А.В. Шафиркин. Ю.Г. Григорьев
МЕЖПЛАНЕТНЫЕ И ОРБИТАЛЬНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ ПОЛЕТЫ. РАДИАЦИОННЫЙ РИСК ДЛЯ КОСМОНАВТОВ
Радиобиологическое
РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ФЕДЕРАЛЬНОЕ МЕДИКОГОСУДАРСТВЕННЫЙ	БИОЛОГИЧЕСКОЕ АГЕНТСТВО
НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РФ - ИНСТИТУТ ФГУ "ФЕДЕРАЛЬНЫЙ МЕДИЦИНСКИЙ МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ	БИОФИЗИЧЕСКИЙ ЦЕНТР
ПРОБЛЕМ	ИМЕНИ А.И. БУРНАЗЯНА"
А. В. Шафиркин, Ю.Г. Григорьев
МЕЖПЛАНЕТНЫЕ И ОРБИТАЛЬНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ ПОЛЕТЫ. РАДИАЦИОННЫЙ РИСК ДЛЯ КОСМОНАВТОВ
Радиобиологическое обоснование
ЭКОНОМИКА
www.economizdat.ru
УДК 629.783:52-7
ББК 39.6+22.63
ШЗО
Шафиркин А.В.
ШЗО Межпланетные и орбитальные космические полеты. Радиационный риск для космонавтов (радиобиологическое обоснование) / А.В. Шафиркин, Ю.Г. Григорьев; Государственный научный центр Российской Федерации — Институт медико-биологических проблем РАН; ФГУ «Федеральный медицинский биофизический центр им. А.И. Бурназяна». — М.: ЗАО «Издательство «Экономика», 2009. — 639 с.
ISBN 978-5-282-02948-2
Книга освещает достаточно широкий круг материалов, касающихся источников космических излучений, воздействующих на космонавтов при осуществлении межпланетных и орбитальных космических полетов, величинах дозовых нагрузок, реакциях отдельных систем и целостного организма животных и человека, а также изменении его устойчивости при сложном характере радиационного воздействия в условиях космического пространства.
Приведены результаты 14-летнего эксперимента на большой партии собак с моделированием величин дозовых нагрузок и характера распределения дозы во времени, которые будут воздействовать на космонавтов при полете к Марсу. Рассмотрены модели формирования радиационного поражения в системе кроветворения и на уровне организма при протяженных облучениях с различной мощностью дозы, а также модель радиационной скорости смертности млекопитающих, описывающая ускоренное старение и изменение возрастных коэффициентов смертности в зависимости от дозы и мощности дозы радиационного воздействия.
В книге представлены алгоритмы и результаты расчетов радиационного риска в процессе межпланетных и орбитальных полетов, в течение всей жизни космонавтов, а также данные о возможном сокращении предстоящей продолжительности жизни. Предложены новые подходы к нормированию радиационных воздействий и обоснованы новые более низкие допустимые дозы на космонавтов как в процессе полетов, так и за всю профессиональную деятельность.
Книга может представлять большой интерес для преподавателей вузов, аспирантов, специализирующихся в области биофизики, медицинской физики, научных сотрудников НИИ и КБ космического, авиационного и оборонного профилей, которые интересуются вопросами биофизики, радиобиологии, космической радиобиологии и хотели бы иметь представление о радиационной опасности для космонавтов в процессе проведения межпланетных и орбитальных космических полетов. Она может быть полезной для гигиенистов, экологов, занимающихся вопросами сохранения профессионального здоровья, работников опасных профессий, деятельность которых связана с постоянным воздействием экстремальных факторов, а также для социологов и журналистов для правильного понимания и освещения в печати реальных рисков действующих неблагоприятных экологических и социальных факторов.
УДК 629.783:52-7
ББК 39.6+22.63
© Шафиркин А.В., Григорьев Ю.Г., 2009
© Государственный научный центр Российской Федерации — Институт медико-биологических проблем РАН, 2009
© ФГУ «Федеральный медицинский биофизический центр им. А.И. Бурназяна», 2009
ISBN 978-5-282-02948-2	© ЗАО «Издательство «Экономика», 2009
RUSSIAN ACADEMY OF SCIENCE BURNASYAN FEDERAL MEDICAL STATE CENTRE OF SCIENCE	BIOPHYSICAL CENTER
OF RUSSIAN FEDERATION - INSTITUTE OF FEDERAL MEDICAL OF MEDICAL-BIOLOGICAL PROBLEMS BIOLOGICAL AGENCY
A.V. Shafirkin, Y.G. Grigoryev
INTERPLANETARY AND ORBITAL SPACE FLIGHTS. THE RADIATION RISK TO ASTRONAUTS
Radiobiological Basis
ECONOMICA
www.economizdat.ru
Interplanetary and Orbital Space Flights: The Radiation Risk to Astronauts (Radiological Basis) / A.V. Shafirkin, Y.G. Grigoryev. — Publishing house «Economica», Moscow, 2009. — 639 hh.
The book deals with a wide range of issues relating to sources of cosmic radiation that affect astronauts during interplanetary and orbital space flights: the values of absorbed doses, effects on individual systems and whole bodies of animals and humans, as well as changes in the resistance of astronauts in the complex condition of radiation exposure in outer space, the prognosis potential adverse effects of the health of astronauts after long space flights.
For the first time ever, results are introduced of a unique, 14-year biological experiment on 260 dogs, modelling the impact of space radiation on the crew of a space shuttle flight to Mars. It details observations made on the animals throughout the course of the dogs’ lives, both during and six years after radiation exposure. It includes data on dose dependence, threshold levels of radiation causing adverse health effects, as well as on the nature of radiation reactions as they develop in different organs and body systems chronically exposed to larger doses. This multi-year experiment was conducted by scientists of the State Research Center Institute of Biomedical Problems (Russian Academy of Sciences) with the active participation of the Institute of Biophysics (now Bumasyan Federal Medical Biophysical Center of Federal Medical Biological Agency).
The book presents models of the development of radiation injury in the blood and in the whole body given extensive exposure to different dose rates, as well as a model for the rapidness of radiation death of mammals. These models describe accelerated aging and changes in age of mortality, depending on the dose and dose rate of radiation exposure. The models can help predict potential adverse effects on the health of astronauts, and will be useful in developing appropriate standards.
The book provides algorithms and a calculation of radiation risk during interplanetary and orbital missions, as well the lifespan of the astronauts, and includes data on potential reduction in longevity. It offers new approaches to regulating radiation exposures, and justifies the need for a lower permissible dose for cosmonauts and others in the profession who are involved in long-term orbital and interplanetary space flight. The authors of this monograph have many years of work experience related to the problem of radiation safety in space flight, as well as in the field of radiobiology of ionizing radiation.
Shafirkin A.V. — Doctor of Biological Sciences, a leading researcher of the State Research Center Institute of Biomedical Problems (Russian Academy of Sciences), and a specialist in the field of biophysics, radiobiology, space biology and medicine. From 1994 to 2002 Dr. Shafirkin was the supervisor involved in establishing a rationale for limits on the impact of ionizing radiation on astronauts during (in the implementation of) long-term orbital and interplanetary flights. He is a member of the Russian National Committee on Non-Ionizing Radiation Protection, and the author of 174 scientific works.
Grigoryev Y.G. — Doctor of Medical Sciences, Professor, and State Prize Laureate. During his 10 years as head of the Radiation Protection Service, Dr. Grigoryev led the research on space radiobiology, and was directly involved in ensuring the radiation safety of space flight. Within 5 years he was chairman of the Medicine and Biology sections of COSPAR (Committee on Space Researh). He is a member of the Russian Scientific Commission for Protection against Ionizing Radiation, chairman of the Russian National Committee on Non-Ionizing Radiation Protection, and the author of 15 books on radiobiology, space radiobiology and radiation protection in manned space flight.
Светлой памяти Сергея Павловича Королева, Норайра Мартиросовича Сисакяна, Василия Васильевича Парина и Аветика Игнатьевича Бурназяна — выдающихся деятелей нашей страны, руководителей научных и технических проектов, беззаветно служивших процветанию нашей Родины, своим трудом способствующих обеспечению ее безопасности от ядерной угрозы, а также завоеванию передовых позиций нашей страны в освоении космического пространства, ПОСВЯЩАЕТСЯ.
Они мечтали и всецело приближали то время, когда длительные орбитальные полеты животных и человека стали повседневной реальностью, и уже в 1960-х годах работали над проектами дальних пилотируемых полетов к Марсу и к другим планетам Солнечной системы.
Сергей Павлович Королев
Выдающийся конструктор и ученый, дважды Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской премии, академик Академии наук СССР, создатель отечественного стратегического оружия средней и межконтинентальной дальности, основоположник практической космонавтики.
Он по праву является отцом отечественной ракетно-космической техники, обеспечившей стратегический паритет и сделавшей наше государство передовой ракетно-космической державой.
Норайр Мартиросович Сисакян Выдающийся ученый биохимик, один из основоположников космической биологии, лауреат Государственных премий СССР, академик Академии наук СССР.
В 1964 г. он избран Президентом XIII сессии Генеральной конференции ЮНЕСКО.
Н.М. Сисакян являлся действительным членом и вице-президентом Международной академии астронавтики. При его участии велись работы по отбору и подготовке первой группы космонавтов, разработке мер безопасности в полете и при возвращении на Землю.
5
Василий Васильевич Парин
Один из выдающихся ученых в области физиологии и патологии кровообращения, действительный член АМН СССР и фактический ее организатор, вице-президент АМН в 1963-1966 гг., Академик Академии наук СССР.
В. В. Парин один из основателей космической физиологии, а также авиакосмической биологии и медицины.
Будучи директором Института медико-биологических проблем (1965-1968), он был одним из руководителей научных медицинских программ, осуществлявшихся на космических кораблях «Восток» и «Союз» и ряде биоспутников.
Аветик Игнатьевич Бурназян
Герой Социалистического Труда, лауреат Ленинской и Государственных премий СССР, кавалер шести орденов Ленина, генерал-лейтенант медицинской службы, заместитель министра здравоохранения СССР, выдающийся организатор здравоохранения во время ВОВ, при работах по атомному проекту с Курчатовым И.В., а с началом космической эры — с Королевым С.П.
По его инициативе были созданы Институт биофизики М3 СССР, Институт медико-биологических проблем М3 СССР и др., решающие вопросы радиационной безопасности в атомной промышленности и медицинского сопровождения пилотируемых космических полетов.
ПРЕДИСЛОВИЕ
После первых орбитальных космических полетов в конструкторском бюро С.П. Королева начинают осуществляться технические проекты пилотируемых полетов на Луну и на Марс. В 1963 г. по предложению Генерального конструктора С.П. Королева и при поддержке академиков А.В. Лебединского и В.В. Парина был образован Институт медико-биологических проблем М3 СССР (ИМБП М3 СССР) на основе Института биофизики М3 СССР и Института авиационной и космической медицины МО СССР, перед которым была поставлена задача медицинского обеспечения длительных космических полетов.
В структуре ИМБП в феврале 1964 г. создается специальное крупное научное подразделение (сектор № 3), возглавляемое доктором медицинских наук Григорьевым Юрием Григорьевичем, физический отдел которого возглавил кандидат физико-математических наук Ковалев Евгений Евгеньевич для решения вопросов радиационной опасности и обеспечения радиационной безопасности длительных полетов. Возникла необходимость создания и была создана Служба радиационной безопасности, которая осуществляет до настоящего времени оперативное обеспечение радиационной безопасности всех орбитальных пилотируемых космических экспедиций.
Совместно с НИИЯФ МГУ, Институтом космических исследований и др. был осуществлен целый ряд физических исследований в космосе на шарах-зондах с целью изучения источников радиационной опасности и спектров частиц на трассах орбитальных и межпланетных полетов. Были выполнены также экспериментальные работы на ускорителях протонов и многозарядных ионов на базе Объединенного института ядерных исследований (ОИЯИ) в г. Дубне по изучению прохождения первичного и вторичных излучений через различные защитные материалы. Параллельно для оценки радиационной опасности и биологической эффективности космических излучений был выполнен на ускорителях комплекс экспериментальных исследований на животных и биологических системах по их облучению в различных дозах.
Была осуществлена также большая кооперация научных исследований с Институтом биофизики Минздрава СССР, Институтом биофизики академии наук СССР в г. Пущино, Институтом авиационной и космической медицины Министерства обороны СССР, Институтом
7
медицинской радиологии АМН СССР в г. Обнинске, Центральным научно-исследовательским рентгенорадиологическим институтом в Санкт-Петербурге по изучению влияния различных характеристик радиационного воздействия и присущих космическому полету факторов полета на радиобиологический эффект.
Уже в 1964 г. была поставлена задача научного обоснования необходимой компоновки и требуемых толщин защиты космического марсианского корабля (МК), а также оценок величин радиационного риска для экипажа, который будет осуществлять полет к Марсу. В СССР был начат широкий спектр предварительных исследований по этим программам. Перед научным коллективом ИМБП М3 СССР академиком С.П. Королевым была поставлена научно-практическая задача — провести многолетний эксперимент по облучению животных во временнбм режиме и в дозах, моделирующих радиационное воздействие на космонавтов при полете на Марс. Целью этого эксперимента должно было быть получение необходимых данных к обоснованию допустимых уровней радиационного воздействия на космонавтов при осуществлении этого длительного межпланетного полета. Это предложение было активно поддержано заместителем министра М3 СССР А.И. Бурназяном и со стороны АН СССР академиком Н.М. Сисакяном.
Масштабный, не имеющий аналогов в мире, эксперимент по облучению в течение 3-х и 6-ти лет большой партии собак был начат в 1996 г. и продолжался в течение 14 лет. Научная программа этого эксперимента была одобрена академиком В.В. Лариным. В эксперименте принимали участие коллективы нескольких институтов СССР: Института медико-биологических проблем Минздрава СССР, Института биофизики Минздрава СССР (ныне ФГУ «Федеральный медицинский биофизический центр им. А.И. Бурназяна») в Москве, Центрального научно-исследовательского рентгенорадиологического института в Санкт-Петербурге, а также ученые биологи и медики Польши, ГДР, Чехословакии, Венгрии и Болгарии.
Работа координировалась специально созданным Научным Советом, в который входили ведущие радиобиологи страны: С.Н. Александров, Ю.Г. Григорьев, А.К. Гуськова, Г.Д. Байсоголов, Ю.И. Москалев, В.В. Шиходыров, Е.Д. Гольдберг, Ю.К. Кудрицкий, Н.Г. Дарен-ская, Л.С. Черкасова, Е.А. Савина, В.И. Яковлева и др. Программа эксперимента подробно обсуждалась на научных совещаниях. Это был уникальный эксперимент, результаты которого освещались в журнале Советский Союз и были представлены на Выставке достижений народного хозяйства в павильоне «Космос».
Результаты исследований были изложены в монографии Григорьева Ю.Г. с соавторами («Соматические эффекты хронического гам
8
ма-облучения», Энергоатомиздат, 1986). Она вышла ограниченным тиражом 860 экземпляров, пользовалась большим спросом и стала поистине бестселлером из-за содержащегося в ней анализа экспериментальных материалов и обобщений результатов радиобиологических исследований на животных, проводившихся также в других лабораториях в СССР и в мире.
Фактически эта книга впервые давала четкие представления о степени радиационной опасности длительного воздействия малых ежедневных доз облучения, имитирующих воздействие галактических космических лучей и относительно острых облучений, моделирующих возможную лучевую нагрузку от солнечных протонных событий. Она предвосхищала и прокладывала дорогу к Марсу и свидетельствовала, что радиация может быть одним из мощных факторов, лимитирующих полеты человека к этой далекой планете в условиях недостаточности защиты.
В 1986 г., в связи с аварией на Чернобыльской АЭС, эта книга обрела новое рождение и новый спрос на результаты исследований, представленные в этой монографии. В ней четко изложены результаты планомерно поставленного хронического эксперимента, которые отвечали на интересующий всех вопрос: что же это такое «малые дозы облучения» и к каким отдаленным последствиям они могут привести в отношении ухудшения здоровья человека. Мы приветствуем то, что эти данные будут переизданы в этой монографии, так как эти эксперименты повторить невозможно, они очень сложны, дорогостоящие и, по-видимому, не смогут быть повторены в мире. Расширенное переиздание этих уникальных данных сделано с учетом новых накопленных данных радиобиологических экспериментов, результатов санитарно-гигиенических и эпидемиологических исследований.
В изложенной ниже монографии рассмотрены в обобщенном виде результаты всех материалов «Хронического эксперимента» по изменению состояния различных систем организма собак при длительном сочетанном облучении, моделирующем характер радиационного воздействия на космонавтов при полете на Марс, а также ряда других хронических экспериментов по облучению мелких лабораторных животных в широком диапазоне доз и мощностей доз.
В ней представлены оригинальные модели формирования радиационного поражения и восстановления организма при хронических и сочетанных радиационных воздействиях, модель радиационной скорости смертности млекопитающих, определяющая закономерное снижение компенсаторных резервов организма и ускоренное старение, а также увеличение возрастных коэффициентов смертности животных
9
в результате радиационных воздействий. На основе этих моделей представлены алгоритмы и проведены расчеты радиационного риска для космонавтов в процессе проведения длительных орбитальных и межпланетных полетов за различными толщинами защиты космического аппарата и впервые приведены расчеты суммарного радиационного риска в течение всей жизни космонавтов в результате осуществления этих полетов.
В книге проведено серьезное обобщение также литературных материалов по неблагоприятным ближайшим и отдаленным эффектам воздействия ионизирующих излучений в различных дозах. Значительное внимание обращено на новые критерии оценки радиационной опасности для космонавтов при проведении длительных космических полетов и дозовые функционалы, определяющие эту опасность, как в процессе космических полетов, так и в отдаленном периоде после их завершения.
В монографии дан ретроспективный анализ нормативных документов по обеспечению радиационной безопасности космонавтов, разрабатываемых в СССР и России с участием авторов монографии, а также аналогичных документов в США, Японии, Канаде. В ней проведено подробное обоснование критериев и положений по радиационной безопасности экипажей пилотируемых орбитальных станций и представлены пределы среднетканевых доз и доз на отдельные критические органы космонавтов в зависимости от длительности орбитальных полетов, а также доз за весь период профессиональной деятельности космонавтов. Последний нормативный документ — Методические указания МУ 2.6.1.44-03-2004 «Ограничение облучения космонавтов при околоземных космических полетах» — были разработаны большим коллективом исследователей при активном участии авторов монографии.
В книге приводятся материалы о величинах суммарных эквивалентных доз за различными толщинами космического аппарата и предельных значений суммарного радиационного риска для космонавтов при осуществлении различных сценариев полета к Марсу с использованием жидкостных реактивных двигателей и ядерно-энер-гетических двигательных установок при длительностях полета от 600 до 720 суток. Кроме того, рассмотрен вариант более длительного полета к Марсу в течение 2-3-х лет с использованием более безопасных и экономичных электрореактивных двигателей малой тяги. При этом, кроме оценок величин доз от ГКЛ и СКЛ, рассмотрены также дополнительно дозы от радиационных поясов Земли и вклад этого компонента в величину суммарного радиационного риска. В этой работе представлены оптимальные толщины защиты космического корабля
10
и предельно допустимые значения доз для космонавтов при полете к Марсу.
Книга освещает достаточно широкий круг материалов, касающихся источников космических излучений, воздействующих на космонавтов при осуществлении межпланетных и орбитальных космических полетов, величинах дозовых нагрузок, реакциях отдельных систем и целостного организма животных и человека при облучении в различных дозах, а также изменении его устойчивости при сложном характере радиационного воздействия в условиях космического пространства.
В заключении считаем целесообразным отметить личное участие авторов в постановке и проведении экспериментов по оценке биологической эффективности космических излучений, хронических экспериментов на различных видах животных с целью изучения влияния мощности дозы и временнбго распределения дозы на радиобиологические эффекты. Они были участниками исследований по изучению эффективности локальной защиты и комбинированного действия радиации и других факторов космического полета, включая эксперименты на искусственных спутниках Земли, непосредственно участвовали в разработке нормативных документов и обеспечении радиационной безопасности пилотируемых космических полетов.
Вице-президент РАН, академик РАМН А.И. Григорьев
Член-корреспондент РАН, академик РАМН
И.Б. Ушаков
ВВЕДЕНИЕ
Наиболее широкий масштаб радиобиологических исследований был начат в СССР и в мире в 40-60-е годы прошлого столетия после испытания в июле 1946 г. атомной бомбы в США (штат Нью-Мексико) и атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки, проведения разработок и испытаний термоядерного оружия, широкого развития атомной энергетики. Он был обусловлен необходимостью обеспечения здоровья персонала первых предприятий атомной промышленности и решения вопросов радиационной безопасности населения в связи с гонкой ядерных вооружений, наземными и воздушными испытаниями ядерного оружия сравнительно большой мощности.
Поэтому в 40-50-е годы в США, Европе и на других континентах начали создаваться крупные исследовательские и клинические центры. Радиобиологические исследования проводились в сотнях оснащенных по последнему слову техники лабораториях США, Великобритании, Германии, Франции, Голландии, Швеции, Японии и Канады. В Советском Союзе крупные исследовательские центры были созданы в Москве и Подмосковье, Ленинграде, Киеве, Минске, Свердловске, Челябинске, Новосибирске, Томске, Алма-Ате и др.
Руководители «Атомного проекта»: И.В. Курчатов, Ю.Б. Харитон, Я.Б. Зельдович, А.А. Бочвар осознавали, какую потенциальную опасность для персонала представляют атомные технологии, хотя в то время знания о действии радиации на человека были крайне скудны. Организация работ по созданию научных центров и координации работ по исследованию биологического действия ионизирующих излучений в различных дозах на животных и человека была поручена Аветик Игнатьевичу Бурназяну — генерал-лейтенанту медицинской службы, который во время Великой Отечественной войны занимал ряд руководящих должностей в медицинских подразделениях Красной Армии: был начальником санитарной службы Южного, Калининского, а в июне 1945 г. начальником Санитарного управления Дальневосточного фронта.
С 1946 г. он проводил большую работу по организации специальной лаборатории и способствовал началу проведения радиобиологических исследований в СССР с целью медико-биологического и санитарно-гигиенического обеспечения безопасности персонала, работающего по «Атомному проекту». В 1948 г. на базе этой лаборатории по инициативе А.И. Бурназяна был создан Институт биофизики
12
Минздрава СССР (в настоящее время ФГУ «Федеральный медицинский биофизический центр им. А.И. Бурназяна»).
Талант организатора, высокий профессионализм, масштабность мышления, необычайное чувство ответственности за сохранение здоровья работников, активная гражданская позиция позволили А.И. Бурназяну создать в кратчайшие сроки единую систему медико-санитарного обеспечения безопасности персонала атомной отрасли, включая кроме атомных станций, атомные ледоколы и подводные лодки. Эта система обеспечила единство функционирования центрального аппарата управления и подчиненных ему специализированных научно-исследовательских организаций, лечебных учреждений, службы государственного санитарно-эпидемиологического надзора.
Основные исследования по действию в широком диапазоне доз и мощностей доз от источников ионизирующих излучений на различные виды животных, анализ мировых данных об аварийных случаях облучения людей и последствиях атомных бомбардировок, материалов клинических наблюдений за здоровьем людей, подвергавшихся лучевому воздействию в связи с онкологическими заболеваниями, были проведены сотрудниками Института биофизики Минздрава СССР и Института авиационной и космической медицины МО СССР. Следует отметить выдающуюся роль руководителей подразделений в этих институтах: академиков АНСССР Франка Г.М., Ливанова М.Н., Лебединского А.В., Ильина Л.А,. профессоров Горизонто-ва П.Д., Домшлака М.П., Краевского Н.А., Москалева Ю.И., Гуськовой А.К., Даренской Н.Г., а также Саксонова П.П., Антипова В.В., Давыдова Б.И., Жеребченко П.Г., которые организовали широкий фронт радиобиологических исследований в этих институтах и за короткий исторический период ими проведено широкое обобщение экспериментальных данных, полученных в мировых исследовательских центрах, в других научных подразделениях страны, клинических материалов, а также результатов исследований, возглавляемых ими коллективов.
Создавая ракетно-ядерный щит и занимаясь совершенствованием боевых баллистических ракет, два ведущих конструктора нашей страны Сергей Павлович Королев и Валентин Петрович Глушко постоянно стремились к большему — к покорению космического пространства и созданию условий для космических полетов человека. С этой целью Сергей Павлович еще в 1949 г. совместно с учеными АН СССР начал исследования с использованием модификаций ракеты Р-1А путем их регулярных вертикальных запусков на высоты до 100 км, а затем с помощью более мощных ракет Р-2 и Р-5 на высоты 200 и 500 км соответственно.
13
50-60-е годы прошлого столетия являются фактически началом космической эры и периодом зарождения новых научных направлений — космической радиобиологии и космической физиологии, целью которых было обоснование возможности пребывания биологических объектов в условиях космического пространства, нормального функционирования основных физиологических систем животных и переносимости чрезвычайных воздействий: значительных перегрузок, невесомости, повышенных доз радиации и др.
Целью запусков ракет на высоты от 100 до 500 км — были изучение параметров ближнего космического пространства, солнечных и галактических излучений, магнитного поля Земли, исследование поведения высокоразвитых животных в космических условиях (невесомости, перегрузок, больших вибраций и акустических нагрузок), а также отработка средств жизнеобеспечения и возвращение животных на Землю из космоса. Было произведено около семи десятков таких пусков. Этим были заложены серьезные основы для штурма космоса человеком.
Академик-секретарь Отделения биологических наук АН СССР Н.М. Сисакян участвовал в разработке и широком обсуждении наиболее актуальных программ биологических исследований, способствовал реализации различных проектов и, в том числе, в области исследования космического пространства. Он являлся одним из основоположников космической биологии и радиобиологии, привлек к работам по космонавтике блистательных ученых — академиков В.А. Энгельгардта, А.И. Опарина и других ученых. В Академии наук он создал 14 лабораторий, Пущинский биологический центр АН СССР. К работам по космической биологии были подключены отраслевые институты, международный центр в Дубне. Норайр Мартиросович совместно с академиком АН СССР Василием Васильевичем Лариным участвовали в разработке программ по космической биологии и космической физиологии. Это были программы подготовки сначала животных, а потом человека к космическому полету, программы по отбору и обучению космонавтов, программы проведения биологических и физиологических экспериментальных исследований.
Биологические и физиологические эксперименты на ракетах и космических кораблях-спутниках (ККС) готовили и проводили, главным образом, специалисты Института авиационной и космической медицины МО СССР: В.И. Яздовский, О.Г. Газенко, А.М. Генин, А.А. Гюрджиан, Р.М. Баевский, В.С. Шашков, Е.М. Юганов и др. Экспериментальное изучение комбинированного действия нерадиационных факторов полета и ионизирующих излучений, а также решение
14
ряда вопросов радиационной безопасности первых пилотируемых космических полетов было начато и осуществлялось также в рамках подразделений этого института. Основоположниками исследований по космической радиобиологии являлись профессора П.П. Саксонов, В.В. Антипов и Б.И. Давыдов.
Кроме экспериментов на Земле по изучению комбинированного действия ионизирующих излучений и отдельных физических факторов, присущих космическому полету: ускорений, вибрации, шума, электромагнитных излучений, проводились также исследования влияния невесомости при размещении биообъектов на космических биоспутниках. Было подвергнуто воздействию большое число различных млекопитающих: собаки, морские свинки, белые крысы, мыши различных линий; растительные объекты (семена гороха, пшеницы, кукурузы, гречихи и др.); культуры различных тканей человека (фибробласты, костный мозг, легкие и др.); культуры кишечной палочки, фаги, ферменты, биопрепараты. Для дифференцировки эффектов космической радиации от эффектов невесомости, некоторые биообъекты размещались на борту космического корабля в свинцовых контейнерах.
В указанных выше радиобиологических лабораториях Института авиационной и космической медицины ВВС МО СССР, в подразделениях Института биофизики Минздрава СССР, возглавляемых академиком А.В. Лебединским, профессорами Ю.Г. Нефедовым, Г.Д. Го-ризонтовым, М.П. Домшлаком, Н.Г. Даренской, А.К. Гуськовой., Г.Д. Байсоголовым, Л.Б. Козновой, Р.В. Петровым, В.В. Шиходыро-вым, и лабораториях Института биофизики АН СССР под руководством академика АНСССР Г.М. Франка, члена-корреспондента АНСССР А.М. Кузина и профессора И.Г. Акоева проводился широкий спектр исследований по космической радиобиологии. Эти исследования проводились на клеточном, тканевом, органом и организменном уровне на большом числе экспериментальных животных.
В начале 1961 г. сотрудники лабораторий Н.И. Рыжова и И.Б. Кеирим-Маркуса Института биофизики Минздрава СССР начали проводить работы в Объединенном институте ядерных исследований в Дубне по изучению биологической эффективности воздействия на биологические объекты высокоэнергетичных протонов, позже и ионов высоких энергий. Там же проводили исследования и сотрудники Института авиационной и космической медицины МО СССР и сотрудники Института гигиены труда и профзаболеваний АМН СССР С.П. Ярмоненко, Г.А. Аврунина, Р.Д. Говорун и др. В создании условий для облучения биообъектов на пучках ускорителя активно помогал академик АН СССР В.П. Джелепов.
15
В указанных выше лабораториях Института биофизики Минздрава СССР и Института биофизики АН СССР, а также Института авиационной и космической медицины и радиобиологических лабораториях ряда других научных центров проводится широкий спектр работ по изучению влияния мощности дозы и характера распределения дозы во времени на радиобиологические эффекты. Подробно исследовались также вопросы эффективности локальной защиты и влияния глубинного перепада доз по телу на снижение степени поражения отдельных тканей и всего организма.
По инициативе С.П. Королева, при поддержке и активном участии А.И. Бурназяна, кроме Института Биофизики М3 СССР и Института авиационной и космической медицины МО СССР на их базе создается в 1963 г. Институт медико-биологических проблем М3 СССР, задачей которого ставится медицинское сопровождение длительных пилотируемых космических полетов. В этом институте успешно продолжались также исследования по изучению потоков и спектров космических излучений, по эффективности защиты космических аппаратов от этих источников, а также теневой защиты от нейтронного излучения реактора на борту космического аппарата. Продолжался широкий спектр исследований по радиобиологии и космической радиобиологии и физиологии.
Уже в период 1964-1968 гг. выходят сборники статей и монографии, обобщающие большой спектр радиобиологических исследований по космической радиобиологии (Сисакян Н.М., Антипов В.В., Саксонов П.П., Яздовский В.И., 1964; Антипов В.В., Добров Н.Н., Саксонов П.П., 1964; Парин В.В., Антипов В.В., Давыдов Б.И., 1965; Антипов В.В., Конопляников А.Г., Кудряшов Ю.Б., 1967; Биологическое действие протонов высоких энергий, 1967; Саксонов П.П., Антипов В.В., Давыдов Б.И., 1968; Даренская Н.Г., Кознова Л.Б., Акоев И.Г., Невская Г.Ф., 1968). Кроме того, представлен серьезный анализ пороговых уровней воздействия радиации на человека в отношении возможных ранних и отдаленных неблагоприятных эффектов у человека и проведено обоснование допустимых доз облучения космонавтов применительно к кратковременным орбитальным космическим полетам (Саксонов П.П., Антипов В.В., Давыдов Б.И., 1968; Давыдов Б.И., Антипов В.В., Саксонов П.П., 1968).
На международной конференции в Афинах советскими учеными представлен доклад с обоснованием допустимых значений доз, при которых обеспечивается нормальная работоспособность космонавтов при кратковременных космических полетах (длительностью до 30 суток). Приведены значения допустимой дозы, дозы оправданного риска и критической дозы, которая уже должна служить основанием для
16
досрочного прекращения полета (Григорьев Ю.Г., Гуськова А.К., Домшлак М.П. и др., 1965).
По предложению С.П. Королева, поддержанного организационно и финансово А.И. Бурназяном, часть лабораторий радиобиологического сектора ИМБП Минздрава СССР успешно осуществили постановку и проведение уникального «Хронического эксперимента» по многолетнему облучению большой партии собак, моделирующему дозовые нагрузки и характер распределения дозы во времени при полете к Марсу. Материалы этого исследования подробно обсуждены в настоящей монографии (раздел 4).
В 70-80-е годы прошлого столетия в Институте медико-биологических проблем проведен очень широкий комплекс исследований по изучению спектров космических излучений, по исследованию закономерностей формирования поглощенных и эквивалентных доз в фантомах, представляющих модель тела человека, за защитой космических аппаратов с учетом первичных потоков частиц и вторичных излучений от галактических космических лучей (ГКЛ), излучений радиационных поясов Земли (РПЗ) и солнечных космических лучей (СКЛ).
Параллельно с «Хроническим экспериментом» по облучению большой партии собак продолжали осуществляться также исследования на ускорителях протонов и тяжелых заряженных частиц по изучению зависимости относительной биологической эффективности излучений от линейной передачи энергии. Проводился широкий спектр исследований на мелких лабораторных животных по хроническому гамма-облучению в широком диапазоне мощностей доз, а также эксперименты с последовательным рядом повторных острых радиационных воздействий с целью разработки модели формирования радиационного поражения у млекопитающих с учетом восстановительных процессов. Продолжались исследования по изучению эффективности локальной защиты в отношении снижения поражения кроветворной ткани и повышения устойчивости организма, а также исследования по модифицирующему действию различных физических факторов на радиационный ответ организма, включая исследования непосредственно на борту искусственных спутников Земли, в том числе и с источником гамма-излучения (Космос 690).
Материалы этих исследований опубликованы в ряде монографий (Григорьев Ю.Г., 1975, 1982; Григорьев Ю.Г. и др., 1986; Ковалев Е.Е., 1986; Антипов В.В., Давыдов Б.И., Ушаков И.Б., Федоров В.П., 1989), в серии обобщающих статей в сборнике Проблемы космической биологии. Т.60, под. ред. академика А.М. Уголева, 1989; и в серии нормативных документов ГОСТов и Методических указаний за 1983-
17
1990 гг. по проблеме «Безопасность радиационная экипажа космического аппарата в космическом полете».
За совокупность работ по обоснованию нормативных документов и созданию системы радиационной безопасности космических полетов группе исследователей Антипову В.В., Григорьеву Ю.Г., Ковалеву Е.Е. и Петрову В.М. была в 1978 г. присуждена Государственная премия (Давыдов Б.И., 2007).
В 90-е годы получены новые данные о более высоком уровне радиационного риска для людей, профессионально работающих с источниками ионизирующих излучений, что привело к тому, что новые рекомендации Международной комиссии по радиационной защите (МКРЗ) и новые нормы по радиационной безопасности в нашей стране НРБ-96 снизили уровни ежегодного облучения персонала на Земле в 2,5 раза до 2 сЗв/год. При этом за всю профессиональную деятельность (длительностью до 40-50 лет) суммарная доза может составить 80-100 сЗв.
Как показала практика орбитальных полетов последних лет на станции «Мир», космонавт — профессия, при которой достигается самый высокий уровень радиационного воздействия в ходе выполнения профессиональных обязанностей. Доза облучения, ежесуточно получаемая космонавтом в ходе полета, в несколько раз превышает контрольные значения ежедневного облучения работников атомных производств. Перспективные программы освоения космического пространства связаны с расширением масштабов космической деятельности, с осуществлением межпланетных полетов на Луну, к Марсу и другим планетам, что ведет к увеличению продолжительности полетов и длительности действия космических факторов и существенным образом увеличивает радиационную опасность для космонавтов.
Дозы за год полета будут существенно превышать нормативные уровни, которые установлены на Земле, что вызывает необходимость решения вопросов защиты космических аппаратов более тщательно и оценок величин радиационного риска как в процессе полетов так и в течение всей жизни космонавтов.
Эти расчеты необходимо выполнить еще на стадии предварительного проектирования космического аппарата (КА). Конечная надежность обеспечения радиационной безопасности закладывается в проектные разработки с учетом выполнения также требования оптимального расходования ресурса (масса, энергия). При возможном увеличении высоты орбитальных полетов в будущем повышается также уровень радиационной и общей опасности. Это требует проведения более тщательного анализа характера изменения уровней радиационного воздействия космических излучений на критические органы и
18
ткани космонавтов при нахождении членов экипажа в различных отсеках КА. Снижение этих доз до приемлемых значений осуществляется на основе анализа радиационной ситуации, реализующейся в конкретном полете, и выдаче необходимых рекомендаций экипажу по изменению циклограммы их работы в условиях ухудшения радиационной ситуации.
При решении задач обеспечения радиационной безопасности орбитальных космических полетов и сопоставлении уровней радиационного воздействия космических излучений на человека и отдельные критические ткани с предельными значениями, установленными в нормативных документах, важное место наряду с системой дозиметрии на борту КА принадлежит расчетным методам определения поглощенных и эквивалентных доз. Значительную актуальность для обеспечения радиационной безопасности представляют расчетные методы определения дозовых нагрузок на критические органы и ткани космонавтов при их нахождении внутри КА и при внекорабельной деятельности, ввиду ограниченности экспериментальных данных по дозиметрии от различных источников космических излучений при орбитальных полетах с различной высотой и наклонением плоскости орбиты. Имеется также недостаточное число подробных экспериментальных данных о характере распределения поглощенных и эквивалентных доз в различных отсеках космического аппарата и внутри фантомов, представляющих модели тела человека.
Расчетные методы позволяют определить наиболее защищенные зоны в космическом корабле, которые могут быть использованы в качестве радиационного убежища при ухудшении радиационной обстановки при возникновении мощных солнечных протонных событий (СПС). Для проведения расчетов должны быть приняты модельные описания радиационной обстановки на трассе полета, модель защищенности космического аппарата, модель тела космонавта, а также выбран функционал, характеризующий меру радиационного воздействия. В качестве меры радиационного воздействия приняты поглощенная и эквивалентная дозы в представительных точках тела космонавта, которые являются основой для вычисления значений среднетканевой и обобщенной доз, определяющих величину радиационного риска в процессе полета и в отдаленном периоде.
В условиях единичных экспериментальных материалов по фантомным измерениям поглощенных доз в различных отсеках космического аппарата при осуществлении полетов различного назначения расчетные методы являются единственным надежным средством для вычисления основных дозиметрических функционалов, определяю
19
щих радиационную опасность и величину радиационного риска как в процессе полета, так и в отдаленном послеполетном периоде.
В настоящей книге представлено подробное радиобиологическое обоснование возможных неблагоприятных эффектов воздействия космических излучений в процессе полетов, снижающих работоспособность космонавтов и выполнение ими программы полетов. Проведен тщательный анализ результатов специального «Хронического эксперимента», поставленного по предложению С.П. Королева по 3- и 6-летнему облучению большой партии собак, в котором промоделированы дозовые нагрузки на космонавтов от источников космических излучений при длительном межпланетном полете к Марсу. Наблюдение за животными осуществляли и после хронического облучения в течение всей их последующей жизни. Наряду с этим рассмотрены результаты других экспериментов на различных млекопитающих при их протяженном облучении с различной мощностью дозы.
В книге представлены алгоритмы и проведены расчеты радиационного риска для космонавтов в процессе осуществления межпланетных и орбитальных космических полетов, расчеты суммарного радиационного риска за всю жизнь космонавтов, а также проведены оценки возможного сокращения предстоящей продолжительности жизни космонавтов после завершения конкретных полетов и всей их карьеры.
Подробно проанализированы в зависимости от величин среднетканевых эквивалентных доз возможные неблагоприятные отдаленные эффекты в основных регуляторных системах организма, количественно оценено снижение общего объема его компенсаторных резервов. Рассмотрены возможные нарушения в центральной нервной и сердечно-сосудистой системах, коже, эпителии роговицы при воздействии излучений с различной плотностью ионизации и разной линейной передачей энергии (ЛПЭ), что является важным для решения вопросов нормирования воздействия космических излучений. На основе анализа экспериментальных данных оценены риски помутнения хрусталика и развития катаракт у космонавтов и предложены предельные значения доз на хрусталик за всю их профессиональную деятельность.
В работе уделяется также внимание обоснованию социально приемлемых значений радиационного риска. Для этого он сопоставляется с уровнями рисков других профессий и видов деятельности, с демографическим риском, с риском длительного воздействия других экологических и социальных факторов. Это является необходимым для обоснования новых норм радиационной безопасности при осуществлении межпланетного полета к Марсу и установления предельных суммарных уровней радиационного воздействия на космонавтов за их карьеру.
ИСТОЧНИКИ РАДИАЦИОННОЙ
<| ОПАСНОСТИ И ДОЗОВЫЕ НАГРУЗКИ I НА КОСМОНАВТОВ
LLa ПРИ МЕЖПЛАНЕТНЫХ КОСМИЧЕСКИХ
ПОЛЕТАХ
1.1. Анализ радиационной обстановки при межпланетном космическом полете в различные периоды солнечной активности
При полете к Марсу с использованием двигательного комплекса, состоящего из модулей большой и малой тяги, включающего жидкостной реактивный двигатель (ЖРД) и ядерно-энергетическую двигательную установку (ЯЭРДУ) на начальной стадии полета, можно значительно сократить время пребывания корабля с экипажем в радиационных поясах Земли (РПЗ), и продолжительность всей экспедиции заметно сокращается до 530-615 суток (Демин В.П. и др., 1993; Шафиркин А.В., 1999в; Шафиркин А.В., Григорьев Ю.Г. Коломенский А.В., 2004). При полете с комбинированной схемой двигателей с использованием ЖРД и ЯЭРДУ радиационную опасность для экипажа в основном представляют галактические космические лучи (ГКЛ) и солнечные космические лучи (СКЛ) во время осуществления солнечных протонных событий (СПС). В этом случае дозами от протонов и электронов РПЗ и вкладом от них в радиационный риск, с учетом малости их величины можно пренебречь. При осуществлении межпланетных полетов в период максимума солнечной активности (СА) на экипаж космического аппарата (КА) воздействуют ГКЛ и СКЛ во время развития СПС. В случае использования более простых и дешевых электрореактивных двигателей малой тяги длительность экспедиции может составить 2-2,5 года (Демин В.П. и др., 1993; Глушко В.П., Семенов Ю.П., Горшков Л.А., 1988; Семенов Ю.П., Горшков Л.А., 1990; Горшков Л.А., 2006) и при решении вопросов радиационной безопасности необходимо учитывать дополнитель
21
ный достаточно высокий вклад в суммарную дозу от протонов радиационных поясов Земли.
ГКЛ относятся к так называемым детерминированным источникам излучения, т.е. они действуют постоянно все время полета. РПЗ — только на начальном и возможно частично на заключительном этапе полета. СКЛ относятся к классу стохастических (вероятностных) источников, так как их появление в процессе полета КА носит случайный характер и обусловлено солнечными протонными событиями, связанными с активными процессами в магнитосфере Солнца.
ГКЛ состоят из заряженных частиц, обладающих большой проникающей способностью и высокой биологической эффективностью. К настоящему времени у нас в стране выпущен и функционирует ряд нормативных документов (ГОСТ 25645.212-85 БРЭКАКП, 1986; ГОСТ 25645.122-85, 1986; ГОСТ 25645.123-85, 1986; ГОСТ 25645.124-85, 1986; ГОСТ 25645.144-88, 1989), устанавливающих состав, энергетические спектры и другие параметры и функционалы этих частиц вне магнитосферы Земли в минимумах и максимумах СА. Классификация частиц ГКЛ по зарядовому составу согласно (ГОСТ 25645.212-85 БРЭКАКП, 1986) представлена в табл. 1.1.
Т а б л и ц а 1.1
Классификация частиц ГКЛ по группам
Заряд	1	2	3-5	6-9	10-19	>20
Обозначение групп	Р	а	L	М	LH	VH
Среднее ядро	1Н1	4Не2	9Ве4	14n7	28Si14	56 he26
Примечание', р — протоны; а — альфа-частицы; L — группа легких ядер; М — группа средних ядер; LH — группа тяжелых ядер; VH — группа очень тяжелых ядер.
Энергетические спектры ядер ГКЛ характеризуются числом ядер с кинетической энергией Е, приходящейся на один нуклон ядра в единичном энергетическом интервале, пересекающих за единицу времени в единице телесного угла единичную площадку, нормальную к вектору скорости ядер. На орбите Земли вне ее магнитосферы угловые распределения потоков ядер ГКЛ принимаются изотропными. Диапазон энергий частиц ГКЛ — от 10 до
22
106 МэВ на нуклон. В области энергий свыше 104 МэВ на нуклон энергетические спектры частиц ГКЛ для периодов минимума и максимума С А совпадают. В области энергий ниже 103 МэВ/нук-лон энергетические спектры отличаются не только в минимуме и максимуме, но и в минимумах четных и нечетных циклов СА. В минимумах нечетных циклов интенсивность ГКЛ в области низких энергий заметно выше.
Для «спокойных» промежутков времени энергетические дифференциальные спектры ГКЛ FZ(E) [частиц м-2 сек-1, стер-1 (МэВ/нуклон)-1] в минимумах и максимумах СА вычисляют по формуле
D Eaz
Fz <Е) =	.V + С* ехР(-Е/Ео), (1.1)
(10-2 Е + BZ)Y*
где z — заряд частиц, Е — кинетическая энергия, МэВ/нуклон, Dz, Bz, Cz, az, Yz, Eo — параметры, зависящие от заряда частиц и от фазы цикла СА. Значения этих параметров приведены в (ГОСТ 25645.122-85, 1986; ГОСТ 25645.123-85, 1986; ГОСТ 25645.124-85, 1986; ГОСТ 25645.144-88, 1989).
В США используются аналогичные модельные описания ГКЛ-CREME модель (Adams J.H., Swerberg J.R. and Tsao C.H., 1986). Во время прохождения космических лучей через вещество физические характеристики обусловленных ими полей излучения меняются за счет электромагнитных и ядерных взаимодействий. Ядра с высокой энергией, входящие в состав ГКЛ, в актах столкновения с ядрами защиты меняют свой состав в результате ядер-ного расщепления (фрагментация) и электромагнитных диссипа-ционных процессов. Эти излучения и их вторичные продукты реакций, пройдя через защиту, конструкции и оборудование космического аппарата, будут воздействовать на космонавтов.
1.2. Алгоритм расчета и определение дозовых нагрузок от ГКЛ на различные органы космонавтов
при межпланетном космическом полете в период минимума солнечной активности
При межпланетном полете космического аппарата в период минимума СА основным источником радиационной опасности яв
23
ляются ГКЛ. Как правило, процессы прохождения излучения через вещество описываются так называемой транспортной моделью (Tawnsend L.W. et al, 1992; РД 25645.207-85 БРЭКАКП, 1986). Ядерное расщепление является особенно важным, так как фрагменты, образовавшиеся в результате ядерных реакций, являются основными продуктами, изменяющими состав полей излучения за поглотителем. Кроме фрагментов первичного ядра в акте столкновения образуются другие компоненты вторичного излучения (вторичные протоны, нейтроны, тс-мезоны и т.д.), также изменяющие картину первичного поля излучения и влияющие на суммарную радиационную обстановку внутри космического аппарата. Как правило, расчеты доз частиц ГКЛ проводятся для условий «стандартной геометрии» (на плоский полубесконечный слой вещества толщиной X нормально падает широкий пучок частиц ГКЛ). При этом суммарная эквивалентная доза частиц ГКЛ Н(х) за произвольной толщиной защиты определяется по формуле, представленной в работе (Dudkin V.E. and Potapov Yu.V., 1992):
Ещах
H(x) = S J (pi(E)Hj (x,E)dE,	(1.2)
* Emin
где <Pi(E) — суммарный дифференциальный энергетический спектр ядер, принадлежащих группе (i), т.е. сумма спектров частиц, входящих в группу i (i = р, a, L, М, LH и VH (см. табл. 1.1)); Hj — эквивалентная доза за защитой толщиной х от представительного ядра группы i и его фрагментов с учетом вторичного излучения:
Н‘ (х, Е) = Hj (х, Е) + £ Hj (х, Е) + Н1вт(х, Е),	(1.3)
j = i
где Н1 (х, Е) и Н! (х, Е) — эквивалентные дозы на глубине х, обусловленные ионизационными потерями представительных ядер группы (i) и их фрагментов (j), j = 1, 2 ... i - 1; Нвт — доза, обусловленная вторичными частицами, возникающими в столкновениях с ядрами поглотителя, от представительного ядра группы i.
В работе (Dudkin V.E. and Potapov Yu.V., 1992) проведены расчеты эквивалентных доз от ГКЛ вне магнитосферы Земли, а также
24
детальный анализ результатов расчетов, выполненных за рубежом до 1991 г. Расчеты проведены по методике, изложенной в (РД 25645.207-85 БРЭКАКП, 1986). В качестве тормозящего вещества было выбрано тканеэквивалентное вещество. В качестве исходных данных приняты характеристики спектров ГКЛ для минимума и максимума солнечной активности, регламентированные в работах (ГОСТ 25645.122-85, 1986; ГОСТ 25645.123-85, 1986; ГОСТ 25645.124-85, 1986; ГОСТ 25645.144-88, 1989). При этом были приняты следующие основные предположения и допущения:
•	фрагменты первичного ядра летят из точки столкновения в том же направлении и с той же энергией на нуклон, что и первичное ядро;
•	флуктуации ионизационных потерь и многократное кулоновское рассеяние на концах пробегов ионов не учитываются;
•	выход и форма энергетических распределений вторичных нейтронов полагаются такими же, как и для протонов;
•	вторичные частицы (нейтроны, л-мезоны и т.п.) вылетают из точки их образования по направлению движения первичного ядра;
•	спектры частиц, вылетающих из ядра мишени, принимаются независящими от энергии первичного ядра;
•	при вычислении доз от вторичных короткопробежных заряженных частиц, предполагается, что они локально поглощаются в точке их образования.
В табл. 1.2 представлены результаты расчетов эквивалентных доз ГКЛ в зависимости от толщины защиты, выполненные российскими учеными. В ней же для сравнения представлены результаты расчетов эквивалентных доз, выполненных в работах (AdamsJ.H., James Н., 1986; Badhwar G.D., O’Neill Р.М., 1992; Badhwar G.D., Cucinotta F.A., O’Neill P.M., 1993) для стандартной геометрии.
В работе (Dudkin V.E. and Potapov Yu.V., 1992) расчеты проведены для защиты из тканеэквивалентного материала, в то время как в работах (Adams J.H., James Н., 1986; Badhwar G.D., O’Neill Р.М., 1992; Badhwar G.D., Cucinotta F.A., O’Neill P.M., 1993) в качестве материала защиты использовали алюминий. В этих работах эквивалентную дозу считали для точки на расстоянии 5 см от поверхности в тканеэквивалентном фантоме. Предполагалось, что глубина залегания кроветворных органов расположена на расстоянии 5 см от поверхности фантома. Поэтому ре
25
зультаты расчета дозы в табл. 1.2 начинаются с толщин защиты 5 г/см2.
Таблица 1.2
Значения мощности эквивалентных доз частиц ГКЛ в зависимости от толщины защиты х в период минимума СА, сЗв/год
Толщины защи-ты, г/см2	Литературный источник		
	Dudkin V.E. and Potapov Yu.V., 1992	Adams J.H., James H., 1986	Badhwar G.D., et al., 1992,1993
0	120	115	—
0,1	101	100	—
1,0	89	90,2	—
5,0	63,5	64,0	60,2
10	49,6	49,8	50,0
20	36,8	38,5	39,1
30	32,5	31,3	34,2
40	28,6	—	30,4
50	25,2	—	29,0
Результаты расчетов эквивалентных доз в работах (Dudkin V.E. and Potapov Yu.V., 1992; Adams J.H., James H., 1986; Badhwar G.D., O’Neill P.M., 1992; Badhwar G.D., Cucinotta F.A., O’Neill P.M., 1993) проводились с использованием зависимости коэффициента качества излучения от линейной энергии, рекомендованной в (Recommendation of the ICRP Publication 26, 1977).
Из табл. 1.2 видно, что значения доз, полученных разными авторами, близки между собой. Некоторые отличия можно объяснить различием моделей ГКЛ принятых в России (ГОСТ 25645.122-85, 1986; ГОСТ 25645.123-85, 1986; ГОСТ 25645.124-85, 1986; ГОСТ 25645.144-88, 1989) и в США (Adams J.H., Swerberg J.R. and Tsao C.H., 1986), а также, возможно, некоторыми различиями в допущениях, принятых при применении транспортной модели в расчетах прохождения излучения через вещество защиты.
26
При толщинах защиты свыше 40 г/см2 в работах (Dudkin V.E. and Potapov Yu.V., 1992) и (Badhwar G.D., et al., 1992, 1993) расхождение результатов заметнее. По-видимому, это можно объяснить тем, что тканеэквивалентное вещество является более эффективной защитой для вторичных излучений, возникающих при взаимодействии первичных ядер ГКЛ с веществом поглотителя. Потому на больших толщинах защиты значения доз в работах (Badhwar G.D., et al., 1992, 1993) выше, чем в работе (Dudkin V.E. and Potapov Yu.V., 1992). Тем не менее расхождения в оценках доз не превышают 15%, что для сложных расчетов, по-видимому, допустимо.
Таким образом, анализ литературных источников показывает,
что в настоящее время существуют достаточно надежные данные для оценок радиационной опасности от ГКЛ при пилотируемых межпланетных полетах в период минимума СА.
В 1991 г. были опубликованы документы (ГОСТ 25645.218-90 БРЭКАКП, 1991; Recommendation of the ICRP Publication 60,
1991), рекомендующие при расчетах защиты использовать новую
зависимость коэффициентов качества от линейных потерь энергии. Для оценки влияния, которое может оказать новое представление коэффициентов качества на кривые ослабления доз ГКЛ, в работах (Dudkin V.E. and Potapov Yu.V., 1992; Badhwar G.D. et al., 1992, 1993) были проведены соответствующие расчеты. На рис. 1.1 представлено глубинное распределение эквивалентных доз за год (сЗв) от ГКЛ для периода минимума солнечной активности по
Рис. 1.1. Глубинное распределение мощности эквивалентной дозы ГКЛ при межпланетном полете в периоды минимума четного цикла СА 1965 и 1989 гг.
(Dudkin V.E. and Potapov Yu.V., 1992) — кривые 1, а также минимума нечетного цикла СА (Badhwar G.D. et al., 1992, 1993) — кривые 2.
По оси абсцисс — толщина защиты г/см2, по оси ординат — мощность эквивалентной дозы сЗв/год
27
данным этих работ с использованием новой и старой зависимости коэффициентов качества от ЛПЭ (верхние и нижние кривые соответственно).
Для получения глубинных распределений мощности эквивалентной дозы от толщины защиты в качестве исходных данных использованы в работе (Dudkin V.E. and Potapov Yu.V., 1992) спектры ядер ГКЛ для периода минимума четного цикла солнечной активности 1965 и 1989 гг. (кривые 1). По спектрам ГКЛ для нечетного минимума С А 1976-1977 гг. построены зависимости мощности эквивалентной дозы от толщины защиты (кривые 2) в работах (Badhwar G.D. et al., 1992, 1993).
Сравнивая зависимости, представленные кривыми 1 и 2, можно видеть, что для нечетных минимумов СА эквивалентная доза на 25-30% выше, чем для периодов четных минимумов в диапазоне толщин защиты вплоть до 40г/см2. При использовании новых значений коэффициентов качества расчетные величины эквивалентных доз за год полета также оказываются выше на 5-10%.
Расчеты поглощенной и эквивалентной доз от ГКЛ в представительных точках стандартизованного фантома модели тела человека (ГОСТ 25645.203-83 Модель тела человека, 1984), размещаемого в отсеках космического аппарата КА, состоит из трех последовательных процедур (РД 50-25645.208-84. Методика расчета поглощенной и эквивалентной дозы, 1986):
•	расчета глубинного распределения дозы заданного спектра заряженных частиц, нормально падающих на плоский слой тканеэквивалентного вещества;
•	расчета функции экранированности представительной точки в фантоме внутри КА;
•	интегрирования произведения функции экранированности представительной точки на глубинное распределение дозы.
Доза D(r) в представительной точке фантома г определяется по формуле
D(r) = J D(x) W(x, г) dx,	(1.4)
в которой D(x) — зависимость дозы космических лучей (КЛ) от толщины плоского слоя алюминия; W(x, г) — функция экранированности в расчетной точке г определяется по формуле (операция свертки функций):
28
X
W(x,r) = J W1(y,r)xW2(y-x, r)dx, (1.5) 0
где Wi(y, r) — функция экранированное™ критического органа телом человека; W2(y, г) — функция экранированности защитой КА.
Предполагается случайная ориентация фантома внутри КА. При этом выбранная точка внутри защищаемой зоны космического аппарата и точка внутри фантома совмещаются. Для учета различия в защитных свойствах тканеэквивалентного вещества и веществ, входящих в защиту, для каждого из таких веществ вводится коэффициент эквивалентности Yk> который вычисляется по формуле
Yk=SK(Eo)/S(Eo),	(1.6)
где SK(E0) и S(E0) — ионизационные потери в данном веществе и в тканеэквивалентном веществе при энергии Ео s 50 МэВ. При этом функция экранированности фантома преобразуется по формуле
W1(y,f) = (l/Yk)W1(Yky,?).	(1.7)
Зависимости (1.4) и (1.5), по существу, являлись основой для разработки алгоритмов вычисления доз в фантоме, которые сводились к алгоритмам вычисления интегралов. Специфика заключалась в согласовании форматов задания функций экранированности фантома и защиты космического аппарата. В настоящее время задача определения функций экранированности космического аппарата не вызывает принципиальных трудностей. Для этих целей используется алгоритм расчета функций экранированности, изложенный в (ГОСТ 25645.204-83. Методика расчета экранированности, 1984).
Алгоритм основан на использовании метода Монте-Карло. Сущность метода заключается в следующем. Из точки с заданными координатами внутри космического аппарата с помощью случайного числа задается направление луча, пересечение которого с поверхностями и зонами определяет суммарную толщину вещества защиты в заданном направлении. Полученный набор толщин сортируется по заданной сетке толщин и таким образом формируется функция экранированности. Для получения корректных результатов рекомендуется задавать не менее 10 000 историй.
29
В качестве модели тела космонавта в данной работе приняты шаровой и антропоморфный фантомы (ГОСТ 25645.203-83 Модель тела человека., 1984). Представительные точки фантома моделируют расположение жизненно важных органов человека. Точка на глубине 0,1 см от поверхности в шаровом фантоме моделирует кожный покров. Точка на глубине 0,3 см моделирует хрусталик глаза. Точки на глубине 5 и 9 см моделируют соответственно кроветворную систему (КТС) и желудочно-кишечный тракт (ЖКТ). Расчет функций экранированности веществом ткани относительно представительных точек в фантоме может производиться также с помощью алгоритма (ГОСТ 25645.204-83. Методика расчета экранированности, 1984). Координаты точки задаются в сантиметрах в декартовой системе координат, в которой задана геометрия космического корабля. Предполагается, что функция экранированности уже рассчитана для некоторой обитаемой зоны КА. При расчетах доз в точке с заданными координатами используются зависимости «доза — толщина защиты». Это глубинные распределения поглощенной и эквивалентной доз ГКЛ.
Зависимость (1.5) была реализована в виде программы SVERTKA. Исходными данными для задания модели КА обычно служат геометрические данные и данные по распределению масс, получаемые из конструкторской документации. Поскольку использование конструкторской документации для КА марсианской экспедиции в настоящее время пока еще не представляется возможным, в качестве модели КА принята сферическая оболочка с постоянной защитой во всех направлениях.
В нормативно-технических документах (ГОСТ 25645.214-85. БРЭКАКП, 1986; ГОСТ 25645.215-85. БРЭКАКП, 1986; ГОСТ 25645.219-90. БРЭКАКП, 1991) показано, что радиобиологические эффекты в ближайшем пострадиационном периоде, в том числе радиационный риск в процессе полета определяются не столько среднетканевой эквивалентной дозой D, сколько равноценной эквивалентной дозой G, алгоритм вычисления которой представлен в работе (ГОСТ 25645.219-90. БРЭКАКП, 1991). Были проведены расчеты равноценной дозы для стандартизованных шарового и антропоморфного фантомов, представляющих модели тела человека (ГОСТ 25645.203-83 Модель тела человека, 1984). Как указывалось в работе (ГОСТ 25645.219-90. БРЭКАКП, 1991), при воздействии с малыми значениями мощностей доз до 5 сЗв/сут величина равноценной дозы совпадает со среднекостно
30
мозговой дозой DKM. Расчеты среднекостномозговой дозы для антропоморфного фантома проводили на основе вычисления эквивалентных доз в представительных точках кроветворной ткани (ГОСТ 25645.203-83 Модель тела человека, 1984) с учетом относительной доли активного красного костного мозга, представленной в (ГОСТ 25645.219-90. БРЭКАКП, 1991).
На рис. 1.2 представ
лены рассчитанные за различными толщинами защиты КА величины эквивалентных доз на кожу, костный мозг и среднетканевые дозы от ГКЛ в период минимума СА при использовании шарового и антропоморфного фантомов по отношению к ло
—х— Dn (локальная) a Qk (кожа)
—+— Dkm (шаровой фант.)
—ж— Gkm (антроп. фант.)  D (среднеткан.)
—о— D/Dkm
Рис. 1.2. Эквивалентные дозы на кожу, костный мозг для шарового и антропоморфного фантомов и среднетканевая доза по отношению к локальной эквивалентной дозе в отсутствии фантома при межпланетном полете в период минимума СА.
По оси абсцисс — толщина защиты КА, г/см2, по оси ординат — эквивалентные дозы в относительных единицах
кальным эквивалентным дозам в отсутствии фантомов. Кроме того, представлено также отношение среднетканевой и среднекостномозговой мощностей доз.
Как видно из данных, представленных на рисунке, значения равноценной эквивалент
ной дозы для антропо-
морфного фантома не-
сколько превышают аналогичные величины для шарового фантома, однако это превышение для всех толщин защиты не более, чем на 10%. Следует также отметить, что значения мощности среднетканевой эквивалентной дозы отличаются не более, чем на 10% от
мощности дозы в костном мозге для шарового фантома. В дальнейшем среднетканевые дозы от различных источников космических излучений используется нами для определения обобщенных доз и расчетов суммарного радиационного риска в течение всей жизни космонавтов (см. разд. 6 и 8).
31
При проведении этих расчетов (Шафиркин А.В., Венедиктова В.П., 1999а; Шафиркин А.В., 1999в; Шафиркин А.В., Григорьев Ю.Г., Коломенский А.В., 2004) была использована зависимость среднетканевой эквивалентной дозы ГКЛ от толщины защиты для межпланетного полета в период минимума СА, полученная для стандартизованного шарового фантома в работе (Dudkin V.E., Kovalev Е.Е., Kolomensky A.V. et al., 1992. Эта зависимость имеет вид
D(x) = Т [41,5 ехр(-х/2,8) + 48 ехр(-х/85,5)],	(1.8)
где D(x) — среднетканевая эквивалентная доза, сЗв; Т — длительность полета, годы; X — толщина защиты из алюминия, г/см2.
1.3. Алгоритм расчета и определение дозовых нагрузок от ГКЛ на различные органы космонавтов при межпланетном космическом полете
в период максимума СА
В разд. 1.2 представлены глубинное распределение мощностей эквивалентных доз от ГКЛ в свободном пространстве в периоде минимума СА за плоской защитой в отсутствии фантома, представляющего модель тела человека, методика расчета мощностей доз на критические органы и ткани при использовании стандартизованных фантомов (сферического и антропоморфного), а также мощности среднетканевой эквивалентной дозы от ГКЛ. Эти дозиметрические функционалы необходимы для определения обобщенной дозы и радиационного риска как в процессе полета, так и в отдаленном послеполетном периоде.
Поскольку величины эквивалентных доз для различных тканей в случае использования антропоморфного фантома не очень отличались от значений для стандартизованного шарового фантома, в настоящем разделе проведены расчеты мощностей доз на критические органы и системы организма космонавта от источников космического излучения в межпланетном пространстве в периоде максимума СА при использовании наиболее простой сфе
32
рической формы защиты космического аппарата и шарового стандартизованного фантома в качестве модели тела человека.
В соответствии с методикой расчета поглощенных и эквивалентных доз от ГКЛ, представленной выше, используя глубинное распределение мощностей локальных доз за защитой из алюминия для периода максимума СА, были рассчитаны для этого периода значения мощности эквивалентной дозы на кроветворную ткань (представительная точка на глубине 5 см), мощности эквивалентной дозы на кожу (глубина 0,1 см), а также мощности среднетканевой эквивалентной дозы. Расчеты показали, что при использовании стандартизованного шарового фантома значения мощности эквивалентной дозы на хрусталик глаза (глубина 0,3 см) практически совпадают со значениями мощностей доз для кожи. В табл. 1.3 представлены рассчитанные значения мощности локальной эквивалентной дозы, мощностей эквивалентных доз для указанных органов и тканей, а также мощность среднетканевой эквивалентной дозы за различными толщинами защиты космического аппарата. В числителе представлены абсолютные значения (сЗв/сут), в знаменателе — относительные величины.
Как видно из данных, представленных в табл. 1.3, при реальных толщинах защиты космического аппарата (более 10 г/см2) доза на кожу (и хрусталик глаза) составляет в среднем 0,83 от локальной дозы, а доза на кроветворную ткань соответственно 0,75 от локальной дозы. В разд. 1.2 нами показано, что значение среднетканевой дозы от ГКЛ незначительно отличается от среднекостномозговой дозы (различие менее 10%). Эта же закономерность наблюдается и при полетах в периоды максимума СА.
При проведении последующих расчетов с целью получения максимальных оценок радиационного риска для космонавтов в процессе полета и в течение жизни нами была использована зависимость среднетканевой эквивалентной дозы от ГКЛ для межпланетного полета в период максимума СА, полученная для стандартизованного шарового фантома (Dudkin V.E., Kovalev Е.Е., Kolomensky A.V. et al., 1992). Эта зависимость имеет вид
D(x)= Т [5 ехр(-х/6,45) + 24 ехр(-х/85,5)],	(1.9)
где D(x) — среднетканевая эквивалентная доза, сЗв; Т — длительность полета, годы; X — толщина защиты из алюминия, г/см2.
33
Таблица 1.3
Абсолютные (сЗв/сут) значения мощностей локальных эквивалентных доз от ГКЛ, а также мощностей доз на кожу и кроветворную ткань для различных толщин защиты космического аппарата при осуществлении межпланетного полета в период максимума СА
Доэовый функционал	Толщина защиты, г/см2					
	1	5	10	20	30	50
Мощность локальной эквивалентной дозы (сЗв/сут), относительная	0,0822 1	0,0696 1	0,0606 1	0,0490 1	0,0427 1	0,0296 1
Мощность эквивалентной дозы на кожу абсолютная (сЗв/сут), относительная	0,0646 0,786	0,0567 0,815	0,0502 0,828	0,0411 0,839	0,0356 0,835	0,0246 0,831
Мощность эквивалентной дозы на кроветворную ткань абсолютная (сЗв/сут), относительная	0,0518 0,630	0,0479 0,688	0,0437 0,721	0,0372 0,759	0,0322 0,755	0,0223 0,753
Примечание. Курсивом представлены величины доз по отношению к локальной дозе.
При полете в этот период при небольших толщинах защиты космического аппарата основную опасность могут представлять стохастические солнечные протонные события. Для решения вопросов обеспечения безопасности полетов необходимо осуществить также расчеты дозовых нагрузок на различные органы и ткани от СКЛ.
1.4. Определение дозовых нагрузок на различные органы космонавтов при межпланетном космическом полете в период максимума СА от солнечных космических лучей (СКЛ)
Процедура расчета поглощенной и эквивалентной дозы от СКЛ в представительных точках фантома, размещаемого в различных от
34
секах космического аппарата, состоит, как было описано выше, из трех последовательных процедур:
•	расчета глубинного распределения дозы заданного спектра заряженных частиц, нормально падающих на плоский слой тканеэквивалентного вещества;
•	расчета функции экранированности представительной точки в фантоме внутри КА;
•	интегрирования произведения функции экранированности представительной точки на глубинное распределение дозы (РД 50-25645.208-84. Методика расчета поглощенной дозы, 1986).
Доза D(r) в представительной точке фантома г определяется по формуле (1.4), в которой D(x) — зависимость дозы СКЛ от толщины плоского слоя алюминия; W(x, г) — функция экранированности в расчетной точке г, определяется по формуле (1.5) (операция свертки функций), где W^y, г) — функция экранированности критического органа телом человека; W2(y, г) — функция экранированности защитой КА. Предполагается также, как описано выше, случайная ориентация фантома внутри КА. При этом выбранная точка внутри защищаемой зоны космического аппарата и точка внутри фантома совмещаются. Для учета различия в защитных свойствах тканеэквивалентного вещества и веществ, входящих в защиту, для каждого из таких веществ вводится коэффициент эквивалентности который вычисляется по формуле (1.6). Алгоритм расчета поглощенной дозы протонов с учетом продуктов ядерных взаимодействий изложен в руководящем документе Госстандарта (РД 50-25645.208-86. Методика расчета поглощенной дозы.., 1986).
Эквивалентная доза Н(х) за защитой толщиной х, на которую падает единичный спектр протонов солнечных космических лучей (протон/см2), определяется следующим образом:
Н(х) = Ф J F(x, Е) х G(E') х Q[S(E')] dE', (1.10)
где Е' — энергия протона на глубине х; Е — энергия протона, падающего на защиту; Ф — флюенс протонов; G(E') = = 1,6х1О“10 xS(E') — коэффициент перехода от потока к поглощенной дозе, Гр/МэВ х г/см2; S(E') — ионизационные потери протонов;
35
F(x, E ) = [S(E)/S(E')J x F(0, E),
(1-11)
где F(0, E) — дифференциальный спектр протонов, падающих на поверхность слоя, нормированный на единичный протон; Q[S(E')] — зависимость коэффициента качества от ионизационных потерь протонов (ГОСТ 25645.218-90).
Были проведены расчеты эквивалентных доз в шаровом и антропоморфном фантомах в зависимости от характеристической жесткости спектра протонов и толщины защиты из алюминия. Использована модель спектра СКЛ, изложенная в (ГОСТ 25645.134-86 Лучи космические солнечные, 1986). Расчеты проведены для значений характеристической жесткости 50; 80; 100; 150 и 200 МВ. Эти значения охватывают практически весь диапазон солнечных протонных событий, которые будут воздействовать на экипажи КА при межпланетном полете. Значения толщины защиты приняты равными 1; 5; 10; 20; 30 и 50 г/см2.
Расчеты доз на хрусталик глаза, кожу, кроветворную ткань и желудочно-кишечный тракт (ЖКТ) проводили по методике, описанной выше. Для определения среднекостномозговых и равноценных доз использовали соотношения, представленные в нормативном документе (ГОСТ 25645.219-90 БРЭКАКП, 1991). Там же представлены данные по относительному распределению активного красного костного мозга по скелету человека.
Поскольку стационарные и переносные бортовые дозиметры и другая аппаратура, входящая в систему радиационного мониторинга внутри КА, в значительной степени могут контролировать лишь локальную поглощенную и эквивалентную дозы за защитой КА (в условиях отсутствия фантома), важно установить, в какой степени расчетные дозы в различных органах и тканях соотносятся с локальной дозой.
В табл. 1.4 представлены рассчитанные значения доз для различных органов и тканей от СКЛ с различным флюенсом Ф прот/см2 и жесткостью спектра Ro при использовании антропоморфного (А) и шарового (Ш) фантомов модели тела человека по отношению к локальной эквивалентной дозе за защитой из алюминия, толщиной 1 и 10 г/см2.
Как видно из данных, представленных в табл. 1.4, для наиболее вероятных значений жесткости спектра Ro (в диапазоне 80-100 МВ (ГОСТ 25645.134-86 Лучи космические солнечные, 1986)
36
значения эквивалентной дозы для хрусталика глаза и кожи составляют приблизительно 25 ± 5% от локальной эквивалентной дозы при толщине защиты 1 г/см2 и 50 ± 10% при 10 г/см2. Это связано с более высокоэнергетичным спектром протонов после прохождения защиты 10 г/см2. Значения дозы для представительных точек антропоморфного и шарового фантома практически совпадают с достаточно хорошей точностью.
Таблица 1.4
Доза для различных органов и тканей от СКЛ с различным флюенсом Ф прот/см2 и жесткостью спектра Ro по отношению к локальной эквивалентной дозе за защитой из алюминия, толщиной 1 г/см2 и 10 г/см2
Критический орган и дозиметрический функционал	Фантом	Жесткость спектра СКЛ, Ro, МВ				
		50	80	100	150	200
Хрусталик Dx	Антропоморфный	0,155 0370	0,221 0,450	0,250 0,510	0,314 0,550	0,352 0,590
	Шаровой	0,150 0,400	0,214 0,470	0,244 0,550	0,307 0,560	0,345 0,610
Кожа Dk	Антропоморфный	0,186 0390	0,255 0,440	0,278 0,490	0,388 0,520	0,362 0,590
	Шаровой	0,190 0,400	0,262 0,470	0,292 0,550	0,356 0,560	0,386 0,610
Костный мозг Dkm	Антропоморфный	0,0097 0,092	0,0273 0,168	0,0417 0,210	0,0793 0,295	0,1150 0,365
	Шаровой	0,0024 0,053	0,0132 0,128	0,0245 0,174	0,0585 0,267	0,0930 0,340
Желудочно-кишечный тракт Эжкт	Антропоморфный	0,0107 0,128	0,0324 0,200	0,0490 0,240	0,0890 0,310	0,1290 0375
	Шаровой	0,0007 0,026	0,0066 0,090	0,0140 0,135	0,0400 0,226	0,0700 0,295
Среднетканевая доза, D	Шаровой Шаровой	0,0282 0,133	0,0590 0,230	0,0760 0,273	0,1240 0340	0,1660 0,380
37
Продолжение табл. 1.4
Критический орган и дозиметрический функционал	Фантом	Жесткость спектра СКЛ, Ro, МВ				
		50	80	100	150	200
Равноценная доза G, Ф = 2 х 108	Антропоморфный	0,0097 0,092	0,00273 0,168	0,0417	0,0793	0,1150
2 х 109	Антропоморфный	0,0086 0,092	0,0243 0,168	0,0340 0,210	0,0611 0,295	0,0870 0,565
5 х 109	Антропоморфный	0,0064 0,092	0,0160 0,168	0,0244 0,210	0,0495 0,230	0,0750 0,280
1 х 1О10	Антропоморфный	0,0044	0,0132	0,0215 0,185	0,0463 0,195	0,0720 0,242
5 х 1О10	Антропоморфный	0,0026	0,0094	0,0173	0,0360	—
1 х 1011	Антропоморфный	0,0018	—	—	—	—
Примечание. Для 10 г/см2 значения представлены курсивом.
Значение среднекостномозговой дозы Dkm для антропоморфного фантома для наиболее вероятной жесткости спектра протонов при малой толщине защиты почти в 2 раза превышает значение дозы для представительной точки КТС шарового фантома. По-видимому, точка на глубине 5 см в шаровом фантоме недостаточно точно представляет среднекостномозговую дозу от СКЛ за малыми защитами. Реально представительная точка кроветворной ткани в шаровом фантоме при воздействии СКЛ должна располагаться ближе к поверхности фантома на глубине приблизительно 3 см.
При толщине защиты 10 г/см2, в связи с большей жесткостью спектра протонов, значения среднекостномозговых доз, рассчитанные для антропоморфного фантома, по отношению к локальной дозе превышают расчетные значения для шарового фантома лишь на 20-30%. В этом случае представительная точка для кроветворной ткани в шаровом фантоме находится на глубине около 4 см.
38
Расчетные значения дозы для представительной точки желудочно-кишечного тракта, в случае использования антропоморфного фантома являются значительно более высокими (точка N 14), чем при использовании представительной точки в шаровом фантоме на глубине 9 см при обеих толщинах защиты (ГОСТ 25645.203-83 Модель тела человека, 1984). Различие составляет 2-2,2 раза при толщине защиты 10 г/см2 и 3-5 раз за малой толщиной защиты. Вопрос представительства этой точки для ЖКТ требует дальнейшего исследования.
Среднетканевая доза для наиболее вероятного спектра СКЛ и более вероятной толщины защиты 10 г/см2 составит приблизительно 25% от локальной эквивалентной дозы. Она превышает значение среднекостномозговой дозы в 1,6-1,8 раза. Представительная точка для среднетканевой дозы и стандартизованного шарового фантома соответствует глубинам 2-2,5 см.
Равноценная эквивалентная доза G, приводящая эффекты неравномерного распределения доз по телу к условиям равномерного облучения (ГОСТ 25645.219-90. БРЭКАКП, 1991), для флюенсов протонов < 2 х 108 прот/см2 совпадает со среднекостномозговой дозой и является меньшей, чем среднетканевая доза. Поэтому значение коэффициента равноценности радиационного воздействия КР = G/D является меньшим единицы. Для солнечных вспышек с большим интегральным флюенсом по мере увеличения его значения, как видно из данных табл. 1.4, величина равноценной дозы относительно локальной дозы уменьшается. Снижаются также значения коэффициентов равноценности радиационного воздействия КР. Это находится в полном соответствии с данными, представленными в указанном выше нормативно-техническом документе.
На рис. 1.3 представлена зависимость коэффициента равноценности радиационного воздействия, равного отношению равноценной к среднеткавневой дозе (КР = G/D).
Отчетливо можно видеть снижение значений коэффициентов КР при увеличении значений флюенсов протонов, начиная с некоторого граничного потока 108 прот/см2. В наибольшей степени это относится к СПС с малыми величинами жесткости спектра. При увеличении толщины защиты КА, как показано на рисунке, значения коэффициента равноценности радиационного воздействия увеличиваются и приближаются к 1,0.
39
Рис. 1.3. Зависимость коэффициента равноценности радиационного воздействия КР = G/D от величины флюенса протонов СКЛ и РПЗ.
По оси абсцисс — число протонов на 1 см2; по оси ординат — значения КР, отн. ед. Кривые 1, 2, 3, 4 и 5 для протонов с характеристической жесткостью спектра Ro, равной 50, 80, 100, 150 и 200 МВ. Сплошные кривые для толщины защиты 1 г/см2, пунктирные — для 10 г/см2
На рис. 1.4 представлен характер изменения расчетных значений доз от СКЛ с различной жесткостью спектра по отношению к локальной эквивалентной дозе в зависимости от глубины расположения рассматриваемой точки от поверхности шарового фантома при толщине защиты КА, равной 10 г/см2. Кривые 1, 2, 3, 4 и 5 представляют дозы от СКЛ с характеристической жесткостью спектра Ro, равной соответственно 200, 150, 100, 80 и 50 МВ.
Кривая 6 представляет относительное значение
среднетканевой эквивалентной дозы D. Для наиболее вероятного спектра СКЛ представительная точка на глубине 2,5 см может, по-видимому, в наибольшей степени представлять этот дозиметрический функционал. Точки шарового фантома, соответствующие глубине 0,1 и 0,3 см, достаточно точно соответствуют относительным до
зам для кожи и хрусталика, рассчитанным для представительных точек этих тканей в антропоморфном фантоме.
Кривая 7 представляет относительное значение дозы для желудочно-кишечного тракта ЭЖКт> рассчитанное для представительной точки N 14 антропоморфного фантома (ГОСТ 25645.203-83. БРЭКАКП Модель тела человека, 1984). Представительная точка для этих тканей в шаровом фантоме должна располагаться на глубине 2,5-3 см вместо 9 см.
Кривая 8 представляет относительное значение среднекостномозговой дозы DKM, рассчитанное на основе 14 представительных точек кроветворной ткани в антропоморфном фантоме (ГОСТ
40
25645.203-83 БРЭКАКП Модель тела человека, 1984) с использо-
ванием относительного содержания красного костного мозга в соответствующих костях скелета (ГОСТ 25645.219-90. БРЭКАКП, 1991).
Из данных рис. 1.4 видно, что точка в шаровом фантоме на глубине 3,5 см наиболее точно представляет данный дозиметрический функционал при жесткости спектра 80-100 МВ. Для наиболее жесткого спектра 200 МВ следует использовать значение дозы на глубине 4 см, вместо принимавшегося ранее значения для глубины 5 см.
Относительные величины равноценных эквивалентных доз G при суммарном флюенсе протонов менее 2х109 прот/см2 совпадают со среднекостномозговой дозой. Представительная точка для равноценной дозы совпа-
Рис. 1.4. Расчетные значения доз от СКЛ с различной жесткостью спектра в шаровом фантоме по отношению к локальной эквивалентной дозе (в отсутствие фантома) в зависимости от глубины расположения точки от его поверхности при толщине защиты 10 г/см2.
По оси абсцисс — расстояние от поверхности, см; по оси ординат — эквивалентные дозы по отношению к локальной дозе в
дает при этом с предста-	отн. ед.
вительной точкой для
DKM и расположена на той же глубине. На рис. 1.4 пунктирной кривой представлены относительные значения равноценных доз при более высоких значениях флюенса 5х109 и 1010. При этих значениях флюенса относительные значения равноценной эквивалентной дозы, рассчитанные на единичный протон, существенно снижаются (как это показано на рис. 1.3, 1.4 и табл. 1.4) и представительная точка для этого дозиметрического функционала соответствует большей глубине в шаровом фантоме.
ОСНОВНЫЕ ИСТОЧНИКИ РАДИАЦИОННОЙ ОПАСНОСТИ И ДОЗОВЫЕ НАГРУЗКИ
□ НА КОСМОНАВТОВ ПРИ ПОЛЕТАХ НА ОРБИТАЛЬНЫХ СТАНЦИЯХ «МИР» И МКС
2.1	Основные источники радиационной опасности при орбитальных космических полетах
На экипаж космического аппарата в космическом полете воздействует излучение сложного состава, преимущественно состоящее из заряженных частиц (протоны, электроны, ядра гелия, лития, бериллия и т.д. вплоть до ядер урана). Важная особенность космических излучений — широкий энергетический спектр заряженных частиц, простирающийся от десятков кэВ до тысяч ГэВ. Основными источниками радиационной опасности в космическом пространстве (естественного происхождения) для орбиты станций «Мир» и МКС (наклонение орбиты 52°, высота орбиты около 400 км) являются ГКЛ, радиационные пояса Земли и солнечные космические лучи особенно при выходах в открытый космос и возмущениях магнитного поля (Мирошниченко Л.И., Петров В.М., 1985; Авакян С.В., Вдовин А.И., Пустарнаков В.Ф., 1994). Для описания потоков частиц этих излучений, необходимого для последующей оценки их радиационной опасности, используются следующие основные понятия:
•	зарядовый состав, отражающий процентное содержание частиц данного типа в суммарном потоке частиц разных типов;
•	энергетический спектр частиц, характеризующий распределение частиц космических излучений данного типа по различным энергетическим диапазонам;
•	угловое распределение частиц, описывающее распределение потока частиц космических излучений по различным направлениям прихода к облучаемому объекту;
•	спектр линейной передачи энергии (ЛПЭ-спектр), характеризующий в данном случае эффективность поражения биологи
42
ческой ткани (коэффициент качества излучения определяется как функция от ЛПЭ).
Следует учитывать, что определенный вклад в поглощенную и эквивалентную дозу вносит также вторичное излучение (нейтроны, протоны, вторичные ядра), возникающее в защите космического аппарата и в теле космонавтов.
Галактические космические лучи
Как отмечалось в разд. 1.1, ГКЛ являются постоянно действующим источником космической радиации. Они состоят на 98% из тяжелых частиц (протоны и частицы с зарядом z > 2) и на 2% из электронов. Протоны (Z = 1) составляют 85% от полного состава частиц ГКЛ, ядра гелия (Z = 2) — 14%, ядра с Z > 3 — около 1% (Дорман Л.И., 1975).
Ядра с Z > 3 разделяются на группы: группа легких ядер (3<Z< 5, представительное ядро 4Вед), группа средних ядер (6< Z < 9, представительное ядро 7N14), группа тяжелых ядер (10 < Z < 19, представительное ядро 14 Si28) и группа очень тяжелых ядер (Z>20, представительное ядро 26Fe56). Наиболее изучен интервал энергий ГКЛ от нескольких десятков МэВ/нуклон до десятков ГэВ/нуклон, максимум спектров ГКЛ находится в области 200-500 МэВ/нуклон. Интегральный поток ГКЛ в межпланетном пространстве изменяется под действием солнечной модуляции и вблизи орбиты Земли составляет (1,8-4,5) см“2 с"1. В околопланетном пространстве из-за экранирующего действия тела планеты и планетарного магнитного поля эти величины могут быть существенно меньше. Поток частиц ГКЛ на орбите Земли вне ее магнитосферы считается изотропным.
Средний коэффициент качества частиц ГКЛ оценивается в 2,5-3,5 в зависимости от толщины защиты и условий облучения (Badhwar G.D. et al., 1994). Дифференциальные энергетические спектры ГКЛ вне магнитосферы Земли для заданного момента времени 22-летнего цикла солнечной активности могут быть представлены в аналитическом виде. Спектры частиц ГКЛ в момент времени t в жесткостном представлении вычисляют в соответствии с (ГОСТ 25645.150-90. БРЭКАКП Лучи космические галактические, 1991) по формуле
43
Fi (R, t) = {[Di x (P)«i) ] / (R)Yi} x {R / [R + R0(t)]}д < <*>,	(2.1)
где R — жесткость частиц, ГВ; t — момент времени, для которого проводят расчет, год; Р — отношение скорости частицы к скорости света в вакууме; Dj, a j, Yi, Aj (t) — параметры для каждого вида частиц, определяемые по таблицам и соотношениям из (ГОСТ 25645.150-90. БРЭКАКП Лучи космические галактические, 1991). Характерные значения показателя жесткостного спектра Yi = 2,6-2,9.
На низких околоземных орбитах (h < 500 км) уровень радиационного воздействия, обусловленный ГКЛ, зависит в основном от наклонения орбиты КА и в меньшей степени от высоты. Влияние геомагнитного поля на ГКЛ описывается вероятностью того, что частица с заданной жесткостью может проникнуть через магнитное поле Земли и достигнуть КА (Дорман Л.И., 1975). По разным оценкам (Дудкин В.Е., Ковалев Е.Е., Коломенский А.В., Сакович В.А., 1989), поглощенная и эквивалентная дозы от ГКЛ в тканеэквивалентном веществе на орбитах станций «Мир» и МКС за защитой 10 г/см2 А1 составят в период минимума С А, около 60-90 мкГр/сутки и 150-200 мкЗв/сутки соответственно, а в период максимума СА 40-60 мкГр/сутки и 100- 150 мкЗв/сутки. Как следует из приведенных выше оценок, дозы от ГКЛ на околоземных орбитах в период минимума С А приблизительно в 1,5 раза больше, чем в период максимума СА.
Современные методы расчета (Дудкин В.Е., Ковалев Е.Е., Коломенский А.В., Сакович В.А., 1989; ГОСТ 25645.150-90. Лучи космические галактические, 1991; Badhwar G.D. et al., 1994), основанные на транспортной барионной модели, позволяют надежно предсказывать среднесуточные дозы ГКЛ на околоземных орбитах при условии корректного задания функции экранированности рассматриваемой точки.
Радиационные пояса Земли
Радиационные пояса Земли образованы заряженными частицами с энергиями от 50 кэВ до 1000 МэВ, захваченными геомагнитным полем. Из них 98% составляют электроны и протоны. Энергетический спектр протонов РПЗ для характерной орбиты станций «Мир» и МКС может быть аппроксимирован в следующем виде (Авакян С.В., Вдовин А.И., Пустарнаков В.Ф., 1994):
44
Jp(>E) - (E)-Y,
(2.2)
где	у = 1,2 для 1 МэВ < Ep < 15 МэВ
и	у = 0,43 для 15 МэВ < Ер < 100 МэВ.
Характерной особенностью частиц РПЗ является резкая анизотропия их углового распределения. Превалируют потоки частиц, направленные преимущественно перпендикулярно вектору магнитной индукции:
<U/dQ = (Sina)k,	(2.3)
где a — питч угол частицы (угол между вектором магнитной индукции и вектором скорости частицы); к = (5 4-15). Кроме того, на высоте полета орбитальных станций имеет место западно-восточная асимметрия потоков захваченных протонов: поток протонов, приходящий с западного направления, может в несколько раз превышать поток с восточного направления (Бенгин В.В., Петров В.М., Шуршаков В.А., 1993.)
Потоки частиц РПЗ подвержены вариациям от десятков процентов до двух-трех порядков величины в зависимости от типа частиц, их энергии и степени возмущенное™ магнитосферы (Авакян С.В., Вдовин А.И., Пустарнаков В.Ф., 1994), характеризуемой, например, Кр-, Ар- или Dst-индексами. Потоки частиц РПЗ сильно зависят от высоты орбиты. Кроме того, из-за смещения центра геомагнитного диполя относительно центра Земли и наличия геомагнитных аномалий поток частиц РПЗ сильно меняется вдоль трассы полета орбитальных станций «Мир» и МКС (на фиксированной высоте полета), достигая максимума в районе Южно-Атлантической аномалии (ЮАА).
Средний коэффициент качества частиц РПЗ внутри станций оценивается в 1,4+ 2,0 для разных участков траектории полета. Снаружи станции значения коэффициентов качества могут быть выше.
Систематизация данных по энергетическим спектрам частиц в магнитосфере Земли проведена в созданных в США модельных описаниях АР8 и АЕ8 (Sawyer D.W., Vette J.I., 1976; Bilitza D., 1987) и в аналогичных им российских моделях (ГОСТ 25645.138-86. Пояса Земли радиационные естественные, 1986; ГОСТ 25645.139-86. Пояса Земли радиационные естественные, 1986). В этих моделях плотность потока электронов и протонов J
45
определяется для фазы минимума и максимума солнечной активности в зависимости от трех переменных: энергии частицы Е, индукции геомагнитного поля В и параметра магнитной оболочки L, отображающих потоки захваченных частиц в «естественной» геомагнитной системе BL — координат (McIlwain С.Е., 1966). К серьезным недостаткам используемых моделей можно отнести то, что угловое распределение частиц в них принимается изотропным, а потоки—независящими от уровня геомагнитной возмущенное™.
Характеристики моделей радиационных условий в РПЗ, разработанных в России и в США сопоставляются в табл. 2.1. Как следует из таблицы, модель США несколько шире описывает данные по параметру L, чем модель России. На высоте полета МКС в фазе максимума цикла солнечной активности потоки протонов РПЗ в 1,5-2 раза меньше, чем для фазы минимума. Для потоков электронов РПЗ имеет место обратная зависимость: в фазе максимума СА поток электронов максимален и в фазе минимума — минимален. В отсеках МКС на высоте полета 400 км в отсутствие солнечных протонных событий поглощенная доза, обусловленная РПЗ, составляет 55-75% суммарной и достигает 150-300 мкГр/ сутки.
Отметим, что основной особенностью дозиметрии частиц РПЗ является необходимость учета резкой анизотропии их угловых распределений, сильной пространственной неоднородности потоков частиц вдоль трассы полета станций и наличие вариаций потоков частиц РПЗ, обусловленных возмущенностью магнитосферы.
Таблица 2.1
Характеристики моделей радиационных условий в РПЗ, разработанных в США и в России
Параметры	США, электроны Bilitza D., 1987	США, протоны Sawyer D.W., Vette J.I., 1976	Россия, электроны ГОСТ 25645.139-86	Россия, протоны ГОСТ 25645.138-86
L	1,1-11	1,1-7	1,2-6,6	1,2-6,6
Е, МэВ	0,04-7	0,1-400	0,04-4	0,1-1000
В/Во	1-100	1-100	0,005-0,62	0,05-0,38
Примечание. Во — магнитное поле на заданной L-оболочке в экваториальной плоскости.
46
Солнечные космические лучи
Солнечные космические лучи (СКЛ) генерируются в процессе развития вспышек на Солнце (Мирошниченко Л.И., Петров В.М., 1985). Частицы, ускоренные при солнечной вспышке, включают электроны, протоны, альфа-частицы и более тяжелые ядра. Потоки тяжелых ядер пренебрежимо малы по сравнению с потоками протонов. Содержание альфа-частиц значительно меняется от вспышки к вспышке и составляет от 2 до 10% потока протонов СКЛ. По оценкам (Letaw I.R., Clearwater S., 1986) вклад в эквивалентную дозу тяжелых ядер СКЛ и создаваемого ими вторичного излучения за защитой больше 10 г/см2 А1 может существенно превысить вклад первичных протонов, поэтому требуется дальнейшее изучение состава СКЛ и необходимы измерения спектров ЛПЭ СКЛ.
При моделировании радиационной опасности солнечных вспышек обычно учитывают только протоны СКЛ с энергией больше 30 МэВ и события с относительно большим флюенсом протонов за вспышку. Средний коэффициент качества частиц СКЛ по данным измерений на станции «Мир» оценивается в 1,5-2,5 (Petrov V.M. et al., 1993). На распространение протонов СКЛ оказывает влияние плазма и магнитное поле в нижней короне Солнца и межпланетном пространстве, поэтому временной профиль потоков частиц часто бывает очень сложным. Время достижения частицами СКЛ расстояний 1 а.е. составляет в зависимости от их энергии и положения вспышки на Солнце от нескольких десятков минут до нескольких часов. Поток протонов достигает максимума между двумя часами и одними сутками после вспышки и спадает до уровня фона в период от нескольких дней до одной недели.
Динамика и величина потоков СКЛ существенно меняются от события к событию и зависят как от мощности солнечного протонного события (СПС), так и от расстояния по гелиодолготе от координаты вспышки до основания силовой линии регулярного межпланетного магнитного поля, соединяющей КА с поверхностью Солнца (долготное ослабление). Важнейшей характеристикой СПС являются энергетические спектры СКЛ. Наиболее распространенной формой представления энергетического спектра СКЛ является экспоненциальная зависимость в виде:
F(> R) = FR3o exp [(R30 - R)/Ro],	(2.4)
47
где R = у Е2 + 1876Е, MB; Ro — характеристическая жесткость спектра; R30 — жесткость при энергии протона 30 МэВ.
Другой довольно распространенной формой представления спектра является степенная зависимость от жесткости в виде:
F(> R) = FR30 [R/R3o1~y-	(2.5)
Предполагается, что характеристическая жесткость не зависит от величины флюенса СПС, а плотность распределения СПС по характеристической жесткости представляется логнормальной функцией в интервале значений Ro от 30 до 220 МВ.
На расстоянии 1 а.е. от Солнца (орбита Земли) дозовые нагрузки от вспышек изменяются в пределах от сотых долей до нескольких тысяч сГр за защитой 1 г/см2 А1. Однако вероятность того, что поглощенная доза от солнечной вспышки составит тысячи сГр, не превышает одного процента (Петров В.М., Коломенский А.В., Зиль М.В., 1979). Магнитосфера Земли препятствует проникновению потоков частиц СКЛ на околоземную орбиту. Проникновение СКЛ определяется, как и в случае с ГКЛ, главным образом наклонением орбиты и слабо зависит от ее высоты. Для орбиты станций «Мир» и МКС коэффициент ослабления дозы СКЛ (определяемый как отношение дозы СКЛ вне магнитосферы к поглощенной дозе на орбите) составляет 2 х 102 - 104 в зависимости от характеристической жесткости СКЛ и состояния магнитосферы (Зиль М.В., Коломенский А.В., Петров В.М., 1986). Необходимо также отметить, что для рассматриваемых орбит существуют «опасные» и «защищенные» витки в смысле радиационного воздействия СКЛ, что позволяет в принципе предпринимать специальные меры по защите космонавтов.
В настоящее время отсутствуют методики, позволяющие с требуемой точностью прогнозировать моменты возникновения вспышек на Солнце и обусловленные ими потоки СКЛ, поэтому при прогнозировании уровней радиационного воздействия СКЛ на экипаж при длительных космических полетах используются статистические оценки, основанные на уже имеющихся наблюдениях СПС. Наиболее развитой методикой долгосрочного прогноза радиационной опасности солнечных вспышек является методика, в основе которой лежит статистическая модель, принятая в качестве одного из действующих в России государственных стандартов
48
по радиационной безопасности космических полетов (ГОСТ 25645.134-86 Лучи космические солнечные, 1986. Основными компонентами модели являются функции распределения СПС по флюенсу протонов за событие, по характеристической жесткости спектра СКЛ и функция распределения СПС по времени. Эта модель будет использоваться нами при расчете радиационного риска в процессе межпланетного космического полета к Марсу (см. разд. 7).
Как отмечалось выше, при оценке радиационной опасности
солнечных и галактических космических лучей на околоземных орбитах необходимо учитывать защитный эффект геомагнитного поля. Как показано в работе (Зиль М.В., Коломенский А.В., Петров В.М., 1986), для орбиты станции «Мир» коэффициент ослабления дозы, который равен отношению дозы на орбите к дозе в
межпланетном пространстве при спокойном геомагнитном поле
изменяется от 10~4 для СКЛ с малой характеристической жесткостью (Ro = 40 МВ) до 10"2 при Ro > 150 МВ. Во время умеренных и сильных геомагнитных возмущений дозы от СКЛ возрастают и коэффициент геомагнитного ослабления может составлять от 0,1 до 0,05 (см. рис. 2.1).
В проводимых ранее
Рис. 2.1. Зависимость коэффициента ослабления дозы от СКЛ (К) от интенсивности геомагнитного возмущения U для круговой орбиты высотой 400 км с наклонениями 51 и 65° для толщин защиты 1 и 3 г/см2 (пунктирная кривая).
Кривые 1, 2, 3 и 4 для жесткостей спектров СКЛ 40, 100, 200 и 300 МВ (Зиль М.В., Коломенский А.В., Петров В.М., 1986)
расчетах поглощенных доз и рисков их превышения для случаев межпланетного и орбитального космических полетов для различных толщин защиты космического аппарата и наклонений орбиты методом Монте-Карло разыгры
49
вались моменты возникновения вспышек на Солнце, сопровождающиеся генерацией потока протонов, величины суммарного флюенса за вспышку Ф и характеристическая жесткость спектра Ro. Кроме того, в случае орбитальных полетов разыгрывались также вероятность совпадения момента вспышки и магнитного возмущения (магнитной бури), а также интенсивность магнитной бури (Петров В.М., Коломенский А.В., Зиль М.В., 1979; Зиль М.В., Коломенский А.В., Петров В.М., 1986). В этих расчетах использовали модельные представления, касающиеся радиационной опасности от СКЛ, проводились оценки возможных значений доз при осуществлении межпланетных космических полетов, а также анализировались данные расчетов и экспериментальных измерений среднесуточных доз при орбитальных полетах.
Анализируя результаты расчетов опасности от солнечных вспышек, представленные в этих работах, о зависимости рисков превышения различных доз, изменяющихся в широких пределах: от 10"1 до 103 сГр, для полетов в свободном космическом пространстве и орбитальных космических полетов, можно было оценить для одних и тех же значений рисков степень снижения дозовых нагрузок при переходе от полетов вне магнитосферы Земли к орбитальным полетам с различным наклонением орбиты. В частности, для орбит, соответствующих полетам станций «Мир» и МКС, для высоты 400 км и угла наклона плоскости орбиты 51°, кратность снижения дозы при переходе от межпланетного полета к орбитальному составляет более чем 60-100 раз и даже более.
Как показали расчеты, представленные в работах (Шафиркин А.В., 1999-в; Шафиркин А.В., Григорьев Ю.Г., Коломенский А.В., 2004; Шафиркин А.В., 2008) в случае межпланетного космического полета, увеличение толщины защиты радиационного убежища от 1 до 20 г/см2 приводит к уменьшению величины среднетканевой поглощенной дозы от СКЛ за полет в 16,5 раза и к существенному снижению величины радиационного риска. Учитывая существенное снижение дозы от СКЛ за реальной толщиной защиты бытового отсека КА (Хбо > 10 г/см2) при межпланетных полетах, а также то, что при переходе от межпланетного полета к орбитальному кратность ослабления дозы составляет 60-100 раз, можно при расчетах обобщенной дозы и радиационного риска для орбитальных полетов пока не рассматривать вклад СКЛ.
50
Нейтроны
При прохождении высокоэнергетичных частиц космической радиации через поглотитель (защита космического аппарата, тело космонавта, атмосфера Земли и т.д.) они участвуют в двух основных процессах — ионизация окружающей среды и образование ядерных реакций при столкновении с частицами, входящими в состав поглотителя. При этом во втором процессе образуется вторичное излучение, сложное по составу, энергии и с различными углами вылета из точки столкновения. Среди этого вторичного излучения выделяется нейтронный компонент, который, по предварительным оценкам, вносит значительный вклад в суммарную эквивалентную дозу космической радиации за защитой.
Верхние оценки эквивалентной дозы нейтронов для условий полета на станции «Мир» по данным расчетов и экспериментальных измерений в различном диапазоне энергии нейтронов расходятся существенно от 10 до 100 и более процентов от дозы заряженных частиц космической радиации (последнее значение для больших толщин защиты 40 г/см2 и более). Однако подобные оценки требуют дальнейшего уточнения в связи с неопределенностью в возможных зависимостях коэффициента качества от Л ПЭ и с различными условиями защищенности в различных отсеках станции «Мир». Для уточнения оценки вклада нейтронов необходимы подробные измерения ЛПЭ — спектра в области 103 кэВ/ мкм (при взаимодействии нейтронов с веществом ткани образуются ядра отдачи с ЛПЭ 103 кэВ/мкм, имеющие высокую биологическую эффективность радиационного поражения). Измеренные значения доз нейтронов в защищенных отсеках станции «Мир» и сопоставление с результатами расчетов будет проведено позже.
2.2.	Расчетные значения дозовых нагрузок от космических излучений на различные органы и ткани космонавтов
Расчет глубинного распределения поглощенной и эквивалентной дозы от толщины защиты от протонов РПЗ и СКЛ и многозарядных ионов ГКЛ на орбите станции «Мир» производился в соответствии с методиками, изложенными в (РД 25645.207-85
51
БРЭКАКП, 1986; РД 50-25645.208-86. БРЭКАКП, Методика расчета поглощенной дозы, 1986). На рис. 2.2 представлены глубинные распределения суточных доз протонов РПЗ и ГКЛ в зависимости от толщины защиты из алюминия на круговой орбите высотой 400 км и наклонением 51,6° для периода минимума и максимума СА.
 ГКЛ - поглощенная А РПЗ - поглощенная —О— ГКЛ - эквивалентная -Д-  РПЗ - эквивалентная
Рис. 2.2. Поглощенные и эквивалентные дозы за сутки на орбите станции «Мир» в зависимости от толщины защиты из алюминия
Задолго до полетов на разных стадиях проектирования возникает необходимость на основе проектной документации построения моделей защищенности КА для оценки радиационных воздействий на космонавтов в предстоящих полетах. Такие модели, в частности были построены для базового блока орбитальной станции (ОС) «Мир». Эти модели различаются степенью детализации оборудования и, следователь
но, точностью в определении функций экранированности.
До полета на МКС анализ проектной документации показал, что базовые блоки ОС «Мир» и МКС по геометрической форме и габаритным размерам одинаковы. Близки сначала были и массовые характеристики изделий. Поэтому для анализа распределения доз космических лучей (КЛ) в изделиях в данной работе на начальном этапе была использована модель защищенности ОС «Мир», разработанная ранее и использовавшаяся в работе (Коломенский А.В., Петров В.М., Шафиркин А.В., 1998). Для расчетов принимали также, что высота орбиты МКС составит около 400 км. В последующем в процессе уточнения конструкторской документации, изменения компоновки оборудования в процессе эксплуатации и после проведения специальных дозиметрических исследований было проведено уточнение модели защищенности раз
52
личных отсеков МКС. Эти материалы будут представлены в разд. 7 и 8 при расчетах радиационного риска для космонавтов в процессе проведения межпланетного полета к Марсу и при орбитальных полетах на станциях «Мир» и МКС, а также расчетах суммарного радиационного риска для космонавтов в течение всей их жизни.
Исходными данными для задания станции «Мир» служили геометрические данные и материалы по распределению масс, полученные из конструкторской документации (Демин В.П. и др., 1994). На рис. 2.3 представлена изометрическая схема объекта.
Рис. 23. Изометрическая схема станции «Мир» с изображенными на ней в разрезе: переходным отсеком (ПХО); центральным пультом управления (ЦПУ); салоном малого диаметра (СМД); салоном большого диаметра (СБД); каютой командира корабля (ККК) и штатным дозиметром Р-16
Всего потребовалось задать 48 поверхностей и 73 геометрические зоны. Для задания поверхностей потребовалось использовать 6 цилиндрических поверхностей, параллельных оси X, 2 конические поверхности, параллельные оси X, 5 поверхностей эллипсоида, 17 плоскостей, перпендикулярных оси X, 10 плоскостей, перпендикулярных оси Y, 6 плоскостей, перпендикулярных оси Z.
53
Вычисления функций экранированности производилось для мест, характерных для пребывания членов экипажа: переходной отсек (ПХО); ценральный пульт управления (ЦПУ); салон малого диаметра (СМД) — центральная часть; салон большого диаметра (СБД^ — центральная часть; салон большого диаметра (СБД2) — торец станции; каюта командира корабля (ККК); каюта бортинженера (КБИ); место размещения камеры радиометра (Р-16).
Расчет функций экранированности веществом ткани относительно представительных точек в фантоме проводили по методике, изложенной в (ГОСТ 25645.204-83 БРЭКАКП. Методика расчета экранированности, 1984). В качестве модели тела космонавта в данной работе принят сферический и антропоморфный фантомы (ГОСТ 25645.203-83 БРЭКАКП. Модель тела человека, 1984). Представительные точки шарового фантома моделируют расположение жизненно важных органов человека.
Точка на глубине 0,01 см от поверхности моделирует кожный покров (КП). Точка на глубине 0,3 см моделирует хрусталик глаза (ХГ). Точки на глубинах 5, 7 и 9 см моделируют соответственйо кроветворную систему (КТС), центральную нервную систему (ЦНС) и желудочно-кишечный тракт (ЖКТ). Состав и геометрические размеры антропоморфного фантома представлены на рис. 2.4. Расположение представительных точек в фантоме представлено на рис. 2.5.
На первом этапе для анализа закономерностей распределения дозовых нагрузок на экипаж во время полета нами проведены расчеты поглощенных и эквивалентных доз в представительных точках шарового фантома при его расположении вдоль оси X станции (Y = Z = 0). Радиус шарового фантома составляет 17 см. При расположении центра фантома на центральной оси станции представительные точки шарового фантома расположены на расстоянии от центра: 8 см для ЖКТ; 10 см для ЦНС; 12 см для КТС; 16,7 см для ХГ; 16,99 см для КП.
В работах (Коломенский А.В., Петров В.М., Шафиркин А.В., 1998; Шафиркин А.В., 1999-в; Петров В.М. и др. 2001; Шафиркин А.В. и др., 2002) проведены расчетные оценки значений среднесуточных поглощенных доз от ГКЛ и РПЗ в различных органах и тканях космонавтов для 8 зон станции «Мир»: переходного отсека (ПХО); центрального пульта управления (ЦПУ); салона малого диаметра (СМД) — центральная часть; салона большого диа-
54
Рис. 2.4. Габаритные размеры антропоморфного фантома и система координат.
(1 — голова; 2 — туловище; 3 — плечо; 4 — предплечье; 5 — бедро; 6 — голень)
Рис. 2.5. Расположение представительных точек в антропоморфном фантоме. (1; 5-13; 17-20 — представительные точки КТС; 2 — ЦНС; 3 и 4 — хрусталика глаза; 14-16 - ЖКТ;
21 и 22 — кожи)
метра (СБД0 — центральная часть; салона большого диаметра (СБД2) — торец станции; каюты командира корабля (ККК); каюты бортинженера (КБИ) и места размещения камеры радиометра (Р-16).
Расчеты проведены для стандартизованного шарового фантома, представляющего собой модель тела человека (ГОСТ 25645.203-83. Модель тела человека, 1984), который размещался в указанных выше зонах станции.
В табл. 2.2 и 2.3 представлены абсолютные и относительные значения поглощенных доз за сутки в различных тканях от ГКЛ и протонов РПЗ для периодов минимума и максимума СА. Максимальная доза соответствует дозе в отсутствии шарового фантома. При определении относительных величин доз за 1,0 принималось
55
расчетное значение поглощенной дозы в месте расположения камеры Д2 штатного радиометра Р-16.
Таблица 2.2
Значения среднесуточных доз (мкГр)в обитаемых зонах ОС «Мир» от протонов РПЗ и ГКЛ в период минимума солнечной активности
Доза	пхо	ЦПУ	смд	СБД,	СБДг	ккк	Р-16
Максимальная	1250 2,170	396 0,688	364 0,632	438 0,760	208 0,361	807 1,400	576 1,0
На кожу	752 1,306	274 0,476	259 0,450	301 0,523	156 0,271	511 0,887	—
На КТС	390 0,677	176 0,306	174 0,302	186 0,323	ИЗ 0,196	250 0,434	—
На ЖКТ	385 0,668	174 0,302	173 0,300	182 0,316	111 0,193	250 0,434	—
Примечание. Курсивом в таблицах представлены расчетные значения коэффициентов перехода от показаний дозиметра Д2 к значениям доз в представительных точках фантома.
Таблица 2.3
Значения среднесуточных доз (мкГр) в обитаемых зонах ОС «Мир» от протонов РПЗ и ГКЛ в период максимума солнечной активности
Доза	ПХО	ЦПУ	смд	С БД,	СБДг	ККК	р-16
Максимальная	581 2,136	213 0,783	205 0,754	231 0,850	127 0,467	369 1,367	272 1,0
На кожу	364 1,338	154 0,566	152 0,559	166 0,610	97 0,357	250 0,919	—
На КТС	218 0,801	108 0,397	109 0,400	114 0,419	73 0,268	145 0,533	—
На ЖКТ	204 0,750	101 0,371	103 0,379	106 0,390	71 0,261	141 0,518	—
В работах (Коломенский А.В., Петров В.М., Шафиркин А.В., 1998; Шафиркин А.В., 1999-в; Петров В.М. и др., 2001; Шафиркин А.В. и др., 2002) отмечено, что перепад доз по обитаемым зонам станции может существенно превосходить перепад доз вдоль оси станции и составлять около 6 раз.
56
Наиболее защищенным местом является зона в хвостовой части станции. Большой перепад доз объясняется заметным влиянием участков с ослабленной защитой (ПХО, ЦПУ, ККК и КБИ). Анализируя данные, представленные в табл. 3.1 и 3.2, можно видеть также, что перепад дозы от представительной точки — «кожа» до наиболее защищенной — «ЖКТ» для сферического фантома, помещаемого в разные обитаемые зоны, в основном не превышает коэффициента 3. Поглощенная доза на кожу составляет в среднем приблизительно 0,5 ±0,1 от расчетного значения дозы в месте расположения радиометра Р-16. Среднее значение поглощенной дозы на КТС и ЖКТ составляет лишь 35 ± 5 и 33 ± 5% соответственно от расчетной величины для радиометра Р-16. Следует отметить, что расчетные среднесуточные значения доз удовлетворительно согласуются с результатами измерений с помощью штатного прибора (камера Д2 радиометра Р-16), которые представлены в работе (Бондаренко В.А., Митрикас В.Г., Цет-лин, 1995). Анализ результатов измерений, проведенный в этой работе, показал, что среднесуточное значение поглощенной дозы в период максимума СА (1986—1990 гг.) составляло приблизительно 200 мкГр (20 мрад), а в период минимума СА — 500 мкГр (50 мрад).
До проведения полетов на международной космической станции были проведены сравнительные расчеты среднесуточных поглощенных и эквивалентных доз от ГКЛ и РПЗ в критических органах и тканях космонавтов при их нахождении в различных отсеках орбитальной космической станции «Мир». Как уже отмечалось выше, мы ранее предполагали, что они применимы и для расчетных оценок доз в отсеках МКС. В расчетах использованы в качестве модели тела человека стандартизованные шаровой и антропоморфный фантомы (ГОСТ 25645.203-83. БРЭКАКП Модель тела человека, 1984). Расчеты для антропоморфного фантома проведены для 4 зон орбитальной станции (ЦПУ, СБД2, KKKt и ККК2), в которых космонавты проводят достаточно значительное время. Дополнительно проведены расчеты максимальных значений поглощенных и эквивалентных доз в условиях отсутствия фантома в тех же отсеках станции, а также в месте расположения ионизационной камеры Д2 бортового радиометра Р-16.
В табл. 2.4 представлены значения среднесуточных поглощенных и эквивалентных доз в представительных точках шарового и антропоморфного фантомов от ГКЛ, РПЗ и суммарных доз в пе
57
риоды максимума и минимума СА на орбитальной станции «Мир» при наклонении орбиты 52° и высоте 400 км. В таблице не приведены значения доз для каюты бортинженера, поскольку они достаточно хорошо совпадают с соответствующими данными для каюты командира корабля, но представлены две разные точки в каюте командира корабля KKKj и ККК2, а также в ЦПУ и СВД2.
Анализируя представленные в этой таблице расчетные значения доз от ионизирующих излучений на критические ткани раздельно от ГКЛ и РПЗ, можно сделать ряд выводов. Для отсека каюты командира корабля (ККК) с относительно слабой защитой вклад в суммарную поглощенную дозу от ГКЛ для хрусталика глаза и кожи для периода минимума СА составляет 8%. В то же время для наиболее защищенного отсека (СВД2) вклад ГКЛ существенно возрастает и составляет 26%. Для кроветворной ткани в ККК вклад ГКЛ составляет 12,7% а в СВД2 — 27,4%. Мало изменялись представленные выше значения при переходе от минимума СА к периоду максимума СА.
Вклад ГКЛ в суммарную эквивалентную дозу (по сравнению с поглощенной дозой) в отсеках с относительно малой защитой на станциях «Мир» и МКС возрастает и составляет для кожи и кроветворной ткани 18,3 и 22,7%. В отсеках с относительно большой защитой вклад в ГКЛ в суммарную эквивалентную дозу остается приблизительно таким же, как и в поглощенную (24-25%). Анализируя данные, представленные в табл. 2.4, можно отметить, что расчетные значения поглощенных и эквивалентных доз в критических органах и тканях в представительных точках шарового фантома достаточно хорошо совпадают с соответствующими значениями доз для антропоморфного фантома (расхождение для большинства представительных точек не превышало 10%).
Это доказывает возможность использования фантома более простой формы при расчетах дозовых нагрузок на органы.
Ввиду значительного перепада расчетных среднесуточных значений поглощенных и эквивалентных доз в различных отсеках КА, важно для определения реальных величин среднесуточных (среднемесячных) поглощенных и эквивалентных доз в различных органах и тканях космонавтов учитывать реальную усредненную циклограмму по времени их нахождения в конкретных отсеках орбитальной станции. В первом приближении, предполагая, что 8 часов (во время сна) космонавты находятся в ККК, а остальное время их пребывания равномерно распределено между ЦПУ и
58
Таблица 2.4
Расчетные значения среднесуточных поглощенных (П), мкГр/сут и эквивалентных (Э) доз (мкЗв/сут) в представительных точках шарового (Ш) и антропоморфного (А) фантомов от ГКЛ, РПЗ и суммарные значения при полетах на станции «Мир* в периоды максимума и минимума СА
Критический орган, ткань	Вид фантома	Источник излучения	ЦПУ		СБДг		ККК1		КККг	
			Мин. СА П/Э	Макс. СА П/Э	Мин. СА П/Э	Макс. СА П/Э	Мин. СА П/Э	Макс. СА П/Э	Мин. СА П/Э	Макс. СА П/Э
Без фантома	-	ГКЛ	37,6/(98,2)	22,3/(69,5)	22,7/(42,6)	14,1/(28,4)	50,6/(216)	30,1/(142)	50,0/(160)	26,7/(109)
		РПЗ	214/(300)	128/(173)	67,4/(124)	43,7/(74,6)	780/(1071)	339/(449)	505/(691)	238/(315)
		S	252/(398)	150/(243)	90,1/(167)	57,8/(103)	831/(1287)	369/(591)	555/(851)	265/(424)
Хрусталик	Ш	ГКЛ	32,4/(78,0)	19,4/(54,1)	18,8/(34,4)	12,1/(23,3)	41,8/(154)	24,9/(102)	37,6/(117)	22,4/(80,2)
		РПЗ	158/(232)	96,2/(136)	53/ (104)	34,6/(62,1)	491/(676)	227/(303)	329/(457)	165/(222)
		Е	191/(310)	116/(190)	72,0/(138)	46,7/(85,4)	533/(830)	252/(405)	367/(574)	187/(302)
	А	ГКЛ	32,3/(77,9)	19,2/(54,0)	19,2/(35,0)	12,3/(23,7)	41,3/(150)	25,0/(101)	37,3/(116)	22,0/(80,0)
		РПЗ	157/(229)	95,8/(135)	54,1/(105)	35,2/(63,1)	467/(639)	219/(292)	317/(439)	161/(217)
		Е	189/(307)	115/(189)	73,3/(140)	47,5/(86,8)	508/(789)	244/(393)	354/(555)	183/(297)
Продолжение табл. 2.4
Критический орган, ткань	Вид фантома	Источник излучения	ЦПУ		СБДа		ККК1		КККг	
			Мин. СА П/Э	Макс. СА П/Э	Мин. СА П/Э	Макс. СА П/Э	Мин. СА П/Э	Макс. СА П/Э	Мин. СА П/Э	Макс. СА П/Э
Кожа	Ш	ГКЛ	32,4/(78,0)	19,4/(54,1)	18,8/(34,4)	12,1/(23,3)	41,8/(154)	24,9/(102)	37,6/(117)	22,4/(80,2)
		РПЗ	158/(232)	96,2/(136)	53,2/(104)	34,6/(62,1)	451/(676)	227/(303)	329/(457)	165/(222)
		Е	191/(310)	116/(190)	72,0/(138)	46,7/(85,4)	493/(830)	252/(405)	367/(574)	187/(302)
	А	ГКЛ	30,8/(75,6)	19,4/(54,0)	17,3/(31,7)	11,2/(21,5)	40,0/(146)	23,9/(96,9)	36,0/(111)	23,0/(80,0)
		РПЗ	149/(220)	90,6/(129)	49,2/(96,1)	31,9/(57,4)	470/(651)	216/(290)	314/(439)	156/(212)
		Е	180/(296)	110/(183)	66,5/(128)	43,1/(78,9)	510/(797)	240/(387)	350/(550)	179/(292)
Кроветворная ткань	Ш	ГКЛ	29,3/(63,9)	17,6/(42,5)	16,8/(29,4)	11,2/(20,2)	34,4/(95,1)	20,4/(67,5)	32,2/(81,3)	19,2/(56,6)
		РПЗ	104/(165)	72,2/(107)	43,8/(92,8)	28,6/(55,1)	225/(310)	127/(170)	174/(250)	102/(142)
		Е	133/(229)	89,8/(150)	60,5/(122)	39,8/(75,3)	259/(405)	147/(238)	206/(331)	122/(199)
	А	ГКЛ	27,8/(60,0)	17,6/(43,0)	15,4/(27,1)	10,2/(18,8)	34,0/(96,6)	20,3/(66,9)	31,3/(79,8)	19,0/(57,0)
		РПЗ	107/(170)	67,8/(102)	40,7/(85,3)	26,4/(50,8)	235/(328)	127/(174)	176/(254)	101/(141)
		£	135/(230)	85,4/(145)	56,1/(112)	36,6/(69,6)	269/(425)	147/(241)	207/(334)	120/(198)
Примечание. Для точки размещения дозиметра Р-16 расчетные значения поглощенных доз за сутки от ГКЛ и РПЗ составили для периода минимума С А 41,2 и 553 мкГр/сут, для периода максимума С А — 24,8 и 247 мкГр/сут, а эквивалентные дозы — 167 и 759 мкЗв/сут и 109 и 331 мкЗв/сут для периодов минимума и максимума СА соответственно.
СБД2, на основе вышеприведенных данных можно оценить, что среднесуточная поглощенная доза на кожу космонавтов для орбитальных станций «Мир» и МКС составит в период минимума СА 40% от показаний ионизационной камеры Д2 радиометра Р-16, а в период максимума СА (для невозмущенной радиационной обстановки) — 46%. Среднекостномозговая доза при этих условиях составит для периодов минимума и максимума СА соответственно 24 и 31% от показаний радиометра Р-16.
2.3.	Оценка дополнительного вклада излучения вторичных нейтронов в среднесуточную величину эквивалентной дозы при осуществлении орбитальных космических полетов на станции «Мир* на основе экспериментальных измерений
При расчете дозовых нагрузок на космонавтов при орбитальных полетах помимо частиц ГКЛ необходимо учитывать протоны, образующие внутренний пояс Земли. При этом расчет доз от этих источников и их вторичного излучения значительно усложняется ввиду необходимости учета прохождения частиц через защиту космического аппарата, но и через магнитное поле Земли, экранирующее ее. Кроме того, при оценке доз от вторичных нейтронов следует учитывать не только нейтроны, возникшие в конструкции корабля (так называемые локальные нейтроны), но и вторичные нейтроны, образующиеся в реакциях космического излучения с ядрами атмосферы Земли (альбедные нейтроны). В настоящее время расчетным путем полностью учесть вклады в суммарную дозу этих двух основных источников нейтронов — достаточно сложная задача.
Другим методом получения информации о вторичных нейтронах при полете космических аппаратов на околоземных орбитах является экспериментальный метод, где, как правило, в качестве дозиметров использовались пассивные детекторы (слои ядерной фотоэмульсии, делящиеся фольги и т.д.), не требующие телеметрии и имеющие малые веса и габариты. Такие исследования за последние 20 лет были проведены на различных космических аппаратах, имеющих разные параметры орбит (высота полета, угол наклона плоскости орбиты к плоскости экватора), полеты проводились при разных фазах солнечной активности, детекторы были
61
расположены за разными толщинами защиты. Среди таких аппаратов отметим ИСЗ серии «Космос», биологические спутники, а в последние годы — американские корабли многоразового пользования типа «Спейс-Шаттл» (Dudkin V.E. et al., 1990, 1992; Badhwar G.D. et al., 1995).
В течение нескольких лет внутри орбитальной пилотируемой станции ОС «Мир» были измерены дифференциальные энергетические спектры нейтронов в широком диапазоне энергий. Измерения проводились с использованием независимых экспериментальных методик (Дудкин В.Е., Мелкумян Л.В., Плющев В.А., Потапов Ю.В., 1993; Севастьянов В.Д., Тарновский Г.Б., Лягушин В.И., 1997). Для определения значений дифференциальных энергетических спектров нейтронов использовались два экспериментальных метода — метод делящихся фолы (ДФ) и метод ядерных фотоэмульсий (ЯФЭ).
Для изучения спектров был разработан набор детекторов на основе реакции деления. Для формирования энергетической чувствительности детекторов были применены экраны из различных материалов. В качестве трековых регистраторов осколков деления использовалась слюда-мусковит. Принимались во внимание возникающие при этом трудности, связанные с учетом деления нуклидов не только от нейтронного, но и от протонного излучения, а также учет спонтанного деления нуклидов. Восстановление спектра нейтронов было проведено с использованием программы «Проспект», неоднократно апробированной ранее при решении аналогичных задач. Диапазон спектра нейтронов, измеренный этим методом, простирается от 10-8 до 104 МэВ. Набор указанных детекторов экспонировался внутри модуля «Квант», при эффективной толщине защиты более 20 г/см2 А1 в период времени с 27 сентября 1990 г. по 10 августа 1992 г. Аналогичный набор детекторов нейтронов был использован при измерении спектра нейтронов, генерируемых протонным пучком с энергией 70 МэВ на изохронном циклотроне У-240 института ядерных исследований г. Киев (Севастьянов В.Д., Тарновский Г.Б., Лягушин В.И., 1997).
Другим экспериментальным методом определения энергетического спектра нейтронов являлся метод ядерных фотоэмульсий (ЯФЭ). В области быстрых нейтронов (с Е > I МэВ) измерения проводились по методу протонов отдачи, возникающих при упругом рассеянии нейтронов на свободном водороде, входящем в со
62
став ЯФЭ. Учет выхода треков протонов отдачи из объема слоя ЯФЭ осуществлялся введением соответствующих поправок в аппаратурный спектр. В области энергии промежуточных нейтронов с Е < 1 МэВ их спектр определялся с использованием ЯФЭ с добавлением солей лития, что давало возможность регистрировать нейтроны по реакции Li6(n, Не4)Н3. В слоях ЯФЭ отыскивались «вилки» (следы ядер гелия и трития, вылетающих из одной точки), в которых затем проводились измерения длин следов ядер и угол их разлета. По этим данным, с учетом сечения реакции, определялись кинетические энергии нейтронов, имитирующих развалы ядер лития. В результате применения этих двух методов, связанных с использованием слоев ЯФЭ, были определены энергетические спектры нейтронов в диапазоне от 10“2 до 15 МэВ. Эти детекторы экспонировались внутри ОПС «Мир», в контейнере, где хранятся кинофотоматериалы экспедиций. По оценкам, эффективная толщина защиты этого места составляла более 40 г/см2 А1, время экспозиции — с 06 июня 1991 г. по 16 октября 1991 г.
Из литературы (Armstrong T.W. et al., 1973) известно, что величина плотности потока вторичных нейтронов, образованных в атмосфере Земли под действием частиц галактического космического излучения с энергией от тепловых до 20 МэВ, растет с увеличением глубины атмосферы, по крайней мере, до 50-70 г/см2 (расчеты, подтвержденные экспериментально). По-видимому, следовало ожидать аналогичное явление возрастания плотности потока нейтронов при увеличении величины эффективной толщины защиты космического аппарата на околоземной орбите, т.е. ожидалось, что величина потока нейтронов, полученная методом ЯФЭ (при защите более 40 г/см2 ) будет превышать аналогичные величины, полученные методом делящихся фолы при меньшей эффективной толщине защиты. Это предположение подтвердилось во всем измеряемом диапазоне энергии нейтронов.
Результаты измерений, полученные с помощью пассивных детекторов сравнивались с литературными данными (Богомолов А.В. и др., 1995) при энергиях нейтронов Еп от 20 до 400 МэВ. Измерения в этом исследовании проводились с помощью неорганического сцинтилляционного детектора на борту орбитального комплекса (ОК) «Салют-7 — Космос-1686», имеющего близкую к ОС «Мир» орбиту полета. В работе (Богомолов А.В. и др., 1985) приведена зависимость величины потоков нейтронов, измеренных
63
в эксперименте на ОС «Мир», от места измерения и пороговой магнитной жесткости для пяти интервалов энергий нейтронов: 20-40; 40-60; 60-100; 100-200 и 200-400 МэВ.
Отметим дополнительно, что по данным работы (Севастьянов В.Д., Тарновский Г.Б., Лягушин В.И., 1997) полная плотность потока нейтронов с энергией от 1О“10 до 104 МэВ составляет 5,21 нейтр/см2 сек, и вклад нейтронов с энергией ниже 10 кэВ составляет лишь 7% от полной плотности потока. Полный флюенс нейтронов равен 3,1 х 108 нейтр/см2.
В упомянутых выше работах (Dudkin V.E. et al., 1990, 1992; Badhwar G.D. et al., 1995) показано, что значение мощности эквивалентной дозы нейтронов с энергией от 1,0 до 15 МэВ не превышает 50% от эквивалентной дозы, обусловленной заряженными частицами. В этих работах отмечалось, что величина эффективной толщины защиты, окружавшей детекторы, не превышала 20 г/см2 А1. В данном эксперименте детекторы ЯФЭ были расположены в контейнере, эффективная толщина защиты которого составляла около 40 г/см2 А1. Это обстоятельство, а также отмеченные факты увеличения выхода вторичных нейтронов с ростом толщины защиты, позволяют предположить возможность существенного увеличения вклада в суммарную эквивалентную дозу нейтронного компонента при больших толщинах защиты. С использованием полученных экспериментальных данных о спектрах и суммарных флюенсах нейтронов в различных диапазонах энергий были проведены расчеты значений эквивалентных доз нейтронов в рассматриваемых диапазонах энергий.
В последние годы система дозиметрических единиц для радиационной защиты значительно изменилась. Главной единицей, рекомендованной для использования ее в исследованиях с проникающей радиацией, является амбиентная эквивалентная доза Н(10), которая определена как эквивалентная доза на глубине 10 мм на главной оси сферы диаметром 30 см, облученной пучком частиц, параллельным главной оси сферы (Sannikov A.V. and Savitskaya E.N., 1993). Результаты расчетов плотностей потоков нейтронов в различных диапазонах их энергий, а также доз нейтронов, полученные в работе (Дудкин В.Е. и др., 1998), представлены в табл. 2.5.
64
Таблица 2.5
Значения плотности потоков нейтронов (Р, нейтр/см2 сек) и мощности эквивалентной амбиентной дозы нейтронов (Н, мкЗв/сутки), измеренные внутри ОС «Мир*
Энергия нейтронов, МэВ	Экспериментальные методы			
	делящиеся фольги, 8 = 20 г/см2		Ядерные фотоэмульсии, 8 = 40 г/см2	
	Р	н	Р	н
«гЧо-1	0,7	2,3	1,18	3,3
кгЧо0	1,35	15	2,08	23
юЧо1	1,40	32	1,86	50
юЧо2	1,40	28	—	36*
юЧо4	0,1	13	—	18*
Е	4,95	90	—	130
Примечание. * — экстраполированные по энергии данные на основе дифференциальных энергетических спектров.
Анализ данных, приведенных в табл. 2.5, позволяет сделать следующие основные выводы:
•	наибольший вклад в суммарную плотность потока нейтронов и обусловленную ими мощность эквивалентной дозы составляют частицы с энергией от 100 кэВ до 100 МэВ;
•	превышение числа нейтронов при толщине защиты 40 г/см2 над числом нейтронов при толщине защиты 20 г/см2 составляет 30-40% во всех диапазонах измеренных энергий нейтронов;
•	при проведении оценок эквивалентных доз лишь от нейтронов с энергией от 1 МэВ до 15 МэВ (как это делалось в более ранних работах, например, в (Dudkin V.E. et al., 1990, 1992; Badhwar G.D. et al., 1995) определялось лишь около 30% эквивалентной дозы от суммарной дозы нейтронов, что указывает на необходимость при проведении последующих экспериментов осуществлять измерения в более широком диапазоне энергии нейтронов (от 100 кэВ до 100 МэВ).
Сравнение значений эквивалентных доз ионизирующих излучений (суммарно ГКЛ и РПЗ), которые представлены в табл. 2.4
65
для различных отсеков станции «Мир» при осуществлении полетов в периода максимума СА, с данными, представленными в табл. 2.5, показывает, что при больших толщинах защиты суммарная эквивалентная доза нейтронов (Н) может быть соизмерима или даже превышать значение эквивалентной дозы от ионизирующих излучений. Так, при толщине защиты 40 г/см2 А1 оценка величин Н для нейтронов составляет 130 мкЗв/сутки и превышает суточную среднекостно-мозговую эквивалентную дозу от ионизирующих излучения ГКЛ + РПЗ. Для салона большого диаметра (СБД2) эта доза составляет в шаровом фантоме 75,3 мкЗв/сут, а в антропоморфном 69,6 мкЗв/сут.
На основании вышеизложенного следует сделать вывод о существенности вклада вторичных нейтронов в суммарную эквивалентную дозу, обусловленную космическим излучением, особенно на околоземных орбитах при увеличении толщины защиты. Кроме того, очевидна необходимость проведения дальнейших экспериментальных исследований нейтронного компонента на борту ОС «Мир», а в последующие годы на международной космической станции.
2.4.	Сравнительный анализ результатов расчета дозовых нагрузок на космонавтов и данных дозиметрических и спектрометрических измерений
на орбитальных станциях «Мир* и МКС
С целью проверки результатов расчетов по представленным в литературе моделям ГКЛ и РПЗ и их верификации мы провели сравнение вышеприведенных расчетных значений поглощенных доз с результатами измерений поглощенных доз на станции штатными дозиметрами (ионизационные камеры прибора Р-16 с датчиками Д1 и Д2 и ТЛД, входящие в сборки индивидуальных дозиметров), прибором ИПД-2, спектрометрами НОЗИКА, тканеэквивалентным пропорциональным счетчиком (ТЭПС) и сборками пассивных термолюминесцентных дозиметров.
Анализ современных данных экспериментальных измерений на борту орбитальной станции «Мир» за последние годы, когда использование спектрометров с высоким временным разрешени
66
ем позволило производить измерения уровней доз отдельно от ГКЛ и РПЗ показало, что вклад ГКЛ в суммарную мощность дозы является на самом деле существенно большим. В разных сериях измерений за период 1995-1996 гг. с помощью приборов Доза А1 и ТЭПС получено, что мощность поглощенной дозы от ГКЛ заключена в диапазоне 110,6 +135,0 мкГр/сут (Badhwar G.D., Atwell W., Cash В et al., 1996; Badhwar G.D., Konrady A., Atwell W. et al., 1996; Черных И.В., Бенгин В.В., Иванов Ю.В. и др., 1998), что значительно выше, чем расчетное значение по модели для различных отсеков станции «Мир» (22,6-50,6 мкГр/сут). Применительно к точке размещения бортового дозиметра Р-16 измеренные значения превышали расчетное значение (40 мкГр/сут) в 3,4 раза. С целью максимальной оценки радиационной опасности для космонавтов при последующих расчетах радиационного риска расчетные величины мощностей доз от ГКЛ были увеличены в 3,4 раза. Для орбиты станции «Мир» при полетах в период минимума С А значение мощности поглощенной дозы от ГКЛ было принято равным 135 мкГр/сут.
С другой стороны анализ показал, что расчетные значения среднесуточных поглощенных доз на станции «Мир» от излучения РПЗ по модели АР-8 MIN для периода минимума СА в 1,85-2 раза превышают фактически измеренные значения мощностей доз от РПЗ с помощью бортовых спектрометров и превышают суммарные значения мощностей доз по показаниям практически всех активных и пассивных дозиметров, размещенных на борту станции за период 1994-1997 гг. (Badhwar G.D., Atwell W., Cash В et al., 1996; Badhwar G.D., Konrady A., Atwell W. et al., 1996; Черных И.В., Бенгин В.В., Иванов Ю.В. и др., 1998).
Выбрав максимальное значение мощности дозы от ГКЛ, которое представлено выше, и уменьшив в 2 раза расчетное по модели АР-8 MIN среднесуточное значение дозы от излучения РПЗ, мы получили, что суммарное значение поглощенной дозы на борту станции «Мир» от ионизирующих излучений ГКЛ и РПЗ для периода минимума СА должно составлять 412 мкГр/сут (применительно к точке размещения бортового дозиметра Р-16). Это значение в максимальной степени коррелирует с результатами измерений на борту станции «Мир» за экспедиции ЭО-18 ч ЭО-22, проходившие в период минимума СА (Бондаренко В.А., Митри-кас В.Г., Цетлин В.В., 1995; Badhwar G.D., Atwell W., Cash В et al., 1996; Badhwar G.D., Konrady A., Atwell W. et al., 1996; Benghin V.V.,
67
Petrov V.M., Ivanov Yu.V. et al., 1996; Черных И.В., Бенгин В.В., Иванов Ю.В. и др., 1998; Петров В.М. и др., 2001).
Используя значения коэффициентов качества излучений, которые использовались ранее в расчетах, были получены также среднесуточные значения мощностей локальных эквивалентных доз на станции «Мир» и МКС для периода минимума СА.
С целью установления максимального верхнего предела радиационного риска для космонавтов при проведении орбитальных космических полетов на основе литературных данных провели также оценку вклада в поглощенную и эквивалентную дозу вторичных нейтронов (см. подразд. 2.3). Мы проанализировали также результаты измерения спектров ЛПЭ вторичных нейтронов, возникающих в конструкции корабля (так называемые локальные нейтроны), и нейтроны, образующиеся в реакциях космического излучения с ядрами атмосферы (альбедные нейтроны). Были сопоставлены среднесуточные значения доз на орбите станции «Мир», полученные авторами как в отдельном узком диапазоне, так и для широкого спектра нейтронов. Максимальные оцененные значения эквивалентных доз за сутки от нейтронов для орбиты станции «Мир» при полете в период максимума С А составили: при толщине защиты 50 г/см2 — 180 мкЗв/сут, при толщине защиты 40 г/см2 — 130 мкЗв/сут, при толщине защиты 20 г/см2 — 90 мкЗв/сут (Дудкин В.Е., Мелкумян Л.В., Плющев В.А., Потапов Ю.В., 1993; Севастьянов В.Д., Тарновский Г.Б., Лягушин В.И., 1997; Дудкин В.Е. и др., 1998).
Рассматривая среднюю толщину защиты станции равной 20 г/см2 и среднюю экранирующую толщину для представительной точки кроветворной ткани в стандартизованном шаровом фантоме при изотропном падении равной 10 г/см2, мы оценили вклад нейтронов в суммарную мощность эквивалентной дозы равным 110 мкЗв/сут. Вклад нейтронов в локальную эквивалентную дозу за сутки при отсутствии фантома может быть принят равным 90 мкЗв/сут.
Уточненные расчетные значения среднесуточных поглощенных и эквивалентных доз при орбитальных полетах на станциях «Мир» и МКС от ГКЛ, РПЗ и суммарные величины доз от ионизирующих излучений (DH), дозы от нейтронов (DH), суммарные среднесуточные дозы для плотноионизирующих излучений (DnH) представлены в табл. 2.6.
68
Таблица 2.6
Значения мощностей поглощенных (мкГр/сут) и эквивалентных (мкЗв/сут) доз от ГКЛ, РПЗ, мощности дозы суммарно от ионизирующих излучений DH (ГКЛ + РПЗ), мощности дозы от нейтронов (DH) и суммарно для плотноионизирующих излучений с высокими ЛПЭ (Dnm + DH), а также суммарной дозы на орбитальных станциях «Мир» и МКС (Шафиркин А.В., 1999в)
Источники излучений	Максимум СА				Минимум СА			
	Поглощенная доза, мкГр/сут		Эквивалентная доза, мкЗв/сут		Поглощенная доза, мкГр/сут		Эквивалентная доза, мкЗв/сут	
	Фло«)	(D«p)		(Ц»>)		(D^,)	Фло.)	Ф«р>
ГКЛ	80,0	53	350	137	135	90	545	205
РПЗ	123,5	36	165	53	277	60	380	90
Dm (ГКЛ+РПЗ)	203,5	89	515	190	412	150	925	295
Нейтроны (DH)	—	—	90	110	—	—	200	250
Опи (Огкл + DH)	—	—	440	247	—	—	745	455
Ds	—	—	605	300	—	—	1125	545
Огкл / Ои, %	39	60	68	72	33	60	59	70
^ПИ / Dp %	—	—	73	83	—	—	67	80
Примечание. Представлены локальные дозы (Влок) в отсутствии фантома для точки размещения бортового дозиметра Р-16 и средние значения за сутки для кроветворной ткани в шаровом фантоме (DKp) в предположении равномерного нахождения космонавтов по циклограмме в основных отсеках станции, включающих центральный пульт управления (ЦПУ), салон большого диаметра (СБД2) и каюту командира корабля (ККК).
Это локальные дозы (Элок) в отсутствии фантома для точки размещения бортового дозиметра Р-16 на станции «Мир» и для кроветворной ткани в шаровом фантоме (DKp) для варианта равномерного времени нахождения в различных отсеках станции. В
69
этой таблице представлен также относительный вклад ГКЛ от дозы ионизирующих излучений DH, %, а также вклад плотно-ио-низирующих излучений ГКЛ и нейтронов в суммарную эквивалентную дозу, что было важно для последующих расчетов радиационного риска.
Еще до полетов на международной космической станции мы ранее предполагали, что базовые блоки ОС «Мир» и МКС по геометрической форме, габаритным размерам приблизительно одинаковы и что близки массовые характеристики изделий. Поэтому для анализа распределения доз космических лучей в базовом блоке МКС временно была использована модель защищенности ОС «Мир», разработанная ранее. Поэтому значения доз на станциях «Мир» и МКС предполагали, что будут теми же самыми.
Из данных табл. 2.6 легко отметить, что значения мощности эквивалентной дозы для кроветворной ткани за счет протонов РПЗ существенно снижаются по сравнению с данными, рассчитанными для локальной дозы в отсутствии фантома в области размещения дозиметра Р-16, но увеличивается вклад в дозу от вторичного излучения и нейтронов.
В табл. 2.7. проводится сравнение среднесуточных значений поглощенных доз, измеренных на станции «Мир» различными детекторами в период минимума СА (экспедиции ЭО-18 и ЭО-22), по отношению к расчетному значению поглощенной дозы от ионизирующих излучений DH (ГКЛ + РПЗ), равному 412 мкГр/сут, которое представлено в табл. 2.6. В случае нескольких серий экспериментов представлен диапазон изменения измеренных величин по отношению к данному расчетному значению (Шафиркин А.В., 1999в).
Данные табл. 2.7 показывают, что расчетное значение суммарной мощности поглощенной дозы от ГКЛ и РПЗ на орбите станции «Мир» для периода минимума СА, представленное в табл. 2.6, достаточно хорошо соответствует экспериментально измеренным значениям российскими, американскими, французскими и другими исследователями. Основной массив измеренных данных не отличается от расчетных значений более чем на 20%. Результаты, полученные на основе штатного дозиметра Р-16 и данные более подробных исследований с использованием спектрометров с хорошим временным разрешением, позволяющие раздельно определять мощность дозы от ГКЛ и РПЗ, практически совпадают с расчетными значениями.
70
В разд. 6 при обосновании понятия обобщенная доза и учете характера распределения дозы по телу будет показано, что при воздействии с относительно малым значением мощности дозы среднекостномозговая эквивалентная доза совпадает с равноценной эквивалентной дозой и незначительно отличается от среднетканевой дозы. Значение коэффициента пространственной неравномерности радиационного воздействия КРБ применительно к оценкам ближайших в процессе полета неблагоприятных эффектов в этом случае может быть близко к 1,0.
Таблица 2.7
Измеренные значения мощностей поглощенных доз активными и пассивными детекторами на станции «Мир* при полетах в период минимума СА (значения по отношению к расчетной величине
412 мкГр/сут)
Методы дозиметрии и детекторы	Отношение измеренных доз к расчетной величине, Оизм / Орасч
Среднее значение по данным штатного прибора Р-16 (датчики Д1 и Д2 за период 1994-1997 гг.	0,99-1,03
Спектрометр с использованием тканеэквивалентного пропорционального счетчика (ТЭПС)	0,99-1,01
Термолюминесцентные сборки (среднее значение по отсекам станции и по сериям экспериментов). Эксперименты по программе «Мир-Шаттл» и индивидуальные дозиметры экипажей за экспедиции основные ЭО-18 — ЭО-23	0,77-0,85
Прибор Доза А1	0,75
Прибор «Пиле»	1,1
Спектрометр «Нозика»	1,2
Для вычисления обобщенной дозы от детерминированных источников и расчетов радиационного риска (разд. 7 и 8) принимали
71
указанные в табл. 2.6 значения среднесуточных среднекостномозговых эквивалентных доз на орбитах станции «Мир». Среднекостномозговые дозы для плотноионизирующей компоненты DniI (ГКЛ + нейтроны) для орбиты станции «Мир» для периодов минимума и максимума СА оценены равными 455 и 247 мкЗв/сут (45,5 и 24,7 мбэр/сут) соответственно. Среднекостномозговые среднесуточные дозы от РПЗ для указанной орбиты и периодов СА оценены равными 90 и 53 мкЗв/сут (9,0 и 5,3 мбэр/сут). Суммарные значения эквивалентной дозы на костный мозг будут для периодов минимума и максимума СА составлять 545 и 300 мкЗв/ сут (54,5 и 30 мбэр/сут).
АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОДХОДОВ К ОЦЕНКЕ РАДИАЦИОННОЙ
А)	ОПАСНОСТИ ДЛЯ КОСМОНАВТОВ
в ПРОЦЕССЕ МЕЖПЛАНЕТНЫХ И ОРБИТАЛЬНЫХ КОСМИЧЕСКИХ ПОЛЕТОВ.
КЛИНИКО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОБЩЕНИЕ ВОЗМОЖНЫХ БЛИЖАЙШИХ НЕБЛАГОПРИЯТНЫХ ЭФФЕКТОВ
К периоду начала орбитальных космических полетов в радиобиологической литературе как в СССР, так и за рубежом за 60-летний период были представлено большое число клинических материалов по практическому применению ионизирующих излучений для лечения злокачественных опухолей различных органов и тканей. Использовалось, как правило, локальное ограниченное по площади рентгеновское или гамма-облучение в больших дозах. С целью сохранения кожи при глубоко расположенной опухоли применяли различные режимы многократного фракционированного облучения. В редких случаях по необходимости осуществляли фракционированное облучение почти всего тела. При этом по мере увеличения дозы отмечалось в первые часы после облучения ухудшение самочувствия пациентов, связанное с развитием первичной лучевой реакции. Материалы по частоте и времени проявления различных ближайших неблагоприятных эффектов в зависимости от дозы нашли свое отражение в литературе. Представлены практически все редкие случаи облучения людей в различных, в том числе больших дозах при авариях на реакторах, ускорителях и при работе с источниками ионизирующих излучений в атомной промышленности. Описаны подробно реакции организма и методы лечения лучевых поражений (Гуськова А.К., Байсоголов Г.Д., 1971).
В связи с гонкой ядерных вооружений в 1940-1950-е годы и широким развитием атомной промышленности с целью устране
73
ния ядерной угрозы и обеспечения безопасности населения в разных странах создаются радиобиологические центры и лаборатории для изучения ближайших реакций организма млекопитающих и оценки возможных отдаленных последствий при облучении в различных дозах. Были изучены изменения в различных системах организма млекопитающих после острых однократных и повторных облучений в сравнительно больших дозах. На ряде крупных млекопитающих и на большом числе мелких лабораторных животных ставилось значительное число экспериментов по хроническому их облучению с различной мощностью дозы в течение всей жизни с целью изучения формирования радиационного поражения и определения возможного сокращения продолжительности их жизни. Были представлены в литературе ряд моделей эффективной остаточной дозы, описывающих с учетом восстановительных процессов закономерности формирования радиационного поражения и изменение устойчивости организма животных после острых радиационных воздействий в различных дозах и в процессе протяженных облучений (Блэр X., 1958; Девид-сон Г.О., 1960; Blair Н.А., 1962, 1964; Mewissen DJ. et.al., 1957; Sacher G.A., Grahn D., 1964; Grahn D., Sacher G.A., 1968; Акоев И.Г., 1970; Григорьев Ю.Г., 1975).
Основные изменения в период разгара лучевой болезни, определяющие ее тяжесть и возможность благоприятного исхода, а также вероятность гибели в ближайшие 30-60 суток, связаны со степенью поражения стволовых кроветворных клеток и глубиной аплазии клеток в костном мозге и периферической крови. Поэтому целью подавляющего числа работ было исследование характера развития поражения в системе кроветворения (как основной критической системы организма), а также разработка методик по снижению глубины цитопенических реакций в системе и увеличению скорости восстановления числа лейкоцитов и тромбоцитов в крови.
Значительное число исследований посвящено также изучению степени поражения и восстановления в системе сперматогенеза, а также в ряде других радиочувствительных быстро обновляющихся тканей организма: желудочно-кишечном эпителии и эпидермисе.
В разд.1 нами было показано, что воздействие солнечных космических лучей при развитии мощных СПС может представлять значительную опасность для космонавтов при осуществлении
74
межпланетных космических полетов. Дозы за малыми толщинами защиты космического аппарата могут быть очень высокими, что не только может привести к серьезному нарушению работоспособности и жизнеспособности космонавтов за счет развития первичной лучевой реакции (ПЛР), но имеется значительный риск развития тяжелой степени лучевой болезни и даже смертельного исхода при этих дозах.
Применительно к проблеме обоснования допустимых доз и обеспечения радиационной безопасности космических полетов в обобщающих работах проведен всесторонний анализ материалов по зависимости от дозы ПЛР и характера развития лучевой болезни при действии рентгеновского и гамма-излучений, а также протонов высоких энергий (Блэр X., 1958; Langham W.H., Brooks F.M., Grahn D., 1965; Radiobiological factors in manned space flight., 1967; Биологическое действие протонов высоких энергий, 1967; Григорьев Ю.Г., Раевская С.А., Аврунина Г.А., 1970; Акоев И.Г., 1970; Гуськова А.К., Байсоголов Г.Д., 1971; Григорьев Ю.Г., 1975; Григорьев Ю.Г., Тобайес К., 1975 и др.). В этих работах, как и в большинстве других рассматривались в основном ближайшие неблагоприятные эффекты, которые могли бы иметь место у человека в результате облучения в различных дозах, которые могли бы приводить к ухудшению состояния различных систем организма животных и их устойчивости к экстремальным нагрузкам, а также работоспособности и жизнеспособности человека в условиях космического полета.
В настоящем разделе книги проводится обобщение проводимых в СССР и за рубежом исследований, касающихся именно ближайших неблагоприятных последствий для работоспособности человека и изменения его жизнеспособности после облучения в различных дозах. Эти материалы составляли основу для разработки первых и последующих, вплоть до 1985 г., нормативов, ограничивающих уровни облучения космонавтов в процессе осуществления космических полетов различной продолжительности.
3.1.	Вероятность и характер развития первичной лучевой реакции в результате острых облучений в различных дозах
В условиях кратковременного и длительных космических полетов определенную опасность, как нами было показано, представляют солнечные космические лучи (СКЛ) при развитии солнечных
75
протонных событий (СПС). При дозах, превышающих 25 сЗв, серьезную опасность в отношении работоспособности и жизнеспособности членов экипажа космического аппарата может представить первичная лучевая реакция (ПЛР). Степень ее проявления в значительной мере связана с индивидуальной радиочувствительностью человека. Это обусловливает необходимость дополнительного внимания к вопросу индивидуального отбора космонавтов.
В реакции организма после острого кратковременного облучения в сублетальных дозах 25-250 сГр и при более высоких уровнях воздействия можно выделить несколько стадий развития процесса. Первичная лучевая реакция (ПЛР) включает симптомы, проявляющиеся в ближайшие часы после облучения. Она является отражением отклика периферических отделов нервной системы и характеризуется желудочно-кишечными симптомами: отказом от пищи, тошнотой, рвотой, диареей, кишечными спазмами, а также нервно-мышечными симптомами, к которым относятся: усталость, апатия, общая слабость, повышенное потоотделение, лихорадка, головные боли.
Данный спектр проявлений ПЛР в значительной степени соответствует симптомам известной болезни движения, которые наблюдаются у отдельных членов экипажа в начальной фазе осуществления космического полета и могут приводить к значительному снижению их работоспособности. Поэтому изучение механизмов их возникновения имеет большое значение для обеспечения безопасности полетов, для изыскания методов и средств уменьшения тяжести их проявления. Хотя нет единого мнения в отношении механизма развития ПЛР, тем не менее показано, что вероятность появления различных симптомов и их выраженность обусловлены в значительной степени размером облучаемой поверхности тела и величиной дозы. Они существенно усиливаются при тотальном равномерном облучении всего тела. В отношении указанных проявлений туловище является критической частью тела. Чувствительность его максимальна при облучении эпигастральной области (в области желудка) и падает по направлению к голове так же, как и по направлению к конечностям. Облучение живота, грудной клетки, головы и конечностей в одной и той же дозе приводило к выраженной первичной реакции в 50, 33, 25 и 0% случаев соответственно (Langham W.H., Brooks F.M., Grahn D., 1965; Radiobiological factors in manned space flight., 1967).
76
Для установления нормативных допустимых уровней радиационного воздействия с целью обеспечения безопасности космонавтов при осуществлении космических полетов и сохранения необходимого уровня работоспособности членов экипажа большое значение имеет установление количественных соотношений между вероятностью и тяжестью выраженной первичной лучевой реакции и величиной поглощенной дозы. Дозовые зависимости для
различных проявлений ПЛР установлены на основе данных атомных бомбардировок, клинических обследований лиц, пострадавших от ядерных аварий и больных раком, облучавшихся с терапевтическими целями (Раевский Б, 1959 Gerstner Н.В., 1960; Langham W.H., Brooks F.M., Grahn D., 1965; Radiobiological factors in manned space flight., 1967; Григорьев Ю.Г., Раевская C.A., Авру-
нина Г.А., 1970; Гуськова А.К., Байсоголов Г.Д., 1971; Григорьев Ю.Г., 1975; Ранние эффекты облучения человека высокими дозами, НКДАР ООН, 1988).
На рис. 3.1 представлена зависимость вероятности развития различных симптомов первичной лучевой реакции от дозы (Radiobiological factors in manned space flight. Ed. W.H. Langham, 1967). Как видно из данных, представленных на рисунке, зависимость вероятности симптомов ПЛР в пробитах может быть представлена прямолинейной зави
Рис. 3.1 Зависимость первичной лучевой реакции от дозы.
По оси абсцисс — поглощенная доза, с Гр; по оси ординат — вероятности развития различных симптомов
1 — потеря аппетита; 2 — тошнота;
3 — рвота; 4 — диарея
симостью от дозы:
y = ai+biD.	(3.1)
В табл. 3.1 представлены значения коэффициентов а^ и bj для таких видов проявлений, как потеря аппетита, тошнота, рвота, диарея.
77
Таблица 3.1
Значения коэффициентов а} и bj для определения вероятности развития различных симптомов первичной лучевой реакции и величины среднеэффективных доз у 50% пациентов
(Radiobiological factors in manned space flight. Ed. W.H. Langham, 1967).
Симптомы	ai	bi	D(50%) ± d
Потеря аппетита	3,71	0,0107	121 ± 37
Тошнота	3,50	0,0087	172 ± 42
Рвота	3,33	0,0078	214 ± 68
Диарея	3,30	0,0084	238 ± 55
Проведенный анализ ПЛР у большого количества людей обнаружил значительную вариабельность степени ее проявления у отдельных индивидуумов и самой частоты при переходе от одного контингента к другому. Частично сказывается несколько различающийся характер радиационного воздействия, но в большей степени это обусловлено индивидуальными вариациями радиочувствительности различных людей, которая в свою очередь зависит от здоровья индивидуума, исходного состояния организма на
Рис. 3.2 Зависимость времени проявления продромальных симптомов ПЛР от дозы.
По оси абсцисс — поглощенная доза, сГр; по оси ординат — время наступления симптомов, часы
момент облучения и его психологического статуса. Вариабельность несколько усиливается при малых и больших уровнях доз по сравнению с D(50%). Так, для доз, соответствующих частотам проявлений 10 и 90%, она составляет почти 100% по дозе.
На рис. 3.2 представлена зависимость между временем начала проявления продромальных симптомов и поглощенной дозой (Ранние эффекты облучения человека высокими дозами,
78
Рис. 33. Характер изменения частоты наиболее тяжелых проявлений ПЛР (тошноты и рвоты) от времени после острого облучения в различных дозах.
По оси абсцисс — время после облучения; по оси ординат — частота симптомов ПЛР, в %: 1 — 300 сГр;
2 - 200 сГр; 3 - 150 сГр; 4 - 100 сГр
НКДАР ООН, 1988). Как видно из рисунка, с увеличением дозы отмечается более раннее начало первичной реакции. Она при этом носит более выраженный характер и продолжается дольше.
Нарастание относительной частоты первичной реакции в отношении наиболее тяжелых проявлений (тошноты и рвоты) и ее продолжительность для различных доз показана на рис. 3.3 по данным работы (Gerstner Н.В, 1958, 1960).
После короткого бессимптомного латентного периода начинается нарастающее ощущение слабости, которое может сопровождаться психической депрессией и эмоциональными расстройствами. Почти одновременно наступают желудочно-кишечные расстройства, которые сопровождаются тошнотой, позывами на рвоту и самой рвотой.
Максимум развития проявлений по их тяжести и частоте приходится на 6-8 часов после облучения. Затем в течение 1-2 суток состояние постепенно улучшается. Степень расстройства и длительность восстановительного периода зависят от величины поглощенной дозы и индивидуальной чувствительности субъекта. В случае ПЛР средней тяжести слабость, приступы тошноты и рвоты могут продолжаться и на второй день после облучения. Следует отметить, что повышенная утомляемость и слабость при дозах в диапазоне 1,0-2,0 Гр могут сохраняться в течение нескольких недель.
По клиническому течению авторы исследований (Гуськова А.К., Байсоголов Г.Д., 1971; Григорьев Ю.Г., 1975) отмечают 4 степени тяжести первичной реакции. Эти данные представлены в табл. 3.2.
79
Таблица 3.2
Степени тяжести первичной лучевой реакции
Доза, сГр	Степень ПЛР	Характерные проявления	Работоспособность
25-100	1	Слабовыраженные симптомы: слабость, головная боль, снижение аппетита, легкое головокружение	Не нарушена
100-150	2	Общая слабость, стойкая тошнота (может сопровождаться однократной рвотой), выраженное снижение аппетита, головная боль, головокружение, нарушения сна	Заметно снижена
150-250	3	Комплекс симптомов, включающий: сильную общую слабость, отсутствие аппетита, резкую тошноту, многократную рвоту, апатию, выраженное извращение вкуса и обоняния, резкое головокружение, сильную головную боль, бессонницу	Выраженное снижение работоспособности в первые двое суток после облучения
Более 250	4	Комплекс симптомов при третьей степени и дополнительно развиваются понос, озноб, судороги	Невозможность осуществления какой-либо деятельности
К реакциям первой степени относятся единичные по частоте и слабовыраженные симптомы: слабость, головная боль, снижение аппетита, легкое головокружение. Работоспособность при этом не нарушена. Этим реакциям соответствуют уровни воздействия доз 25-100 сГр. Реакции второй, третьей степени при дозах 100-150 и в диапазоне 150-250 сГр, как это видно из данных табл. 3.2, характеризуются уже заметным и выраженным снижением работоспособности. При дозах более 250 сГр уже с большой вероятностью могут дополнительно к прежним симптомам развиться диарея, озноб и даже судороги. При этом невозможна какая-либо физическая деятельность.
80
Из-за существенной вариации индивидуальной радиочувствительности возможно в отдельных случаях некоторое перекрытие дозовых диапазонов. Представленные границы доз, соответствующие разной степени проявления ПЛР, характерны для основной части рассматриваемого контингента лиц. В то же время в 10% случаев (у наиболее радиочувствительных индивидуумов) уже при дозах 25-50 сГр может развиться первичная реакция второй степени тяжести (Radiobiological factors in manned space flight. Ed. W.H. Langham,1967; Гуськова A.K., Байсоголов Г.Д., 1971; Григорьев Ю.Г., 1975).
Таким образом, рассмотренные материалы свидетельствуют, что в ранние сроки после возможного острого облучения в условиях длительного космического полета в дозах, превышающих 25 сЗв, серьезную опасность для экипажа космического аппарата может представить первичная лучевая реакция.
Степень ее проявления в значительной мере связана также с индивидуальной радиочувствительностью. Это обусловливает необходимость дополнительного внимания к вопросу индивидуального отбора космонавтов. При этом следует учитывать близость рассмотренных симптомов первичной лучевой реакции и симптомов болезни движения, отмечаемых в начальной фазе полета. Люди, наиболее чувствительные и в наибольшей степени страдающие от вестибулярных расстройств при применении ускорений (у которых наиболее отчетливо проявляются симптомы болезни движения), по-видимому, будут в большей степени радиочувствительными, и проявления ПЛР у них будут более частыми и тяжелыми уже при сравнительно небольших величинах доз острого облучения 25-100 сГр.
3.2.	Характеристика клинических проявлений и изменение жизнеспособности организма в ближайшем пострадиационном периоде в зависимости от поглощенной дозы
После первых двух суток основные симптомы лучевой реакции сменяются периодом так называемого «мнимого благополучия», продолжительность которого сокращается по мере увеличения поглощенной дозы. В этот период улучшается общее состояние облученных, однако выявляются некоторые неврологические симптомы и изменения в системе гемопоэза.
81
В следующем за ним периоде «разгара лучевой болезни» развивается общая слабость, повышается температура тела, отмечаются максимально глубокие изменения в системе кроветворения, могут развиваться инфекционные осложнения, геморрагические проявления, функциональные изменения со стороны центральной нервной, а также сердечно-сосудистой систем. В случае преимущественного повреждения кожи при неравномерных облучениях возможно развитие эритемы, эпиляции.
Развивающиеся позже в период разгара болезни реакции также были классифицированы по степени тяжести на три категории (Гуськова А.К., Байсоголов Г.Д., 1971; Григорьев Ю.Г., 1975). Острая лучевая болезнь (ОЛБ) I степени тяжести развивается при облучении в диапазоне доз 100-250 сГр. Острая лучевая болезнь II степени имеет место в диапазоне доз 250-400 сГр, а лучевые реакции III степени при дозах, превышающих 400 сГр.
Остановимся на симптомах, характерных для доз, не превышающих 250 сГр, поскольку при развитии лучевой болезни II и III степени тяжести имеется высокая вероятность смертельного исхода, и в нормативных документах эти уровни доз однократного облучения не допускаются.
Для решения вопросов нормирования и определения допустимых уровней доз для экипажей космических аппаратов, применительно к кратковременным радиационным воздействиям СКЛ во время развития солнечных протонных событий (СПС), важно проанализировать более подробно степень нарастания тяжести радиобиологических проявлений по мере увеличения поглощенной дозы. Эти данные представлены в табл. 3.3.
Диапазон доз 15-25 сГр является пограничным, ниже которого не выявляются никакие клинически обнаруживаемые симптомы поражения. При этих дозах отмечается лишь достоверное снижение концентрации лимфоцитов и увеличивается лабильность числа лейкоцитов, которая может продолжаться в течение нескольких лет. Эти изменения могут быть выявлены только в результате эпидемиологического обследования больших контингентов людей (The Effects of Atomic Weapons,1950; Козлова A.B., Воробьев Е.И, 1956; Защита работников от ионизирующих излучений, 1958; Раевский Б., 1959; Петров Р.В. и др., 1963; Гуськова А.К., Байсоголов Г.Д., 1971; Григорьев Ю.Г., 1975). Как считают авторы указанных работ, повреждения организма при этих дозах не возникают, а указанные изменения носят скорее перераспределительный характер.
82
Таблица 3.3
Клинические проявления, развивающиеся в организме человека после облучения в различных дозах
Доза, сГр	Реакции в ближайшем пострадиационном периоде
15-25	Достоверно снижается концентрация лимфоцитов и увеличивается лабильность числа лейкоцитов.
25-50	В единичных случаях (1-5%) развивается первичная лучевая реакция в выраженной форме. Уменьшаются концентрации лейкоцитов и тромбоцитов в периферической крови, относительное число лимфоцитов снижается на 25%. В дальнейшем наблюдаются длительные в течение трех лет колебания их числа
50-100	Первичная лучевая реакция в острой форме имеет место у 5-10% индивидуумов. Отмечается умеренная аплазия костного мозга, происходит дальнейшее снижение концентрации лейкоцитов и тромбоцитов в крови до 60-70%. Число лимфоцитов снижается вдвое. Лимфопения может отмечаться на протяжении до двух лет.
100-150	Признаки ПЛР в тяжелой форме имеют место у 19-20% людей. Число миелокариоцитов в костном мозге снижено до 25-30% при верхнем граничном значении дозы. Эритроидный и миелоидный ростки снижены в 3-4 раза. Концентрация нейтрофилов и лимфоцитов в крови уменьшается в 2 раза. Развиваются аутоаллергические реакции. Отмечаются единичные смертные случаи (< 1%)
150-200	Выраженная ПЛР и средняя степень тяжести острой лучевой болезни у 30-50% людей. Лейкопения достигает 10-30%, лимфопения — до 6-12%, тромбоцитопения — 10-20% от нормы. Число эритроцитов оказывается сниженным до 60%. Отмечаются смертельные исходы в 1-5% случаев
200-250	Лучевая болезнь имеет место у 100% людей. Наблюдается аплазия костного мозга, резковыраженная лейкопения, включая лимфопению, нейтропению и эозинопению. Кроме того, отмечают тромбоцитопению с выраженными геморрагическими проявлениями. Число лейкоцитов уменьшается до 1500 в 1 мм3 с развитием относительной и абсолютной нейтропении (до 500 в 1 мм3). Количество тромбоцитов падает до уровня 5104 в 1 мм3. В этом дозовом диапазоне приблизительно в 5-20% случаев возможно более тяжелое течение болезни и летальный исход
83
В интервале доз 25-50 сГр в единичных случаях (1-5%) развивается первичная лучевая реакция в выраженной форме (Gerstner Н.В, 1958, 1960; Radiobiological factors in manned space flight, 1967; Гуськова A.K., Байсоголов Г.Д., 1971; Григорьев Ю.Г., 1975). Отмечаются начальные признаки угнетения костно-мозгового кроветворения: уменьшается концентрация лейкоцитов и тромбоцитов в периферической крови, относительное число лимфоцитов снижается на 25%. Серьезные повреждения отсутствуют. За первоначальным в первые часы лейкоцитозом и последующим снижением числа лейкоцитов в дальнейшем наблюдаются длительные в течение 3 лет колебания их числа.
В диапазоне 50-100 сГр первичная лучевая реакция в острой форме имеет место у 5-10% индивидуумов. Отмечается умеренная аплазия костного мозга, происходит дальнейшее снижение концентрации лейкоцитов и тромбоцитов в крови до 60-70%. Число лимфоцитов снижается вдвое. Изменения достаточно стабильны. Лимфопения может отмечаться на протяжении до 2 лет. Кроме того, при верхнем граничном значении дозы наблюдается снижение гемоглобина (Gerstner Н.В, 1958; Петров Р.В. и др., 1963; Груздев Г.П., 1988).
При облучении в дозах 100-150 сГр признаки ПЛР в тяжелой форме имеют место у 19-20% людей. Число миелокариоцитов в костном мозге снижено до 25-30% при верхнем граничном значении дозы. Эритроидный и миелоидный ростки снижены в 3-4 раза. Концентрация нейтрофилов и лимфоцитов в крови уменьшается в 2 раза. Отмечаются единичные смертные случаи (<1%). Экспериментальные исследования, проведенные на уровне целого организма и на клеточном уровне, показали, также, что облучение в дозе, превышающей 100 сГр, приводит к снижению устойчивости к инфекции (снижается фагоцитарная активность лейкоцитов) и изменяется ряд показателей иммунитета. Имеет место ухудшение миграционных свойств лимфоцитов, развиваются аутоаллергические реакции.
Облучение в диапазоне доз 150-200 сГр приводит к выраженным первичным лучевым реакциям и средней тяжести острой лучевой болезни у 30-50% людей. Лейкопения достигает 10-30%, лимфопения — до 6-12%, тромбоцитопения — до 10-20% от нормы. Число эритроцитов оказывается сниженным до 60%. Отмечаются смертельные исходы в 1-5% случаев. При больших дозах лучевая болезнь имеет место у 100% людей. Наблюдается аплазия
84
костного мозга, выраженная лейкопения, включая лимфопению, нейтропению и эозинопению. Кроме того, отмечают тромбоцитопению с выраженными геморрагическими проявлениями и аплазию. Число лейкоцитов уменьшается до 1500 в 1 мм3 с развитием относительной и абсолютной нейтропении (до 500 в 1 мм3). Количество тромбоцитов падает до уровня 5 х 104 в 1 мм3. Отмечаются общая вялость, утомляемость, усиление головных болей, наблюдается ухудшение аппетита, несколько снижается или становится более лабильным артериальное давление. Из неврологических симптомов имеют место нерезкое снижение рефлексов, умеренная мышечная гипотония. Восстановление начинается постепенно с 45-50-го дня и происходит достаточно медленно. Астенические явления наблюдаются в течение длительного времени, сохраняется также умеренная артериальная гипотония. В этом до-зовом диапазоне приблизительно в 5-20% случаев возможно более тяжелое течение болезни и смертельный ее исход. Рассмотренные проявления при дозах 100-250 сГр относятся по классификации к острой лучевой болезни (ОЛБ) I степени (Gerstner Н.В., 1958; Miller L.S., et al., 1958; Раевский Б., 1959; Гуськова А.К., Байсоголов Г.Д., 1971; Белоусова О.И., Трушина М.Н., 1974; Григорьев Ю.Г., 1975; Ранние эффекты облучения человека, Доклад НКДАР ООН, 1988; Груздев Г.П., 1988; Калан-дарова М.П., 1988).
Для установления характера изменения общей устойчивости организма и определения радиационного риска в пострадиационном периоде важно проанализировать вероятность выживания человека в зависимости от дозы радиационного воздействия. В радиобиологических исследованиях установление кривых доза-эффект и определение вероятности смертности животных в зависимости от дозы острого равномерного облучения в ближайшем пострадиационном периоде (в течение 30-60 суток) является основным методическим приемом для оценки изменения состояния организма и его устойчивости при предварительном воздействии какого-либо химического препарата или физического фактора. Этот подход используется также для определения величины остаточного поражения на любой момент времени после предварительного воздействия ионизирующих излучений с произвольным характером распределения дозы во времени. Он применяется для определения модифицирующего действия радиопротекторов, гипоксии, других физических факторов на радиобиологический эффект.
85
Наиболее часто в радиобиологической литературе при анализе и сравнении экспериментальных данных используют величины среднелетальных доз О5о/зо-бо> представляющие собой дозы, вызывающие 50%-ю гибель млекопитающих в ближайшем пострадиационном периоде (30 суток для мелких лабораторных животных и 60 суток для крупных млекопитающих), когда ведущей причиной гибели является поражение кроветворения (костно-мозговой синдром).
Нами проведен анализ значений среднелетальных доз для различных видов животных по большому числу экспериментальных исследований (Paterson Е., Gilbert C.W., Haigh В., 1956; Norris W.P., Fritz Т.Е., Renfeld C.E., Poole C.M., 1968; Page N.P., Ainsworth EJ., Taylor J.F., 1968; Даренская Н.Г., 1970; Акоев И.Г., 1970; Бонд В., Флиднер Т., Аршамбо Д., 1971; Taylor J.F., et al., 1971; Бонд В., 1974; Берикашвили В.Ш., 1975; Шафиркин А.В., 1997, 1999в) с целью осуществления экстраполяции величин D50 применительно к человеку. Рассмотрены различные представленные в литературе подходы по экстраполяции от животных к человеку на основе основного обмена, веса тела, продолжительности жизни животных, периода водного обмена, продолжительности жизни эритроцитов, времени максимального снижения концентрации лейкоцитов, периода полувосстановления показателей периферической крови и периода восстановления устойчивости организма к последующим острым облучениям.
В табл. 3.4 представлены значения среднелетальных доз D до/зо -60 Для различных млекопитающих. В ней указаны среднетканевые поглощенные дозы при равномерном остром облучении и локальные тканевые лощенные дозы в центре размещения биологического объекта.
Как видно из данных таблицы, в том случае, когда ведущей причиной гибели является поражение системы кроветворения, все виды животных по величине О50/з0_60 можно подразделить на две большие группы. Все крупные млекопитающие характеризуются высокой радиочувствительностью и имеют низкие значения среднелетальных среднетканевых доз в пределах 155-260 сГр, а мелкие лабораторные животные являются относительно радиоре-зистентными (доза D50/30 находится в диапазоне 850-940 сГр). Морские свинки и обезьяны являются исключениями при такой классификации.
86
Таблица 3.4
Значения среднелетальных доз D50/30-60 для различных млекопитающих
Вид животных	Среднетканевая доза, сГр	Локальная тканевая доза, сГр	Литературный источник
Мышь, крыса	900-940 850	900-940 850	Бонд В., 1974; Даренская Н.Г, 1970; Шафиркин А.В., 1997, 1999
Хомяк	900-936	900-936	Бонд В., 1974; Даренская Н.Г, 1970
Кролик	840-890	—	Бонд В., 1974; Даренская Н.Г, 1970
Морская свинка	255	—	Бонд В., 1974; Даренская Н.Г, 1970
Овца	155	251 237	Бонд В., 1974; Даренская Н.Г, 1970 Page N.P., et al., 1968
Коза	230	331 327	Бонд В., 1974; Даренская Н.Г, 1970 Taylor J.F., et al., 1971
Свинья	195	400	Бонд В., 1974; Даренская Н.Г, 1970
Собака	255 258	319 330	Бонд В., 1974; Даренская Н.Г, 1970 Norris W.P., et al., 1968
Обезьяна	400	623 550	Бонд В., 1974; Даренская Н.Г, 1970 Paterson Е., et al., 1956
Человек	225-270 225-250 315-350	400 356-381	Бонд В., 1974; Даренская Н.Г, 1970 Langham W.H., 1967 ДокладНКДАР ООН, 1988
Интересно отметить, что аналогичная классификация по выделению двух групп животных отмечена в работе (Fliedner Т.М., 1967) при анализе времени максимальных изменений в системе
87
кроветворения и скорости восстановления после облучения в дозах (1/2—2/3) D50/30. По результатам работ (Даренская Н.Г., 1970; Берикашвили В.Н., 1975) такое же разделение групп может быть проведено по показателям продолжительности жизни эритроцитов, периоду полувосстановления организма после радиационного воздействия, времени максимальной лейкопении и периоду полувосстановления концентрации клеток в периферической крови.
Таким образом, получено, что на основе данных по среднелетальным дозам у различных млекопитающих (табл. 3.4) ни по одному из представленных в литературе методов не удается провести надежную экстраполяцию к человеку и получить сравнительно точную оценку величины среднелетальной дозы для человека. Еще более трудно на основе экспериментальных данных получить кривую доза-эффект для человека, определяющую зависимость риска смертности от поглощенной дозы.
Тем не менее делались серьезные попытки установить данную функциональную зависимость на основе гибели людей в результате ядерных бомбардировок, испытаний ядерного оружия, несчастных случаев и облучения больных при радиотерапевтических процедурах. Следует, однако, заметить, что при анализе результатов атомных бомбардировок или аварийного облучения оценки значений поглощенных доз существенно различаются. При этом радиационное воздействие является в большинстве случаев неравномерным и отягощенным иногда повреждениями кожи.
Более точные значения поглощенных доз могут быть получены в клинике при облучении пациентов в терапевтических целях, однако конечные эффекты всегда модифицированы предварительным лечением, а также защитными лечебными и терапевтическими процедурами, применяемыми после облучения. Кроме того, следует учитывать, что облучению подвергаются уже заведомо больные люди и результаты могут быть перенесены на здоровых людей с большой осторожностью и дополнительной коррекцией.
Зависимость процента гибели от дозы для человека и животных соответствует нормальному распределению Гаусса. Она имеет сигмоидную форму, но при выражении в пробитах превращается в прямолинейную зависимость. На основе анализа результатов равномерного облучения большого количества пациентов в клинике (Radiobiological factors in manned space flight. Ed. W.H. Langham, 1967) представлена зависимость вероятности гибели в пробитах
88
от дозы, которая имеет следующий вид: у = 3,06 + 0,0077 D, где D — поглощенная доза, выраженная в сГр. Соответственно кривая, описывающая выживаемость пациентов от дозы, может быть записана следующим образом: у = 6,94 - 0,0077 D.
Как указывалось в работах (Radiobiological factors in manned space flight. Ed. W.H. Langham, 1967; Ранние эффекты облучения человека. Доклад НКДАР ООН, 1988), у необлученных пациен
тов смертность за период 60 суток составляла 4% (выживаемость 96%). Эта величина хорошо соответствует экстраполированному значению, полученному из уравнения. При дозе, равной нулю, пробит равен 6,94, а выживаемость 97%. На рис. 3.4 представлена указанная
выше зависимость выживаемости человека от дозы для больных раком, облучавшихся с терапевтической целью (пунктирная кривая).
На этом же рисунке показаны данные по выживаемости для случаев
Рис. 3.4. Вероятность выживания человека в ближайшем периоде после рентгеновского и гамма-облучения в различных дозах. По оси абсцисс — среднетканевая поглощенная доза, сГр; по оси ординат — вероятность выживания в течение 60 суток, пробиты
атомных бомбардировок, испытаний ядерного оружия и несчастных случаев для людей, здоровых до воздействия (Козлова А.В., Воробьев Е.И., 1956; Раевский Б., 1959; Бонд В., 1974; Ранние эффекты облучения человека. Доклад НКДАР ООН, 1988).
При проведении сплошной кривой для здоровых людей в работах (Шафиркин А.В., 1997; Шафиркин А.В., Венедиктова В.П., 1999-а; Шафиркин А.В., 1999в) учитывали, что при стремлении дозы к нулю вероятность гибели должна соответствовать известным из демографических данных коэффициентам смертности для мужчин соответствующего возраста. Применительно к решению задачи обеспечения безопасности космических полетов для оценки значения риска выбирали значение коэффициента смертности в нашей стране для мужчин в возрасте 25 лет, которое в 1993-
89
1996 гг. в пересчете для периода 60 суток составило 7,0 хЮ-4 (пробит 1,8). Соответствующее значение выживаемости равно 99,93% — пробит 8,2 (Российские статистические ежегодники 1994-1997 гг.; Россия в цифрах. Краткий статистический сборник 1996-1997 гг.)
Таким образом, уравнение прямой, определяющее зависимость выживаемости в пробитах для здоровых мужчин в возрасте 25 лет от дозы при остром равномерном облучении может быть записано в виде
y(D) = 8,2 - 0,97 D х 10"2,	(3.2)
В то же время уравнение, определяющее вероятность гибели в пробитах от дозы, имеет следующий вид:
yt(D) = 1,8 + 0,97 D х 10-2,	(3.3)
где D — поглощенная среднетканевая доза в сГр при кратковременном, равномерном облучении от источников стандартного излучения с коэффициентом качества, равным 1.
Таким образом, для мужчин в возрасте 25 лет величины доз, приводящие к 1,0, 10, 50 и 90% гибели за ближайший период (60 суток) после облучения, оказываются соответственно равными 90, 200, 330 и 460 сГр.
Предполагая, что радиочувствительность здоровых взрослых мужчин в возрасте 25-55 лет сохраняется одинаковой (одинаковый наклон кривых вероятности гибели от дозы), а изменяется только зависимая от возраста вероятность гибели при нулевой дозе, мы можем получить семейство параллельных кривых, аналогичных уравнению (3.3), определяющих зависимость смертности (за 60 суток) от дозы для людей различного возраста. Характер смещения кривых, определяющих гибель в пострадиационном периоде в зависимости от дозы для людей различного возраста, может быть установлен на основе смещения точки (пробита) при нулевой дозе, отражающего изменение вероятности гибели за 60 суток у мужчин различного возраста. Изменение пробита при нулевой дозе в зависимости от возраста может быть описано на основе анализа демографической ситуации в стране за период 1993-1996 гг.
У1(0) = 1,8 + 0,019(т - 25) (длят >25),	(3.4)
где т — возраст в годах
90
Следует заметить, что величина среднелетальной дозы с увеличением возраста будет несколько снижаться, отражая снижение жизнеспособности организма с увеличением возраста. Расчеты, проведенные нами с учетом указанных допущений, показывают, что при увеличении возраста мужчин на каждые 10 лет величина среднелетальной дозы будет уменьшаться на 20 сГр. Это предположение находится в соответствии с данными радиобиологических экспериментов, в которых исследователи изучали изменение величин среднелетальных доз при облучении половозрелых животных разного возраста (Горлов В.Г., 1981; Шафиркин А.В., 1983а, 1999в).
Представленные соотношения (3.3) и (3.4), определяющие вероятность гибели человека в зависимости от дозы в ближайшем пострадиационном периоде, могут непосредственно использоваться для определения радиационного риска для космонавтов в процессе полета при установленном характере изменения обобщенной дозы от источников космического излучения.
3.3.	Экспериментальные и медико-гигиенические материалы о формировании поражения и восстановлении кроветворения после острого и в процессе хронических воздействий ионизирующих излучений
Как уже отмечалось выше, характер ответных реакций организма при радиационных воздействиях, тяжесть протекания лучевой болезни и вероятность благоприятного ее исхода в значительной степени обусловлены состоянием кроветворения, одной из радиочувствительных обновляющихся тканевых систем организма. Продукция кроветворных клеток осуществляется непрерывно в течение всей жизни за счет пролиферации и дифференцировки, стволовых кроветворных клеток в направлении эритропоэза, ми-элопоэза, тромбопоэза и составляет за час у человека около (3-7) 108 клеток на 1 кг массы тела (Илюхин А.В. и др., 1976).
В работах (Till J.E., McCulloch Е.А., 1961; Kalina I., Praslicka M., Petrovicova J., 1977; Швец B.H., Шафиркин A.B., 1979; Коноплян-ников А.Г., 1984; Фабер Ю.В., Табакова Л.А., Шафиркин А.В., 1978; Шафиркин А.В., 1999в) подробно исследованы вопросы радиочувствительности стволовых кроветворных клеток у мышей и представлены кривые выживаемости этих клеток от дозы. На
91
основе анализа данных можно придти к заключению, что около 30-40% клеток имеют высокую радиочувствительность и их инактивация происходит в основном уже при 50 сГр (число клеток уменьшается по экспоненциальному закону с параметром DOi, равным 10 сГр). Оставшаяся часть клеток также инактивируется по экспоненциальному закону, причем при малых дозах начальный наклон кривых выживаемости от дозы у мышей характеризуется параметром DOh, равным 210-240 сГр, а конечный участок кривой при больших дозах определяется уравнением f(D) = n exp (-D/Do), где параметры п и Do соответственно равны 2,4 и 100 сГр.
Таким образом, общий вид кривой выживаемости стволовых кроветворных клеток может быть представлен следующим образом:
f(D) = 0,35 exp{-D/D01} + 0,65 exp{-D/DOlI}, D < 180сГр
(3.5)
f(D) = 0,35 exp{-D/D01} + 0,65 n exp{-D/D0}, D > 180сГр.
На основе анализа экспериментальных данных по выживаемости собак от дозы при их равномерном облучении, их выживаемости при субтотальном облучении с экранированием различной доли костного мозга (ГОСТ 25645.219-90, 1991), а также материалов, представленных в работах (Слепчонок О.Ф., 1989; Шафиркин А.В., 1999в), нами были определены параметрыОоь DOh и Do соотношения (3.5) для собак, которые оказались равными 10, 120 и 55 сГр. Значения экстраполяционного числа было тем же самым, что и для мышей, а граничное значение дозы, когда начальный наклон кривой сменяется на конечный, составляет 80 сГр вместо 180 сГр.
Поскольку величины среднелетальных доз для собак и человека являются достаточно близкими 260 и 330 сГр соответственно (см. разд. 3.2), можно предположить, что данная кривая выживаемости стволовых клеток от дозы с представленными параметрами для собак будет применима и для случаев острого равномерного облучения человека.
Процессы, происходящие во всех отделах системы кроветворения после острого облучения в сравнительно небольших и средних дозах (не приводящих еще к летальному эффекту) к настоящему времени широко изучены на разных видах животных
92
(HaighM.V., Paterson E„ 1956; Riopelle AJ„ Ades H.W., Morgan F.E., 1957; Leong G.F., Wisecup W.G., Grisham J.W., 1964; Ainsworth E.A. et al., 1965; Ainsworth E.J., Leong G.F., 1966; Dalrimple G.V. et al., 1966; Fliedner T.M., 1967; Nachtwey D.S; Рыжов Н.И. и др., 1967; Norris W.P. et al., 1968; Still E.T. et al., 1969; Абрамова Г.М., 1969; Акоев И.Г., 1970; Бонд В., Флиднер Т., Ар-шамбо Д., 1971; Белоусова О.И., Трушина М.Н., 1974; Груздев Г.П., 1968, 1988; Каландарова М.П., 1970; 1988; Невская Г.Ф., 1974; Щербова Е.Н., Груздев Г.П., 1977; Пяткин Е.К., Баранов А.Е., 1980; Fritz Т.Е. et al., 1982; Моничев А.Я., 1984).
Систематизированы также результаты клинических наблюдений (Dealy J.B., Tubiana М., 1964; Гуськова А.К., Байсоголов Г.Д., 1971;. Воробьев А.И., Бриллиант М.Д., Баранов А.Е., 1973; Бриллиант М.Д., Воробьев А.И., Баранов А.Е., 1974; Баранов А.Е. и др., 1977; Груздев Г.П., 1988; Ранние эффекты облучения человека высокими дозами, НКДАР ООН, 1988). Показано, что картина клеточного опустошения в костном мозге и в периферической крови в пострадиационном периоде в основном определяется гибелью части пролиферирующего пула клеток и снижением продукции клеток предшественников. В костном мозге отмечены более ранние и более глубокие изменения в красном ростке (уменьшение числа эритробластов), но в этом ростке имеет место и более раннее восстановление (Груздев Г.П., 1968, 1988; Каландарова М.П., 1970; Белоусова О.И., Трушина М.Н., 1974; Мосягина Е.Н. и др., 1976).
Наоборот, в периферической крови ранние и более сильные цитопенические реакции наблюдаются по числу лейкоцитов из-за гибели лимфоцитов и сравнительно малой продолжительности жизни гранулоцитов в кровотоке. Изменение числа тромбоцитов начинается несколько позже и практически повторяет динамику числа нейтрофилов в крови. Концентрация эритроцитов снижается в более позднем периоде при облучении в сравнительно больших дозах (400 сГр и выше) из-за сравнительно длительного времени их жизни в кровотоке.
К наиболее важному показателю, определяющему тяжесть протекания острой лучевой болезни и, следовательно, необходимость осуществления тех или иных медицинских мероприятий, следует отнести концентрацию нейтрофилов в крови. Изменение этого показателя во времени после облучения широко изучено в экспериментальных исследованиях и в клинике. На рис. 3.5 представлена
93
Рис. 3.5. Качественная картина изменения числа нейтрофилов в периферической крови в пострадиационном периоде.
По оси абсцисс — время после облучения, сутки (I; II; III; IV; V; VI; VII и VIII -различные фазы пострадиационной кинетики клеток)
качественная картина относительного изменения числа нейтрофилов в периферической крови в пострадиационном периоде у млекопитающих.
Начальный первый участок-плато (или лаг-фаза) связан с сохранением концентрации нейтрофилов в крови в ближайшем периоде после облучения, длительность его обусловлена временем созревания и депонирования зрелых гранулоцитов в костном мозге. Участок II
кривой характеризуется экспоненциальным снижением числа нейтрофилов. Этот процесс связан с частичным уменьшением продукции клеток предшественников, коммитированного и морфологически идентифицируемых отделов костного мозга. Скорость изменения числа клеток в пределах данного участка зависит от относительной доли сохранившихся предшественников и, следовательно, от поглощенной дозы.
Первый минимум числа нейтрофилов, наблюдаемый в пределах участка III, определяется, с одной стороны, наклоном экспоненциальных кривых на участке II, с другой — началом временной фазы «абортивного подъема» (участок IV). Время достижения первого минимума у человека, как показано в работах (Пяткин Е.К., Баранов А.Е., 1980; Груздев Г.П., 1988), может быть вычислено на основе соотношения: Tt = 12,65 exp(-0,0007D), где Tj — время, сут.; D — доза, сГр. Глубина уменьшения количества нейтрофилов описывается при этом следующей зависимостью: У! = 3,27 х 103 ехр (-0,0023 D), где yt — количество нейтрофилов в 1 мкл крови.
«Абортивный подъем» (участок IV) связан с компенсаторным усилением пролиферативных процессов в костном мозге. Максимально он проявляется при среднем уровне воздействия от 1,5 до 2,5 сГр. При меньших и слишком больших дозах он менее выражен или не выявляется совсем. «Абортивный подъем» у человека
94
начинается примерно с 12-х и длится до 22-х суток после облучения. Фаза вторичного опустошения (участок V) наступает непосредственно после «абортивного подъема» и связана с истощением возможности миелобластов и молодых делящихся гранулоцитов временно поддерживать необходимый более высокий уровень миелопоэза. Данная фаза вторичного опустошения переходит в участок VI, характеризующийся максимальной аплазией кроветворной ткани и минимальным количеством нейтрофилов и тромбоцитов в крови. Этот период соответствует разгару протекания лучевой болезни. От глубины снижения количества клеток и длительности рассматриваемой фазы зависят степень тяжести развивающегося костномозгового синдрома и исход заболевания. Минимальное количество нейтрофилов зависят от дозы и может быть определено из уравнения: у2 = 12,78 х 103ехр(-0,0231 D), где у 2 — число нейтрофилов в 1 мкл крови во втором минимуме; D — поглощенная доза, сГр (Пяткин Е.К., Баранов А.Е., 1980; Груздев Г.П., 1988). Концентрация тромбоцитов, соответствующая этой фазе, определяется уравнением у2 T=l,6xl05exp(-0,00925D).
Число нейтрофилов во втором минимуме (фаза VI), как и последующее быстрое и более медленное восстановление в фазах VII и VIII, непосредственно связаны с относительно сохраненной долей стволовых кроветворных клеток и последующим быстрым восстановлением их численности и продукции кроветворных клеток. Начало фазы быстрого восстановления числа нейтрофилов (участок VII) также зависит от дозы и сдвигается к более ранним срокам с увеличением дозы радиационного воздействия. Так, после облучения в дозе 150 сГр восстановление у человека начинается с 37-х суток, а при 450 сГр — с 26-х суток. Число тромбоцитов начинает восстанавливаться при этих дозах соответственно с 30-х и 22-х суток (Пяткин Е.К., Баранов А.Е., 1980; Груздев Г.П., 1988; Ранние эффекты облучения человека высокими дозами. Доклад НКДАР ООН, 1988).
Более раннее восстановление, по-видимому, связано с более сильным разрушением нейтрофилов и уменьшением периода их полувыведения из кровотока при больших дозах радиационного воздействия, что способствует последующему усилению пролиферативных процессов в стволовом, коммитированном и морфологически идентифицируемых отделах. Это может также объясняться снижением времени пребывания зрелых гранулоцитов в кост-
95
ном мозге (Мосягина Е.Н., 1976; Илюхин А.В. и др., 1982; Мони-чев А.Я., 1984 Григорьев Ю.Г. и др., 1986).
В табл. 3.5 представлено время проявления различных фаз в пострадиационной кинетике нейтрофилов у млекопитающих по данным экспериментальных исследований и клиническим наблюдениям. Из данных таблицы следует закономерное увеличение времени проявления рассмотренных выше фаз при переходе от мелких лабораторных животных к более крупным, что особенно выражено для времени достижения второго минимума.
Разница во времени у отдельных видов животных в пределах такого разделения групп является незначительной. Время проявления разных фаз для человека в 2-3 раза больше, чем у мышей и крыс, и в 1,5-2 раза больше, чем у обезьян и собак.
Значительный интерес представляет сопоставление глубины поражения стволовых кроветворных клеток от дозы, определяемой кривой выживаемости, представленной выше (см. уравнение (3.5)), и глубины поражения клеток в костном мозге и в периферической крови.
На рис. 3.6 представлены зависимости от дозы минимальных относительных количеств миелокариоцитов, клеток эритробластического и миелоидного рядов, а также молодых делящихся гранулоцитов в костном мозге у собак (Рыжов Н.И. и др., 1967; Белоусова О.И., Трушина М.Н., 1974; Каландарова М.П., 1970, 1988) и у человека (Груздев Г.П., 1988).
Из представленных на рисунке данных можно сделать вывод о близком характере изменений относительного числа клеток различных ростков в костном мозге у собак и человека при облучении в дозах до 200 сГр. Причем картина изменений относительного количества молодых делящихся гранулоцитов, а также клеток эритробластического ряда достаточно хорошо совпадает с относительным изменением числа стволовых кроветворных клеток (кривая 1).
При описании модели формирования поражения в системе кроветворения нами показано, что минимальное количество миелокариоцитов в костном мозге всегда является несколько большим, чем минимальное содержание стволовых кроветворных клеток (Шафиркин А.В., 19836, 1999в; Губин А.Т., Сакович В.А., Шафиркин А.В., 1995). Это имеет место как при хронических облучениях с небольшим значением мощности дозы, так и при острых воздействиях. Объяснением этому может служить относительно
96
Таблица 3.5
Время различных фаз в пострадиационной кинетике нейтрофилов у различных млекопитающих, сутки
Вид млекопитающих	Различные фазы пострадиационой кинетики нейтрофилов									Литературный источник
	Плато 1		Экспоненциальное снижение	Первый минимум	Абортивный подъем	Начало повторного снижения	Второй минимум	Фаза быстрого восстановления	Фаза окончательного восстановления	
	1	II	III	IV	V	VI	VII	VIII	
Человек	0-6	6-10	10-15	12-22	15-22	24-32	25-50	40-90	Miller, 1958; Dealy, 1964; Воробьев, 1973; Бриллиант, 1974; Баранов, 1977; Пяткин, 1980; Груздев, 1988;
Собака	0-2	2-7	7	7-12	13-14	16-18	18-30	30-60	Ainsworth, 1965, 1966; Fliedner, 1967; Рыжов, 1967; Акоев, 1970; Бонд, 1971;
Обезьяна	0-2	2-8	—	—	—	16-18	18-30	30-60	Haigh, 1956; Riopelle, 1957; Dalrimple, 1966
Свинья	0-2	2-6	6	6-10	11-12	16	18-28	28-60	Nachtwey , 1967
Овца	0-2	2-8	8	8-12	13	18-20	20-40	40-90	Leong, 1964
Козел	0-2	2-6	6	6-13	14	18-22	24-30	30-60	Taylor, 1971
Осел	0-6	6-16	—	—	—	25-35	37-45	45-90	Still, 1969
Кролик	0-2	2-4	4	6-13	12-14	14-16	16-30	30-60	Fliedner, 1967; Бонд, 1971; Щербова, 1977
Морская свинка	0-2	2-6	4-6	6-10	10-11	12-14	15-30	30-45	Щербова, 1977
Хомяк	0-2	2-4	4	—	—	7	8-15	15-45	Hollowey, 1968
Крыса	0-2	2-4	4-5	6-9	8-10	10-12	12-20	20-45	Бонд, 1971; Щербова, 1977
Мышь	0-2	2-4	3-5	5-7	8	9-10	10-15	15-45	Leong, 1964; Fliedner, 1967
Рис. 3.6. Зависимость от поглощенной дозы минимального количества кроветворных клеток в костном мозге у собак и у человека.
По оси абсцисс — поглощенная доза, сГр; по оси ординат — относительное количество клеток (обведенные индексы — данные для человека). М — общая концентрация миелокариоцитов в костном мозге; Б — клетки белого, миелоидного ряда; Э — клетки эритроидного ряда; Г — молодые делящиеся гранулоциты; 1 — расчетная кривая для стволовых кроветворных клеток; 2 — расчетная кривая для числа миелокариоцитов на основе модельного описания (Шафиркин А.В., 1983-б;Губин А.Т., Сакович В.А., Шафиркин А.В., 1995)
большая, чем в норме, скорость размножения пролиферирующего пула клеток в костном мозге, обусловленная развитием компенсаторных процессов в организме, которые проявляются тем в большей степени, чем больше поражение в ткани.
98
На рис. 3.6 представлены также рассчитанные на основе моделей формирования радиационного поражениия в системе кроветворения (Шафиркин А.В., 19836, 1999в; Губин А.Т., Сакович В.А., Шафиркин А.В., 1995) минимальные количества миелокариоци-тов в костном мозге у собак в зависимости от дозы (кривая 2). Из рисунка видно, что расчетные значения минимального числа мие-локариоцитов достаточно хорошо соответствуют данным эксперимента на собаках и материалам клинических обследований людей, подвергнутых лучевой терапии.
На рис. 3.7 представлены зависимости от дозы минимального содержания форменных элементов в крови у крупных млекопитающих на основе представленных выше экспериментов, выполненных на крупных млекопитающих (Haigh M.V., Paterson Е., 1956; Leong G.F. et al, 1964; Ainsworth E.A., et al., 1965; Dalrimple G.V. et al., 1966; Nachtwey D.S. et al., 1967; Рыжов Н.И. и др., 1967; Still E.T. et al., 1969; Абрамова Г.М., 1969; Акоев И.Г., 1970; Белоусова О.И., Трушина М.Н., 1974; Каландарова М.П., 1970,1988; Невская Г.Ф., 1974; и материалов клинических наблюдений (Dealy J.B., Tubiana М., 1964; Гуськова А.К., Байсоголов Г.Д., 1971; Воробьев А.И., Бриллиант М.Д., Баранов А.Е., 1973; Бриллиант М.Д., Воробьев А.И., Баранов А.Е., 1974; Баранов А.Е. и др., 1977; Груздев Г.П., 1988; Ранние эффекты облучения человека высокими дозами. Доклад НКДАР ООН, 1988).
Для сопоставления на рисунке приводятся также кривые доза-эффект для относительного числа стволовых кроветворных клеток и минимального количества миелокариоцитов (соответственно кривые 5 и 4).
Можно видеть, что относительное изменение концентрации форменных элементов крови от дозы у крупных животных и у человека являются достаточно близким и соответствует характеру изменения общего количества миелокариоцитов в костном мозге. Относительное уменьшение количества нейтрофилов у онкологических больных, подвергавшихся терапевтическому облучению, в большей степени коррелирует с изменением числа стволовых кроветворных клеток (кривая 5). Эти данные для больных людей существенно отличаются и не соответствуют зависимости числа нейтрофилов от дозы, представленной в работе (Ранние эффекты облучения человека высокими дозами. Доклад НКДАР ООН, 1988) для случаев аварийного облучения.
99
100
100
200	300	400	500	600
Д. СГр
Рис. 3.7 Зависимость от поглощенной дозы минимального содержания форменных элементов крови у крупных млекопитающих и у человека (обведенные индексы).
По оси абсцисс — поглощенная доза, сГр; по оси ординат — относительное количество клеток. О — число лейкоцитов; Н — число нейтрофилов; • — число нейтрофилов у животных кривая 1); А — число лимфоцитов (кривая 2); Т — число тромбоцитов (кривая 3); Р — число ретикулоцитов (кривая 3). Кри-ваые 4 и 5 — расчетное количество миелокариоцитов в костном мозге и стволовых кроветворных клеток из математических моделей. Кривая 6 — минимальное относительное содержание нейтрофилов у онкологических больных (Ранние эффекты облучения человека высокими дозами НКДАР ООН, 1988)
Таким образом, рассмотренные материалы свидетельствуют о том, что представленная выше кривая выживаемости стволовых кроветворных клеток от дозы для собак может использоваться для оценки степени функционального снижения гемопоэза у человека
100
при равномерных острых радиационных воздействиях в дозах до 150-200 сГр. Расчетная по модели кривая изменения относительного количества миелокариоцитов у собак с увеличением поглощенной дозы (кривая 2, рис. 3.6) удовлетворительно описывает характер изменения количества клеток в костном мозге и в периферической крови у человека при дозах до 600 сГр. Эта кривая описывается экспоненциальной зависимостью от дозы с параметром Do равным 120 сГр: f(D) = exp(-D/120).
Для оценки опасности воздействия протонов солнечных космических лучей большое значение имеет сравнение радиобиологической эффективности воздействия ускоренных протонов и стандартных видов излучения в различных дозах, в частности по отношению к развитию поражения в системе кроветворения. С этой целью проанализированы материалы экспериментальных исследований, касающиеся радиобиологических эффектов на крысах, обезьянах и собаках, после однократных и повторных воздействий протонов с энергиями 126-730 МэВ и стандартных видов излучений.
В работах (Даренская Н.Г. и др., 1966, 1968; Рыжов Н.И. и др., 1967; Рыжов Н.И., 1982; Шафиркин А.В., Федоренко Б.С., 1998; Федоренко Б.С., 2006) показано, что облучение собак протонами 126, 240 и 510 МэВ привело к развитию лучевых реакций, аналогичных по характеру и глубине проявлений тем, которые имели место после рентгеновского и гамма-излучения. Расчеты, проведенные на основании результатов исследований, показали, что по смертности животных, срокам их гибели и глубине изменений в системе кроветворения величина коэффициента относительной биологической эффективности (ОБЭ) ускоренных протонов не превышает 1,0. Аналогичные данные получены в экспериментах на обезьянах, облученных протонами с энергией 138, 400 и 730 МэВ (Dalrimple G.V. et.al., 1966). Авторы этой работы считают эффективность воздействия протонов равной эффективности стандартных излучений.
В экспериментах на мелких лабораторных животных по отдельным ближайшим проявлениям лучевых реакций отмечена меньшая или равная эффективность воздействия ускоренных протонов по сравнению с гамма-излучением. В этих экспериментах при воздействии гамма-излучения получено меньшее значение периода Т50 полууменьшения числа кариоцитов костного мозга крыс, более выраженная степень максимальной аплазии крове
101
творной ткани. Более медленным было и восстановление клеточ-ности в пострадиационном периоде. Величины коэффициентов ОБЭ как по данным поражения в системе кроветворения, так и по смертности животных находились в диапазоне 0,7-1,0 (Рыжов Н.И., Дербенева Н.Н., Серая В.М. и др., 1967; Серая В.М., 1970; Рыжов Н.И., 1982; Шафиркин А.В., Федоренко Б.С., 1998; Федоренко Б.С., 2006).
Значительное число экспериментов выполнено по изучению эффективности воздействия быстрых нейтронов по сравнению с гаммаоблучением. Эти материалы могут в настоящее время позволить оценить сравнительную эффективность воздействия излучений с высокими значениями ЛПЭ, в том числе и ускоренных многозарядных ионов, поскольку экспериментальных данных по воздействию этих частиц пока недостаточно. Материалы обзорного исследования по изучению биологической эффективности быстрых нейтронов реакторного спектра (Свердлов А.Г., 1974), результаты наших собственных экспериментальных исследований (Ульянова В.А., Шафиркин А.В., Фарбер Ю.В., Маркелов Б.А., 1987) и проведенный нами анализ воздействия на различные ткани млекопитающих быстрых нейтронов (Шафиркин А.В., Федоренко Б.С., 1998) показывают, что в условиях равномерного облучения животных значение коэффициента ОБЭ таких нейтронов заключено в диапазоне от 3,0 до 4,0 (по реакциям тканей и выживаемости мелких лабораторных животных в ближайшем пострадиационном периоде).
Материалы этих исследований показывают, что по отношению к ближайшим радиационным проявлениям в быстро обновляющихся тканевых системах организма величина коэффициента ОБЭ воздействия быстрых нейтронов после однократных и повторных воздействий не меняется и составляет для кроветворной ткани значение, равное 3,0 ± 0,3. Можно считать, что это значение возможно использовать и при оценке ближайших радиобиологических эффектов ускоренных многозарядных ионов.
Представленная в работе (Губин А.Т., Сакович В.А., Шафиркин А.В., 1995) математическая модель формирования радиационного поражения в системе кроветворения была апробирована нами для описания кинетики относительного количества костномозговых клеток после острых радиационных воздействий. Поскольку период полувыведения гранулоцитов из кровотока в ткани составляет несколько часов, динамика их изменения во времени
102
практически повторяет относительное изменение количества клеток миелоидного ряда в миелограмме. Поэтому уравнение в моде
ли для костномозговых клеток применимо косвенно для описания также изменений относительного количества нейтрофилов в периферической крови. При рассмотрении экспериментов по острому облучению собак начальные значения доли выживших стволовых кроветворных клеток определяли на основе кривой выживаемости числа КОЕс от дозы, представленной в начале
этого раздела.
В качестве примера на рис. 3.8 рассмотрены данные по изменению относительного количества лейкоцитов у собак после их двустороннего облучения протонами 126 и 240 МэВ в дозах 50, 100, 150, 200 и 250 сГр (Абрамова Г.М., 1969; Невская Г.Ф., 1974). Пунктиром показан расчет по указанной выше модели. Параметры модели для кривой выживаемости КОЕс для собак составляли п = 1,55 и Do =55 сГр. Остальные кинетические параметры модели для собак выбирали на основе наилучшего согласования с экс
периментальными данными ших квадратов.
Как видно из данных, представленных на рисунке, отмечается удовлетворительное согласие расчетных и экспериментальных значений по относительному изменению концентрации лейкоцитов в крови собак после их облучения в различных дозах. Рассмотренный выше характер изменений в системе кроветворения распространяется непосредственно на случай равномерного облучения человека и животных. При существенно неравномерном облучении представленные материалы могут служить основой для определения величины
с использованием метода наимень-
Рис. 3.8. Изменение относительного числа лейкоцитов в крови у собак после равномерного облучения протонами в различных дозах.
(Рыжов Н.И. и др. 1967; Абрамова Г.М., 1969; Невская Г.Ф., 1974).
Пунктиром показаны результаты расчетов по модели] (Губин А.Т., Сакович В.А., Шафиркин А.В, 1995)
103
равноценной эквивалентной дозы радиационного воздействия в случае известного характера распределения дозы по костному мозгу, в соответствии с нормативно-техническим документом
(ГОСТ 25645.219-90, 1991).
t, сутки
Рис. 3.9. Изменение относительного количества лейкоцитов в крови у собак после их субтотального облучения протонами в дозе 350 сГр с экранированием различных частей тела и сохранением различной доли костного мозга, выраженной в процентах. Пунктиром показаны результаты расчетов по модели.
(Губин А.Т., Сакович В.А., Шафиркин А.В, 1995)
На рис. 3.9 показаны данные по динамике числа лейкоцитов у собак после их двустороннего облучения протонами 240 Мэв в дозе 350 сГр с экранированием различных частей тела животных (Абрамова Г.М., 1969; Невская Г.Ф., 1974).
В этом эксперименте при экранировании переднего отдела живота сохранялось 5-6% костного мозга, при экранировании головы и заднего отдела живота 7,5-8% костного мозга, при экранировании груди и таза — 12,6-14% костного мозга. В случае экранирования передней половины тела оставалось жизнеспособным приблизительно 30% костного мозга. Пунктиром на рисунке представлены расчетные по модели значения относительного количест
ва клеток в пострадиационном периоде для указанных начальных значений доли жизнеспособных стволовых кроветворных клеток S/S*.
Как видно из представленных рисунков (рис. 3.6-3.9), с помощью данной математической модели удается удовлетворительно описать изменение относительного количества стволовых кроветворных клеток, дифференцированных клеток костного мозга и клеток в периферической крови после острых равномерных и неравномерных радиационных воздействий.
104
Даная простая математическая модель, конечно, не описывает в достаточной степени точно динамический процесс в периферической крови во времени после острого облучения (начальный нейтрофилез при больших дозах, временный абортивный подъем числа клеток, явление перерегулирования при окончательном восстановлении), тем не менее она характеризует изменения в системе кроветворения в целом в обобщенном виде, позволяет оценивать степень напряженности функционирования гемопоэза, определяет изменение продукции костномозговых клеток интегрально за достаточно большой промежуток времени. Это имеет большое значение для обобщенной оценки состояния системы кроветворения, определения устойчивости организма при воздействии факторов радиационной и нерадиационной природы, установления значений равноценных доз при неравномерном облучении и расчетов радиационного риска.
Выше на рис. 3.6 и 3.7 продемонстрировано, что данная модель может быть использована для описания глубины изменений в костном мозге и в периферической крови после облучения человека в различных дозах. При этом параметры инактивации стволовых кроветворных клеток п и Do могут быть приняты теми же самыми, что и для собак (1,55 и 60 сГр соответственно), поскольку величины ЛД 5о/зо для собак и человека являются достаточно близкими.
Нами показано также, что с помощью относительно простых математических моделей с одним или двумя дифференциальными уравнениями можно достаточно хорошо описывать характер изменения относительного числа клеток в костном мозге и в периферической крови в процессе хронического облучения с различными значениями мощности дозы (Шафиркин А.В., 19836; Григорьев Ю.Г. и др., 1986; Губин А.Т., Сакович В.А., Шафиркин А.В., 1995; Шафиркин А.В., 1999в).
Проведенный в работах (Григорьев Ю.Г. и др., 1986; Шафиркин А.В., 1999в) анализ экспериментальных данных при протяженном непрерывном или фракционированном облучении мелких лабораторных животных (МЛЖ) в дозе за сутки более 100 сГр и крупных млекопитающих в суточной дозе 20 сГр и выше показал, что общая картина развития радиационного поражения организма, в том числе и кроветворной ткани, подобна той, которая наблюдается при остром облучении в летальном диапазоне доз в пределах костномозгового синдрома. Основными причинами ги
105
бели животных являются развитие сепсиса и геморрагических проявлений, а также анемии в более поздний период, что связано с наличием глубокой аплазии костного мозга и панцитопеничес-кими реакциями в периферической крови. Общая продолжительность жизни животных не превышает 30 и 60 суток соответственно.
При меньшей интенсивности радиационного воздействия, когда мощность дозы или поглощенная доза за сутки у мелких лабораторных животных составляет 20-85 сГр, а у крупных млекопитающих — (2,5-15) сГр/сут, продолжительность жизни экспериментальных животных становится выше, чем при остром облучении в летальном диапазоне доз. Она возрастает по мере уменьшения мощности дозы вследствие развития в системе кроветворения состояния временного относительного равновесия, когда радиационная инактивация стволовых кроветворных клеток и делящихся клеток морфологически идентифицируемых отделов костного мозга компенсируется существенным возрастанием относительной доли пролиферирующих клеток и скорости их деления (Lamerton L.F. et al., 1960; Spalding J.F. et al,1969; Hupp E.W. et al., 1971; Norris W.P. et al., 1971; Norris W.P., Fritz T.E., 1974; Kalina I., Praslicka M., Petro vicova J., 1975; Прасличка M.A., Калина И., 1976; Зухбая Т.М., 1979; Джикидзе Э.К., Косиченко Л.П., Куксова М.И., 1980; Fritz Т.Е. et al., 1982).
В начальный период облучения, когда доза за сутки не превышает у МЛЖ 50 сГр, а у крупных млекопитающих 12 сГр после первоначального уменьшения числа клеток в костном мозге и периферической крови наблюдается последующее увеличение количества клеток, несмотря на продолжающееся облучение. Этот период некоторого клинического благополучия и относительной компенсации в кроветворной ткани, характеризуемый существенным повышением уровня регенерации в ней, отмечали у собак при их ежедневном фракционированном облучении в дозе 5-10 сГр в сутки в течение 3-4 месяцев (Лаптева-Попова М.С., 1959), у обезьян при аналогичном воздействии в дозе 5,7 сГр в сутки в течение 5,5-6 мес (Джикидзе Э.К., 1964), у морских свинок при их облучении в дозе 12 сГр в сутки в течение 2-3 месяцев (Колмогорова Л.А., 1980), когда поглощенная доза не превышала 750-1000 сГр.
В этот период значительно увеличивалось количество делящихся форм клеток, особенно эритробластического ряда, повыша
106
лась их митотическая активность, увеличивалось общее количество эритроидных элементов всех степеней зрелости при незначительном снижении общего количества миелокариоцитов. В периферической крови увеличивалось число ретикулоцитов и эритроцитов при несколько сниженном и волнообразно изменяющемся числе лейкоцитов и тромбоцитов. Автор работы (Колмогорова Л.А., 1980) отмечала у морских свинок при облучении в дозе 250-750 сГр снижение длительности клеточного цикла эритробластов с 15 до 11,6 часа и увеличение митотического индекса клеток на 34%, при этом почти в 2,5 раза повышался уровень пронор-мобластов и на 94% возрастало содержание эритробластов. Наблюдалось также повышение уровня костномозговой продукции эритроцитов на 21% и уменьшение периода полувыведения эритроцитов из кровотока на 14%. Эти изменения, свидетельствующие о существенном возрастании интенсивности эритропоэза и скорости обновления эритроцитов, вместе с изменением вероятности дифференцировки стволовых кроветворных клеток в направлении эритрона и увеличением продукции предшественников отражают проявление компенсаторных реакций организма, направленных на поддержание необходимого уровня эритроцитов и гемоглобина для выполнения основной дыхательной функции крови.
Как показали авторы в работах (Муксинова К.Н., Суходеев В.В., Мурзина Л.Д., 1979; Муксинова К.Н., 1985), при облучении крыс с мощностью дозы 50 сГр/сут при дозе менее 1000 сГр наблюдается период относительного клинического благополучия и временной компенсации в кроветворной ткани, который характеризуется значительным повышением уровня клеточной регенерации в ней. Имеет место существенное усиление регенерации как в эритроидном ряду, так и миелопоэза. Значительно в 2-3 раза возрастает количество делящихся форм клеток и особенно миелобластов, несмотря на их продолжающуюся радиационную инактивацию и значительное в 2-6 раз сокращение притока клеток из менее дифференцированных отделов. Повышение продукции гранулоцитов в 1,8 раза достигалось увеличением как количества пролиферирующих нейтрофилов, так и скорости их деления. Длительность цикла в миелоидном ряду укорачивалась на 20-30%.
Эти изменения интенсивности гемопоэза, несмотря на продолжающееся облучение и инактивацию части стволовых кроветворных клеток, отражены в постулатах указанной выше модели (Гу
107
бин А.Т., Сакович В.А., Шафиркин А.В., 1995), что позволило с ее помощью описать характер формирования поражения в кроветворной системе.
В более позднем периоде, когда поглощенная доза у собак, обезьян и морских свинок превышала 750-1000 сГр, активация кроветворения сменялась постепенным угнетением вследствие снижения пролиферативного потенциала и продукции клеток предшественников, а также компенсаторных возможностей организма и регенераторной способности системы кроветворения. Наблюдалось снижение количества эритробластов, миелоидных элементов, мегакариоцитов, увеличивалось содержание плазматических и ретикулярных клеток в костном мозге. Происходило также прогрессирующее снижение числа лейкоцитов, тромбоцитов, ретикулоцитов и эритроцитов в периферической крови. В среднем гибель собак наблюдалась через 6 месяцев, при этом патогистоло-гический анализ показал наличие аплазии костного мозга, атрофию лимфоидного аппарата селезенки и лимфоузлов. Срывы в системе гемопоэза, приводящие животных к гибели, были обусловлены нарушением регуляторных процессов в системе. У одних собак в большей степени выражена анемия, у других — агранулоцитоз (число лейкоцитов менее 500 в 1 мм3). При дозах 1200-1500 сГр агранулоцитоз был преобладающей причиной гибели. У животных, погибших в более поздние сроки (7-13 мес.) при дозах 1600-2800 сГр, такой причиной была анемия. Следует отметить значительную гетерогенность животных по способности осуществлять компенсацию радиационного поражения в системе кроветворения. Некоторые собаки гибли от лучевой болезни через 2,5-5 лет (суммарная доза 2600-8600 сГр), но в основном такой продолжительный срок жизни собак наблюдался при облучении их в дозе 5 сГр в сутки (Лаптева-Попова М.С., 1959).
При непрерывном облучении собак с мощностями доз 2,5, 5 и 10 сГр/сут также отмечена гетерогенность собак по жизнеспособности (Norris W.P. et al., 1971; Norris W.P., Fritz T.E., 1974; Fritz T.E. et al., 1982 ). Первый пик гибели был обусловлен развитием аплазии костного мозга и существенным снижением клеток в периферической крови. Сроки гибели варьировали от 209 до 730 сут. Второй пик гибели связан с нарушениями регуляторной способности организма и системы крови и развитием миелопролиферативной болезни, что было более присуще облучению с меньшей мощностью дозы. Сроки гибели также существенно
108
варьировали и для указанных значений мощностей доз были соответственно равны 1360 (840-1840); 1460 (990-1950) и 850 (380-1620) суткам.
При фракционированном облучении обезьян с дозой за сутки 5,7 сГр и суммарных дозах более 800 сГр после относительного благополучия в период выраженных клинических проявлений автор исследования (Джикидзе Э.К., 1964), наблюдала у обезьян ухудшение общего состояния организма, понижение аппетита, агрессивность, снижение массы тела, появление кровоизлияний на коже. Число лейкоцитов в крови сначала изменялось волнообразно с чередованием фаз угнетения и компенсации, в дальнейшем неуклонно снижалось. Так же постепенно снижалось и содержание тромбоцитов и эритроцитов. В конце концов животные погибали с симптомами хронической лучевой болезни, осложненной инфекционными проявлениями. Гибель обезьян, как и собак, наблюдалась в широком диапазоне доз (795-2800 сГр), что также свидетельствовало о гетерогенности животных по способности компенсировать радиационные нарушения в системе кроветворения.
У морских свинок при облучении уже в дозах 4,4 и 8,8 сГр в сутки (Lorenz Е., 1950; Lorenz Е. et al., 1954) отмечалось прогрессирующее снижение числа эритроцитов в периферической крови, особенно выраженное при облучении с большей мощностью дозы, а также прогрессирующее снижение числа тромбоцитов. Начальный период характеризовался максимальной скоростью снижения концентрации клеток, которая в дальнейшем изменялась более медленно. В этих экспериментальных исследованиях фазы относительного благополучия, связанной с активацией эритропоэза и увеличением числа эритроцитов, не наблюдали. Постепенно развивалась тяжелая анемия, ставшая причиной гибели животных при дозах 500-1400 сГр.
Причину различия в реакции эритрона у морских свинок в рассмотренных случаях можно объяснить на основе данных экспериментального исследования (Тетерина В.И., Сорокина В.А., 1962), в котором также изучалась реакция системы кроветворения у морских свинок при их ежедневном облучении в дозах 10-12 сГр. На основании полученных ими материалов можно сделать вывод, что ведущим в поражении гемопоэза является вызванное облучением нарушение регуляторных связей в системе кроветворения. При анализе миелограмм авторы выделили два вида реак
109
ции кроветворной системы у различных животных. В первом случае отмечали увеличение числа гемоцитобластов и незрелых форм миелоидного ряда, существенное увеличение их митотической активности и скорости пролиферации при уменьшении количества зрелых гранулоцитов. Количество эритробластических клеток при этом резко снижалось. В конечном счете отмечали резко выраженный ретикулез и гемацитобластоз. Во втором случае, наоборот, наблюдали существенное увеличение количества проэритробластов, базофильных и полихроматофильных эритробластов. Белый же росток был значительно угнетен. Гибель животных так же, как в других экспериментах, наблюдали в период 5-16 мес. при дозах 1300-3200 сГр в результате резко выраженных анемии либо агранулоцитоза.
При облучении мелких лабораторных животных с мощностью дозы в пределах 1-20 сГр/сут, а крупных млекопитающих в дозах 0,2-4 сГр в сутки после первоначального снижения числа лимфоцитов, гранулоцитов и тромбоцитов в крови также наступал период относительного устойчивого равновесия, существенно более длительный, чем при вышерассмотренном диапазоне мощностей доз. Изменение концентрации клеток носило, как правило, волнообразный характер, когда периоды относительного угнетения сменяются периодами усиления регенераторных процессов в ткани, несмотря на продолжающееся облучение (Lorenz Е. et al., 1954; Ingram М., Mason W.B., 1954; Макарченко А.Ф. и др., 1963; LajthaJ.G. et al., 1969; Norris W.P. et al., 1971; Praslicka M., Chlebovsky O., 1973; Горлов В.Г., Шафиркин A.B., Попов В.И. и др., 1975; Запольская Н.А. и др., 1976; Прасличка М.А., Калина И., 1976; Kalina I., Praslicka М., Petrovicova J., 1977; Зухбая Т.М., 1979; Швец В.Н., Шафиркин А.В., 1979; Джикидзе Э.К., Косичен-ко Л.П., Куксова М.И., 1980; Fritz Т.Е. et al., 1982).
В табл. 3.6 и 3.7 систематизированы данные различных исследований на мелких лабораторных животных (МЛЖ) и крупных млекопитающих и представлены средние значения показателей периферической крови в новом установившемся режиме при облучении животных в различных дозах за сутки.
На рис. 3.10 представлен характер изменения средних значений указанных показателей периферической крови по отношению к контролю в зависимости от мощности дозы или от поглощенной дозы за сутки.
110
Таблица 3.6
Относительное изменение показателей периферической крови у мелких лабораторных животных при протяженных облучениях с различной мощностью дозы в установившемся режиме
(Григорьев Ю.Г. и др., 1986)
Вид животных	Поглощенная доза в сутки, сГр	Длительность облучения, часы в сутки	Уровень кроветворных клеток по отношению к контролю, %			
			стволовые клетки (КОЕ)	лимфоциты	лейкоциты	тромбоциты
Мышь	0,11	8	—	100	100	100-105
Крыса	0,2	24	—	100	100	100
	1,0	24	—	100	100	100
Мышь	1,1-2,2	8	—	90-75	90-75	100
	4,4	8	—	50-60	60-70	—
	3,0-6,0	22	85-75	80-65	—	75-50
Крыса	5,0	24	—	—	65-70	75-80
Мышь	8,8	8	—	40-50	50-60	—
Крыса	10	22	—	60	60-70	65-75
Мышь	10	22	50	50	—	50
Крыса	20-36	22	—	—	40-30	—
Мышь	25	22	35	35	—	—
	50	22	15	—	—	—
Крыса	50	22	—	—	10	20
Мышь*	70-100	22	2-5	—	—	—
*При мощности дозы более 70 сГр/сут отмечается неуклонное снижение числа КОЕ.
111
Таблица 3.7
Относительное изменение показателей периферической крови у крупных млекопитающих при протяженных облучениях с различной мощностью дозы в установившемся режиме
(Григорьев Ю.Г. и др., 1986)
Вид животных	Поглощенная доза в сутки, сГр	Длительность облучения, часы в сутки	Уровень кроветворных клеток по отношению к контролю, %			
			лимфоциты	лейкоциты	тромбоциты	эритроциты
Морская свинка Кролик	0,11	8	90-100	90-100	100-105	—
Собака	0,05-0,1	1-6	—	100	100	100
	0,4	22	—	85-90	90	—
	1,0	22		72-75	80	—
Морская свинка Кролик	1,1-2,2	8	62-75	75-80	—	—
Собака	2,5	22	50	60-75	65	85
	5,0	22	—	50-55	55	—
Морская свинка	4,4	8	50-60	60-70	—	90
Кролик	8,8	8	25	50-60	—	75
Собака	10	22	—	37-42	28-30	62-75
	17	22	Неуклонное снижение числа клеток. Равновесный режим отсутствует			
Обезьяна	16-25	1	Неуклонное снижение числа клеток. Равновесный режим отсутствует			
Анализируя представленные данные, можно отметить, что отклонение средних значений показателей, характеризующих новый равновесный уровень в системе, от нормы закономерно увеличивается при возрастании ежедневной поглощенной дозы. При этом
112
Рис. 3.10 Уровень числа клеток периферической крови (%) в новом установившемся режиме при непрерывном и фракционированном облучении в зависимости от ежедневной дозы облучения, сГр (литературные источники представлены в тексте).
1 и 2 — количество лимфоцитов у крупных млекопитающих и мелких лабораторных животных (МЛЖ) соответственно (кривые I и II);
3 и 4 — количество лейкоцитов, тромбоцитов у крупных животных и МЛЖ (кривые III и IV); 5 — количество эритроцитов (кривая V);
6 — число колониеобразующих единиц (КОЕ)
наблюдается более сильное относительное снижение числа лимфоцитов. Концентрации гранулоцитов и тромбоцитов изменяются меньше. Наиболее слабо и при значительно больших суточных дозах уменьшается число эритроцитов, что свидетельствует о больших компенсаторных возможностях эритропоэза у облучаемых животных по сравнению с лейкопоэзом. Более выраженное относительное снижение числа лимфоцитов, возможно, обусловлено не только их радиационной инактивацией, но связано также с перераспределительной реакцией (миграцией лимфоцитов в костный мозг), развитием в начальный период облучения общего сим-птомо-комплекса, определяющего реакцию организма, характерную для общего адаптационного синдрома (Селье Г., 1972; Горизонтов П.Д., Белоусова О.И., Федотова М.И., 1973).
Сопоставление степени инактивации стволовых колониеобразующих кроветворных клеток и изменение относительного числа
113
зрелых клеток в периферической крови у МЛЖ на основе данных, представленных на рис. 3.10 и в табл. 3.6, показывает их достаточно хорошее совпадение, что подчеркивает ведущую роль в снижении концентрации зрелых функциональных клеток уменьшения числа и продукции стволовых кроветворных клеток.
Как видно из данных, представленных на рис. 3.10, при облучении мелких лабораторных животных в диапазоне мощностей доз 1-10 сГр/сут и крупных млекопитающих в диапазоне 0,2-2,5 сГр/сут, максимальное отклонение указанных средних показателей не превышает 50% от нормы, а число эритроцитов уменьшается лишь у крупных млекопитающих не более, чем на 15%, что свидетельствует о значительных компенсаторных возможностях системы кроветворения и ее способности длительное время в этих условиях поддерживать достаточно высокий уровень функциональных клеток в периферической крови.
В случае облучения МЛЖ с мощностью дозы менее 1 сГр/сут, а крупных млекопитающих менее 0,1 сГр/сут не удается отметить значимых изменений в системе кроветворения в течение всей жизни. Продолжительность жизни мелких лабораторных животных при данных уровнях радиационного воздействия не уменьшается (Lorenz Е. et al., 1954; Grahn D., Sacher G.A., 1968; Upton A.C., 1960; Григорьев Ю.Г., Попов В.И., Шафиркин A.B., Антипенко Ж.Б., 1986).
При снижении мощности дозы еще в 10 раз (около 0,1 сГр/сут) возможно проявление стимулирующего эффекта для части животных и увеличение средней продолжительности жизни (Lorenz Е. et al., 1954; Кузин А.М., 1977).
Как следует из данных рис. 3.10 и табл. 3.7, пороговое значение мощности дозы для начальных изменений в периферической крови у крупных млекопитающих заключено в диапазоне 0,1-0,4 сГр в сутки.
Обзор данных по характеру изменения числа клеток различных генераций в наиболее радиочувствительном сперматогенном эпителии при облучении в различных дозах представлен в разд. 3.4, а также в работе (Григорьев Ю.Г., Попов В.И., Шафиркин А.В., Антипенко Ж.Б., 1986). Подробно материалы по изменению концентрации, подвижности и числа атипичных форм сперматозоидов в эякуляте у собак при их облучении, моделирующем уровни облучения космонавтов при осуществлении длительных межпланетных полетов, а также их оплодотворяющей способно
114
сти и состоянии потомства будут рассмотрены при описании результатов «Хронического эксперимента» в разд. 4.
В условиях межпланетного космического полета при развитии мощных СПС с большим флюенсом и относительно мягким (низ-коэнергетичным) спектром протонов при наличии значительного перепада доз по телу, критичным с точки зрения нарушения работоспособности космонавтов будет развивающееся в ближайшие сутки после облучения поражение кожи. Эти материалы о неблагоприятных эффектах при облучении кожи в различных дозах будут рассмотрены в разд. 3.5.
3.4.	Состояние сперматогенеза и воспроизводительной способности животных после острых и протяженных облучений в различных дозах
Известно, что повреждения, вызываемые ионизирующим излучением, особенно отчетливо проявляются в тканях с высокой пролиферативной активностью. К числу таких тканей относится зародышевый эпителий гонад. Морфологическое строение семенника млекопитающих имеет определенную специфику. Паренхима состоит из семенных канальцев, между которыми расположена межуточная ткань из богатой сосудами рыхлой соединительной ткани и интерстициальных клеток Лейдига. Базальная мембрана вместе с клетками Сертоли образует стенку канальца, внутри которого располагаются сперматогенные клетки. Клетки Сертоли, как установлено в настоящее время, обеспечивают нормальный рост и развитие сперматогенного эпителия, и их функциональный цикл тесно связан с циклом сперматогенного эпителия. Спермато-гонии, расположенные в ближайшем к мембране слое канальца, являются камбиальными элементами и служат основой для процесса постоянного обновления сперматогенного эпителия, применительно к которым использован термин «стволовые клетки».
Выделены сперматогонии типа А, Б и промежуточных стадий последовательного перехода от А к Б. В результате дифференцировки сперматогоний промежуточного типа и типа Б образуются сперматоциты 1-го порядка, которые путем мейотического деления образуют сначала сперматоциты 2-го порядка, и затем сперматиды. Сперматиды, созревая, формируются в сперматозоиды. Кле
115
точная кинетика сперматогенного эпителия свидетельствует о сложном характере процесса клеточного обновления. Цикл сперматогенеза — время между состояниями, характеризуемыми одинаковым возрастным и структурным распределением клеток в рассматриваемой клеточной ассоциации, — у разных видов в основном сходен, меняется лишь продолжительность отдельных стадий. Для каждого вида в норме длительность цикла является постоянной величиной.
Накопленные к настоящему времени экспериментальные данные указывают на то, что острое или пролонгированное облучение в больших и средних дозах приводит к глубоким изменениям в сперматогенезе (Н.И. Нуждин 1962; Г.М. Роничевская, 1958; Oakberg, 1955; Oakberg, Clark 1964; Заликина Ж.Г. 1977; Григорьев Ю.Г. и др., 1986).
Наиболее радиочувствительными половыми клетками являются сперматогонии. Уменьшение числа сперматогоний происходит в результате как блокирования митозов и нарушения процесса деления клеток, так и деструкции и гибели сперматогоний. Популяция сперматогоний гетерогенна и по составу, и по радиочувствительности. Наиболее радиочувствительными являются сперматогонии типа Б и промежуточного типа. Доза, вызывающая 50%-ю гибель их (ЛД50), составляет 20-24 сГр. Сперматогонии типа А более резистентны, но и они гетерогенны по радиочувствительности. Часть их инактивируется при облучении в дозах 20-100 сГр, другая часть сохраняется и при облучении в дозе 1000 сГр, что связано с их различной физиологической активностью. Как и в системе кроветворения, часть клеток участвует в процессе сперматогенеза и активно обновляется, другая находится в состоянии покоя — резервные стволовые клетки Ао (Oakberg, Clark 1964; Dym, Clermont, 1970).
Радиоустойчивость половых клеток возрастает по мере их созревания. Сперматоциты более резистентны, чем сперматогонии. Существенной гибели сперматид и зрелых сперматозоидов не наблюдается при их облучении в относительно высоких дозах. Они продолжают развиваться и не теряют способности к оплодотворению, несмотря на заметное поражение митохондрий и аппарата Гольджи. Однако точный учет позволил отметить небольшое снижение числа сперматид через 6-12 суток после облучения, по-видимому, в результате нарушения мейотического деления сперма-тоцидов. Многие авторы объясняют высокую радиорезистент
116
ность сперматид и сперматозоидов состоянием ДНК их ядер. Показано, что у этих клеток по сравнению с делящимися предшественниками значительно подавлены процессы синтеза нуклеиновых кислот и белка.
Параллельно с «Хроническим экспериментом» динамику клеточного состава сперматогенного эпителия подробно изучала Ж.Г. Заликина (1977) в эксперименте по длительному непрерывному облучению мышей с различной мощностью дозы (2,5, 10,100 и 300 сГр/сут). Исследовали содержание сперматогоний типа Б, сперматоцитов, сперматид и сперматозоидов в семенных канальцах. Данные по относительному содержанию клеток (в процентах) в зависимости от дозы облучения для различных значений мощности дозы показаны на рис. 3.11.
Анализируя представленные данные, можно выделить три фракции сперматогоний, различающихся по радиочувствительности. Минимальная исследуемая доза 5 сГр (при всех значениях мощности дозы) приводила приблизительно к 40% инактивации числа сперматогоний типа Б, что свидетельствовало о наличии сверхрадиочувствительной фракции (явление, отмеченное нами ранее в системе кроветворения). Параметр Do для этой группы клеток был равен 5-10 сГр. Кроме того, можно отметить наличие резистентной фракции, составляющей около 30% клеток. Кривые инактивации для этой группы клеток имели значительное плечо Dq, примерно равное 400-500 сГр, и характеризуются относительно большим значением параметра Do на экспоненциальном участке 240, 410 и 970 сГр при облучении соответственно с мощностями доз 100-300, 10 и 2,5 сГр/сут. У промежуточной по радиочувствительности фракции отсутствует плечо на кривой выживаемости, и она характеризуется параметром Do, равным 50 и 70 сГр соответственно для мощности дозы 100-300 и 2,5- 10 сГр/сут.
Данные, представленные на рис. 3.11, свидетельствуют о существенном снижении эффективности поражения семяродного эпителия при уменьшении мощности дозы. Характер инактивадии последующих в процессе созревания клеток определяется относительным снижением числа сперматогоний и в значительной степени повторяет его. Можно отметить несколько большую степень инактивации сперматоцитов и сперматид на экспоненциальном участке, что объясняется, по-видимому, кроме снижения продукции клеток предшественников дополнительной гибелью клеток в
117
Рис. 3.11 Относительное изменение числа клеток сперматогенного эпителия: сперматогоний (а), сперматоцитов (б), сперматид (в) и сперматозоидов (г) в зависимости от дозы при облучении мышей с различной мощностью дозы.
1-3 — экспериментальные данные работы (Заликина Ж.Г., 1977) для мощностей доз 2,5, 10 и 100-300 сГр/сут; 4 и 5 — экспериментальные данные работы (Окберг Е.Ф., Кларк Э., 1963) для мощностей доз 13 сГр/сут и 3,8 сГр/мин соответственно
результате нарушения процесса мейоза. Плечо Dq для радиоус-тойчивой фракции сперматоцитов примерно равно 300 сГр, а параметр Do уменьшен и равен 80, 165 и 620 сГр для мощности дозы 100-300, 10 и 2,5 сГр/сут. Степень снижения количества сперматогоний при протяженном облучении согласуется с данными работы (Окберг Е.Ф., Кларк Э., 1963), авторы которой наблюдали подобный характер изменений при облучении мышей с мощностью дозы 13 сГр/сут. Опустошение эпителия оказалось значительно меньшим, чем в случае острого облучения с мощностью дозы 3,8 сГр/мин. Эти же авторы показали, что снижение радиобиологической эффективности воздействия на репродуктивную систему наблюдается, начиная с мощности дозы 0,8 сГр/мин (1150 сГр/сут) и проявляется значительно сильнее при более низких значениях мощности дозы 0,009 сГр/мин (13 сГр/сут).
Авторы работы (Eschenbrenner А.В., Miller Е., Lorenz Е., 1948) также отмечали уменьшение эффективности воздействия на се
118
менники при значительном снижении мощности дозы. Они пришли к выводу, что при малых значениях мощности дозы устанавливается равновесие между радиационной инактивацией клеток и регенеративным увеличением их продукции и что при оценке глубины поражения именно мощность дозы, а не общая доза является основным определяющим фактором.
При фракционировании облучения, когда отдельные дозы малы, например 2,5 сГр в сутки или меньше, происходит также отчетливое снижение радиобиологической эффективности облучения на семяродный эпителий по сравнению с однократным острым облучением, что выражалось в сохранении оплодотворяющей способности у мышей при их облучении в сравнительно высоких дозах 400-800 сГр (Заликина Ж.Г., 1977; Григорьев Ю.Г. и др., 1986).
Таким образом, меньший повреждающий эффект на семенники характерен для непрерывного облучения при снижении мощности дозы и при фракционированном воздействии, когда доза делится на малые фракции. Это объясняется, с одной стороны, увеличением вероятности восстановления радиационных повреждений в клетках, с другой — компенсаторными изменениями в организме по поддержанию сперматогенеза.
Для нормирования профессиональных облучений актуальны и важны результаты хронических экспериментов. В табл. 3.8 сделана попытка систематизировать отклонения показателей сперматогенеза и характера изменения сперматогенного эпителия по мере увеличения интенсивности и длительности радиационного воздействия. Как следует из данных таблицы, при облучении животных в дозе 0,02-0,1 сГр в сутки изменения сперматогенеза отсутствуют или не проявляются при морфологическом и гистологическом исследованиях. Начиная с мощности дозы 0,32 сГр/сут и выше концентрация клеток в канальцах снижается, увеличивается число дегенеративных атипичных форм сперматозоидов, снижается масса семенников и даже наблюдается их полная атрофия, увеличивается относительное число стерильных животных. Наиболее выраженное опустошение семенников и серьезные морфологические изменения семенных канальцев наблюдаются при ежедневной дозе облучения 0,5-1,0 сГр и выше.
У собак изучали сперматогенез после двухлетнего рентгеновского облучения в широком диапазоне мощности дозы: 0,1, 0,5 и 1,0 сГр/сут (Boche, 1954). Исследование спермы было начато на
119
Таблица 3.8
Сперматогенез в условиях хронического облучения (Григорьев Ю.Г. и др,1986)
Вид животных	Доза облучения в сутки, сГр	Длительность облучения, сут	Характеристика сперматогенеза и воспроизводительной способности
Мышь	0,02	180	Изменения отсутствуют
Крыса	0,05	180	То же
Собака	0,1	720	То же
Крыса	0,1	250	Количество сперматогоний 93%, сперматозоидов несколько снижено
Мышь	0,32	150	Увеличение числа стерильных самцов
Крыса	0,5	50	Количество клеток в семенных канальцах 95%
		240	65%
		360	46%
Собака	0,065-0,13	Посале 5 лет	Число сперматозоидов снижено на 10-20%. Число атипичных форм 45-80%
	0,65	После 1 год	Число сперматозоидов снижено на 90-95. Стерильность у 80% животных
	0,5-1,0	После 2 лет	Аспермия у 50% животных (после облучения в дозе 620 сГр полная атрофия зародышевого эпителия
	1,1-8,8	После 1,5 лет	Глубокие морфологические изменения в семенниках и атрофия зародышевого эпителия
8-м месяце облучения, и наблюдения продолжались спустя 5 мес. после окончания лучевого воздействия. На основе проведенных исследований авторы делают выводы, что содержание спермато-
120
зондов в эякуляте было без изменений у животных контрольной и подопытной групп собак, облученных с мощностью дозы 0,1 сГр/ сут. При лучевом воздействии 0,5 сГр/сут около половины животных имели аспермию. Кроме того, авторы отмечали снижение содержания спермы у всех животных этой группы. При мощности дозы 1,0 сГр/сут на 9-й месяц от начала облучения у 50% собак развилась аспермия. Выраженное поражение сперматогенеза в этой группе животных оставалось и на протяжении 3 мес. после окончания облучения.
Воздействие с мощностью дозы 1 сГр/сут вызывало к концу первого года стерильность собак. При той же мощности дозы, но при достижении общей дозы 622 сГр, отмечалась полная атрофия зародышевого эпителия, в то время как снижение мощности дозы наполовину (0,5 сГр/сут) после достижения соответственно половины общей дозы вызывало лишь умеренную атрофию (Metcalf etal., 1954).
Важными являются результаты (Casarett, Hursh, 1964), которые провели многолетние исследования сперматогенеза у собак при их ежедневном облучении в дозе 0,06, 0,13 и 0,6 сГр, 5 суток в неделю в течение 10 лет. В первых экспериментах было использовано 60 собак (четыре группы) в возрасте 1,5 года, ежедневно подвергавшихся острому рентгеновскому облучению в течение 2-4 лет. Группы были распределены по величине суммарной дозы (табл. 3.9).
Таблица 3.9
Распределение животных по группам в экспериментах (Casarett, Hursh, 1964)
Группа	Количество собак	Ежедневная доза, сГр	Доза за неделю, сГр	Годовая доза, сГр	Время облучения (наблюдения), нед.	Общая суммарная доза, сГр
1	20	0,065	0,325	16,9	141-250	42-75
2	10	0,130	0,650	33,8	139-238	83-142
3	10	0,650	3,250	169,0	139-218	417-654
4	20	—	—	—	141-250	—
121
Сперму получали ежемесячно посредством мастурбации собак. Определяли объем эякулята, концентрацию и подвижность сперматозоидов, pH спермы, жизнеспособность и морфологическую характеристику клеток. Авторы осуществляли пробные спаривания.
На протяжении 2-4 лет наблюдения авторы не установили каких-либо достоверных изменений в сперматогенезе у собак 1-й и 2-й групп (0,3 и 0,6 сГр в неделю). Однако в течение 18 последних месяцев облучения в различные сроки было обнаружено устойчивое возрастание количества сперматозоидов с закрученными хвостами: у 80% собак, получивших дозу 0,6 сГр в неделю, у 45% собак при дозе 0,3 сГр в неделю при 5-10% в контрольной группе.
У собак 3-й группы, получавших дозу 3,2 сГр в неделю, было установлено прогрессирующее понижение абсолютного числа сперматозоидов. Это снижение начиналось при суммарной дозе 60-90 сГр (на 20-30-й неделе облучения). Далее абсолютное число сперматозоидов уменьшалось до 6-10% при суммарной дозе 120-180 сГр (на 40-60-й неделе облучения). После этого число сперматозоидов оставалось таким же или продолжало снижаться. Этому сопутствовало умеренное или более значительное увеличение количества неподвижных и мертвых сперматозоидов, а также сперматозоидов с морфологическими аномалиями, особенно с закрученными хвостами, отделенными от тела головками и цитоплазматическими отростками.
При спаривании восьми собак из 3-й группы шесть животных оказались стерильными, а две собаки, не захотевшие спариваться, по-видимому, были также стерильными, так как имели крайне низкое число сперматозоидов. Спаривание собак 1-й и 2-й групп не дало достоверных отклонений от контрольных данных.
Таким образом, авторы этой работы приходят к выводу, что ежедневное облучение собак в дозе 0,6 сГр приводит к начальным изменениям сперматогенеза при суммарной дозе 60-90 сГр, а более выраженное поражение развивается при достижении дозы 120-180 сГр. Если разовые дозы острого ежедневного облучения были равны 0,06 и 0,12 сГр, то даже при достижении суммарных доз 42-142 сГр достоверных изменений в сперматогенезе не наступает.
122
5.5. Изменение состояния кожного покрова в ближайшем пострадиационном периоде в зависимости от дозы
Как указывалось выше, в случае равномерного облучения человека в дозах, не превышающих 500 сГр, тяжесть лучевой болезни в основном определяется поражением системы кроветворения. При осуществлении межпланетных космических полетов возможны обстоятельства, когда космонавт может находиться вне космического корабля, и в случае развития стохастического солнечного протонного события с относительно большой плотностью потока низкоэнергетичных протонов и величиной флюенса возможно его неравномерное облучение с очень высокой дозой на кожу. При перепаде поглощенных доз по телу, превышающем 10 раз, ведущие проявления в основном будут обусловлены поражением кожи (Аветисов Г.М., 1975; Григорьев Ю.Г., 1975). В связи с этим важно установить тяжесть клинических симптомов поражения кожи в зависимости от дозы и характера ее распределения по глубине тела и особенно в ее поверхностных структурах.
Для понимания характера развития поражения и восстановления в системе обновления кожи в зависимости от дозы, важно об
ратить внимание на ее строение и нормальную клеточную кинети-
ку. Кожа имеет сложное строение (рис. 3.12).
Верхний слой толщиной 30-150 мкм — эпидермис отделен тонкой базальной мембраной из межклеточного вещества от дермы (собственно кожи), которая сосочковидными выростами высотой приблизительно 50 мкм вдается в слой эпидермиса. Толщина дермы на большей части тела составляет 1,5-2,5 мм, на ла
Рис. 3.12. Строение кожи человека (Осанов Д.П., 1990)
донях и подошвах около 3 мм, на спине может достигать 4,5 мм. Ниже дер
123
мы расположен нерезко ограниченный от нее слой подкожной ткани, включающей дольки жировой ткани, достигающей до 30 мм и более. Эпидермис — многослойная ткань, имеющая сложную иерархическую структуру.
К базальной мембране эпидермиса прикреплены базальные клетки, которые покрывают ее в один ряд. Это вытянутые цилиндрические клетки диаметром 6 мкм и длиной 9 мкм. Часть из них является стволовыми клетками, поддерживающими клеточную кинетику. На 100 мкм вдоль базальной мембраны насчитывается 18-20 базальных клеток. Следующий ближе к поверхности слой кожи состоит из 3-6 рядов дифференцированных шиповидных клеток размером 5x7 мкм. На расстоянии 100 мкм находится приблизительно 60-80 таких клеток. За этим слоем располагается от 3 до 5 рядов зернистых клеток. Ближе к поверхности кожи клетки лишаются ядер. Они состоят в основном из кератина, содержание воды в них снижается до 10% по массе. Несколько десятков рядов таких плоских отмерших клеток, плотно примыкающих друг к другу, образуют роговой слой эпидермиса, толщиной около 10-15 мкм (на подушечках пальцев — 350-650 мкм, на подошвах 900-1400 мкм). Наружная поверхность рогового слоя непрерывно слущивается и за сутки вновь образуется 0,5-1,0 г рогового вещества.
В дерме располагаются основные придаточные образования кожи — волосяные сумки (фолликулы), сальные и потовые железы, которые имеют каналы, выходящие на поверхность кожи. Базальные клетки вокруг придатков меньше по размерам, но расположены значительно плотнее, чем между каналами придатков. На границе с подкожной тканью находится глубокая сосудистая сеть, питающая базальные клетки, луковицы волос, клубочки потовых желез и дольки жировой ткани. От артериальной сети отделяются артериолы, которые подходят к группе сосочков и ветвятся на капилляры диаметром 8-10 мкм, образующие клубочки в каждом сосочке непосредственно под базальной мембраной эпидермиса. Эпидермис сосудов не содержит, его клетки питаются из внутриклеточной жидкости, поступающей через базальную мембрану эпидермиса и межклеточные промежутки. Обычно в коже мало крови (около 65 мл), но при расширении сосудов дермы они могут вместить до 1 л крови (Гозенбук В.Л., Кеирим-Маркус И.Б., 1988).
Система клеточного обновления эпидермиса аналогична системе обновления других активно регенерирующих тканей, но ско
124
рость ее обновления в норме существенно ниже по сравнению с кроветворной тканью и эпителием кишечника. Если кинетика последних характеризуется суточными периодами, то эпидермиса — недельными, а для большинства сосудов дермы период обновления определяется месяцами. Делящиеся базальные клетки эпидермиса образуют сплошной извилистый слой, лежащий в его основании и продолжающийся в глубь дермы вдоль стенок волосяных фолликулов. Они после ряда делений, последующей дифференцировки и созревания поступают в поверхностный функциональный роговой слой.
Длительность митотического цикла базальных клеток эпидермиса в норме составляет 8 ± 2 сут, а усредненная по всем базальным клеткам, включая фазу покоя Go, достигает 16 суток. Выходя из фазы Go, клетка испытывает 1-2 деления и снова переходит в фазу Go (или Gj). Часть делений (до 12%) осуществляется базальными клетками, отделившимися от базальной мембраны в слое шиповидных клеток. Стволовые клетки в основном находятся в фазе Go и изредка, вступая в цикл, делятся, поддерживая пул базальных клеток. Последние в свою очередь делятся в среднем один раз в 2 недели. После ряда делений базальные клетки дифференцируются и переходят в компартмент созревающих шиповидных клеток, затем зернистых клеток. Цитоплазма постепенно замещается кератином и клетки отмирают, образуя роговой слой, а затем и слущиваются. Минимальное время перехода из базального слоя в роговой, как показали экспериментальные исследования на коже свиней с использованием радиоактивной метки, составляет 14-16 суток, время прохождения по роговому слою также около 14 суток. Полное время обновления эпидермиса немного менее месяца 26-28 суток. (Осанов Д.П., 1990).
Процесс обновления клеточной популяции эпидермиса регулируется по принципу обратной связи. Уменьшение численности базальных клеток и клеток созревающего компартмента снижает концентрацию кейлона — химического фактора, выделяемого клетками и ингибирующего скорость пролиферативных процессов, что ускоряет выход базальных клеток из состояния покоя Gq и способствует увеличению скорости их размножения. Этому способствует также ряд факторов, стимулирующих клеточную пролиферацию, выделяемых продуктами массовой гибели клеток при распаде ткани в случае травмы, при ожоге или радиационном поражении. Так при нанесении травмы деление базальных клеток
125
через сутки резко ускоряется. Клеточный цикл сокращается в 2-4 раза, а время удвоения числа базальных клеток может сократиться в 30 раз (от 10-16 суток до 14 часов). Соответственно время обращения клеток эпидермиса снижается до 7 суток, что способствует восстановлению базальных клеток эпидермиса, его придатков и быстрому заживлению раны (Волохова Н.А., 1964).
При радиационном поражении эпидермиса с уменьшением численности стволовых, делящихся и дифференцирующихся клеток, усиливаются пролиферативные процессы в ткани и скорость размножения способных к делению клеток. Восстановление при преимущественном местном поражении может идти за счет выживших клеток на облученном участке и вследствие миграции клоногенных клеток из менее облученной пограничной зоны.
Характер и клиническое течение болезни при радиационном поражении кожи, возможные отдаленные рецедивы его проявления и конечный результат зависят от степени повреждения как эпидермиса, так и дермы, кровеносных сосудов и других тканей. При этом деструктивные процессы, развивающиеся в последних более глубоких поверхностных слоях, могут вносить вклад во все компоненты системы клеточного обновления кожи. Процесс же восстановления целиком определяется состоянием пролиферативного пула базальных клеток. Следует при этом отметить, что наибольшей поражаемостью отличаются базальные клетки эпидермиса и клетки эндотелия сосудов дермы. Созревающие и функциональные клетки эпидермиса, фибробласты и мышечные клетки дермы, клетки нервной ткани повреждаются существенно меньше при относительно невысоких дозах и в сроки, характерные для острого периода лучевого поражения кожи.
Данные о радиочувствительности стволовых клоногенных клеток эпидермиса в настоящее время очень ограничены. Гистологически показано, что в эпидермисе свиней образуется три типа клеток, дающих малые, большие и гигантские колонии, «островки». Радиочувствительность соответствующих клоногенных клеток существенно различна. Параметр Dq, определяющий конечный наклон кривых выживаемости клеток от дозы, оказался для этих клеток равным 270, 560 и 1600 сГр соответственно. Кривые выживаемости клеток, имеющие плечо, описываются уравнением: S/S0 = l- [l - exp(-D/D0]n. Если построить единую для всех клоногенных клеток кривую, то усредненное значе
126
ние параметра Do окажется равным 340 сГр, а экстраполяционное число — п = 6,6. Величина плеча Dq при этом составит величину 500-600 сГр (Осанов Д.П., 1990). Большая величина плеча, характерная для базальных клеток как и для клеток эпителия кишечника, свидетельствует о значительных возможностях указанных клеток восстанавливать сублетальные повреждения при фракционированных воздействиях в промежутках между облучениями (Ко-ноплянников А.Г., 1984; Ярмоненко С.П., Вайнсон А.А., 2004).
Для прогнозирования степени поражения кожи и оценки выжившей доли стволовых клеток при неравномерном облучении важное значение имеют характер глубинного распределения дозы и распределение базальных клеток в эпидермисе и дерме. В работах (Гозенбук В.Л., Кеирим-Маркус И.Б., 1988; Осанов Д.П., 1990) показано распределение базальных клеток по глубине кожи. В слое толщиной до 70 мкм расположено до 50% клеток, в срезе от 70 до 1000 мкм — 30% и на глубинах от 1000 до 2000 мкм расположено 20% клеток.
После облучения поступление новых клеток в базальный слой и слой шиповидных клеток прекращается на период блокирования деления базальных клеток. При дозах 15-25 Гр деление базальных клеток прекращается примерно на 15 часов на 1 Гр поглощенной дозы (на 10-15 суток), и эта задержка возрастает с увеличением дозы. После окончания блока скорость размножения сохраненной части базальных клеток, за счет развития указанных выше авторегуляторных процессов в ткани, а также компенсаторных процессов, существенно возрастает и значительно превосходит ту, которая присуща им в норме. Однако отмечаемое в эксперименте восстановление базальных клеток еще дополнительно задерживается, поскольку при больших дозах и сильном опустошении пула стволовых клеток они на первом этапе делятся только гомоморфно, восстанавливая свою численность.
Созревающие и функциональные клетки сохраняются после облучения. Сохраняется и их скорость продвижения к поверхности кожи и слущивания клеток рогового слоя. В то же время убыль базальных клеток из-за их дифференцировки не компенсируется своевременным их пополнением (ввиду блока митозов). Их число падает почти до нуля. Эпидермис отслаивается, и оголяется дерма.
Анализ кинетики поражения и восстановления численности базальных клеток кожи поросят после рентгеновского облучения
127
в дозах 16-26 Гр (Гозенбук В.Л., Кеирим-Маркус И.Б., 1988) показывает начальное линейное снижение числа клеток в период блока их размножения со скоростью независимой от дозы и определяемой нормальной кинетикой убыли клеток за счет их дифференцировки. Убыль базальных клеток составляет 3,3% в сутки. Восстановление числа клеток начинается при дозе 16,5 Гр с 10 суток после облучения, при дозах 22-26 Гр — с 20-25 суток соответственно. После облучения в дозе 16,5 Гр клеточность базальных клеток восстанавливается сравнительно быстро к норме (к 30 суткам), а после доз 22 и 26 Гр отмечается повторное глубокое снижение числа клеток к 50-60 суткам, что свидетельствует о напряженном характере регенерации в ткани и волнообразности протекания компенсаторных процессов, определяющих временное усиление скорости размножения клеток, как это отмечалось нами при анализе кинетики стволовых кроветворных клеток при радиационном воздействии (Швец В.Н., Шафиркин А.В., 1979).
Восстановление эпидермиса, как и при тепловых ожогах, происходит за счет сохраненных базальных клеток сначала в местах расположения придатков кожи очагами по всей пораженной поверхности кожи. Благодаря ускоренной пролиферации базальных клеток, слой вокруг придатков за время нескольких суток способен дорасти до границы раздела дермы и эпидермиса, начать покрывать обнаженную дерму и восстанавливать слой базальных и дифференцированных клеток эпидермиса. Восстановление слоя базальных клеток эпидермиса может происходить также и за счет размножения части сохраненных клеток и смещения их на пораженные соседние участки ткани (у поросят скорость такого процесса восстановления составляет 1 мм за 6-7 суток). После лучевого воздействия в дозе 16 Гр базальный слой восстанавливается за время около 30 суток, а после больших доз, как указывалось выше, восстановление протекает гораздо медленнее.
Изменения, возникающие в коже под влиянием ионизирующего излучения, выражаются последовательно эритемой, пигментацией, эпиляцией, отторжением эпидермиса, изъязвлениями и последующим восстановлением кожного и волосяного покровов. Эти изменения относятся к ранним реакциям в пределах 0-60 суток после облучения. Поздние проявления имеют место через 6 месяцев и более. Они связаны с развитием атрофии кожи и повторными изъязвлениями.
128
Как ранние эффекты, связанные с развитием эритемы и воспалительными процессами в коже, так и отдаленные изменения кожного покрова могут сказаться на работоспособности космонавтов и на выполнении ими полетной программы. Поэтому уровни радиационного воздействия на кожу при действии стохастических источников излучения в космосе — СКЛ и возможные неблагоприятные проявления должны оперативно устанавливаться службой радиационной безопасности в процессе осуществления полетов.
Также должен контролироваться характер накопления суммарных доз на кожу в процессе полета и степень их соответствия допустимым уровням воздействия. Первой наиболее характерной реакцией кожи на облучение является эритема в течение первых часов. Она имеет иногда волнообразное клиническое течение. Именно возникновение эритемы у членов экипажа может служить предвестником более тяжелых повреждений кожи. В качестве примера следует отметить, что если бы экипаж космического аппарата во время космического полета вне магнитосферы Земли находился за защитой 1 г/см2 во время СПС типа 10-16 июля 1959 г., поглощенная доза на кожу составила бы 650 сЗв и эритема могла бы возникнуть на 3-и сутки (Григорьев Ю.Г., 1975).
Из представленных данных видно, что развитие радиационного поражения в эпидермисе и восстановление его клеточности происходит аналогично характеру процесса в других обновляющихся тканях. В то же время кожа является более устойчивой тканью по сравнению с кроветворной. В связи с этим реакция кожи имеет отчетливый порог для начала видимых проявлений. Так эпиляция и слабая эритема возникают у наиболее радиочувствительных индивидуумов при дозе на кожу 200-400 сГр. Эпиляция имеет меньшее значение с точки зрения безопасности членов экипажа космического аппарата, но она является одним из ранних признаков возможного серьезного радиационного повреждения кожи. При дозе 200 сГр может иметь место временная эпиляция, которая начинается через 13-17 дней. С увеличением дозы она может прогрессировать до стойкого облысения. Рост волос может быть восстановлен через 3-6 месяцев, если доза на кожу не превышала 20 Гр.
После облучения кожи в дозах 4-7 Гр в ближайшем периоде возникает первичное покраснение (первичная эритема), являющееся следствием раздражения нервных рецепторов кожи, расши
129
рения просвета сосудов и притока крови к коже. Истинная эритема, сопровождающаяся покраснением и воспалением кожи, наблюдается при более высоких дозах. Она появляется через 10 суток, к 15 суткам достигает максимума и к 20-30 суткам постепенно ослабевает. При больших дозах она может вновь проявиться даже через 2 месяца (Волохова Н.А., 1964; Гозенбук В.Л., Кеирим-Маркус И.Б., 1988). Эритема сопровождается значительным усилением кровообращения в коже.
В работе (Radiobiological factors in manned space flight, 1967) показано, что 10%-я, 50%-я и 90%-я вероятность появления эритемы имеет место при дозах на кожу (на глубине 0,1 мм) 400, 575 и 750 сГр соответственно. Следует отметить, что для характера течения лучевой реакции кожи имеет значение присутствие дополнительных факторов, таких как повышение температуры окружающей среды, наличие травм, раздражающих веществ. Поэтому при осуществлении космических полетов даже умеренная эритема на сравнительно небольшой поверхности тела при давлении и трении от космического костюма (скафандра) может вызывать болевые неприятные ощущения у космонавтов и привести к заметному снижению работоспособности (Григорьев Ю.Г., 1975).
С увеличением дозы ионизирующих излучений эпиляция и эритема переходят в сухой эпидермит (реакция второй степени тяжести), который характеризуется возникновением небольших пузырей и сопровождается шелушением кожи. Порог реакции второй степени составляет 1000-1200 сГр. При больших дозах сухой эпидермит переходит во влажный, мокнущий эпидермит, сопровождающийся разрывом пузырей, образованием эрозий и поверхностных язв. Установлено, что время наступления влажного эпидермита соответствует времени прохождения клеток из базального слоя в роговой слой. Это говорит о преимущественном поражении базальных клеток и уменьшении их продукции. Время наступления пика данных кожных реакций совпадает со временем обновления эпидермиса. В работе (Radiobiological factors in manned space flight, 1967) показано, что 10%-я, 50%-я и 90%-я вероятность возникновения влажного эпидермита имеет место при дозах 1400, 2000 и 2600 сГр.
При воздействии относительно мягкого излучения характер отмеченных кожных реакций в значительной степени зависит от распределения дозы в поверхностных слоях кожи как в эпидермисе, так и в более глубоко расположенных слоях: дерме,
130
подкожной клетчатке. Излучение, не проникающее в эпидермис, не будет оказывать влияния на основные структуры системы обновления кожи и не приведет к отмеченным выше изменениям.
В случае поражения эпидермиса (глубина 70-100 мкм), может иметь место эпидермальный некроз, степень которого зависит от дозы. Могут отмечаться ранние указанные выше реакции кожи, такие как эритема, сухой и влажный эпидермит, обусловленные нарушением системы обновления эпидермиса. При более глубоком поражении кожи и формировании нарушений в дерме, включающих повреждения кровеносных сосудов (капилляров) и других структур, развивается трансдермальный некроз, сопровождающийся шелушением и изъязвлением, захватывающим все слои кожи. В этом случае возникают глубокие язвы, являющиеся основой отдаленных хронических воспалительных реакций, развиваются атрофия кожи и ее некроз. Когда воздействию подвергается кожа по всей толщине, первичным процессом поражения оказывается потеря эпидермиса в сроки, зависящие от указанной выше кинетики клеточной популяции. Затем при больших дозах развитие поражения сосудистой сети существенно усугубляет тяжесть дермальной формы острого лучевого поражения и вероятность последующих рецидивов поражения кожи, в том числе указанных выше проявлений.
Пороговые величины доз для ранних повреждений кожи, таких как сухой и влажный эпидермит, обусловленных нарушением клеточной кинетики в эпидермисе, составляют 1200-1700 сГр. Порог же для трансдермальных повреждений кожи, затрагивающих более глубокие слои и приводящих к развитию хронических воспалительных реакций, атрофии и некрозу кожи составляет 2180-2500 сГр (Гозенбук В.Л., Кеирим-Маркус И.Б., 1988).
Таким образом, в то время как острая лучевая реакция эпидермиса связана главным образом с прямым действием радиации на систему его клеточного обновления, этиология поздних эффектов наталкивает на мысль, что в их основе лежат нарушения других структур, расположенных в дерме и последующих глубинных слоях, в частности сосудистые нарушения и изменение кровоснабжения в этих участках ткани. Это подтверждается тем, что в клинике при проведении радиотерапевтических процедур и в экспериментальных исследованиях отдаленных поражений кожи свиней было показано отсутствие корреляции между тяжестью острой реакции эпидермиса и степенью поздней
131
132
Таблица 3.10
Тяжесть лучевого поражения кожи и сопутствующие эффекты после равномерного облучения в различных дозах (Гозенбук В.Л., Кеирим-Маркус И.Б., 1988; Осанов Д.П., 1990)
Доза, Гр	Пора* жение, баллы	Характеристика повреждений		Степень тяжести по глубине поражения	
		фаза поражения	фаза восстановления эпидермиса	Гозенбук, 1988	Осанов, 1990
5-8	0,5	Слабая эритема	Восстановление к 30 суткам	I	I
7-13	1,0	Умеренная эритема, яркая на 50% поля	Сухое шелушение, восстановление к 30-м суткам	I	II
10-15	1,5	Яркая эритема по всему полю	Сухое шелушение обильное, отчасти влажное. Восстановление эпидермиса на 80% язвенной поверхности	II	III
15-20	2	Яркая эритема по всему полю	Влажное шелушение. Малые пузыри, не напряженные менее 50% поля. Восстановление эпидермиса на 50% язвенной поверхности	II	III
18-25	3	Яркая эритема по всему полю	Влажное шелушение. Большие слитные пузыри более 50% поля, в том числе разрушенные с розовым дном. Восстановление эпидермиса по краям поля на 15%	II	IV
20-30	4	Темно-красная эритема	Пузыри со следами крови. У разрушенных пузырей дно белесое. Омертвение тканей менее 50% поля. Восстановление отсутствует. Изъязвление проникает в подкожную ткань	Ш-А	IV
Более 25	5	Лиловая эритема	То же и омертвение тканей более 50% поля	Ш-Б	IV
атрофии дермы при использовании различных режимов фракционирования дозы. Все перечисленные эффекты лучевого поражения кожи наблюдаются и при других — тепловых, световых и химических ожогах кожи.
Эти эффекты принято оценивать по тяжести проявлений в бальной шкале (табл. 3.10).
Анализируя данные, представленные в таблице, следует дополнительно отметить, что при равномерном по глубине облучении кожи в дозах более 15 Гр пузыри образуются на 17 сутки и проходят на 32-36 сутки, если клеточность базального слоя восстанавливается. При дозах 20 Гр с 50 суток наблюдается повторное повреждение, вызванное образованием язв и омертвлением кожи (Гозенбук В.Л., Кеирим-Маркус И.Б., 1988; Осанов Д.П., 1990). Из данных таблицы следует, что после облучения в дозах до 15 Гр кожа практически всегда восстанавливается. При воздействии в дозе 22 Гр она восстанавливается в 50% случаев, а при дозе, большей 26 Гр, восстанавливается очень редко.
Следует отметить, как указывалось выше, что кривые выживаемости стволовых клоногенных клеток эпидермиса от дозы имеют сравнительно большое плечо 500-600 сГр. Это свидетельствует о значительной их способности восстанавливать сублетальные повреждения. Поэтому эффективность повреждения системы обновления кожи существенно снижается в случае радиационного воздействия с малыми значениями мощностей доз и при фракционированных облучениях.
Исследование эффективности радиационного поражения кроветворной ткани, желудочно-кишечного эпителия, кожи при снижении мощности дозы радиационного воздействия подробно рассмотрено в работах (Шафиркин А.В., 1983-а, 1999-в) и в разд. 6.
Для решения вопросов нормирования воздействия на космонавтов космических излучений и обоснования предельных уровней облучения при осуществлении длительных орбитальных и межпланетных полетов необходимо кроме знания ближайших неблагоприятных эффектов, снижающих работоспособность и жизнеспособность космонавтов в процессе полетов, иметь также четкое представление о суммарном риске в течение всей жизни ухудшения здоровья космонавтов и о возможном снижении продолжительности их жизни. Поэтому материалы, представленные в последующих разделах, в значительной своей части касаются именно этих вопросов.
ХРОНИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ
ПО з- и 6-ЛЕТНЕМУ ОБЛУЧЕНИЮ СОБАК L С МОДЕЛИРОВАНИЕМ ДОЗОВЫХ
НАГРУЗОК НА КОСМОНАВТОВ
В УСЛОВИЯХ Д ЛИТЕЛЬНОГО ПОЛЕТА
К МАРСУ
4.1.	Методология постановки эксперимента
Уже на первых этапах освоения космического пространства в СССР, после запуска первого искусственного спутника Земли и первого полета пилотируемого космического корабля, генеральный конструктор космической программы академик С.П. Королев
выдвинул новую перспективную программу: осуществить пилотируемый полет к Марсу.
В СССР был начат широкий спектр предварительных исследований по этой программе. Перед научным коллективом Института медико-биологических проблем (ИМБП) М3 СССР академиком С.П. Королевым была поставлена научно-практическая задача — провести многолетний эксперимент по облучению животных во временном режиме и в дозах, моделирующих радиационное воздействие на космонавтов при полете на Марс, и получить необходимые данные к обоснованию допустимых уровней радиационного воздействия на космонавтов при осуществлении этого длительного межпланетного полета. Это
предложение было активно поддержано заместителем министра М3 СССР А.И. Бурназяном, академиками А.В. Лебединским и В.В. Лариным.
Заместитель министра здравоохранения СССР Аветик Игнатьевич Бурназян
134
В эксперименте принимали участие коллективы нескольких институтов СССР и зарубежные ученые: ИМБП Минздрава СССР, Института биофизики Минздрава СССР (ныне
Первый директор ИМБП, академик Андрей Владимирович Лебединский
ФГУ «Федеральный медицинский биофизический центр им. А.И. Бурназяна») в г. Москве, сотрудники лаборатории профессора Александрова С.Н. из ЦНИИРРИ Санкт-Петербурга, а также биологи и медики
Польши, ГДР, Чехосло-
вакии, Венгрии и Болгарии.
Работа координировалась специально созданным Научным советом, в который входили ведущие радиобиологи страны: С.Н. Александров, А.К. Гуськова, Г.Д. Байсоголов, Ю.И. Москалев, В.В. Шиходыров, Е.Д. Гольдберг, Ю.К. Кудрицкий, Н.Г. Да-
ренская, Л.С. Черкасова, Е.А. Савина, В.И. Яковлева и др. Программа эксперимента подробно обсуждалась на научных совещаниях, одно из которых представлено на фото.
Это был уникальный эксперимент, результаты которого освящались в журнале «Советский Союз» и были представлены на Выставке достижений народного хозяйства в павильоне «Космос».
В президиуме академик В.В. Парии, профессор Г.Д. Байсоголов, научный руководитель радиобиологических исследований профессор Ю.Г. Григорьев и профессор А.К. Гуськова
135
Необходимо было проанализировать имеющуюся литературу по постановке радиобиологических исследований по хроническому (длительному) облучению животных с различной мощностью дозы и поставить собственный эксперимент по многолетнему облучению животных, моделирующему временной характер и дозо-вые нагрузки на космонавтов во время межпланетного полета.
В хронических исследованиях существенную роль играет выбор вида животных. Известное преимущество при постановке хронических экспериментов имеют мелкие лабораторные животные (мыши, крысы). Учитывая малую продолжительность их жизни, продолжительность хронического облучения до их гибели относительно невелика. Количество животных в эксперименте может быть достаточно большим, минимальна трудоемкость работ по уходу за животными, просты условия и устройства для облучения мелких лабораторных животных. Однако информативность таких экспериментов весьма ограничена, усложнена экстраполяция полученных данных на человека.
Использование крупных лабораторных животных в хронических экспериментах требует длительного многолетнего наблюдения, особенно при изучении сокращения продолжительности жизни. Усложняются условия и устройства для облучения. Для организации такого эксперимента необходимы большие площади, возрастает трудоемкость работ по уходу за животными. Постановка таких экспериментов требует специального методологического подхода. По этим причинам к моменту постановки требуемого эксперимента имелась обширная радиобиологическая литература по хроническому облучению мелких лабораторных животных (непрерывному и ежедневному фракционированному) с различной дозой за сутки, но лишь единичные публикации по изучению эффектов хронического радиационного воздействия на крупных лабораторных животных (собаках).
Выбор в качестве объекта исследований именно собак объясняется тем, что собаки по своей радиочувствительности наиболее близки к человеку. При изучении кривых выживаемости в разных исследованиях среднелетальные среднетканевые дозы ЛД50/60 при остром равномерном облучении для собак заключены в диапазоне 260-300 сГр, а у человека 285-330 сГр (Блэр X., 1958; Alpen E.L. et al., 1958; Blair H.A., 1964; Langham W.H. et al., 1965; Григорьев Ю.Г. и др., 1986). Кроме того, у собак многие физиологические и патологические процессы протекают так же, как у че
136
ловека, а основные эффекты радиационного поражения достаточно полно отражают изменения, происходящие в организме человека во время и после воздействия ионизирующих излучений. Близкими являются и параметры скорости восстановления организма в процессе хронического облучения и после острых радиационных воздействий. Многолетний опыт радиобиологов показал, что имеется возможность прямой экстраполяции результатов, полученных на собаках, на человека.
Учитывая трудоемкость и длительность эксперимента, было важно обоснованно выбрать диапазон используемой мощности дозы. Этот выбор обусловлен задачами эксперимента. Существенным фактором в методологии постановки хронических экспериментов является режим облучения. Если предусматривается хроническое круглосуточное облучение, то время прекращения лучевого воздействия для кормления животных и уборки должно быть минимальным.
Установки для хронического облучения больших партий крупных лабораторных животных (собак) должны обеспечивать:
1)	нормальную жизнедеятельность одновременно большого количества животных в течение нескольких лет;
2)	простоту и удобство обслуживания животных (кормление, уборку, вывод животных на обследование);
3)	групповое размещение животных из расчета не более 2-3 м2 площади на одно животное с соблюдением норм радиационной безопасности для обслуживающего персонала и населения.
При оценке эффектов хронического облучения существенное значение имеют методы исследования, адресованные как к наиболее радиочувствительным, критическим системам организма (кроветворная система, сперматогенный эпителий), так и к основным регуляторным системам организма (нервная, эндокринная и сердечно-сосудистая системы).
При хроническом облучении организма в малых дозах в течение года и более развитие лучевого поражения имеет ярко выраженную дозовую зависимость. При длительном облучении с мощностью дозы излучения более 2 сГр/сут может развиться типичная картина хронической лучевой болезни (Гуськова А.К., Байсо-голов Г.Д., 1971), При меньшей мощности дозы (0,01-0,5 сГр/сут) общее состояние организма в течение длительного времени может оставаться удовлетворительным и лишь применение тонких специальных методов исследования и дополнительных функцио
137
нальных нагрузок позволяет выявить начальные признаки лучевого поражения, снижение реактивности, различную возможность компенсаторных реакций.
Оценка биологического действия хронического облучения осложняется тем, что во время такого облучения может изменяться радиочувствительность самого организма, причем это изменение может носить фазный характер. Кроме того, во время хронического воздействия снижается общая реактивность организма, ограничивается возможность организма к компенсации возникших изменений и в связи с этим приобретают важное значение так называемые нагрузочные пробы (Григорьев Ю.Г., 1963) Поэтому важно было организовать исследования таким образом, чтобы получить динамическую картину развивающихся сдвигов в организме по мере накопления поглощенной дозы в течение многолетнего облучения.
Возникшие в организме изменения при хроническом многолетнем облучении очень стойки, и восстановление нарушенных функций происходит медленно. Для отдаленных последствий характерны более высокая частота выхода лейкозов, опухолей, несколько ускоренное старение организма. Необходимо было также учитывать возможное развитие общесоматических заболеваний более широкого спектра. Важно было четко оценить основные признаки ускоренного старения в возможное сокращение продолжительности жизни при облучении в различных дозах.
Нами предварительно были оценены характер радиационной обстановки при полете к Марсу, величины доз, которые реально могли воздействовать на экипаж во время экспедиции к Марсу за счет галактических космических лучей (ГКЛ), и солнечных космических лучей (СКЛ) во время развития солнечных протонных событий (СПС). В дальнейшем полученные характеристики возможных источников облучения и уровней воздействия были подтверждены как в исследованиях советских ученых, так и в совместной работе с учеными США (Бобков В.Г. и др., 1964; Григорьев Ю.Г., 1975; Григорьев Ю.Г., Тобайес К.А., 1975; Ковалев Е.Е., 1976; Коломенский А.В., 1989; Dudkin V.E. et al., 1992; Шафиркин А.В., 1999в; Шафиркин А.В., Григорьев Ю.Г., Коломенский А.В., 2004).
Как показали расчеты, возможные значения эквивалентной дозы ГКЛ за различными толщинами космического аппарата лежат в диапазоне 15-100 сЗв за год. Такой большой диапазон доз
138
обусловлен вариацией потока частиц галактического излучения, неопределенностью относительной биологической эффективности (ОБЭ) для многозарядных ионов ГКЛ и вклада в поглощенную дозу вторичного излучения, образующегося в защите корабля и в теле космонавта. Галактические космические лучи будут оказывать непрерывное воздействие на космонавтов в течение всего времени полета к Марсу с постоянной мощностью дозы. Воздействие солнечных космических лучей носит стохастический характер как по времени реализации, так и по величине флюенса и жесткости спектра. Доза излучения СКЛ во время развития СПС может быть различной. Солнечные протонные события подразделяются на классы в зависимости от интенсивности и энергии частиц. Моделирование всего многообразия солнечных вспышек невозможно. В настоящем эксперименте была поставлена задача моделирования дозовых нагрузок и временных факторов для мощных СПС, таких как события 23 февраля 1956 г., 10 мая 1959 г. и 12 ноября 1960 г. Эквивалентная среднетканевая доза от данных вспышек составляет 5-15 сЗв за защитой 30 г/см2 и 40-50 сЗв за защитой 10 г/см2. Имеется значительная вероятность появления двух вспышек такого класса в год (10%). Кроме того, в аварийной ситуации, когда экипаж по какой-либо причине не сможет укрыться в радиационное убежище во время менее интенсивной солнечной вспышки, имеется конечная вероятность трех острых радиационных воздействий в год.
Характер радиационного воздействия и возможные значения эквивалентных доз при полете к Марсу легли в основу программы облучения животных в «Хроническом эксперименте». Возникла проблема определения величин доз и соответственно количество соответствующих групп животных, что существенно могло повлиять на объем проводимых исследований, а главное, должно было гарантировать получение результатов, позволяющих оценить степень радиационной опасности полета к Марсу для экипажа этой экспедиции и обосновать допустимые уровни радиационного воздействия.
После длительного обсуждения и анализа уже существующего опыта и данных, как экспериментальных, так и относящихся к профпатологии и результатам многолетних эпидемиологических наблюдений за населением, проживающих на территориях, загрязненных продуктами радиоактивного распада, коллективом ве
139
дущих исполнителей «Хронического эксперимента» было принято следующее окончательное решение.
Было решено использовать три группы животных только с хроническим облучением (моделирование трех уровней хронического облучения от ГКЛ за год), в которых облучение осуществлялось непрерывно по 22 часа в сутки. Первый уровень — минимальный, который не должен был привести к развитию каких-либо патологических проявлений, как во время шестилетнего облучения, так и в периоде последействия (до естественной гибели опытных собак). Суммарная годовая локальная доза на поверхности животных, ближайшей к источнику гамма-излучения, была выбрана равной 25 сЗв (первая группа животных).
Второй уровень мощности дозы должен быть достаточно большой и привести к патологическим проявлениям уже во время шестилетнего облучения собак и развитию отдаленных последствий — суммарная годовая доза 150 сЗв (третья группа животных).
Третий уровень мощности дозы был выбран как промежуточный между двумя первыми — суммарная годовая доза 75 сЗв. У собак этой группы мы ожидали развитие выраженных компенсаторных реакций, преходящих неблагоприятных проявлений, прежде всего в наиболее радиочувствительных обновляющихся тканях: кроветворной ткани и сперматогенном эпителии. Ожидаемыми могли быть значимые нарушения гемопоэза и сперматогенеза, как основных критических органов (вторая группа животных).
Четвертая группа опытных собак подвергалась сочетанному облучению: относительно острому облучению трижды в год, моделирующему воздействие СКЛ в дозах за сутки 10, 10 и 50 сЗв на фоне хронического облучения, моделирующего воздействие ГКЛ в суммарной годовой дозе 75 сЗв. Продолжительность острого радиационного воздействия была выбрана равной 18-20 ч в соответствии с данными о продолжительности солнечных протонных событий (тот период, за который реализуется значительная часть суммарной дозы от СПС).
Пятая группа собак с максимальной дозовой нагрузкой, животные которой подвергались также сочетанному хроническому облучению в дозе 75 сЗв за год и острому радиационному воздействию трижды в год в дозах 50 сЗв.
Результаты наблюдений за животными групп с сочетанным облучением позволяли оценить также значимость периодической серии острых облучений, воспроизводящих воздействие СПС на
140
фоне хронического облучения, моделирующего уровни доз от ГКЛ. Кроме того, мы ожидали получить на основе реакции животных этих двух групп данные для обоснования коэффициента гигиенического запаса для определения величин предельно допустимых уровней (ПДУ) для экипажей при длительных межпланетных космических полетах.
Так как основной опыт проводился в вольерах вне помещений, на «открытом воздухе», небольшое количество животных основных групп содержалось в теплом помещении, в котором осуществлялось аналогичное облучение (группа «биологического атмосферного контроля»).
Кроме чисто хронического облучения (три группы собак) и сочетанного воздействия, была группа животных с оценкой эффективности средств профилактики и терапии, а также две группы животных физиологического контроля.
Облучение основной партии животных было начато 12 ноября 1966 г. Для увеличения общего количества животных и статистической надежности результатов вводилось дополнительное количество животных в более поздние сроки. Регламент облучения, характеристика опытных групп и количество собак в этих группах, а также суммарные дозы за сутки и за год представлены в табл. 4.1.
Планировалась общая длительность облучения большинства животных в течение 6 лет. Часть животных через 3 года от начала облучения в соответствии с программой должна была быть выведена из облучения для наблюдения за дальнейшим развитием возникших изменений и характером процессов восстановления организма.
В качестве подопытных животных в «Хроническом эксперименте» были использованы беспородные собаки, отловленные в центральных областях страны. Всего было отловлено более 1000 собак. Перед введением в эксперимент все собаки были обследованы и из них отобраны абсолютно здоровые животные со следующими показателями экстерьера: масса тела 10-15 кг, рост 32-51 см, возраст 1,5-3 года. Соотношение самцов и самок составляло 4:1. Придавая большое значение подбору собак перед хроническим опытом в целом и в каждой подопытной группе, основные показатели экстерьера подопытных собак мы приводим в табл. 4.2.
141
Таблица 4.1
142
Дозы и регламент облучения собак в «Хроническом эксперименте>
Условия содержания	Характеристика воздействия	№ группы	Время начала облучения и число собак в группе			Моделируемая доза хронического облучения, сЗв		Доза острых облучений за год, сЗв	Суммарная доза за год, сЗв
			12 ноября 1966 г.	8 января 1968 г.	11 ноября 1968 г.	за сутки	за год		
На открытой площадке	Хроническое облучение	1	24		6	0,07	25	—	25
		2	24		6	0,21	75	—	75
		3	24		6	0,42	150	—	150
	Сочетанное облучение	4	24		6	0,21	75	50 + 10 + 10	145
		5	24		6	0,21	75	50 + 50 + 50	225
	Контроль	6	30		6	—	—	—	—
	Сочетанное облучение (профилактика)	7	30		6	0,21	75	50 + 50 + 50	225
В закрытом помещении	Хроническое облучение	8		6		0,21	75	—	75
	Сочетанное облучение	9		6		0,21	75	50 + 10 + 10	145
		10		6		0,21	75	50 + 50 + 50	225
	Контроль	И		6		—	—	—	—
Примечание. Представлены предполагаемые в эксперименте максимальные локальные поглощенные дозы на ближайшей поверхности к источнику гамма-излучения.
Таблица 4.2
Экстерьер собак перед началом «Хронического эксперимента»
1	Группа	Пол	Число животных	Средний возраст, лет	Рост, см	Масса, кг
1	Самцы	24	1,6	40-42	10-12
	Самки	6	1,4	43-45	12-15
2	Самцы	24	1,6	46-48	12-15
	Самки	6	1,3	43-45	12-15
3	Самцы	24	1,4	45-46	10-15
	Самки	6	1,7	45-46	10-12
4	Самцы	24	1,6	46-48	12-15
	Самки	6	1,7	46-48	12-15
5	Самцы	24	2,2	40-42	10-12
	Самки	6	2,3	40-42	10-12
6	Самцы	24	2,3	42-44	10-14
	Самки	12	2,5	35-44	10-12
7	Самцы	30	1,4	34-36	10-13
	Самки	6	1,6	34-36	10-13
8	Самцы	24	1,6	37-43	10-15
У отобранных для опыта животных после трехнедельного карантина были проведены клинические и гематологические исследования, а также сделаны специальные анализы по определению исходного уровня оцениваемых показателей. Кроме того, дополнительно был выполнены необходимые мероприятия по дегельминтизации и прививкам против чумы и бешенства. Последние мероприятия, а также периодическую дезинфекцию мест содержания животных проводили в последующие годы в соответствии с требованиями ветеринарной службы. В дальнейшем клинический статус животных в «Хроническом эксперименте» изучали в динамике на 246 беспородных собаках.
Животных «Хронического эксперимента» содержали на обычном виварном питании и кормили под постоянным контролем
143
2 раза в сутки. Общий объем корма составлял 1,3—1,5 л. Дневной рацион животных состоял из мяса, молока, хлеба, крупы, овощей, рыбьего жира, сухих дрожжей, мясо-костной муки, ежедневный рацион таким образом содержал 24% белков, 22% жиров, 53% углеводов. По общей энергоемкости в летне-осенний период животные получали с пищей 7000 кДж, а в зимне-весенний — 8200 кДж в сутки. Такое питание соответствовало правилам и рекомендациям кормления экспериментальных собак. Все данные объективных наблюдений и основную часть результатов инструментальных определений клинического состояния подопытных животных документировали в индивидуальных и специально разработанных журналах — индивидуальных протоколах на каждую собаку.
Всех собак содержали в специальных вольерах типа «звездочка» (по 6 собак в каждой «звездочке») на открытой площадке, кроме 24 собак, находившихся в четырех звездочках в отапливаемом помещении. Эти собаки были своеобразным «климатическим» контролем по отношению к основной группе животных. При распределении собак в вольерах учитывали их рост и массу. За собаками был установлен ежедневный ветеринарный контроль в течение всего периода облучения и во время последующего периода жизни. Общее клиническое состояние изучали у собак всех экспериментальных групп.
Для оценки клинического статуса животных в «Хроническом эксперименте» за животными вели ежедневные наблюдения: осматривали шерстяной покров, кожу, обращали внимание на состояние видимых слизистых оболочек, скелета, мышц, суставов, следили за сроками линьки. Наблюдали за стиранием зубов (для этого были сделаны фотографии зубов до начала облучения, а затем через 3 года от начала облучения). На протяжении всего эксперимента один раз в 2 месяца, а после 3 лет облучения через каждые 4 месяца собак взвешивали, измеряли ректальную температуру, регистрировали пульс, определяли частоту дыхания, детально обследовали сердечно-сосудистую систему, оценивали реакцию организма на физическую и тепловую нагрузки.
Гематологические исследования проводили у всех собак. В качестве показателей использовали: количество эритроцитов, лейкоцитов, ретикулоцитов, тромбоцитов и эозинофилов, РОЭ, содержание миелокариоцитов в 1 мм3 пунктата костного мозга. При этом подробно оценивали лейкограмму и миелограмму. Определение гематологических показателей производили по общеприня
144
тым методикам. Для выяснения гематологической равноценности групп животных до начала облучения сравнивали основные показания крови при помощи критерия %2. При этом существенных различий между группами собак не было выявлено.
Оценку функциональной способности гемопоэтической системы, в частности ее миелоидного ростка, проводили с помощью пи-рогеналовой пробы. Реакцию гемопоэтической системы на функциональную нагрузку оценивали по изменению костномозгового резерва гранулоцитов. Последний определяли расчетным путем как разность между их числом в периферической крови до и после введения пирогенала.
Состояние хромосомного аппарата изучали анафазным и ме-тафазным методами. В первом случае хромосомные аберрации анализировали в поздних анафазах и ранних телофазах. Учитывали хромосомные и хроматидные мосты, простые и парные ацентрические фрагменты. Просматривали в каждом препарате по 100 ана-телофаз. Материалом для исследования служили те же препараты, на которых производили подсчет митотической активности клеток костного мозга. Тестами для суждения о хромосомных нарушениях служили число хромосом, их структура и форма, а также взаимное расположение их в метафазной пластинке.
Иммунологическую реактивность определяли у собак по фагоцитарной активности нейтрофилов, титра комплемента нормальных антител, бактерицидной активности кожи, зева и др. Состояние функции репродуктивной системы оценивали по состоянию спермы, овогенеза, клинике течения щенности после плановых вязок, жизнеспособности потомства и характеру последующего развития щенков.
Биохимические исследования включали определение содержания белков, липопротеидов, холестерина и сахара по известным методикам. Так, содержание общего белка сыворотки крови измеряли рефрактометром, а содержание белковых фракций и липопротеидов — с помощью электрофореза на бумаге. Общий холестерин определяли по методу Ильке, сахар — антроновым методом, оксипролин — по методу Нейман и Логан.
Оценивали состояние нейроэндокринного статуса животных. Состояние сердечно-сосудистой системы определяли в состоянии покоя и при применении физической и тепловой нагрузки. Способность выполнять дозированную физическую нагрузку характеризовали на основе объективных данных электрокардиограмм у
145
собак при применении дозированной пробежки животных в течение 15 мин на третбане со скоростью 5,2 км/ч. Изучали также состояние высшей нервной деятельности у животных с помощью оценки цепных условных рефлексов по двигательной методике с пищевым подкреплением. Результаты всех исследований подвергали статистической обработке.
4.2.	Радиационно-физические условия проведения «Хронического эксперимента*
Возможности моделирования радиационного воздействия
Проблема моделирования радиационного воздействия космических излучений в наземных условиях, как и предполагалось, оказалась достаточно сложной. Применительно к длительным космическим полетам необходимо было моделировать радиационное воздействие протонов, а-частиц и тяжелых ионов. Наряду со специфичностью состава и спектра воздействующего на космонавта ионизирующего излучения необычно и распределение дозы облучения во времени. В межпланетном полете ГКЛ воздействуют на космонавта непрерывно в течение всего времени полета. Это время может составлять несколько лет. На фоне хронического облучения при случайном возникновении вспышек на Солнце происходит острое распределенное во времени облучение.
Процесс моделирования заключался в воспроизведении условий и характеристик радиационного воздействия, наблюдающихся при космическом полете. Для этого должны быть воспроизведены основные физические параметры, определяющие биологический эффект воздействия радиации, — параметры радиационного моделирования, к которым относятся:
1)	поглощенная доза;
2)	временное распределение поглощенной дозы;
3)	пространственное распределение поглощенной дозы;
4)	линейная передача энергии (ЛПЭ).
Для моделирования воздействия космических излучений необходимы ускорители заряженных частиц. Действующие в настоящее время ускорители высокоэнергетических заряженных частиц по виду частиц и характеристикам пучков позволяют производить
146
Таблица 10.8
584
Значения риска смертности на человека в год для различных профессий и видов деятельности и их распределение по степени опасности по данным работ
(Ковалев Е.Е., 1976; Шафиркин А.В., 1999-в; Шафиркин А.В., 2001; Шафиркин А.В., 2003)
Номер класса профессии	Характеристика степени опасности	Величины риска на человека в год абсолютные и относительные	Профессии, отрасли промышленности и виды профессиональной деятельности	Виды непрофессиональной деятельности (в пересчете на 40 часов в неделю)
1	Пренебрежимо малый уровень риска	SKT4 < 0,01 Rdemo	Швейная, обувная, текстильная, бумажная, пищевая, обрабатывающая промышленности, типографские рабочие	—
2	Относительно невысокий уровень риска (относительно безопасный)	10"4-10“3 (0,01-0,1) Rdemo	Экипажи гражданской авиации, пожарники, полицейские, боксеры профессиональные, гончары, работники в атомной промышленности, рабочие в большом числе отраслей промышленности	Велосипед, бокс
3	Относительно высокий уровень риска	10-3—5 10'3 (0,1-0,5) Rdemo	Углекоксование, вулканизация, рабочие угольных шахт, строители, экипажи гражданской авиации (условия максимального риска), экипажи реактивных бомбардировщиков, экипажи орбитальных космических станций в процессе полета	Охота, лыжи
4	Исключительно высокий уровень риска	5 10-3-10"2 (0,5-1,0) Rdemo и более	Некоторые производства в химической промышленности, верхолазы, трактористы, летчики-испытатели, пилоты реактивных истребителей, экипажи межпланетных космических аппаратов в процессе полета за защитой от 10 до 20 г/см2	Мотоциклетный спорт, гребля, альпинизм, скачки с препятствиями
Среди технических требований к гамма-установкам для хронического облучения прежде всего следует выделить требование к размещению животных: оно должно быть групповым и, как уже указывалось выше, должно обеспечивать минимальную затрату времени на кормление животных и уборку с тем, чтобы свести к минимуму время прекращения облучения. Необходимо было также обеспечивать соблюдение норм радиационной безопасности для обслуживающего персонала.
С учетом этих требований был создан специальный вольер типа «звездочка» с перегородками высотой 170 и длиной 200 см для одновременного содержания шести собак. В плане вольер представляет круг площадью 12,6 м2, разделенный на шесть секторов. Если при содержании собак в будках площадь, занимаемая одним животным, может составлять в среднем 6 м2, то в вольере «звездочка» эта площадь была равна 2,1 м2. Конструкция вольера обеспечивала простоту и удобство как для обслуживания животных, так и для их хронического облучения. Вольеры «звездочка» с расположенными над ним облучателями «Люстра» представлены на рис. 4.1.
Рис. 4.1. Вольеры «звездочка» с размещенной над ними гамма-облучательскими установками «Люстра»
Для моделирования радиационного воздействия было использовано гамма-излучение 60 Со, имеющее коэффициент качества, равный 1. С его помощью удобно моделировать значение эквивалентной дозы любого вид излучения, а также рас-
пределение дозы во времени. Кроме того, глубинное распределение дозы у-излучения 60 Со в теле животного близко к глубинному распределению дозы ГКЛ и излучения жестких солнечных вспы-
шек. Активность источников излучения, определялась необходимыми дозами хронического воздействия, а также выбранной начальной высотой расположения источников над животными, рав
148
ной 3,5 м. Она составляла в установках для облучения животных 1-й; 2-й и 3-й групп 1,2, 3,6 и 7,2 ГБк соответственно.
Конструкция гамма-установки «Люстра» для хронического облучения собак разработана в соответствии с предъявляемыми к такого рода установкам требованиями. Она представляла собой жесткую сварную ферму высотой 4,5 м, в верхней части которой были размещены свинцовый контейнер-коллиматор и механизм изменения высоты его подвески (рис. 4.2).
В контейнере-коллиматоре находился вращающийся стальной ротор, в диске которого в специальном гнезде был размещен источник гамма-излучения. Система управления позволяла источнику находиться в контейнере в двух положениях: «облучение», когда источник расположен в отверстии коллиматора, и «хранение», когда диск ротора повернут на 180°.
Ротор вращался пропорциональным исполнительным электрическим механизмом. Поворот на 180° производился за 30 с. В положение против отверстия коллиматора источник устанавливался с погрешностью не более 0,5-0,7 мм, что исключало искажение дозного поля в пределах вольера «звездочка». Механические стопоры и микровыключатели фиксировали положение диска ротора и указывали положение источника на мнемосхеме на пульте управления.
Дозное поле с заданной неравномерностью по радиусу «звездочки» и по высоте (+10%) можно было бы создать, подняв контейнер-коллиматор на высоту 6,5 м. Однако из конструктивных соображений было нецелесообразно поднимать его выше 3-4 м.
Рис. 4.2 Конструкция гамма-облучательской установки «Люстра» 1 — опорная ферма;
2 — контейнер-коллиматор с источником у-излучения;
3 — механизм вертикального перемещения контейнера-коллиматора
149
При этом неравномерность дозного поля по радиусу достигала 34%, а по высоте не превышала 10% на уровне 0-45 см над землей.
Для практически полного выравнивания дозного поля по радиусу «звездочки» использовали стальной выравнивающий фильтр, который крепился на внутренней поверхности коллиматора. Рассеянное выравнивающим фильтром излучение по сравнению с первичным давало вклад в дозу не более 2%.
В связи с распадом радионуклида 60 Со, мощность дозы в устройствах для хронического облучения за 3 года при неизменной высоте подвески контейнера уменьшилась бы на 33%. Для исключения значительного снижения мощности дозы контейнер-коллиматор периодически опускали с помощью механизма изменения высоты его подвески. При снижении высоты контейнера, коллиматор которого составлял 66°, облучаемая зона уменьшалась. В начале эксперимента зона облучения была несколько больше размеров «звездочки», а в конце, через 3 года, — несколько меньше. При этом радиус облучаемой зоны в начале эксперимента составлял 2,3 м, а по истечении 3 лет — 1,95 м. Таким образом, животные все время находились в поле облучения. По истечении 3 лет облучения производили дополнительную дозарядку установок и повышали высоту подвески контейнера.
Конструкция гамма-установки «Люстра» предусматривала защиту ее важнейших деталей от прямого попадания влаги. Отдельные детали конструкции были защищены антикоррозионным покрытием, что обеспечило многолетнюю надежную работу установки на открытой площадке при различных погодных условиях.
Коллиматор облучательской установки «Люстра» ограничивал поле облучения периметром вольера и исключал возможность взаимного влияния нескольких расположенных рядом устройств для хронического облучения. При этом обеспечивалась радиационная безопасность обслуживающего персонала, находящегося на площадке с хронически облучаемыми животными, безопасность окружающей территории. Все работы внутри вольера по обслуживанию животных (кормление, уборка и т.д.) выполняли при нахождении источника в положении «хранение». Ежедневный перерыв в хроническом облучении составлял суммарно за сутки 2 ч. Вывод источников из рабочего положения в положение «хранение» производился дистанционно с центрального пульта управления.
Облучаемый комплекс для проведения «Хронического эксперимента» представлял собой открытую площадку, снабженную
150
52 устройствами для хронического облучения 312 собак и разделенную на шесть отдельных изолированных плотным забором отсеков общей площадью 2300 м2 (рис. 4.3).
Рис. 43 Экспериментальные площадки для хронического облучения собак (общий план)
Каждый отсек имел самостоятельную систему стоков для удаления жидких экскрементов и ливневых вод. Такое размещение животных предупреждало распространение инфекций в случае их возникновения.
Отдельным сооружением, вынесенным за пределы этого облу-чательского комплекса, была специальная площадка, по периметру огороженная бетонными стенами и защитной стальной дверью, для проведения однократных острых облучений, моделирующих воздействие СКЛ. Эта площадка была снабжена необходимой сигнализацией о выведении источников гамма-облучения в рабочее положение.
Для острых воздействий был также выбран способ облучения точечным источником гамма-излучения, но только в горизонтальных пучках. Гамма-облучательская установка «Кобальт» для однократных воздействий рассчитана на одновременное облучение 20 собак в дозах от 0,5 до 50 сГр при продолжительности острого воздействия 10-20 ч. В связи с тем, что продолжительность острого воздействия значительно меньше времени хронического
151
облучения, условия содержания животных при остром воздействии отличались от условий при хроническом облучении. Собак размещали в будках обычного типа на расстоянии 10 м от точечного источника излучения. Поток излучения с помощью коллиматора был ограничен в вертикальном и горизонтальном сечениях таким образом, что не выходил за пределы защитной бетонной стенки.
В соответствии с предполагаемыми дозами острых воздействий и выбранным расстоянием для размещения будок, равным 10 м, активность четырех источников гамма-излучения 60 Со составляла 0,14, 1,44, 2,9 и 14,4 ТБк. Такой способ облучения отличается определенной универсальностью. При изменении расстояния мощность дозы излучения могла изменяться в широких пределах. Так, при расположении объекта на расстоянии 2 м от источника максимальной активности мощность дозы становилась равной 125 сГр/ч. Кроме того, набор источников позволял в принципе производить ступенчатое острое воздействие с переменной мощностью дозы, моделировать нарастание или спад радиационного воздействия определенного типа.
Конструкция установки «Кобальт» также обеспечила ее бесперебойную работу в различных погодных условиях. Следует заметить, что в случае временного выхода из строя системы автоматического управления источниками излучения или отключении электросети перемещение источников могло быть осуществлено с помощью дублирующего аварийного ручного привода.
Контрольную группу животных без облучения размещали в вольерах «звездочка» также на отдельной открытой площадке рядом с площадками для облучения животных. Отапливаемое и вентилируемое помещение для климатического контроля (18 хронически облучаемых и 6 необлучаемых собак) находилось недалеко от открытой площадки.
Таким образом, комплекс облучателей состоял из 52 гамма-установок «Люстра» (рис. 4.3) и гамма-установки «Кобальт». Этот комплекс управлялся централизованно с единого пульта управления. Пульт управления содержал мнемосхему, на которой были расположены тумблеры переключения режимов работы установок и сигнальные устройства, регистрирующие работу исполнительных механизмов комплекса и положение источников излучения. На панели пульта были установлены также блоки сигнально-дозиметрической системы УСИД-12, так что работа комплекса кон-
152
трестировалась двумя независимыми системами — дистанционного управления и дозиметрической.
Датчик положения источника, балансовое реле, исполнительный механизм и магнитный пускатель в системе дистанционного управления установки «Кобальт» исключали ошибку в выведении заданного источника в положение «облучение», т.е. ошибку при облучении животного в заданной дозе. Система блокировки установки «Кобальт» обеспечивала ее безопасную эксплуатацию, исключая возможность выведения источника в положение «облучение» при открытой двери на площадку для размещения животных. Сигнально-дозиметрическая система УСИД-12 дистанционно измеряла мощность дозы излучения в любом вольере и на площадке установки «Кобальт», а также могла сигнализировать о превышении или уменьшении заданного уровня мощности дозы.
Более подробно конструкции гамма-облучательской установки «Люстра» для хронического облучения собак, а также установки «Кобальт» для острого облучения животных, моделирующего воздействие СКЛ, представлены в работах (Гладилкин А.Н. и др., 1981; Григорьев Ю.Г. и др., 1986).
Характеристика дозных полей на гамма-установках
Радиационное воздействие, осуществляемое с помощью гамма-установок, может быть достаточно полно охарактеризовано таким параметром, как поглощенная доза в воздухе, выраженная в Гр. При подготовке и создании базы для хронического облучения учитывалось, что животные должны свободно перемещаться в поле облучения. Среднетканевые поглощенные дозы, полученные животными в одинаковых условиях облучения, могли быть различными в зависимости от ряда факторов, влияние которых оценить предварительно не представлялось возможным. Так, перемещение животных в поле облучения (вертикальное перемещение и изменение положения туловища собаки по отношению к пучку гамма-излучения) существенным образом зависит от индивидуального характера животного. Поведение животных определялось также климатическими условиями и временем года. Неконтролируемое свободное перемещение животных в процессе облучения могло приводить к неопределенности значений накопленных среднетканевых поглощенных доз, которая возрастает, если облу
153
чаются животные различных размеров. В связи с этим условия радиационного воздействия в «Хроническом эксперименте» характеризовали поглощенной дозой в воздухе, равной 25, 75 и 150 сГр в год для различных групп хронически облучаемых животных. Эта доза численно фактически совпадала с максимальной поглощенной дозой на поверхности животных, ближайшей к источнику излучения.
Дозные поля в установках измеряли с помощью конденсаторных ионизационных камер, термолюминесцентных и других дозиметров. Эти дозиметры градуировали на разработанном нами стенде «Эталон» (Гладилкин А.Н. и др., 1981) с эталонными источниками 60 Со и 137 Cs первого и второго разрядов, которые были получены в г. Санкт-Петербурге во Всесоюзном научно-исследовательском институте метрологии ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. Эти источники аттестовывались по эталону рентгена и обеспечивали очень высокую точность воспроизведения абсолютных значений экспозиционной дозы.
Погрешность определения активности источников была менее 4%. Они были переданы Институту медико-биологических проблем Минздрава СССР в 1964 г., с учетом того, что предназначались для проведения уникального эксперимента, направленного на обеспечение радиационной безопасности космонавтов при полете на Марс. Это обеспечило высокую точность градуировки наших дозиметрических приборов и измеряемых абсолютных значений поглощенных доз с неопределенностью не выше 5-7%.
Измерения дозных полей в установках «Люстра» проводили по оси пучка и по радиусу с выравнивающим фильтром и без него, а также в отсутствие вольера. Радиальное распределение мощности дозы излучения представлено на рис. 4.4, откуда видно, что неравномерность дозного поля с вольером и без него составляло около 15 и 20% соответственно. При наличии фильтра неравномерность уменьшалась и становилась равной 2,7 и 3% соответственно. Для компенсации экранирующего влияния вольера был подобран фильтр специального профиля. Распределение мощности дозы с этим фильтром представлено кривой 2 на рис. 4.4. Неравномерность в этом случае составляла ±3%.
Можно считать, что поле по радиусу вольера при наличии фильтров становится практически равномерным. Распределение мощности дозы излучения по оси пучка с коллиматором и без него представлено на рис. 4.5.
154
Рис. 4.4. Радиальное распределение мощности дозы в установках «Люстра» без выравнивающего фильтра (1) и с выравнивающим фильтром различной формы, устраняющим влияние вольера (кривые 2 и 3); пунктир — радиальное распределение мощности дозы в отсутствии вольера.
По оси абсцисс — расстояние от оси пучка, м; по оси ординат — мощность дозы, отн. ед.
Неравномерность дозного поля по высоте в пределах расстояний 0-50 см от земли не превышала 10%. Мощность дозы по мере приближения к земле с погрешностью ± 2% была обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника, что свидетельствует о незначительности дозового альбедо. Из данных, представленных на рис. 4.5, можно оценить также вклад рассеянного коллиматором излучения, который был примерно равен 15%.
Заданные программой абсолютные значения мощности дозы
излучения от источников излучения, находящихся в установках «Люстра», на высоте 25 см от земли, составляли 8,6; 25,8;
51,6 нГр/с (25, 75 и 150 сГр/год). Эти величины обеспечивались подбором активности источников и высоты их размещения над облучаемыми животными. Периодическое измерение абсолютных значений мощности дозы в месте нахождения животных, перезарядка установок и коррекция высоты подвески контейнеров-коллиматоров в установках «Люстра» позволили обеспечить необходимое значение мощности дозы излуче-
Рис. 4.5. Распределение мощности дозы по оси пучка в зависимости от расстояния до источника, помещенного в коллиматор (2) и без коллиматора (1). Высота источника над землей 3,75 м
155
Рис. 4.6. Распределение мощности дозы по дуге относительно оси пучка на расстоянии 10 м от источника на установке «Кобальт» на высотах 150 (□), 100 (х) и 50 (о) см от земли
ния в течение всего эксперимента по хроническому облучению животных. Максимальное отличие мощности дозы от заданной за весь эксперимент не превышало 10%; среднеквадратическое отклонение составляло ±3%.
На установке «Кобальт» одновременно проводили облучение 12-15 собак на расстоянии 10 м от источника излучения при расположении будок с животными в два яруса. Мощность дозы излучения на таком расстоянии для каж-
дого из четырех источников составляла 0,112, 0,94, 1,68 и 11,0 мкГр/с. При этом за 20 часов тканевые поглощенные дозы были равны 0,8-80 сГр. Распределение мощности дозы относительно пучка на расстоянии 10 м от источников представлено на рис. 4.6. Мощность дозы на краю пучка была несколько ниже, чем в центре, что объясняется поглощением излучения в роторе установки. Животных располагали в пределах ±4 м от оси пучка, при этом неравномерность поля облучения не превышала ±5%.
Индивидуальная дозиметрия животных
Животные находились в неизотропном и неравномерном по оси пучка поле излучения, и индивидуальный характер их поведения в этом поле был различным. В связи с этим проводили индивидуальную дозиметрию животных при помощи дозиметров интегрального типа. На основании показаний индивидуальных дозиметров судили о степени различия локальных поглощенных доз у животных, учитывая различное их поведение, и о соответствии этих доз расчетным дозам облучения.
Продолжительность облучения и климатические условия проведения эксперимента предъявляли к индивидуальным дозиметрам ряд требований: широкий диапазон измеряемых доз (от 0,1 до
156
1000 сГр) с погрешностью не более ± 10%; независимость показаний от мощности дозы и энергии излучения; возможность регистрации и сохранения информации в течение длительного времени (до года и более) в диапазоне рабочих температур от -30 до +40рС и влажности до 98%; автономность, минимальные размеры и масса, химическая инертность и механическая прочность. Таким требованиям удовлетворяли дозиметры из термолюминесцентного стекла (ТЛС). Основной пик термовысвечивания этих дозиметров имеет температуру около 320рС, что обусловливает хорошую сохранность информации в течение длительного времени в различных температурных условиях.
В эксперименте использовали дозиметры цилиндрической формы диаметром 5 и высотой 15 мм. По два дозиметра размещали в специальной кассете на ошейнике собаки. Их показания характеризовали локальную поглощенную дозу в области головы животных. Смену дозиметров и снятие их показаний проводили каждые 2 месяца. Периодическое измерение индивидуальной дозы позволяло осуществлять оперативный мониторинг как за абсолютными значениями мощности дозы в установках, так и за степенью однородности облучения животных на каждой установке «Люстра».
Чтобы установить степень «спада» определяемой дозы за 2 месяца, в условиях хронического облучения, была проведена специальная градуировка дозиметров ТЛС. Три партии дозиметров по 10 штук облучали в одной дозе, причем первая партия дозиметров была облучена в первые сутки, вторая — на 50-е сутки, а третья — дробно равными дозами через каждые 10 суток. Облучение проводили с помощью эталонного источника 60 Со 1-го разряда. Дозиметры в процессе градуировки хранили в естественных условиях на открытых площадках. Через 60 суток все три партии дозиметров были одновременно измерены. Полученные средние значения градуировочных коэффициентов для каждой партии различались не более чем на ±2% при среднеквадратическом отклонении показаний дозиметров в партии ±5%. Эти данные указывают на отсутствие спада информации в течение 60 сут.
Измерение поглощенных доз термолюминесцентными дозиметрами проводили в течение всего времени облучения (3 и 6 лет). Разброс показаний дозиметров внутри каждой группы животных не превышал ± 10%, и наблюдалось хорошее совпадение результатов индивидуальной дозиметрии с результатами измере
157
ния дозных полей ионизационным методом. Для всех групп животных значения дозы, измеренной с помощью ТЛС, были на 5—10% меньше значений, рассчитанных по мощности дозы излучения, что объясняется частичной экранировкой индивидуальных дозиметров шеей собаки.
Ввиду малых размеров дозиметров весьма перспективным оказалось вживление их под кожу. В связи с этим двум собакам вживляли по шесть дозиметров в области лба, живота, спины (между лопаток и в поясничной области), бедра и груди. Вживленные дозиметры находились на собаках 147 суток и не доставляли животным беспокойства. После извлечения дозиметров признаков воспалительной реакции не было обнаружено. Соединительно-тканые капсулы вокруг дозиметров были тонкие, проросшие кровеносными сосудами. Извлеченные дозиметры полностью сохраняли свои оптические и физические свойства.
Распределение доз по телу животного, полученное с помощью вживленных дозиметров, показано в табл. 4.3. Результаты измерения индивидуальных доз с помощью вживленных дозиметров совпадали с данными, полученными по измерениям ТЛС, расположенным в кассете на ошейнике собаки.
Таблица 4.3
Результаты измерения доз с помощью вживленных дозиметров ТЛС
Место расположения дозиметра	Измеренная доза, сГр
Лоб	9,0
Спина между лопатками	8,8
Спина в поясничной области	8,8
Левое бедро	8,5
Грудина в области мечевидного отростка	6,8
Живот	6,5
Результаты индивидуальной дозиметрии животных за шесть лет эксперимента представлены в табл. 4.4.
158
Таблица 4.4
Локальные поглощенные дозы по данным дозиметров на ошейнике собак в «Хроническом эксперименте», сГр
(данные индивидуальной дозиметрии при облучении на установках «Люстра», усредненные по группам)
Время из-мерения, мес.	Номера групп				
	1	2	3	4	5
6	И	30	61	32	29
12	25	72	145	75	70
18	37	105	205	108	103
24	50	140	275	142	137
30	65	178	350	184	175
36	80	215	420	222	213
42	95	255	500	260	250
48	110	285	560	295	280
54	120	315	620	380	315
60	135	350	690	370	350
66	148	385	770	410	390
72	158	415	870	440	425
Из данных таблицы видно, что локальные поглощенные дозы близки к дозам, предусмотренным программой эксперимента, т.е. 25, 75 и 150 сГр за год. Среднеквадратическое отклонение показаний дозиметров у животных одной группы не превышало ± 10% в каждом измерении и уменьшалось по мере накопления дозы. Данное значение отклонения включает как среднеквадратическую погрешность измерения самих дозиметров, так и различие в поведении животных в поле облучения, а также неодинаковую экранировку дозиметров шеей животного. Среднеквадратическое отклонение за год не превышало 5%. Из данных таблицы видно, что у животных 2-й, 4-й и 5-й групп, облученных в одинаковой дозе, средние значения локальной поглощенной дозы очень близки между собой (за 6 лет различие от среднего значения составило ме-
159
нее 3%). Таким образом, результаты индивидуальной дозиметрии свидетельствуют о хорошей однородности облучения животных и адекватности выбранного нами способа хронического облучения собак в эксперименте.
Для определения перепада доз по глубине животного и вычисления среднетканевых поглощенных доз были проведены фантомные измерения при облучении собак на установках «Люстра» и «Кобальт». Для измерений был изготовлен гетерогенный кост-но-парафиновый фантом собаки массой 15 кг, в котором для размещения дозиметров имелось шесть вертикальных и шесть горизонтальных каналов. Каждая пара каналов приходилась на определенную часть тела (голова, шея, грудь, передняя и задняя части живота и таз).
В качестве дозиметров использовали ионизационные камеры и ампулы с термолюминесцентным порошком LiF. Ампулы помещали в пазы цилиндрических трубок, изготовленных из полиэтилена, которые вставляли в каналы фантома. Расстояние между пазами в трубках составляло 20 мм. Ближайший к поверхности фантома термолюминесцентный дозиметр располагали на глубине 5 мм. Всего одновременно в фантоме размещали 96 термолюминесцентных дозиметров. Кроме термолюминесцентных дозиметров, использовали малые конденсаторные ионизационные камеры, которые последовательно помещали в глубь каналов через 20 мм. Свободное пространство в каналах заполняли вкладышами из полиэтилена.
На установке для острого облучения «Кобальт» фантом устанавливали на месте расположения будок с животными в центре пучка излучения, и фантомные измерения проводили для трех положений фантома относительно пучка (перпендикулярно пучку, вдоль пучка и равномерно вращали относительно пучка). На установке «Люстра» фантомные измерения проводили для двух положений фантома (вне и внутри будки). Для уменьшения экспериментальных погрешностей измерения для каждого положения фантома проводили несколько раз. При этом осуществляли контроль дозы облучения в точке вне фантома, соответствующей геометрическому центру, и значения поглощенной глубинной дозы D(h) относили к поглощенной дозе Do в воздухе в этой же точке. Усредненные по нескольким измерениям значения относительных доз К = (D(h) / Do) 100 в процентах были использованы для построения глубинного распределения доз для каждого канала.
160
На рис. 4.7 представлены усредненные глубинные распределения дозы, полученные в горизонтальных каналах на установке «Кобальт» и в вертикальных каналах на установке «Люстра». В обоих случаях облучение проводили вдоль каналов.
Глубина слоя, см
Рис. 4.7. Распределение относительной глубиной дозы в фантоме собаки в горизонтальных каналах на установке «Кобальт» (а) и в вертикальных каналах на установке «Люстра» (б)
Значения относительной дозы на одинаковой глубине в различных каналах отличались от представленных на рис. 4.7 усредненных значений на ± 3% для горизонтальных каналов и на ± 5% для вертикальных. Для вычисления средней относительной дозы по всему фантому его разделяли на шесть частей так, чтобы в каждой находились один вертикальный и один горизонтальный каналы. На основании значений относительной глубинной дозы в каналах строили изодозные кривые в сечениях, проходящих через каналы, т.е. приблизительно через середину выделенных участков фантома. По изодозным кривым рассчитывали среднюю по сечению относительную дозу:
_ п	п
K^cjKjS^/JSj,	(4.1)
i=l	i=l
где Sj — площадь части сечения с относительной дозой Кр Так как форма сечения слабо меняется вдоль отдельной выделенной части фантома, полученные данные о средней относительной дозе можно рассматривать как средние для выделенных
161
участков фантомов. Аналогично рассчитывали среднюю относительную дозу для всего фантома:
Kv=(£KjVj)/£vj,	(4.2)
j=i	j=i
где Kj — средняя относительная доза для отдельной части фантома; Vj — объем этой части. Значения объема выделенных участков фантома были вычислены по сечению и длине участков. Расчетные значения объема совпали с экспериментальными, полученными путем погружения фантома в воду и определения объема вытесненной воды. Объем головы фантома был определен экспериментально, так как вычисление этого объема весьма затруднительно из-за сложной формы. В табл. 4.5 представлены значения средней относительной дозы для отдельных частей фантома и для всего фантома.
Таблица 4.5
Средняя относительная доза для отдельных частей фантома, %
Часть фантома	Объем, см3	Характер облучения и положение фантома				
		Острое, моделирующее воздействие СКЛ			Хроническое облучение	
		перпендикулярно оси пучка	вдоль оси пучка	равномерное вращение фантома	вне будки	внутри будки
Голова	1760	90	92	81	89	89
Шея	1090	92	70	80	95	93
Грудь	4480	81	67	73	83	82
Передняя часть живота	2600	84	42	67	86	90
Задняя часть живота	3410	78	32	69	85	85
Таз	2890	83	24	77	86	82
Конечности	960	95	80	90	64	63
Весь фантом	17 190	84	53	74	86	85
162
Значения среднетканевой поглощенной дозы для всех вариантов фантомных измерений рассчитывали по полученным выше значениям средней относительной дозы:
D = KVDO,	(4.3)
где D — среднетканевая поглощенная доза, сГр; Do — поглощенная доза в воздухе в точке, в которую помещали геометрический центр фантома, сГр; Kv — средняя относительная доза для фантома.
Распределение глубинной относительной дозы, полученное в эксперименте на гетерогенном фантоме собаки, оказалось близким к глубинному распределению дозы, полученному на гамма-терапевтическом аппарате в гомогенной тканеэквивалентной среде. Отсутствие различий в глубинном распределении дозы в отдельных каналах и хорошее совпадение с распределением дозы в гомогенной среде показало, что форма и гетерогенность фантома слабо влияют на глубинное распределение относительной дозы. Это позволило рассчитать среднетканевую дозу для животных «Хронического эксперимента», отличающихся по размерам и массе от принятых для фантома. Для расчетов выбрали фантом простой геометрической формы в виде параллелепипеда.
В табл. 4.6 представлены переходные коэффициенты от поглощенной дозы в воздухе к среднетканевой при различных вариантах облучения, полученные путем обработки результатов фантомных измерений и рассчитанные для простой формы фантома того же объема. Как и следовало ожидать, наблюдалось хорошее совпадение данных, полученных двумя расчетными методиками. В дальнейшем для животных с максимальной массой 17 кг при расчетах использовали параллелепипед размером 17x17x70 см3, для животных с минимальной массой 9 кг — 14 х 14 х55 см3. Отличие рассчитанных значений переходных коэффициентов для животных максимальной и минимальной массы от значений для животных средней массы составило ± 4% при облучении на установке «Кобальт» и ± 3% при облучении на установке «Люстра».
Среднетканевые дозы, полученные животными при хроническом и остром облучении, представлены в табл. 4.7 и 4.8. Из данных табл. 4.8 видно, что при остром облучении наблюдается неопределенность в распределении среднетканевой дозы в зависимости от положения животного относительно пучка излучения. Было проведено дополнительное исследование. Собак помещали в буд
163
ки в жилетках с термолюминесцентными дозиметрами, равномерно расположенными по поверхности тела животных. Показания дозиметров оказались одинаковыми в пределах 20%. Это свидетельствовало о том, что животные за время облучения несколько раз поворачивались относительно оси пучка. Следовательно, значение среднетканевой дозы для случая равномерного вращения фантома является наиболее верным. Таким образом, среднетканевые поглощенные дозы при острых облучениях были равны 42 и 8сГр.
Таблица 4.6
Коэффициенты перехода поглощенных доз в воздухе к среднетканевым поглощенным дозам
Характер облучения	Положение фантома	Расчетные значения для простой формы фантома	Значения, полученные по результатам фантомных измерений
Острое	Перпендикулярно пучку излучения	0,81	0,81
	Вдоль пучка	0,43	0,51
	Равномерное вращение	0,69	0,71
Хроническое	Вне будки	0,825	0,83
	Внутри будки	0,825	0,82
Т а б л и ц а 4.7
Среднетканевые поглощенные дозы, полученные животными в течение года при хроническом облучении
Трупа	1	2	3	4	5
Среднетканевая доза	21 ± 1	62 ± 3	125 ±5	62 ±3	62 ±3
164
Таблица 4.8
Поглощенные дозы при остром облучении животных на установке «Кобальт», сГр
Модели* руемая доза, сГр	Поверх* ностная доза, сГр	Среднетканевая поглощенная доза для различных положений фантома, сГр		
		перпендикулярно пучку	вдоль пучка	равномерное вращение
50	60	49 ± 2	30 ± 2	42 ± 2
10	12	9,7 ± 0,5	6,0 ± 0,5	8,0 ± 0,5
8
Рис. 4.8. Схема к расчету количества активного костного мозга в скелете собаки
5
6
7

Зная расположение и размеры отдельных органов и тканей животных, на основе измеренных изодозных распределений вычисляли среднюю относительную дозу для различных органов (табл. 4.9), которую затем использовали для расчета поглощенной дозы в этих органах. В основу расчета средней дозы для костномозговой ткани положены данные, представленные в работе (Кор-жуев П.А. и др., 1968) о распределении активного костного мозга в скелете собаки (рис. 4.8), и данные фантомных измерений. Условно скелет разбивали следующим образом: череп на три части, шейная часть позвоночника составляла 4-ю часть, другие части позвоночника — 5-ю часть и остальные участки скелета составляли соответственно 6-ю; 7-ю и 8-ю части скелета.
Для каждой части рассчитывали количество костного мозга и определяли среднюю глубинную относительную дозу. Затем вычисляли среднее значение для всей костномозговой ткани. Подробно иллюстрация схемы расчета представлена в работе (Григорьев Ю.Г. и др., 1986).
165
Таблица 4.9
Средняя относительная доза в различных органах собак при хроническом и остром облучении, %
Орган или ткань	Хроническое облучение	Острое облучение
Костный мозг	88	80
Гонады	65	90
Хрусталик	100	95
Головной мозг	90	85
Печень	70	65
В табл. 4.10 приведены сравнительные данные о дозе, поглощенной отдельными органами за один год облучения.
Таблица 4.10
Поглощенная доза в различных органах собак за один год облучения, сГр
Орган	Группа					Доза острого облучения, сГр
	1	2	3	4	5	
Кожа (поверхностная доза)	25	75	150	160	255	60 и 12
Все тело (среднетканевая доза)	21	62	125	120	190	42 и 8
Костный мозг	22	65	130	135	210	48 и 10
Гонады	16	50	100	125	210	54 и И
Хрусталик	25	75	150	155	245	57 и И
Головной мозг	23	70	140	140	225	51 и 10
Спиной мозг	24	73	150	145	225	51 и 10
Печень	18	52	105	110	170	40 и 8
166
4.3.	Клинико-физиологическая характеристика состояния собак в процессе 3* и 6-летнего облучения с различной мощностью дозы
Общее клиническое состояние
Общее клиническое состояние собак за 3-летний период облучения было вполне удовлетворительным. Собаки сохраняли хорошую пищевую возбудимость, живо реагировали на окружающую обстановку. Кожа у животных была эластичной, шерстяной покров развит хорошо. В летний период ежегодно у собак наблюдали линьку. Видимые слизистые оболочки ротовой полости и глаз были розового или бледно-розового оттенка. Изменения массы тела животных носили волнообразный характер (рис. 4.9).
Периодические подъемы массы тела отмечали в весенне-летние месяцы, ее снижение — в осенне-зимние. Данные, представленные на рисунке, свидетельствуют о близком характере увеличения веса собак в процессе 6-летнего облучения в контрольной и опытных группах. Сопоставление исходных данных массы тела облученных собак с результатами в конце 6-летнего облучения свидетельствует о слабом нарастании веса животных и малом отличии массы тела облученных и контрольных животных.
Состояние зубов у животных всех групп изучали при каждом клиническом осмотре, стирание зубов у всех собак происходило в соответствии с возрастными изменениями.
Продолжительность облучения, месяцев
...<>... 4-я группа —О— 5-я группа д Контрольная группа
Рис. 4.9. Масса тела животных 4-й, 5-й и контрольной групп в течение 6-летнего облучения
167
Ректальная температура у всех собак почти во все сроки исследования находилась в пределах физиологической нормы (37,5-39,(ГС). Однако средняя температура тела по группам у животных в ряде случаев на первом и втором годах облучения превышала норму на (0,2-0,6)°С. Кратковременное повышение температуры тела было отмечено лишь у некоторых животных, что, очевидно, связано с их индивидуальными особенностями. К концу третьего года облучения у животных всех групп, включая контрольную, температура была в пределах физиологической нормы. Частота пульса и дыхания у облученных и контрольных собак колебалась в пределах исходных значений на всем протяжении исследования.
Результаты клинического наблюдения в течение 3 лет не выявили повышенной заболеваемости у собак, подвергнутых облучению, по сравнению с собаками контрольной группы. Из отмеченных заболеваний наиболее часто встречались: кратковременные расстройства желудочно-кишечного тракта, конъюнктивит, заболевания кожи, травматические повреждения. Все эти заболевания как у облученных, так и у контрольных животных протекали кратковременно и не оказывали в дальнейшем влияния на здоровье собак.
За трехлетний период хронического воздействия по различным причинам было выведено из опыта восемь облученных собак и две из контрольной группы. При патологоанатомическом исследовании у павших и забитых животных не было обнаружено изменений, непосредственно указывающих на радиационное повреждение, кроме, возможно, собаки из 5-й группы, у которой был обнаружен на 3-м году от начала облучения рак легких с метастазами (табл. 4.11).
В период 6-летнего облучения животные страдали следующими заболеваниями, течение которых завершилось выздоровлением: энтероколит, конъюнктивит и различного рода травматические поражения. Причем заболеваемость среди облученных животных не превышала заболеваемости животных в контрольной группе. Из 186 собак из шести групп к концу шестого года эксперимента осталось 95 собак. Сокращение количества собак произошло вследствие плановых забоев для морфологических исследований, а также гибели 26 собак от различных причин (табл. 4.12).
168
Таблица 4.11
Данные о причине гибели собак в течение первых трех лет эксперимента
Группа	Порядковый номер павшей собаки	Доза облучения к моменту гибели, сГр	Причина гибели
1	1	28	Пневмония
	2	35	Пневмония
2	3	17	Острый нефрит
3	4	220	Острая сердечная слабость
5	5	300	Геморрагический энтероколит
	6	450	Рак легких с метастазами
6 (контроль)	7	0	Механическая асфиксия
	8	0	Копростаз
Таблица 4.12
Данные о причинах гибели и вынужденном забое собак на протяжении шести лет эксперимента.
Группа	Число собак в опыте	Число павших собак в группе	Причина гибели	Число павших собак
1	30	7	Случайная	2
			Злокачественные опухоли	1
			Прочие заболевания	4
2	30	6	Случайная	3
			Злокачественные опухоли	0
			Прочие заболевания	3
3	30	1	Случайная	1
			Злокачественные опухоли	0
			Прочие заболевания	0
169
Продолжение табл. 4.12
Группа	Число собак в опыте	Число павших собак в группе	Причина гибели	Число павших собак
4	30	0	Случайная	0
			Злокачественные опухоли	0
			Прочие заболевания	0
5	30	7	Случайная	0
			Злокачественные опухоли	2
			Прочие заболевания	5
6 (контроль)	36	5	Случайная	1
			Злокачественные опухоли	1
			Прочие заболевания	3
Как показал проведенный анализ, число павших собак было выше во второй половине срока хронического облучения с 3-го по 6-й год. Однако при этом не удалось выявить четкой зависимости от накопленной суммарной дозы облучения. К концу 6-го года облучения число погибших собак (исключая гибель от случайных причин) в контрольной группе составило 11,1% из числа взятых в опыт, а во всех облучаемых группах — 10,6%. Причинами смерти, отнесенными к случайным, были: механическая асфиксия, вынужденные забои в связи с тяжелыми травмами (покусы и др.). Причины гибели животных в остальных случаях будут нами проанализированы в разделе морфологических исследований.
Состояние органа зрения исследовали в динамике у 64 облучаемых и 30 контрольных собак из 1-3-й и 5-й групп хронического эксперимента (Львовская Э.Н., Котова Э.С., 1972). Собаки были тщательно обследованы до начала облучения. Во время облучения офтальмологическое обследование проводили через каждые 6 месяцев. Наблюдения включали осмотр наружного отдела глаза, измерение внутриглазного давления, исследование преломляющих сред глаза и глазного дна, а также измерение диастолического давления в центральной артерии сетчатки.
170
В течение первого года облучения у всех облученных собак никаких патологических признаков в состоянии защитного и двигательного аппаратов глаза, в преломляющих средах, а также в сетчатой оболочке и зрительном нерве не наблюдали.
На втором году облучения прослеживалась тенденция к понижению диастолического давления в центральной артерии сетчатки у собак, облучаемых в дозах по 125 и 190 сГр в год (3-я и 5-я группы). На третьем году облучения у многих собак появились продолжающиеся длительное время конъюнктивиты со слизисто-гнойным отделяемым и выраженной гиперемией слизистой. Эти явления наблюдали преимущественно у собак, суммарная доза облучения которых была относительно большой (350-660 сГр). Частота заболевания конъюнктивитами к пяти годам облучения составляла 18,8% у облучаемых собак и 6,7% у контрольных.
При исследовании оптических сред глаза через три-четыре года от начала облучения выявлены помутнения в хрусталике у 11 собак из 64 облучаемых и у 4 из 30 контрольных. По клинической картине эти изменения оценивались специалистами как старческая катаракта. Однако старческая катаракта встречалась в 9 из И случаев преимущественно у собак, получавших максимальную дозу сочетанного облучения (5-я группа). Помутнения возникали в корковом слое на периферии, распространяясь на более глубокие слои, а в других случаях — в зоне ядра. Помутнения прогрессировали медленно, и только у двух собак 5-й группы к шестому году катаракта достигла полной зрелости.
При осмотре глазного дна каких-либо деструктивных изменений в сосудистой или сетчатой оболочках выявлено не было; зрительный нерв сохранялся в удовлетворительном состоянии. К концу шестого года облучения почти у всех собак диагностирован артериосклероз сетчатки, и именно в этот период стало появляться большое количество старческих катаракт всех четырех стадий как у контрольных, так и у облученных собак. Мелкие помутнения, вакуоли и другие проявления были отмечены у 19 из 24 облученных собак (80%) и у 5 из 8 контрольных собак (63%).
Проведенные исследования позволяют предполагать, что длительное (в течение 6 лет) хроническое и особенно сочетанное облучение в дозах 21-190 сГр за год может приводить к ускорению по сравнению с контролем темпа помутнении хрусталика, разви
171
тию артериосклероза сетчатки и являться некоторым свидетельством повышения темпа старения.
Состояние сердечно-сосудистой системы исследовали с использованием наиболее распространенных методик. Применяли электрокардиографию в трех классических отведениях, проводили объективную регистрацию артериального давления (бескровный метод) в бедренной артерии, записывали частоту пульса и дыхания (Корчемкин В.И., 1972). Исследовали:
1)	состояние сердечно-сосудистой системы в условиях хронического и сочетанного облучений;
2)	влияние физической нагрузки (дозированный 15-минутный бег на третбане со скоростью 5,2 км/ч) на работу сердца;
3)	реакция сердечно-сосудистой системы (ССС) на внутривенное введение адреналина;
4)	работа сердца после острых облучений.
Определение максимального артериального давления у облученных и контрольных животных не выявило различий. В среднем артериальное давление у животных равнялось 16,0-21,3 кПа. Частота сокращений сердца, Ритмичность, интервал PQ и QT, зубцы Q, R, S у животных в течение 18 месяцев облучения не отличались от данных контрольных собак. Имелось некоторое повышение вольтажа зубца Т у собак 3-й группы (125 сГр за год). Интервал ST, который в норме должен быть изоэлектричным, у облученных собак всех групп в большинстве случаев был несколько деформирован и расположен на 1-1,5 мм ниже изоэлектрической линии.
Исследования ЭКГ после физической нагрузки производили сразу после бега на третбане и 12 раз в течение 90 мин после прекращения бега. С увеличением длительности облучения и накопленной дозы имело место удлинение периода восстановления показателей частоты сердечных сокращений.
Зубцы Р и Т в большой степени изменились также у собак 3-й группы, и эти изменения сохранялись через 60 и 90 мин после функциональной пробы. Если в контрольной группе животных зубец Т имел колебания 0,1-0,15 мВ, то у животных 3-й группы изменения вольтажа зубца Т достигали 0,25-0,4 мВ. Следует также отметить, что у 50% животных, подвергнутых хроническому облучению, во всех исследуемых группах по сравнению с контрольной изменялись форма и положение относительно изоэлек
172
трической линии интервала ST после нагрузки. Однако эти изменения мы считали незначительными.
После физической нагрузки были также отмечены изменения дыхания. Это было очевидно у собак 3-5-й групп. Дыхание облученных животных по сравнению с дыханием животных контрольной группы становилось более частым, приобретало в ряде случаев характер тяжелой и длительной одышки.
Исследование состояния сердечно-сосудистой системы после острого облучения в дозе 0,42 Гр было проведено у собак 5-й группы через 1,5 года от начала хронического облучения (суммарная доза к этому времени составила 310 сГр). У облученных животных частота ритма изменилась незначительно.
У большинства животных предсердно-желудочковая проводимость (PQ), электрическая система желудочков (QT), зубцы ЭКГ Р, О, R, S почти не изменились. Однако заметные изменения, как и следовало ожидать, претерпевал зубец Т и отчасти интервал ST. Зубец Т был заметно увеличен (0,25-0,3 мВ). Интервал ST на ЭКГ был отрицательным у половины обследованных собак после острого облучения. Все перечисленные выше изменения нивелировались на 2-3-и сутки после острого облучения в дозе 42 сГр и не отличались от тех же показателей у контрольных животных. Существенных изменений ЭКГ у собак после острого облучения в меньшей дозе (8 сГр) не отмечалось.
Применение функциональных проб после облучения в течение 3 лет у животных всех облученных групп не выявило резких нарушений в состоянии сердечно-сосудистой системы. Проведенные наблюдения показали, что острое облучение в дозе 42 сГр на фоне хронического облучения при накопленной суммарной дозе 500 сГр не вызывало резких сдвигов в ЭКГ у облученных животных. Имелось некоторое различие в скорости распространения пульсовой волны, что можно рассматривать как показатель некоторого снижения общей реактивности организма под влиянием острого облучения на фоне хронического. У части животных 3-й и 5-й групп наблюдались заметное отклонение изоэлектрической линии и изменение формы интервала ST, что могло указывать на начальные дистрофические изменения в сердечной мышце.
Более отчетливые изменения были зарегистрированы у облученных собак при физической нагрузке. У собак через 36 и 60 месяцев облучения наиболее выраженные изменения были отмечены у животных 3-й и 5-й групп. Через 60 месяцев облучения фи
173
зическая нагрузка вызывала у облученных собак, как правило, более резкие изменения, чем после 36 месяцев облучения. Степень изменения показателей ЭКГ на физическую нагрузку зависела от суммарной накопленной дозы. Удлинялись сроки восстановления функциональных сдвигов у облученных животных после физической нагрузки.
Фармакологическая нагрузка — внутривенное введение адреналина была применена через 30 месяцев хронического облучения к собакам 1-й, 5-й и 6-й групп (2,5 мг на 1 кг массы тела животного в разведении 1:10 000, введение адреналина осуществляли с постоянной скоростью). Почти все элементы ЭКГ у собак 1-й и 5-й групп мало отличались от тех изменений, которые возникали у контрольных животных на введение адреналина. Однако необходимо отметить, что у отдельных животных 5-й группы развивалась атриовентрикулярная блокада, регистрировалась экстрасистолия.
На 47 собаках, 10 из которых составляли контрольную группу, оценивали общую реакцию организма на физическую и тепловую нагрузки (Изергина А.Г., Петровнин М.Г., 1972). В качестве физической нагрузки использовали бег на третбане в течение 15 мин со скоростью 5,2 км/ч. Об изменении реактивности организма под влиянием физической нагрузки судили на основе некоторых физиологических и гематологических показателей (частота пульса, дыхания, ректальная температура, температура кожи уха и носа, а также число лейкоцитов и лейкоцитарная формула). Исследования проводили до начала бега и через 5, 30, 45, 60 и 180 мин после его окончания. Чтобы избежать влияния тренировки на характер реакции, опыты ставили не чаще одного раза в 5-6 месяцев.
Все контрольные животные удовлетворительно переносили физическую нагрузку в течение всего 6-летнего периода наблюдения; отказов от бега не было, лишь у отдельных собак усиливалась вегетативная реакция. Сразу после бега у контрольных животных пульс учащался примерно в 2 раза, а дыхание в 5-6 раз, температура тела повышалась на 0,4-0,8°С, а на открытых участках кожи на 1,5-2,5°С. Через 30-60 мин связанные с бегом изменения по указанным параметрам приходили к исходному (до бега) уровню.
В периферической крови интактных собак после физической нагрузки развивалась «перераспределительная» реакция, выражающаяся в увеличении числа лейкоцитов и нейтрофилов и уменьшении числа лимфоцитов. Для облученных животных, осо
174
бенно в поздние сроки, были характерны увеличение индивидуального разброса показателей и появление инвертированных реакций. Заслуживает внимания тот факт, что реакция кроветворной системы у облученных животных на физическую нагрузку через 2,5 года после начала эксперимента проявлялась значительно раньше, чем до облучения или в предыдущие сроки исследований. В это время резкий лейкоцитоз, нейтрофилез и лимфопения были отмечены не через 1-3 ч после бега, а уже через 5-30 мин. Аналогичная реакция у контрольных собак отмечалась через 3,5 года.
Подопытные животные в течение первых 1,5 лет облучения переносили физическую нагрузку без видимых затруднений. По мере накопления поглощенной дозы в период между 2,5-5 годами эксперимента увеличивалось число собак, которые бегали с трудом или вообще прекращали бег через 2-3 мин после его начала. Температурная реакция тела собак на физическую нагрузку в течение полутора лет хронического облучения, как правило, не изменялась по сравнению с контрольными животными. Позднее, через 2,5-3 года, у облученных животных появилась тенденция к усилению, а иногда к извращению температурной реакции, особенно у собак, которые с трудом справлялись с физической нагрузкой и были подвергнуты облучению с максимальной мощностью дозы (5-я группа). Это свидетельствовало о нарушении процесса терморегуляции у ряда животных.
Первым признаком изменения реактивности облученного организма явилась тенденция к усилению некоторых сдвигов, возникающих после физической нагрузки (бег на третбане в течение 15 мин со скоростью 5,2 км/ч.). Через 6-12 месяцев хронического облучения у собак 1-й и 2-й групп углублялась лимфо- и эозино-пения, увеличивался нейтрофилез. У некоторых собак 3-й и 4-й групп наблюдали извращение лимфоцитарной и нейтрофильной реакции на физическую нагрузку. Одновременно отмечали и удлинение длительности восстановительного периода. У животных 3-5-й групп, облучаемых с большими уровнями доз, в это же время отмечалась тенденция к ослаблению реакции кроветворной системы на физическую нагрузку, что может быть связано со снижением костномозгового резерва гранулоцитов. Это будет продемонстрировано в разд. 4.8 при рассмотрении состояния гемопоэза у животных в процессе облучения. По мере увеличения сроков и накопления суммарных доз облучения не наблюдалось четкой направленности в изменении клеточного состава крови под влияни
175
ем физической нагрузки. Процесс протекал волнообразно. Фазы повышения реактивности организма сменялись фазами снижения или частичной нормализацией.
Тепловую нагрузку у собак проводили через 4,5 года после начала облучения (Петровнин М.Г., 1972). Температуру в камере от 22 до 45°С повышали за 45 мин. «Тепловую площадку» с температурой в камере 45°С выдерживали в течение 1 ч. Снижение температуры с 45 до 26~28°С осуществляли за 1 ч 30 мин. Исследование проводили в летний период. Во время опытов у собак регистрировали ректальную температуру, частоту дыхания и сердечных сокращений, а в камере — содержание во вдыхаемом воздухе кислорода и углекислоты, относительную влажность и температуру воздуха. Регистрацию биологических параметров у собак производили через каждые 15 мин в первые 105 мин опыта, а в период снижения температуры в камере, т.е. в последние 90 мин опыта, — через каждые 30 мин.
Реакция всех собак на тепловую нагрузку была однотипной. В период повышения температуры в камере до 45°С у всех собак вначале незначительно снижалась температура тела, что сопровождалось снижением частоты сердечных сокращений и выраженным повышением частоты дыхания. В дальнейшем с повышением температуры в камере от 30-35 до 45°С температура тела у всех собак заметно и непрерывно повышалась. При этом увеличивалась частота сердечных сокращений, но более выраженно учащалось дыхание (тепловая одышка). Пребывание собак на «тепловой площадке» (45°С) сопровождалось повышением частоты дыхания, но, как правило, дыхание постепенно замедлялось, ускорялся темп прироста температуры тела. Наиболее выраженное снижение частоты дыхания наблюдалось у собак 5-й группы, получавших максимальную суммарную дозу за год (190 сГр). Снижение температуры в камере сопровождалось одновременным снижением температуры тела, сокращением частоты дыхания и сердечных сокращений. Пять облучаемых собак из этой трупы пришлось вывести из опыта досрочно, в связи с опасным для жизни ухудшением их состояния. У всех досрочно выведенных из опыта животных наблюдалось замедленное и затрудненное дыхание, ускорение темпа повышения температуры тела, а у некоторых — нарушение координации. Все 6 собак контрольной группы удовлетворительно перенесли тепловую нагрузку.
176
44. Результаты биохимических клинических исследований
У собак исследовали белковый состав сыворотки крови (Ахунов, А.А., 1972). Содержание общего белка в сыворотке крови определяли рефрактометрически, фракции белка — методом электрофореза на бумаге. На протяжении первых 3 лет облучения содержание общего белка и белковых фракций не претерпевало существенных изменений. При определении содержания белковых фракций наиболее стабильным был уровень у-глобулина сыворотки крови. Содержание аь а2 и Р-глобулинов на протяжении всех лет облучения волнообразно колебалось, однако изменения у облученных животных не отличались достоверно по сравнению с соответствующими показателями у контрольных собак.
У облученных собак исследовались также фракции белков после функциональной нагрузки чужеродным антигеном, после антирабической прививки, а также после других функциональных проб. Известно, что наиболее важной фракцией белков сыворотки крови являются у-глобулины, содержание которых находится в прямой зависимости от уровня антител. При иммунизации животных возрастает содержание у-глобулинов в сыворотке крови. Вместе с тем имеются сведения об уменьшении их количества при различных патологических состояниях организма, что при некоторых заболеваниях считается показателем их неблагоприятного течения. У 6 собак из 3-й группы и у 4 контрольных животных через 29 месяцев хронического облучения было проведено исследование белков крови после введения антирабической вакцины. Установлено, что в сыворотке крови подопытных животных после введения вакцины несколько больше увеличилось содержание фракций (3- и у-глобулинов.
Через 31 месяц от начала эксперимента части облученных и контрольных собак был введен чужеродный белок — эритроциты барана. Отмечено увеличение уровня у-глобулинов в крови у контрольных животных, в то время как у облученных собак такая реакция на внутривенное введение эритроцитов барана отсутствовала.
В эти же сроки изучали содержание общего белка и белковых фракций у собак после 15-минутного бега на третбане. Отмечены различия в содержании общего белка в ответ на физическую нагрузку. Через 5 мин у собак 1-й и 6-й групп содержание общего белка в крови увеличилось, в это же время у животных 3-й группы наблюдали уменьшение содержания общего белка в крови. Даль
177
нейшее исследование в течение 5 лет не выявило отклонений в содержании белков у животных, облученных в наибольших дозах (3-5-я группы). Исследования белкового спектра крови после применения дополнительных нагрузок (острые облучения по 42 сГр, введение чужеродного антигена, вращение на центрифуге, кровопускание) показали, что реакция облученных собак на эти воздействия, судя по характеру изменений содержания альбуминов и глобулинов, выражена менее отчетливо, чем у интактных собак.
Углеводный обмен исследовали у собак всех групп «Хронического эксперимента» (Ахунов А.А., 1972, 1978). Содержание сахара в крови животных определяли антроновым методом по Д.Н. Сахибову. Для выявления изменений, носящих скрытый характер, были проведены исследования с применением дополнительных нагрузок (бег на третбане, тепловые воздействия, острое облучение на фоне хронического). На 1-м году облучения, как правило, у животных уровень сахара в крови был неустойчивым. Продолжение радиационного воздействия в течение 2-4 лет не вызывало существенных сдвигов. Лишь после 5-6-летнего облучения содержание сахара в крови уменьшилось у животных 3-й и 4-й групп по сравнению с контрольными на 10-14 мг%.
В опытах с физической нагрузкой на 10-м месяце облучения у собак 2-й, 4-й и 5-й групп была выявлена гипергликемия. Наибольшее увеличение сахара после физической нагрузки выявлено у животных 2-й группы. У этих животных через 5 мин после бега концентрация сахара увеличилась на 19 мг%. У собак 3-й и контрольной групп после бега развилась гипогликемическая реакция. Кроме того у контрольных собак после физической нагрузки уровень сахара нормализовался в течение первого часа отдыха, а у облученных — только через 3 ч.
С увеличением продолжительности облучения до 3 лет характер сахарной кривой после нагрузки несколько изменился и сдвиги были более глубокими. Наиболее выраженные изменения наблюдали через 3 и 5 ч после бега. Так, у собак, облученных в суммарной дозе 190, 380 и 360 сГр, концентрация сахара увеличилась после бега на 32, 34 и 56 мг% соответственно (р < 0,05; р < 0,001). После 5-6 лет облучения реакция на нагрузку была уже ослабленной, а у контрольных животных через 6 лет содержание сахара в крови после бега оставалось почти без изменения.
Исследования с применением нагрузочной пробы-гипертермии также выявили разнонаправленность изменений в содержа
178
нии сахара у облученных собак по сравнению с контрольными. У собак подопытных групп, как правило, преобладала гипогликемия, тогда как у контрольных реакция носила гипергликемический характер. Наиболее отчетливые отклонения были отмечены через 4,5 года облучения у животных 3-й группы при накопленной дозе 560 сГр. У животных этой группы после теплового воздействия количество сахара уменьшилось на 15-18 мг%, а у контрольных собак после кратковременного повышения сахара на 9-17 мг% его уровень снизился до исходного.
Липидный обмен у животных «Хронического эксперимента» изучали с использованием следующих биохимических показателей крови: общий холестерин, эфиросвязанный холестерин, свободный холестерин, коэффициент эстерификации холестерина, прочно связанный с белками холестерин, рыхло связанный с белками холестерин, коэффициент прочности связи белка с холестерином, Р-липопротеиды, неэстерифицированные жирные кислоты, общие липиды (Антипенко Д.Б., 1972; Ахунов А.А., 1972). После начала хронического облучения систематически 1 раз в 2 месяца определяли содержание общего холестерина крови у всех подопытных и контрольных собак одновременно. Выявлены статистически достоверные изменения содержания общего холестерина у собак по сравнению с исходными данными. У животных подопытных групп под влиянием облучения уровень холестерина в крови по сравнению с контрольными животными был незначительно повышенным.
Уровень эфиросвязанного холестерина у хронически облученных собак через 1 год облучения был несколько выше, чем у контрольных животных. Увеличенное содержание эфиросвязанного холестерина продолжало сохраняться у собак 1-й, 2-й и 3-й групп до 22 месяцев облучения включительно, а далее концентрация его снижалась и не выходила за пределы границ среднеквадратического отклонения, определенного для контрольных животных.
Содержание рыхло связанного холестерина (PCX) у облученных животных 1-3-й групп было подвергнуто колебаниям на всем протяжении исследований. Причем размах варьирования концентрации у хронически облучаемых животных 1-3 групп был выше. Наибольший подъем данного показателя был отмечен у собак 2-ой группы через 18 месяцев хронического облучения (до 83,5 мг%), у контрольных животных в этот срок концентрация PCX была равна 45,9 мг%. У животных 3-й группы на 14-й и 16-й
179
месяцы облучения содержание PCX достоверно было ниже по сравнению с контрольным уровнем. Такой же характер более выраженных колебаний концентрации в этих группах по сравнению с контролем отмечен по содержанию прочно связанного холестерина (ПСХ). Концентрация ПСХ изменялась почти в 2 раза. Она достоверно была повышена в 1-й группе на 16-й месяц облучения 140,6 мг% (р = 0,05). У собак 2-й группы максимум наблюдался через 14 месяцев и был выражен еще в большей степени, концентрация ПСХ достигла еще большего уровня 164,1 мг%. У животных 3-й группы уровень ПСХ в сыворотке крови колебался более чем в 2 раза от 53,6 до 135,9 мг%. Через 14 и 16 месяцев хронического облучения уровень ПСХ был достоверно увеличен по сравнению с контрольным, но на 30-м месяце облучения концентрация ПСХ достоверно снизилась до 53,6 мг%.
Изменения коэффициента прочности связи белка с холестерином также имели фазный характер. У собак 1-й группы в течение всех 3 лет облучения концентрация Р-липопротеидов колебалась от 99,9 ± 11,8 до 195,8 ± 2,6 мг%. Наибольший подъем уровня показателя был отмечен через 1,5 года облучения. Сопоставление полученных данных по содержанию Р-липопротеидов и общего холестерина в сыворотке крови собак 1-й группы показало, что имелась корреляция между этими показателями.
Уровень Р-липопротеидов в сыворотке крови животных 2-й группы колебался в этих же пределах от 103,0 ±5,3 до 195,5 ±14,1 мг%. Наибольший подъем наблюдался через 24 месяцев исследований. Через 14 месяцев и через 2 года эксперимента уровень Р-липопротеидов был достоверно увеличен по сравнению с контрольным. Анализ данных по содержанию Р-липопротеидов и общего холестерина в сыворотке крови собак 2-й группы показал, что в ранние сроки исследований у собак сохранялась естественная корреляция этих показателей; однако через 24 месяца было выявлено нарушение корреляции. Максимальное расхождение этих показателей наблюдалось через 30 месяцев хронического облучения, когда уровень Р-липопротеидов был повышен, а содержание холестерина крови достигло минимального значения.
Концентрация Р-липопротеидов в сыворотке крови собак 3-й группы (суммарная доза за 3 года — 372 сГр) изменялась от 137 ±9,1 до 251,3 ± 5,8 мг%. У животных данной группы был отмечен наибольший подъем уровня Р-липопротеидов, чем у животных 1-2-й групп и у контрольных животных. Максимальное увеличе
но
ние уровня Р"липопротеидов в крови у собак было отмечено через 28 месяцев от начала облучения. Статистический анализ полученных данных показал, что через 28 и 30 месяцев облучения уровень Р-липопротеидов в крови был достоверно повышен по сравнению с контрольным (р = 0,025). В ранние сроки исследований вплоть до двухлетнего периода хронического воздействия корреляция содержанием общего холестерина и Р-липопротеидов сохранялась, однако через 28 месяцев наблюдалось резкое различие в колебаниях данных показателей. Уровень Р-липопротеидов с 28-го до 34-го месяца был резко повышен, в то время как уровень общего холестерина стремился к нижней границе нормальных показаний. Выше представленные данные свидетельствуют о более напряженном характере регуляции липидного обмена у животных.
В то же время содержание неэстерифицированных жирных кислот (НЭЖК) в течение всех 6 лет облучения у животных 1-3-й групп существенно не отличалось от контрольных значений. У животных 4-й и 5-й групп оно было снижено на 20-25%. Исследования концентрации общих липидов в сыворотке крови хронически облученных животных показали, что в среднем значения этого показателя не выходили за пределы колебаний данного показателя у здоровых собак.
Антипенко Д.Б. (1972) и Ахунов А.А. (1972) определяли у подопытных собак в крови также содержание ацетилхолина (АЦХ) и уровень активности холинэстеразы (ХЭ), альдолазы (А), аспартатаминотрансферазы (ACT) и аланинаминотрансферазы (АЛТ). Непрерывное облучение собак 1—3-й групп в течение 2 лет не привело к выраженным изменениям соответствующих биохимических показателей. Ни в одной из групп животных, получивших к этому сроку наблюдения суммарную дозу 42, 125, 200 и 250 сГр, не обнаружено статистически достоверного нарушения ферментного спектра. Уровень активности ХЭ и А вообще практически не отличался от уровня активности этих показателей у контрольных собак. Только коэффициент АСТ/АЛТ у облученных животных имел выраженную тенденцию к снижению. В группе собак, которых на фоне хронического облучения повергали острому воздействию (4-я и 5-я группы), существенных изменений активности ХЭ и А также отмечено не было. Отношения АСТ/АЛТ и у этих животных было ниже контрольного.
181
Непрерывное и сочетанное облучение собак в течение первых 3 лет не вызывало существенного изменения содержания ацетилхолина и активности ферментов ХЭ, A, ACT и АЛТ. Однако в условиях продолжающегося облучения отмечена тенденция возрастания активности ХЭ. Она увеличивалась у животных 3-й группы на 12%, а у животных 5-й группы на 21%.
У животных 3-5-й группы не было отмечено достоверного изменения активности ACT. Лишь у животных 2-й группы уровень активности после 6-летнего облучения достоверно был снижен и составил 10,5 ± 0,5 усл. ед., тогда как в контроле — 17,2 ± 3,0 (р < 0,05).
У животных всех групп 6-летнее облучение привело к изменению активности АЛТ, содержание которой было увеличено по сравнению с контролем. Наиболее отчетливые сдвиги были установлены у животных 1-й, 3-й и 4-й групп, у которых активность составила соответственно по группам: 29,4 ± 5,2, 24, 9 ± 2,1 и 26,2 ±4,1 усл. ед., в то же время у животных контрольной группы 16,5 ±1,3. У животных 2-й группы различий активности АЛТ по сравнению с контрольными собаками не выявлено. Активность альдолазы у опытных животных к 6-му году эксперимента существенно не отличалась от контрольного уровня.
Дополнительная нагрузка — «тестирующее острое облучение» в дозе 1,25 Гр, которое использовали после 6 лет хронического воздействия, вызывала у собак всех групп изменения холинэрги-ческих процессов, характеризовавшиеся заметным отклонением активности ферментов. Реакция на острое облучение, оцениваемая по уровню холинэстеразы (ХЭ), у хронически облученных животных была несколько иной, чем у контрольных. Различия между ними проявлялись в неодинаковых сроках возникновения изменений и их глубине. Так, активность фермента у хронически облученных собак заметно снизилась в первые 3 суток, тогда как у контрольных сдвига активности ХЭ не отмечалось. В последующем у контрольных животных было выявлено снижение активности фермента, однако этот сдвиг был менее выражен, чем у ранее облученных животных. На 7-21-е сутки у контрольных собак активность ХЭ уменьшилась на 12-15%, у животных 1-й группы — на 26-37%, у животных 2-й группы — на 32-36%.
По характеру изменений активности ацетилхолина (АЦХ) на острое облучение также выявились различия между группами. У животных контрольной группы уже через сутки после облучения
182
активность АЦХ увеличилась на 29%, тогда как у собак 1-й и 2-й групп изменения произошли позднее. Были выявлены различия между группами животных и по направленности изменений. У контрольных собак сдвиги активности фермента были направлены только в сторону повышения, тогда как у хронически облученных стимуляция чередовалась с угнетением. Так, на 7-е сутки активность АЦХ у контрольных животных была выше исходного уровня, тогда как у собак 1-й и 2-й групп она уменьшилась на 40 и 26% соответственно.
Состояние азотистого обмена характеризовали по содержанию в тканях и органах аммиака, глютамина, глютаминовой кислоты (ГК), аспарагиновой кислоты (АК), у-аминомасляной кислоты (ГАМК), глицина, фенилаланина, суммы пиридоксаль- и пиридоксаминфосфатов, активности АЛТ и ACT (А.Т. Пикулев). По содержанию аммиака в головном мозге у собак, подвергающихся сочетанному хроническому и острому облучению (4-я и 5-я группы), имелась тенденция к большим изменениям, чем у хронически облучаемых животных (1-3) группы. Изменение содержания аммиака в печени было менее выражено.
Обращает на себя внимание резкое повышение количества глютамина в головном мозге при накоплении суммарных доз 63-105 сГр (1-я группа через 3-5 лет эксперимента) и 190 сГр (2-я группа через 3 года). В этих случаях количество амида ГК возрастало почти в 2 раза по сравнению с уровнем у животных контрольной группы. В дальнейшем, при накоплении больших доз (до 360-940 сГр), отмечено снижение содержания глютамина в головном мозге. В печени у животных 1-3-й групп через 5 лет эксперимента содержание глютамина также снижалось. При этом в головном мозге и печени повышалась активность глютаминазы. В головном мозге скорость ферментативного расщепления глютамина у всех облученных собак увеличивалась. В печени изменения в активности этого фермента были менее выражены.
С обменом глютамина тесно связан метаболизм ГК, а также других кислот, примыкающих к циклу трикарбоновых кислот. Количество ГК в мозге, печени, в сердечной и скелетной мышцах при суммарной дозе 360 и 800 сГр уменьшалось. Уровень ГАМК в мозге, начиная с накопленной дозы 360 сГр, снижался, а при дальнейшем облучении (суммарная доза 940 сГр) наблюдалась тенденция к увеличению уровня ГАМК. У собак всех подопытных групп под влиянием лучевого воздействия повышалось содержание АК
183
в головном мозге, в то же время в печени, скелетной и сердечной мышцах количество этой аминокислоты у большинства облучаемых собак уменьшалось по сравнению с контрольными. У всех облученных собак в течение 5 лет облучения количество глицина в головном мозге, печени и сердечной мышце увеличивалось, а аланина — уменьшалось.
Определяли активность основных ферментов обмена аминокислот — аминотрансфераз, в частности АЛТ и ACT. Активность ACT в головном мозге значительно уменьшалась у всех облученных животных, а в сердечной мышце и печени скорость ферментативного трансаминирования почти во всех случаях возрастала. В печени наблюдали торможение скорости ферментативного трансаминирования, катализируемого ферментом АЛТ; в скелетной мышце отмечены сдвиги в активности АЛТ лишь у собак 2-й группы при накоплении суммарной дозы 190 сГр к 3-му году облучения.
Черкасова Л.С. и др., (1972) оценивали относительную устойчивость окислительно-восстановительных процессов в головном мозге и миокарде у облученных животных всех групп. Характеризовали активность фермента обмена глюкозы гексокиназы в головном мозге и сердечной мышце, а также содержание гликогена, глюкозо-фосфата (Г-1-Ф), глюкозо-6-фосфата (Г-6-Ф), аденозин-трифосфорной (АТФ) и креатинфосфорной (КФ) кислот. Кроме того, определяли содержание гликогена в печени и сиаловых кислот в мозговой ткани, миокарде и печени. Содержание гликогена в мозговой ткани снижалось через 2-4 года облучения, однако через 5 лет хронического воздействия четко проявлялось включение в реакцию компенсаторных механизмов, в результате чего уровень гликогена в мозге возвращался к исходному. Аналогичные изменения были выявлены в содержании Г-1-Ф в головном мозге. Включение глюкозы в процессы биоэнергетики, о чем судили по уровню Г-6-Ф, как и синтез АТФ в мозговой ткани, оставалось на уровне, близком к установленному у контрольных животных. Содержание гликогена в скелетной мышце в первые годы облучения было устойчивым, а через 5 лет облучения имело тенденцию к повышению. Большой разброс данных установлен при исследованиях содержания гликогена в печени, однако низких значений этого показателя не было отмечено.
Изучение содержания в тканях сиаловых кислот показало, что при хроническом облучении в течение 6 лет наиболее устойчива
184
мозговая ткань. Снижение содержания сиаловых кислот в головном мозге было обнаружено лишь через 5 лет хронического облучения, а наибольшие изменения в содержании сиаловых кислот наблюдали в тканях печени.
4.5.	Иммунологическая реактивность животных
С целью оценки иммунологической реактивности животных «Хронического эксперимента» исследовали аутоиммунную реакцию, антиинфекционную устойчивость организма собак, а также проводили другие иммунологические обследования (Зуева ВА., 1972, 1978). При исследовании у собак аутоиммунной реакции использовали три методики: прямую пробу Кумбса, выявляющую неполные аутоантитела, фиксированные на эритроцитах; реакцию потребления комплемента в модификации А.А. Иванова с антигенами тканей почки и печени, выявляющую компплементфикси-рующие свободно циркулирующие в крови противотканевые антитела; реакцию агглютинации Райта с бруцеллезным антигеном для обнаружения неспецифических серологических реакций, которые могут являться признаком сенсибилизации организма. Для определения напряженности антимикробной устойчивости организма определяли количественный и качественный состав аутофлоры кожи бока тела собаки и кончика носа методом пластинок-отпечатков по Н.Н. Клемпарской и О.Г. Алексеевой. С этой же целью исследовали наличие кишечной палочки в ротовой полости по методу Г.А. Шальновой. Оценивали фагоцитарную активность крови.
Хроническое облучение собак 1-3-й групп вызывало вначале увеличение количества аутоантител, фиксированных на эритроцитах. Начальные этапы усиления аутоиммунной реакции отмечались уже на 8-м месяце эксперимента у собак всех трех подопытных групп при суммарной дозе соответственно 12, 73 и 78 сГр. Количество фиксированных неполных аутоантител на эритроцитах увеличилось более чем у 50% собак. При этом агглютинабель-ность эритроцитов облученных собак наблюдали в антиглобули-новой сыворотке (АГС), разведенной соответственно в 150 ± 16,4; 213 ±12,9 и 153 ± 6,4 раза, а в контрольной группе у собак при разведениях АГС в ИЗ ± 6,4 раза (р < 0,05). В последующие месяцы
185
эксперимента повышенные количества неполных аутоантител отмечали постоянно у собак 3-й группы. Однако при дальнейшем облучении, особенно у животных с большой накопленной суммарной дозой, интенсивность прямой пробы Кумбса не отличалась статистически значимо от контрольных значений, т.е. по степени нарастания титров аутоантител процесс не углублялся в течение последующих лет облучения. Этот характер изменений, возможно, объясняется тем, что при рассматриваемых условиях хронического облучения циркулирующие в периферической крови эритроциты могли аккумулировать эти антитела в количествах, достаточных для их выявления.
При постановке реакции потребления комплемента начало достоверного увеличения уровня противотканевых антител к антигенам тканей почки и печени было отмечено у собак 2-й группы при накопленной дозе 73 сГр (на 8-м месяце облучения) и на 12-м месяце облучения у собак 3-й группы при дозе 140 сГр. В это время уровень противотканевых антител к антигенам ткани почки у собак 2-й группы был выше среднего уровня контрольной группы в 2 раза, к антигенам ткани печени в 3 раза. У собак 3-й группы уровень антител к антигенам ткани печени был выше контрольного в 2 раза. В дальнейшем эти изменения носили фазовый характер. У собак, подвергавшихся хроническому облучению в наименьшей дозе (1-я группа), статистически значимое повышение интенсивности реакции потребления комплемента отмечено только на 28-м месяце в отношении антигенов ткани почки.
Известно, что в процессе аутосенсибилизации может происходить образование антител различной направленности, в том числе и к микробным антигенам, даже тем, с которыми организм ранее не встречался. Причем чем длительнее и интенсивнее процесс аутоиммунизации, тем чаще наблюдаются неспецифические серологические реакции. Можно предположить, что в условиях хронического облучения возможное постепенное образование продуктов тканевого распада может привести со временем к появлению неспецифических серологических реакций у подопытных собак. Поэтому начиная со 2-го года облучения ставили реакцию агглютинации сыворотки собак с бруцеллезным антигеном. Однако частота случаев неспецифических реакций у животных подопытных и контрольных групп существенно не различалась.
186
Незначительному усилению аутоиммунной реакции в первые 8-28 месяцев облучения соответствовали изменения антиинфекци-онной устойчивости собак, о чем судили по состоянию аутофлоры кожи. На коже облученных собак 3-й и 4-й групп, начиная с накопленных доз 135 и 195 сГр (срок облучения 14 мес.) и до конца 3-го года облучения, отмечали небольшое, но закономерно повторяющееся нарастание числа микробов, устойчивых к ингибитору бромтимолбляу и гемолитических форм. Показатели аутофлоры кожи собак, облученных в меньшей дозе (1-я и 2-я группы), за весь 3-летний период наблюдений почти не отличались от контрольных. Лишь на 6—8-м месяцах облучения у собак наблюдали пониженное по сравнению с контрольным количество гемолитических форм микробов. Так как все четыре группы собак находились в одинаковых условиях, то это явление можно объяснить известным из литературы фактом возможного стимулирующего воздействия излучения в малых дозах на антимикробную защиту организма. Изучение состояния аутофлоры кожи контрольных животных выявило сезонные колебания, наиболее четко прослеживаемые по глубокой аутофлоре в отпечатках на среде Коростелева. Нарастание числа микробов наблюдали в марте, июле, ноябре и снижение — в январе, мае, сентябре. Сезонные колебания аутофлоры кожи собак, облученных с большой мощностью дозы, были более интенсивными, чем в контрольной группе, до 6—8 месяцев облучения. Далее сезонные изменения в динамике гемолитической флоры собак 2-й и 3-й групп сглаживались. Сезонные колебания аутофлоры, вырастающей на среде Коростелева, у собак 2-й группы с 8-го месяца облучения сдвигались во времени относительно изменений в контрольной группе, у собак 2-й группы усиливались по сравнению с контрольными и прослеживались до конца 3-го года облучения.
При исследовании аутофлоры кожи носа и ротовой полости собак кишечная палочка не была обнаружена в течение всего многолетнего периода исследования. Таким образом, гуморальные факторы иммунологической реактивности (титр комплемента и нормальных антител, бактерицидные свойства кожи) показали большую устойчивость и соответствующие показатели не претерпевали достоверных изменений на протяжении 6 лет облучения. Не было получено статистически значимых изменений при оценке фагоцитарной активности крови.
187
4.6.	Состояние нервной системы
Имеются весьма разноречивые данные о реакциях центральной нервной системы (ЦНС) в условиях хронического облучения в относительно малых дозах. Однако в фундаментальных работах (Гуськова А.К., Байсоголов Г.Д., 1971; Григорьев Ю.Г., 1958, 1963) описан ряд неблагоприятных реакций ЦНС в результате длительного многолетнего облучения профессионалов в малых дозах. Изменения со стороны нервной системы наблюдались у пациентов после гамма-облучения в терапевтических целях (Григорьев Ю.Г., 1958). Анализ многочисленных экспериментальных данных показал высокую функциональную радиочувствительность ЦНС при воздействии малых доз ионизирующего излучения (Григорьев Ю.Г., 1963).
В «Хроническом эксперименте» на И собаках самцах были проведены исследования, направленные на оценку состояния ВНД облученных животных (Е.П. Сизан, 1972). Изучали цепные двигательные условные рефлексы. Пять собак облучали непрерывно в течение 3 лет при мощности дозы излучения 0,34 сГр/сут. Суммарная доза за год составила 125 сГр. Остальные шесть собак были контрольными.
За 2 месяца до начала облучения у отобранных собак начали вырабатывать условные цепные двигательные рефлексы при пищевом подкреплении. Животных во время опыта не фиксировали и они свободно передвигались по камере размером 1,6 х 2м. Для оценки условно-рефлекторной деятельности использовали оригинальную установку, состоящую из специально оборудованного щита, расположенного в камере, и полуавтоматического пульта управления. В нижней части щита были укреплены четыре педали, над каждой из которых располагались электрические лампочки, а на высоте 165 см — кормушки. Цепной условный рефлекс вырабатывали путем последовательного подключения нового условного раздражителя перед выработанным одиночным рефлексом или участком цепи. Во время последовательного включения слева направо каждой из четырех лампочек собака нажимала лапой по одному разу на соответствуюшую педаль. После правильного выполнения цепи из четырех движений животное получало мясо из кормушки. Дифференцировочным раздражителем служил мелькающий 4 раза в 1 с свет неоновой лампочки, расположенной на щите выше остальных. Стереотип составляли из 10 положи
188
тельных и 2 дифференцировочных раздражителей. Опыты проводили раз в неделю. Состояние условно-рефлекторной деятельности оценивали по числу правильных реакций на положительный и дифференцировочный раздражители и латентному периоду первого нажима педали. Облучение было начато в то время, когда выработка цепных условных рефлексов еще не завершилась. Поэтому среднее количество правильных реакций в 1-й месяц облучения было небольшим и составляло в опытной группе 65%, а в контрольной 68%. Эти незначительные различия недостоверны. Средний латентный период первого условнорефлекторного движения отличался большой продолжительностью и был одинаковым в обеих группах (1,4 с).
Ко 2-му месяцу эксперимента, когда накопленная доза облучения составила 8 сГр, проявилось различие в показателях условных рефлексов. Как у облученных, так и у контрольных собак постепенно увеличивалось количество правильных реакций, что было связано с тренировкой. Однако у облученных животных в течение первых 2 месяцев влияние тренировки было выражено значительно слабее, а к 3-му месяцу облучения число правильных реакций даже снизилось. Это расхождение статистически достоверно (р = 0,01). Одновременно наблюдали различие в длительности латентного периода первого условнорефлекторного движения у собак подопытной и контрольной групп. По мере тренировки длительность латентного периода уменьшалась, но у облученных собак это сокращение было менее выраженным. К 3-му месяцу воздействия при дозе 20 сГр различие между продолжительностью латентного периода облученных и контрольных животных стало достоверным (р = 0,01).
На 4-6-м месяцах эксперимента были проведены пробы на сохранение сигнального значения отдельными звеньями условной цепи. Для этого в конце опыта включали отдельно один или последовательно два-три вместе условных раздражителя, составляющих звенья цепного условного раздражителя. Эта проба не выявила нарушений процесса синтезирования отдельных раздражителей в единую цепь после облучения собак в течение первых 6 месяцев до суммарной дозы 60 сГр. Начиная с 4-го месяца воздействия число правильных реакций у подвергаемых облучению собак увеличилось, тогда как у контрольных животных наблюдалась тенденция к снижению. С 5-го месяца различий по этому показателю между группами не отмечалось. К 8-му месяцу воз
189
действия (накопленная доза 83 сГр) число правильных ответов у животных обеих групп снизилось. Латентный период с 4-го месяца воздействия у животных как под�