гранитными породами, а наименьшая — около поверхности моря и в его поверхностных слоях. Интенсивность космического излучения повышается с увеличением высоты местности над уровнем моря, а гранитные скалы содержат больше встречающихся в природе радионуклидов, чем осадочные породы. Суммарная доза, создаваемая естественным излучением, довольно сильно варьируется в различных районах Земли.

Помимо естественного радиоактивного фона, есть еще понятие техногенно-усиленного радиационного фона, т. е. усиленного в результате деятельности человека. Из чего он складывается? Естественный фон дает примерно одну треть так называемой популяционной дозы общего фона или средней дозы ионизирующего излучения, которая приходится на каждого жителя. Еще треть человек получает при медицинских диагностических процедурах: рентгеновских снимках, флюорографии, просвечиваниях и т. д.

Остальную ее часть дает пребывание человека в современных зданиях. В кирпиче и бетоне присутствуют, хотя и в малых количествах, такие радиоактивные элементы, как уран, торий, радий и др. Вклад в техногенно-усиленный фон вносят и выбросы из современных тепловых станций, котелен, работающих на угле, так как уголь также содержит рассеянные радиоактивные элементы. При полетах на самолетах человек также получает небольшую дозу ионизирующего излучения. На высоте 12 000 м, где проходят трассы современных самолетов, естественный фон усиливается в 1,5—2 раза. В целом по стране техногенный фон колеблется от 200 до 400 мР/год.

Любое изменение в облучаемом объекте, вызванное ионизирующим излучением, называется радиационно-индуцированным эффектом.

Ионизирующее облучение оказывает на более высокоразвитые и сложные организмы более губительное или повреждающее действие. Человек отличается особой чувствительностью. У высших растений чувствительность к ионизирующему излучению, по данным экспериментов, прямо пропорциональна размеру клеточного ядра (точнее — объему хромосом или содержанию ДНК).

У высших животных не обнаружено такой прямой зависимости между чувствительностью и строением клеток. Для них более важное значение имеет чувствительность отдельных систем органов. Например, млекопитающие чувствительны к низким дозам вследствие легкой повреждаемости облучением быстро делящейся ткани костного мозга. Низкие уровни хронически действующего ионизирующего излучения могут вызывать в костях и других чувствительных тканях опухолевый рост даже через несколько или много лет после облучения.

В 50—70-х гг. XX в. широко проводилось изучение влияния гамма-излучения, как правило кобальта-60 и цезия-13 7 с активностью 10000 КИ и выше, на сообщества и экосистемы. Вблизи от этих мощных источников не выживало ни одно высшее растение или животное. Замедление роста растений и уменьшение видового разнообразия животных отмечалось и при таких низких уровнях, как 2—5 рад в сутки. Радионуклиды, попадая в окружающую среду, рассеиваются, разбавляются и могут различными способами накапливаться в живых организмах при движении по пищевой цепи. Эти явления называют «биологическим накоплением». Радиоактивные вещества обладают способностью накапливаться в воде, почве, осадках или в воздухе, если скорость их поступления превышает скорость естественного радиоактивного распада. И зачастую небольшое, казалось бы, безобидное количество радиоактивных веществ может стать в дальнейшем смертельно опасным.