Ионизирующее излучение в гидросфере. Введение в радиобиологию и радиоэкологию гидробионтов

20.03.01
21.03.01

2017
2019

ИНФРА-М2017.

Пособие подготовлено с учетом действующего учебного плана для 
направления подготовки 20.03.01 «Техносферная безопасность», включает основные положения радиобиологии и радиоэкологии.
Предназначено для самостоятельной работы студентов, бакалавров 
к аспирантов, а также в качестве дополнительного материала на лекциях и методического материала на семинарских занятиях по курсам 
«Экология и «Морская экология».

Кулепанов В.Н.
К90  
Ионизирующее излучение в гидросфере. Введение в радиобиологию 
и радиоэкологию гидробионтов : учебное пособие / В.Н. Кулепанов. — 
М. : ФОРУМ : ИНФРА-М, 2019. — 88 с. — (Высшее образование: Бакалавриат).

Введение

Радиация — один из важных абиотических факторов окружающей среды. Все живые организмы на нашей планете, от вирусов до
человека, возникли, эволюционировали и существуют при постоянно
действующем фоне ионизирующего излучения. Природный радиационный фон (ПРФ) — физический фактор, подобно температуре, гравитации, давлению атмосферы, магнитному полю Земли всегда присутствовал и присутствует на нашей планете. Живые организмы прекрасно к нему приспособились. Но в настоящее время человеческая
цивилизация все активнее использует ионизирующее излучение в
своей практической деятельности. В результате этого повышается вероятность столкнуться с повышенным радиационным фоном вследствие техногенных аварий.
Внимание к биологическому действию ионизирующей радиации
всегда было велико. Радиация не улавливается органами чувств человека, так как не имеет цвета, вкуса, запаха. Обнаружить и измерить ее
количество можно только специальными приборами. Атомные бомбардировки Хиросимы и Нагасаки, угроза применения ядерного оружия, закрытость информации по радиационным авариям — все это
накладывает отпечаток на те знания, которые необходимы специалистам инженерных специальностей в области радиобиологии и радиоэкологии. Во второй половине ХХ в. произошла катастрофа на Чернобыльской АЭС, в результате которой оказались загрязненными
огромные территории, представляющие сейчас радиационные аномалии, а в XXI в. в результате цунами случилась авария на атомной станции «Фукусима1», предсказать последствия которой сейчас невозможно.
Эти трагедии поставили ряд серьезных проблем. В первую очередь неоднозначным остается ответ, как воздействует радиация в малых дозах. Если закономерности действия больших и средних доз ра

диации на живой организм подробно изучены, то биологические эффекты при диапазоне ионизирующего излучения на порядокдва
выше фоновых исследованы недостаточно. Существуют диаметрально противоположные мнения о низких дозах радиации: одни специалисты говорят о них как о безопасных и даже полезных, другие — как
об абсолютно вредных.
Проблема последствий воздействия ионизирующей радиации на
биоту и, в частности, на морские организмы, имеет важное практическое значение. В той или иной мере, даже не работая с радиоактивными веществами, человек все равно с ними соприкасается. Мировой
океан как компонент гидросферы жизненно важен для человечества,
поэтому недопустимо его загрязнение радиационными веществами,
так же как и другими токсическими соединениями.
Цель работы: дать понимание основных закономерностей воздействия ионизирующего излучения на живой организм, показать пути
миграции радиоактивных элементов в гидросфере и их опасность для
человека, познакомить с основами дозиметрии.

4
Введение

Глава 1
ОСНОВНЫЕ ЭТАПЫ СТАНОВЛЕНИЯ
РАДИОБИОЛОГИИ И РАДИОЭКОЛОГИИ

Открытие рентгеновских лучей и радиоактивных элементов приходится на самое окончание XIX в. Первооткрывателем рентгеновских лучей был немецкий ученый Вильгельм Конрад Рентген. Пропуская электрический ток высокого напряжения через катодную
трубку, он обратил внимание на то, что кристаллы платиновоцианистого бария, лежащие рядом с трубкой, светятся в темноте. Так как
катодные лучи поглощаются стеклом трубки, а обычное свечение не
может пройти через черную бумагу, он предположил, что катодная
трубка вырабатывает какието неизвестные лучи. В течение двух недель Рентген исследовал обнаруженное явление. 23 января 1896 г. он
выступил с докладом, где подробно рассказал о свойствах Хлучей и
показал фотографию кисти руки, сделанную с помощью открытого
им излучения — первого рентгеновского снимка.
Общественность очень живо откликнулась на открытие Рентгена.
Стало понятно, какое большое значение оно имеет, в печати появилось множество публикаций, посвященных новым лучам. За открытие Хлучей, которые были названы рентгеновскими, В.К. Рентгену
первому была присуждена Нобелевская премия по физике в 1901 г.
В 1896 г. французский ученый Анри Беккерель, изучая явление
люминесценции, обнаружил, что фотопластинка, хранящаяся вместе
с урановой солью, становится засвеченной. Он предположил, что существует излучение, связанное с солями урана, проходящее через черную бумагу и разлагающее соли серебра в фотоэмульсии. Так было открыто явление радиоактивности. Вскоре было обнаружена радиоактивность элемента тория. Мария СклодовскаяКюри установила, что
соединения тория испускают лучи, подобные урановым. Ею и был

предложен термин «радиоактивность». Было обращено внимание на
то, что урановая и ториевая руды являются более радиоактивными,
чем чистый уран или торий. СклодовскаяКюри вместе со своим мужем Пьером Кюри предположили, что в этих рудах должны быть еще
какието примеси, испускающие невидимые лучи. В лаборатории,
оборудованной на собственные средства, супруги Кюри в течение двух
лет вели работу по выделению этих примесей. В конечном итоге им
удалось получить из 8 т урановой руды около 1 г нового химического
элемента, радиоактивность которого оказалась гораздо выше, чем у
урана. Новый элемент был назван радием, что в переводе на русский
язык означает «лучистый». Еще один радиоактивный элемент, открытый ими, полоний, назван в честь родины Марии СклодовскойКюри — Польши. В 1903 г. за открытие радиоактивности А. Беккерель и
супруги Кюри были удостоены Нобелевской премии.
В последующие два десятилетия были открыты другие элементы,
обладающие свойством самопроизвольно испускать невидимые лучи.
Так, радиоактивны все тяжелые элементы, расположенные в конце
таблицы Д.И. Менделеева, с 84го по 92й атомный номер. Эти элементы были названы естественными радиоактивными веществами.
В 1899 г. английским физиком Эрнестом Резерфордом было установлено, что в магнитном поле ионизирующее излучение разделяется на
αβи γлучи. αчастицы представляют собой атомы гелия, βчастицы — электроны, γлучи — электромагнитное излучение.
Таким образом, в конце XIX в. были сделаны три важных научных открытия, которые позволили назвать ХХ век веком атома.
Первое — открытие В.К. Рентгеном Хлучей в 1895 г.
Второе — открытие А. Беккерелем естественной радиоактивности
урана в 1896 г.
Третье — открытие супругами Кюри радиоактивных свойств радия и полония в 1898 г.
Вскоре после открытия рентгеновских лучей и радиоактивности
было обнаружено их биологическое воздействие. Первые исследователи Хлучей и радиоактивности столкнулись с их большим поражающим эффектом на биологические объекты. Анри Беккерель, хранивший пробирку с радием в нагрудном кармане жилета, получил на коже
долго не заживающую язву. Лучевые ожоги кожи получили и Пьер
Кюри, и многие исследователи, работавшие с радиоактивностью.
В 1902 г. Г. Фрибен описал появление рака кожи в результате воздействия ионизирующего излучения.

6
Глава 1. Основные этапы становления радиобиологии и радиоэкологии

Сразу же после открытия Рентгена появилось множество публикаций, посвященных анализу действия рентгеновских лучей на растительные и животные организмы. Среди первых исследователей,
изучавших воздействие радиации на живые организмы, в том числе и
гидробионты, был наш соотечественник И.Р. Тарханов. Он провел
эксперименты на лягушках, домашних мухах и бабочках и высказал
мысль, что рентгеновские лучи можно использовать в медицине.
В 1911 г. была опубликована первая монография по радиобиологии «Радий в биологии и медицине», написанная русским ученым
Е.С. Лондоном. Изучая действие радиоактивного элемента на ферменты, токсины и различные ткани живых организмов, Е.С. Лондон
показал, что гаммаизлучение радия оказывает такое же действие на
организм и отдельные его системы, как и рентгеновское излучение.
В первое десятилетие ХХ в. были получены важные данные по радиационной гигиене, описаны эффекты воздействия ионизирующей
радиации на живые организмы. Эти исследования позволили сформировать новую науку радиобиологию — науку, изучающую закономерности биологического действия ионизирующих излучений на разные уровни организации живых систем. Фундаментальной задачей
радиобиологии является вскрытие общих закономерностей биологического ответа на ионизирующее воздействие, на основе которых
можно овладеть искусством управления лучевыми реакциями организма (Ярмоненко, 1988).
Первый этап развития радиобиологии характеризуется работами
описательного характера. В этот период обнаружен такой важный
эффект, как подавление ионизирующим излучением клеточного деления. В 1906 г. французские исследователи Жан Бергонье и Луи
Трибондо обратили внимание, что разные клетки обладают разной
чувствительностью к излучению. Они сформулировали правило, заключающееся в том, что активно делящиеся и менее дифференцированные клетки более подвержены действию радиации, чем неделящиеся и специализированные.
Второй этап развития радиобиологии — это переход к изучению
количественных закономерностей, позволяющих соотнести биологический эффект с дозой излучения. Первая теория, объясняющая радиобиологический эффект дискретности событий — актов ионизации
в чувствительном объеме (теория «точечного тепла») предложена
Фридрихом Дессауэром в 1922 г. Теория объясняла поражение клетки
ионизирующим излучением исходя из дискретной природы излучения и вероятностного характера взаимодействия излучения с вещестГлава 1. Основные этапы становления радиобиологии и радиоэкологии
7

вом. В дальнейшем теория Ф. Дессауэра получила развитие в теории
мишени. Исследования в этом направлении вели Н.В. ТимофеевРесовский, Д. Ли, К. Циммер, Дж. Кроутер, В.И. Корогодин и другие.
В середине 20х гг. ХХ в. было обнаружено мутагенное действие
рентгеновских лучей. В 1925 г. наши соотечественники ученые Ленинградского радиевого института Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов наблюдали
появление новых стабильных рас у дрожжевых грибов, подвергнутых радиационному воздействию. Большая работа по влиянию рентгеновских
лучей на мутационный процесс была проведена Г. Мёллером. В 1927 г.
он, разработав методику количественного учета мутаций, получил строгие доказательства возникновения мутаций у мухи дрозофилы под действием рентгеновского излучения.
Еще одним важным открытием ХХ в. стало создание искусственных радионуклидов. Облучая алюминиевую фольгу αизлучением
210Po Ирэн и Фредерик ЖолиоКюри обнаружили, что мишень тоже
становится радиоактивной. Было установлено, что в результате облучения αчастицами изотопа алюминия 27Al образуется радиоактивный изотоп фосфора 30P. Так были открыты искусственные изотопы — изотопы, созданные человеком. Искусственные радиоактивные
изотопы получают при облучении вещества нейтронами, жестким
γизлучением или быстрыми заряженными частицами, протонами,
дейтронами и тяжелыми ионами. В настоящее время известно порядка 300 естественных изотопов и более 1700 искусственных. Получены
радионуклиды всех элементов Периодической системы Д.И. Менделеева.
В начале ХХ в. начинает формироваться наука радиоэкология.
Предметом исследования радиоэкологии являются закономерности
перемещения радионуклидов в биосфере, накопления в организмах и
их воздействия на экосистемы. Важная задача радиоэкологии — исследование путей миграции и накопления естественных радионуклидов в биосфере и определение их влияния на жизненные процессы.
Исследования миграции радионуклидов в биосфере начались с
изучения урановых месторождений. Большой вклад в это направление сделал академик Владимир Иванович Вернадский. Он одним из
первых обратил внимание на недавно открытую радиоактивность.
В 1909 г. В.И. Вернадский создает и возглавляет Радиевую комиссию
Академии наук, организует Радиологическую лабораторию, которая
изучает радиоактивные минералы и ведет их поиск на территории
России. Выдающийся российский ученый, создавший учение о биосфере, считается также основателем науки радиогеологии. В.И. Вер8
Глава 1. Основные этапы становления радиобиологии и радиоэкологии

надский, находясь на посту председателя Комиссии по изучению
производительных сил России (КЕПС), активно ведет исследования
радиоактивных минералов. В 1910 г. Владимир Иванович публикует
статью «О необходимости исследования радиоактивных минералов
Российской империи». В ней он пишет: «Ни одно государство и общество не могут относиться безразлично, как, каким путем, кем и когда будут использованы и изучены находящиеся в его владении источники атомной энергии».
В 1922 г. В.И. Вернадский организовал Государственный радиевый институт Академии наук, директором которого он был до 1939 г.
Благодаря усилиям В.И. Вернадского и его школы с 1920х гг. начались систематические исследования радиоактивности морской воды
и морских организмов.
В 1928 г. на II Международном конгрессе радиологов в Стокгольме была учреждена Международная комиссия по защите от рентгеновских лучей и радия. В 1950 г. она была переименована в Международную комиссию по радиационной защите (МКРЗ). Комиссия является консультативным органом, предоставляющим регулирующим и
экспертным организациям свои рекомендации по принципам, на которых можно строить радиационную защиту. В настоящее время все
международные и национальные нормы радиационной безопасности
основываются на рекомендациях Комиссии.
К периоду 1930х гг. относятся успехи ядерной физики, обозначившие перспективу овладения энергией атомного ядра. Во время
Второй мировой войной большие усилия были брошены на создание
ядерного оружия, и в августе 1945 г. США провели боевое его испы
тание, сбросив атомные бомбы на японские города Хиросиму и Нагасаки. Это привело к огромным человеческим жертвам. В Хиросиме
погибло, по разным оценкам, от 90 до 166 тыс. человек, в Нагасаки —
от 60 до 80 тыс. человек. До применения атомного оружия не предполагали, каковы будут последствия этих бомбардировок для населения.
Человечество вступило в новую эру — эру гонки ядерных вооружений. Испытания ядерного оружия, проводимые США, а затем
СССР, Великобританией, Францией и КНР, привели к загрязнению
окружающей среды радиоактивными материалами. С этого времени
глобальной проблемой стало резкое увеличение радиационного фона
в атмосфере Земли вследствие массовых испытаний ядерного оружия.
В этот период в качестве неотложной задачи была поставлена разраГлава 1. Основные этапы становления радиобиологии и радиоэкологии
9

ботка способов противолучевой защиты и лечения радиационных поражений. Наступил третий этап развития радиобиологии.
В 1955 г. проходит Женевская конференция по мирному использованию атомной энергии. Впервые было проведено широкое международное обсуждение вопросов радиобиологии. В этом же году
Генеральной Ассамблеей ООН был создан Научный комитет по действию атомной радиации (НКДАР) (United Nations Scientific Committee on
the Effects of Atomic Radiation, UNSCEAR) для оценки доз облучения, их
эффекта и связанного с ним риска. В настоящее время в состав комитета входит более двадцати государств. Комитет собирает всю доступную
информацию об источниках радиации и ее воздействии на человека и
окружающую среду и анализирует ее.
Помимо перечисленных, существуют и другие международные
организации, связанные с охраной природы и защитой от угрозы
ядерной войны. Например, Пагуошское движение — международная
неправительственная научная организация. Это движение получило
название от города Пагуош в Канаде, где с 7 по 10 июля 1957 г. при
поддержке американского промышленника Сайруса Итона прошла
первая встреча ученых, на которой обсуждались важнейшие аспекты
мировой политики, в частности, угроза ядерной войны. В годы «холодной войны» движение сыграло большую роль в разработке и принятии многих международных соглашений в области разоружения и
нераспространении ядерного оружия.
С середины ХХ в. начинается мирное использование атомной
энергии. В 1954 г. в г. Обнинске (Калужская обл.) построена первая в
мире атомная электростанция, успешно проработавшая до 2002 г.
В 1956 г. была запущена атомная электростанция в Колдер Холле (Великобритания). В 1957 г. спускается на воду первое надводное судно с
ядерной силовой установкой — ледокол «Ленин».
В 1957 г. создано Международное агентство по атомной энергии
(МАГАТЭ), организация, развивающая международное сотрудничество в области мирного использования атомной энергии. Одно из
важнейших направлений деятельности МАГАТЭ — это обеспечение
нераспространения ядерного оружия и обмен научной и технической
информацией в сфере мирного использования атомной энергии.
В 1963 г. СССР, США и Великобритания подписали Договор о
запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом
пространстве и под водой. Подписание договора происходило в Москве, поэтому он известен также как Московский договор. Договор
можно считать первым шагом к сдерживанию гонки вооружений.

10
Глава 1. Основные этапы становления радиобиологии и радиоэкологии