Олена Паренюк: Як подружитися з радіацією
Повний текст статті докторанта кафедри Олени Паренюк див. за посиланням: https://my.science.ua/yak-podruzhytys-iz-radiatsiyeyu/
Будь-яка згадка про радіацію викликає в багатьох із нас параноїдальні настрої, одразу нагадуючи про холодну війну, проекти створення ядерної зброї (Манхеттенський і Курчатівський (Waltham, 2002)), закриті наукові інститути, атмосферу невизначеності, відсутності порозуміння, страху і конспірації. Історії про “закриті поселення”, що не мали навіть назв — лише номери, підписки про невиїзд, домовленості про нерозголошення. Радіація має присмак небезпечної таємниці, про яку говорять пошепки. У сучасній Україні маємо унікального радіаційного монстра, що дедалі частіше нагадує нам про своє існування: Чорнобильська АЕС, на енергоблоці якої сталася наймасштабніша (Steinhauser, Brandl, & Johnson, 2014) відома радіаційна аварія в історії людства, стала причиною виникнення зони відчуження — ЗВ ЧАЕС. І уже ЗВ не дає розслабитись українцям, майже кожного року пропонуючи причини для занепокоєння. Тільки навесні 2020 громадськість хвилювалась щодо пожеж (див. “Карта пожеж Чорнобильської зони відчуження“), восени ж завдяки надзвичайному врожаю грибів питання вмісту у них радіонуклідів були дуже популярні. З іншого боку, в Україні є сусіди, що, навіть у радіаційному плані, змушують країну хвилюватись. Протягом останніх трьох років на території Російської Федерації сталася низка радіаційних аварій, наслідки яких у вигляді наявності радіонуклідів у повітрі детектували автоматизовані системи контролю радіаційного стану (АСКРС) України та інших країн Європи (Masson et al., 2019). Білорусь прямо зараз запускає першу, побудовану РосАтомом, АЕС на своїй території . Майже всі країни, які нас оточують, користуються електроенергією, що виробляє “атомка”…
Щоразу під час пожеж у ЗВ ЧАЕС, які трапляються з гнітючою регулярністю (майже щороку), ми читаємо у пресі рекомендації, що варто зачиняти кватирки і не випускати дітлахів надвір. У 2017 році під час викиду рутенію-106, що стався десь на території Росії і був детектований у нас, деякі ЗМІ рекомендували закуповувати в аптеках йодид калію і готуватись до ядерного апокаліпсису. Проте влада мовчала, не надаючи жодних інструкцій схвильованій громадськості.
Чому ж так сталося? Чи дійсно влада ігнорувала небезпеку для здоров’я пересічного громадянина, знову приховуючи життєво важливу інформацію? Чому на вході в ліси Північної України не стоять військові загони, не пускаючи грибників до лісу? Чи варто скуповувати весь арсенал радіопротекторів, включно з горілкою, у аптеках і супермаркетах одразу після повідомлення щодо зміни радіаційної обстановки?
Сонечко, але більш агресивне: фізичний зміст радіації
Радіація, чи то пак іонізуюче випромінювання (ІВ) — це високоенергетичне випромінювання, що утворюється внаслідок розпаду (або синтезу) атомних ядер речовини. Ядро розпадається, формуючи дочірнє ядро, і випромінює надлишок енергії у вигляді високоенергетичних фотонів (гамма-випромінювання), та уламки ядер у формі бета-випромінення (електрони або позитрони), нейтронів або альфа-частинок (що є ядрами атомів гелію). Саме по собі іонізуюче випромінювання не є небезпечним, загроза з’являється саме в момент його взаємодії з речовиною. Дуже спрощено, ІВ можна порівняти із запущеним з великою силою м’ячем: немає жодної небезпеки, аж допоки не зіткнеться зі склом шибки сусіда. Фактично, ІВ це потік частинок, яким вистачає енергії руйнувати хімічні зв’язки, що стрінуться їм на шляху, зокрема в молекулах людського тіла.
Для того, щоб виміряти, скільки ж радіоактивності потенційно присутнє в речовині, використовують бекерелі (Бк) — кількість розпадів за секунду. Це міра швидкості розпаду радіонукліда, а, отже, швидкості, з якою формується ІВ. Фактично, продовжуючи аналогію з м’ячем, можна сказати, що бекерель — це кількість дітей, які граються з м’ячами у вас під вікнами і, потенційно, можуть поцілити вам у шибку. Джерелом іонізуючого випромінювання на нашій планеті є радіоактивні атоми, які розпадаються з певною швидкістю, випромінюючи ІВ. Наприклад, розпадаючись, цезій-137 (основний радіонуклід, яким було забруднено територію України після аварії на ЧАЕС) випромінює бета-частинку, формуючи нестабільний мета-барій-137. Майже одразу розпадається і він, випромінюючи гамма-квант; залишається тільки стабільний барій-137, який уже нікуди не розпадеться. Отримуючи інформацію, що радіоактивність ґрунту у нас під ногами по цезію складає 55 Бк/кг, ми можемо сказати, що за одну секунду в одному кілограмі ґрунту розпадається 55 атомів радіоактивного цезію, одночасно утворюючи 55 атомів стабільного барію.
М’ячі і сітка Рабіца: взаємодія ІВ з речовиною
Людське тіло складається з клітин, які, в свою чергу, формуються з молекул. Молекули побудовані з атомів і тримаються разом завдяки хімічним зв’язкам. Усе це — доволі складна кухня, що реалізується через філігранну взаємодію, “тонке налаштування”, побудоване на обміні енергією або електронами між атомами. І тут на сцені з’являється заряджена частинка з великою кінетичною енергією, якою вона охоче ділиться з кожною молекулою на своєму шляху. Звичайно ж, збиває всі налаштування, що вже були в молекулах, руйнуючи їх затишний “дзен”, змінює умови, що були потрібні для формування хімічних зв’язків і, таким чином, переінакшує або й зовсім руйнує цілі молекули.
Подібні “поломки” повсякчасно трапляються в наших клітинах і не судилося б нам стати одним з найбільш живучих видів на планеті, якби не вміння давати цьому раду. Кожна клітина містить молекулу-бібліотеку, ДНК, в якій записано інструкції щодо побудови, конформації і функцій кожної структури у людському тілі. Отже, коли трапляється будь-яка незгода, клітина просто звертається до свого ядра, де і зберігається ДНК, по інструкції для створення білкових молекул, за допомогою яких і відбудовує нестачу — молекули ліпідів, вуглеводів, нуклеїнових кислот чи інших білків.
Але що, коли трапляється забагато помилок одночасно, і клітині просто не вистачає часу й можливостей усе полагодити (у такому випадку біологи кажуть про недостатній репараційний потенціал)? Таке може трапитись з одним окремим органом за високої щільності випромінювання — ніби шибку сусіда бомбардує дуже щільний потік м’ячів і чолов’яга просто не встигає замінити скло. Тоді організм може увімкнути механізм компенсації, заміщуючи функції одних тканин іншими на час, допоки не зможе відремонтувати пошкоджену тканину. Якщо ж ціле тіло людини було опромінене високими дозами ІВ і немає чим компенсувати — розвивається променева хвороба. Саме так називають відповідь організму на численні ураження клітин, що не можуть бути відремонтовані і, як наслідок, не можуть більше виконувати свої функції. Якщо провести аналогію з містом і дорогами, то променева хвороба — це сумне становище наших автодоріг після того, як зійшов увесь сніг навесні, а автодору просто не вистачає екіпажів для латання ям.
А що ж трапиться, коли буде пошкоджено бібліотеку, власне саму ДНК? Коли в самому серці клітини, де зберігаються всі інструкції, станеться помилка? Звичайно, у людини, як і у всього живого, є безліч механізмів для перевірки і переперевірки цілісності і коректності власної ДНК, її вчасної репарації. Та репарація може трапитись з помилкою, ургентно, абияк. Тоді виникають мутації — зміни в ДНК, які організм більше не вважає помилками, а отже і не виправляє. І запускає у такої клітини клітинний цикл, дозволяючи їй розмножуватись. Більшість мутацій у більшості клітин є нонсенс-мутаціями, тобто не мають жодних наслідків для клітини — це означає, що помилка у бібліотеці сталася в тому томі, який ніколи не було використано клітиною. Бувають летальні мутації: помилка розташована в надзвичайно важливому томі з інструкціями, кожна зміна в якій призводить до неможливості подальшого існування клітини — і тоді вона просто помирає. Проте іноді стається так, що помилки стаються у ненайважливіших частинках ДНК, клітина може існувати і виконувати всі важливі для власного існування функції і навіть може розмножуватись — але не виконує жодної корисної для організму роботи. Це і є найнеприємніші мутації. Клітини, що безконтрольно розмножуються, використовуючи ресурси організму, але не приносять жодної користі іншими словами називають раковими пухлинами.
Абзац, що ви щойно прочитали є надзвичайно важливим для подальшого розуміння усіх концепцій розрахунку доз, поводження з джерелами радіаційної безпеки тощо, тому авторка буде вдячна вам, якщо ви впевнитесь у розумінні усього викладеного матеріалу перед тим, як рушити далі ☺
Отже, підсумуємо фундаментальну частину:
•імовірність взаємодії ІВ з матерією залежить від його виду (тип м’яча), енергії (сили, з якою запущено м’яч) та щільності (кількості м’ячів на одну бідолашну шибку);
•“не всі молекули однаково важливі”. Помилки у звичайних молекулах просто руйнують органели, залишаючи клітині можливість полагодити зруйноване — за умови наявності достатніх ресурсів, звертаючись до бібліотеки з інструкціями — ДНК;
•помилки у ДНК мають наслідки, що можуть передаватись усім нащадкам клітини;
•великий відсоток мутацій не має жодних наслідків для життя клітини. Менший відсоток є летальними, тобто клітини не виживають і не можуть передати мутації у спадок. І лише найменший відсоток це мутації, що впливають на функціонування клітини, можуть успадковуватись і не мають миттєвого (негативного чи позитивного) ефекту на виживаність організму.
•успадкована мутація може “не зіграти”. Клітину, що не приносить користі, може забракувати і знищити імунна система — і тоді мутація також “не зіграє”.
Як виміряти те, що неможливо відчути: концепт дози
Радіацію неможливо відчути жодним з доступних людині органів чуття — її не можна відчути на смак або запах, побачити її колір чи почути вухом. Ми не можемо побачити негайного ефекту від взаємодії живої матерії з ІВ — якщо, звичайно, це не надвисокі дози. Але — ефект є. Яким же чином можна його порахувати? І як обрахувати вплив певної кількості іонізуючого випромінювання на людину?
Для обрахунку впливу ІВ на речовину запропонували концепцію дози — кількість енергії радіоактивних випромінювань, поглинутих одиницею маси середовища, яке опромінюється, за весь час опромінення. Сама по собі доза накопичується з часом, тому набагато більш інформативним є характеристика розподілу дози у часі — яку кількість енергії ІВ можна отримати протягом певного періоду. Зазвичай нас цікавить кількість енергії на годину або на рік.
Але диявол прихований у деталях:
•як ми пам’ятаємо, бувають різні типи ІВ (альфа, бета, гамма, нейтрони);
•бувають різні типи матерії, і чим щільніша сама матерія, тим менший шлях проходить частинка в речовині. Наприклад, чавун затримує набагато більше ІВ, ніж скло й дерево.
•насамкінець, різні органи мають різну чутливість до радіації. Найчутливішими є ті, у яких відбувається найбільш активний поділ клітин, або такі, тканини яких майже не відновлюються протягом життя — наприклад, кришталик ока чи статеві клітини у чоловіків. І тому одна кількість ІВ, отримана, наприклад, тканинами кісткового мозку та кістками, матиме дуже різну шкодочинність.
Для того, щоб врахувати всю перелічену вище специфіку, є декілька різних одиниць вимірювання дози:
Експозиційна доза — міра того, наскільки випромінювання іонізує повітря. З цього легко визначити, наскільки “постраждають” й інші матеріали, в тому числі жива тканина. Тут можна провести аналогію з сонячним світлом: експозиційна доза вказує, наскільки яскраво навкруги. Доза вимірюється в рентгенах (Р). Один рентген — це надзвичайно багато, тому часто використовують одиницю мікрорентген. Часто нас цікавить швидкість накопичення дози (потужність), звідси і відома усім одиниця мкР/год.
Але — що ми можемо дізнатися від того, наскільки сонячно навкруги? Чи зможемо ми спрогнозувати, отримаємо чи ні сонячні опіки — це ж залежить не лише від кількості сонячної енергії, а і використання людиною сонцезахисного крему, захисного одягу, тощо. Саме тому в міжнародній дозиметрії відмовилися від використання експозиційної дози на користь поглиненої.
Для контролю потужності експозиційної дози в повітрі в Україні використовують автоматизовану систему контролю радіаційної ситуації (АСКРС). Наприклад, така система працює на території зони відчуження ЧАЕС. Дані там оновлюються щодві хвилини. У разі, якщо в новинах з’являється інформація щодо будь-чого радіаційно-страшного, АСКРС ЧАЕС — мій перший вибір для оцінки ситуації.
Поглинена доза — кількість енергії, яку віддало ІВ в одиницю маси речовини. Продовжуючи аналогію зі світлом, можна сказати, що це кількість сонячних променів, поглинених тілом. Вона вимірюється у греях (Гр), а потужність дози — у Гр/год.
Але — шкодочинність ІВ сильно відрізняється залежно від його типу. Різні частинки навіть з однаковою енергією гальмують в речовині по-різному і тому “розподіляють” свою шкоду в тканині по-різному. Звичайно, ситуація дещо складніше, ніж можна описати в короткій оглядовій статті (“Моя наука” писала про це раніше трохи детальніше — редакція), і в радіобіології існує складна система коефіцієнтів для врахування різних факторів шкодочинності різних типів ІВ. Саме тому було запропоновано третю величину — еквівалентну дозу. Тут необхідно модернізувати аналогію з м’ячем: приймемо альфа-випромінювання за баскетбольний м’яч, бета — за мячик тенісний, а гамма — за малесеньку страйкбольну кульку. Людське тіло, з усім його міжмолекулярним простором, можна уявити як сітку Рабіца. Очевидно, що страйкбольна кулька через різницю розмірів, з високою ймовірністю пролетить через сітку, не зачіпаючи дроту, а якщо й зачепить — то лише стінку комірки; тенісний — зруйнує одну, або і зовсім пролетить, не зачіпаючи; а ось баскетбольний м’яч, запущений у сітку, абсолютно точно зруйнує декілька її секцій. Саме тому, для обчислення ефекту різного випромінювання на людське тіло, було вирішено надати різним типам іонізуючого випромінювання коефіцієнти: гамма, маленька страйкбольна пулька — одиниця, еквівалент, до якого зводяться усі ефекти опромінення; бета — п’ятірка, тобто, в разі, якщо людиною поглинено 1 Гр бета випромінювання, шкода від нього буде такою ж, як і від 5 Гр гамма; і — 20 для альфа випромінювання.
Отже, Еквівалентна доза — це добуток поглиненої дози на середній коефіцієнт якості іонізуючого випромінювання, який враховує біологічний вражаючий ефект для різних тканин. Еквівалентна доза визначає біологічний вплив різних іонізуючих випромінювань на організм людини і застосовується для оцінки шкоди здоров’ю людини. Вона вимірюється у зівертах (Зв) (Рис. 1).
Запобігти, врятувати, допомогти: допустимі ліміти доз для людини
З часів відкриття радіоактивності не було проведено жодного “чистого” експерименту щодо вивчення ефекту іонізуючого випромінювання на людину. З етичних переконань, як і з огляду на те, що всі люди генетично дуже відрізняються, просто неможливо провести експеримент, у якому набирали б дві групи людей, які жили б у однакових умовах, однаково харчувалися, мали однакових батьків і до експерименту мали б абсолютно ідентичний одні з іншими спосіб життя, одну з яких (експериментальну) було б опромінено ІВ у небезпечній для людини дозі, а іншу (контрольну) — ні. Але такі експерименти проводили на генетично ідентичних лініях лабораторних мишей, а згодом і на культурах клітин людини, вирощених в лабораторних умовах і генетично ідентичних. Таким чином виявилось, що доза, за якої помре половина опромінених людських клітин складає 5 зівертів. Тобто, необхідно потрапити до ситуації, де експозиційна доза складатиме 5 рентгенів, що є надзвичайно великим значенням. Ця інформація є важливою в екстремальних умовах, але навряд чи ми можемо її використовувати у звичайному житті.
У повсякденному житті важливо дізнатися дозу, яку людина може отримати, не завдаючи шкоди власному здоров’ю. Це важливо знати пілотам трансатлантичних літаків, що здійснюють перельоти на великих висотах, де без захисту атмосфери й магнітного поля Землі, збільшується шкода від ІВ Сонця. Це важливо для людей, які отримують дозу ІВ у медичних цілях — роблять комп’ютерну томографію (КТ) або звичайну рентгенограму. Це необхідно для робітників, які працюють з джерелами іонізуючого випромінювання — медиків, працівників АЕС, тощо. Але, через те, що всі люди різні, і стан здоров’я, стиль життя, якість харчування у людей відрізняється — неможливо точно порахувати, де саме лежить лінія, що відділяє “безпечну” дозу ІВ від “небезпечної”. Саме тому у 1975 році Вольфганг Якобі запропонував, а в 1977 році Міжнародні комісія з радіаційного захисту (ICRP) затвердила концепцію ефективної дози (Зв) — розрахункової дози опромінення людини, яка враховує внески ефектів опромінення різних органів і тканин людини на стан її здоров’я в цілому (“ICRP: ICRP Publication 103,” 2007).
Тут важливо сказати, що в нормальних умовах у навколишньому середовищі є природні радіонукліди, дещо ми отримуємо від Сонця — наші організми звикли жити за певних рівнів природного фону. В залежності від геологічного складу території, її висоти над рівнем моря, такий фон зазвичай складає 5 — 20 мікрогреїв на годину (Рис.4). Певну дозу ми отримуємо і з водою і їжею, що споживаємо. Це не є небезпечним, скоріше сприймається організмом як звичний стан речей, так само, як факт, що дихання киснем руйнує людські клітини, окислюючи їх. Небезпека може критися саме в дозах, отриманих з незвичних для людини джерел — так званому доданому опроміненні.
Для оцінки впливу саме такого, доданого, опромінення, ICRP запропонувала концепцію “річної ефективної дози від доданого опромінення для цивільного населення”, що складає 1 мЗв/рік (“Dose limits — ICRPaedia,” n.d.). Коли працюєш з радіацією, біологічний ефект від якої неможливо одномоментно виявити, фізичний і біологічний зміст якої є важко зрозумілим для громадськості — хочеш бути дуже впевненим у тому, що ліміт, що ти запровадив, буде безпечним для кожної людини, незважаючи на її вік, стать, етнічну приналежність або стиль життя. Отже, за основу було прийнято ризик настання онкологічних захворювань через опромінення ІВ. З досліджень відомо, що доза 100 мЗв збільшує ризик настання раку в людини на 1%. ICRP вирішила не ризикувати і взяти дозу у 100 разів меншу. Саме тому запропонована доза має величезний “запас міцності”. Навіть річна ефективна доза для працівників атомних станцій та інших професій, що пов’язані з прямою взаємодією з іонізуючим випромінюванням складає 20 мЗв на рік, що все ще у 5 разів менше, ніж доза, яка викликає мінімально детектоване збільшення ризику онкологічних захворювань.
Доза буває зовнішньою і внутрішньо
•Зовнішнє опромінення — це опромінення, яке людина отримує від джерел з-поза меж людського тіла: сонячне світло, перебування на забрудненій радіонуклідами території, медичні процедури, тощо. Від такого опромінення можна швидко врятуватись, просто пішовши з небезпечної зони.
•Внутрішнє опромінення — це опромінення від радіонуклідів, що знаходяться всередині тіла. Туди вони зазвичай потрапляють з їжею і повітрям, яке ми вдихаємо. Радіонукліди, як будь-які хімічні елементи, що потрапляють у наш організм, включаються до метаболізму і вилучити їх з тіла надзвичайно важко.
Всі ліміти вираховуються так, щоб отримана в сумі доза, зовнішня і внутрішня, не перевищували допустимого річного дозового ліміту (Рис. 3). Наприклад, основним джерелом внутрішнього опромінення є зазвичай та їжа, яку ми споживаємо. У кожної нації, у силу тих чи інших причин, історично формується свій раціон. Українці споживають багато картоплі, молочних продуктів, хліба. А от японці їдять морепродукти та овочі, майже не споживаючи ані молока, ані хліба. Таким чином Національними комісіями з радіаційного захисту (наприклад, це НКРЗУ для України) формулюються допустимі рівні вмісту радіонуклідів у продукції харчування. Україна розробила деталізовану таблицю з чітким урахуванням раціону (Табл. 1), у той час як Японія пішла іншим шляхом, просто виставивши верхній ліміт у 100 Бк/кг майже для усієї продукції (Табл. 2).
Назва продукту 90Sr (Бк/кг, Бк/л) 137Cs (Бк/кг, Бк/л)
1 Хліб, хлібопродукти 5 20
2 Картопля 20 60
3 Овочі (листові коренеплоди, столова зелень) 20 40
4 Фрукти 10 70
5 М’ясо і м’ясні продукти 20 200
6 Риба і рибні продукти 35 150
7 Молоко і молочні продукти 20 100
8 Яйця (в одному яйці) 2 6
9 Вода 2 2
10 Молоко згущене і концентроване 60 300
11 Молоко сухе 100 500
12 Свіжі дикоростучі ягоди і гриби 50 500
13 Сушені дикоростучі ягоди і гриби 250 2500
14 Лікарські рослини 200 600
15 Інші продукти 200 600
16 Спеціальні продукти дитячого харчування 5 40
Таблиця 1. Допустимі рівні вмісту радіонуклідів 137Cs і 90Sr у продуктах харчування та питній воді (ДР-2006), затверджені НКРЗ України, Бк/кг (Джерело — Український науково-дослідний інститут сільськогосподарської радіології).
Отже, чи справді уряд приховує від нас інформацію?
Озброївшись викладеною вище інформацією, можна зробити наступні висновки:
Уряд не оголошував радіаційної тривоги через пожежі у зоні відчуження через те, що додана експозиційна доза, сформована у повітрі радіонуклідами, не перевищувала нормальних для зони відчуження лімітів, а, отже, не становила небезпеки для населення. Про пожежі важливо знати, але скуповувати радіопротектори не варто аж доти, допоки системи моніторингу не покажуть небезпеку.
Споживати гриби, зібрані на північних територіях нашої країни, варто з обережністю. Оптимально — варто перевіряти їх на вміст радіонуклідів у точках контролю якості продукції, що мають бути на кожному зареєстрованому торговельному майданчику. З метою забезпечення власної радіаційної безпеки не варто купувати гриби з рук в місцях, де не ведеться контролю за якістю продукції. Але навіть якщо радіоактивні продукти потрапили до шлунку людини — варто не хвилюватися, а впевнитись, що вміст радіонуклідів у інших продуктах харчування буде набагато нижчий за допустимі рівні, так, щоб сумарний внесок радіонуклідів, отриманих з продуктами харчування, у формування річної ефективної дози не перевищував 1 мЗв на рік.
Чи варто про всяк випадок пити розчин йоду з аптеки?
Розчин — у жодному разі, адже він створений для зовнішнього застосування й може істотно зашкодити при прийманні всередину. Натомість у радіаційному захисті використовують таблетки йодиду калію. Проте й їх варто вживати лише в разі, коли в навколишнє середовище викинуто радіоактивний ізотоп йоду (йод-131) — для того, щоб, надавши організму джерело стабільного йоду, захистити його від всмоктування радіоактивного. Але період напіврозпаду йоду-131 — 8,5 діб, отже дотепер він увесь розпався і, навіть якщо горітиме зона відчуження і пил долітатиме до Києва, йодид калію буде недоречним.
Що ж варто робити, коли читаєш про надзвичайну радіаційну ситуацію?
•читати фейсбук сторінку Державної агенції з управління зоною відчуження (ДАЗВ)
•перевіряти, чи немає підвищення експозиційної дози на території України на сторінках АСКРС ЧАЕС
•перевіряти, чи все окей на сторінці офіційної системи контролю радіологічної ситуації ЄС
•читати пояснення щодо актуальної радіологічної ситуації на сторінці Чорнобиль інсайт
І, звичайно, не боятися радіації, будучи впевненими у своїх знаннях
