Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих подходов к оценке радиационной опасности и нормированию радиационного воздействия на человека на Земле и в Космосе 20-89
1.1. Зависимости ближайших радиобиологических эффектов от дозы стандартного радиационного воздействия 20-74
1.1.1. Вероятность и характер развития первичной лучевой реакции в результате острых облучений в различных дозах 20-27
1.1.2.Характеристика клинических проявлений и изменение жизнеспособности организма в ближайшем пострадиационном периоде в зависимости от поглощенной дозы 28-38
1.1.3 Экспериментальные и медико-гигиенические материалы о формировании поражения и его восстановления в системе кроветворения после острого и в процессе хронических воздействий ионизирующих излучений. 39-60
1.1.4.Изменение состояния кожного покрова в ближайшем пострадиационном периоде в зависимости от дозы 61-74
1.2. Анализ существующих подходов к оценке радиационной опасности, определению радиационного риска и нормированию радиационного воздействия на Земле и в Космосе 75-89
2 Методика установления опасности радиационного воздействия на космонавтов в условиях длительного космического полета на основе обобщенного дозиметрического функционала 90-136
2.1 Развитие концепции обобщенного дозиметрического функционала для количественного определения опасности сложного по характеру радиационного воздействия на человека 90-105
2.2 Разработка алгоритма для определения значений коэффициентов временной неравномерности радиационного воздействия, учитывающих влияние мощности дозы и длительности облучения на радиобиологический эффект 106-121
2.3 Методические подходы к установлению значений коэффициентов пространственной неравномерности радиационного воздействия 122-138
3. Радиационный риск для космонавтов в процессе осуществления межпланетных и орбитальных космических полетов 139-180
3.1 Разработка алгоритма для расчета радиационного риска в процессе осуществления межпланетных космических полетов.139-149
3.2 Радиационный риск для космонавтов в процессе осуществления межпланетного космического полета в различные периоды солнечной активности 150-157
3.3 Радиационный риск для космонавтов в процессе осуществления орбитальных космических полетов на станции "МИР" и Международной космической станции 158-180
4. Отдаленные последствия радиационных воздействий на космонавтов в космических полетах 181-267
4.1 Анализ результатов многолетнего эксперимента по облучению собак в режиме, моделирующем дозовые нагрузки на космонавтов при полете на Марс 181-203
4.2 Разработка модели радиационной скорости смертности млекопитающих, определяющей отдаленные последствия радиационного воздействия в различных дозах. 204-217
4.3 Суммарный радиационный риск для космонавтов к концу их профессиональной деятельности и за всю жизнь при межпланетных и орбитальных космических полетах 218-242
4.4 Радиационно-обусловленный риск образования злокачественных опухолей у космонавтов за период их жизни после завершения космических полетов 243-267
5. Дальнейшая разработка и совершенствование вопросов нормирования радиационного воздействия на членов экипажей при космических полетах 268-312
5.1 Сопоставление профессионального риска для космонавтов с рисками других профессий на Земле и рисками отказов, связанных с качеством здоровья населения страны 268-297
5.2. Предложения по совершенствованию подходов к нормированию и изменению нормативных уровней радиационного воздействия на экипажи космических аппаратов в космических полетах 298-312
Заключение 313-319
Выводы 320-324
Литература 325-353
- Вероятность и характер развития первичной лучевой реакции в результате острых облучений в различных дозах
- Развитие концепции обобщенного дозиметрического функционала для количественного определения опасности сложного по характеру радиационного воздействия на человека
- Анализ результатов многолетнего эксперимента по облучению собак в режиме, моделирующем дозовые нагрузки на космонавтов при полете на Марс
- Предложения по совершенствованию подходов к нормированию и изменению нормативных уровней радиационного воздействия на экипажи космических аппаратов в космических полетах
Введение к работе
Актуальность проблемы. Перспективные программы освоения космического пространства связаны с увеличением высоты и длительности полетов, что обуславливает существенное увеличение радиационной опасности. В то же время в наземных условиях в последнее время установлены более высокие уровни радиационного риска для профессионально работающих и осуществлен очередной пересмотр допустимых уровней облучения персонала в сторону меньших доз. Согласно рекомендациям Международной комиссии по радиационной защите (МКРЗ) и в соответствии с нормами радиационной безопасности, принятыми в России (НРБ-96), предельные уровни облучения были снижены в. 2.5'раза и составили за год 2 сЗв, а за всю профессиональную деятельность около 80 сЗв.
Как показала практика полетов на станции "Мир", космонавт-профессия с самым высоким уровнем радиационного воздействия. Среднесуточные дозы облучения космонавтов на станции "Мир" приблизительно в 15-20 раз выше, а на МКС в 30 раз выше, чем для работников атомной промышленности. Все это предъявляет к Службе радиационной безопасности (СРБ) космических полетов повышенные требования по более тщательному рассмотрению концепции опасности, учету большего спектра ближайших в процессе полета и отдаленных неблагоприятных проявлений. Необходимо учитывать риск не только в процессе полета, как в существующих в настоящее время нормативных документах (ГОСТ 25645.215-85), а также проводить расчеты суммарного радиационного риска и риска развития опухолей у космонавтов за всю их жизнь, а также осуществлять оценку возможного сокращения продолжительности их жизни. Кроме того, при обосновании предельных суммарных уровней доз для космонавтов необходимо руководствоваться требованием сохранения удовлетворительного уровня их здоровья и работоспособности к концу карьеры. Эта задача ставится впервые.
Актуальность работы связана с тем, что она посвящена решению указанных выше вопросов, необходимых для обеспечения радиационной безопасности членов экипажей при осуществлении длительных космических полетов, а также сохранения здоровья и работоспособности космонавтов к концу их профессиональной деятельности. Следует дополнительно отметить, что методика определения радиационного риска и ма-
териалы об изменении здоровья и работоспособности человека при радиационных воздействиях в различных дозах могут иметь также определенное значение для решения ряда народнохозяйственных задач. Представленные в работе модельные описания процессов формирования радиационного поражения организма в ближайшем и отдаленном периодах не являются специфичнши по отношению к рассмотренному фактору. Они имеют практическую ценность и могут быть также использованы для оценки степени опасности и риска для здоровья человека воздействия других экстремальных факторов (например, при интенсивном химическом загрязнении окружающей среды и в случае действия длительного психоэмоционального стресса).
Целями работы являлись:
-
Развитие концепции оценки радиационной опасности на основе обобщенного дозиметрического функционала (обобщенной дозы), который позволяет привести сложный характер облучения членов экипажа в космическом полете к условиям стандартного радиационного воздействия (острое, равномерное облучение от источника излучения с коэффициентом качества равным 1,0).
-
Разработка методов определения радиационного риска для космонавтов в процессе полета и суммарного радиационного риска в течение всей их жизни.
-
Радиобиологическое обоснование нормативных уровней радиационного воздействия на космонавтов, обеспечивающих социально приемлемый уровень их здоровья и работоспособности как в процессе полетов, так и в отдаленном периоде.
Задачи исследования включали:
-
Обобщение данных по реакции целостного организма и ряда его критических систем на стандартное радиационное воздействие в различных дозах.
-
Обоснование принципов приведения сложного характера облучения космонавтов в космическом полете к условиям стандартного радиационного воздействия (развитие концепции обобщенной дозы).
-
Разработка моделей, учитывающих влияние различного временного и пространственного распределения поглощенных доз на радиобиологический эффект и определение на основе этих моделей значений коэффициентов, входящих в выражение для обобщенной дозы.
-
Разработка алгоритмов и проведение расчетов радиационного риска в процессе полетов, суммарного радиационного риска в течение жизни космонавтов, риска образования опухолей, и возможного сокраще-
ния продолжительности жизни.
-
Исследование зависимости радиационного риска от длительности полета, толщины защиты космического аппарата, цикла солнечной активности и возраста космонавтов.
-
Анализ отдаленных радиобиологических проявлений в зависимости от дозы и мощности дозы радиационного воздействия и количественная оценка возможного снижения качества здоровья космонавтов, уровня их работоспособности к концу их профессиональной деятельности.
Научная новизна. Предложен новый обобщенный дозиметрический функционал (обобщенная доза) для количественной оценки опасности для членов экипажей космических аппаратов в космических полетах. Этот функционал служит для приведения сложного характера облучения в условиях космического полета к стандартному радиационному воздействию в наземных условиях, для которого известны основные радиобиологические эффекты в ближайшем и отдаленном периодах после облучения.
Впервые представлены методики для определения коэффициентов, входящих в выражение для расчета обобщенной дозы, на основе разработанных моделей формирования радиационного поражения в условиях сложного характера распределения поглощенных доз по телу космонавтов, учитывающих также существенные различия мощности дозы источников космических излучений и временного характера распределения дозы.
Разработаны также новые алгоритмы и впервые представлены результаты расчетов суммарного радиационного риска для космонавтов, а также возможного сокращения их продолжительности жизни после осуществления межпланетных и орбитальных космических полетов. Впервые сопоставлены значения суммарного радиационного риска и радиационно-обусловленного риска развития опухолей в течение жизни космонавтов после завершения полетов различной продолжительности в различные периоды солнечной активности (СА).
Предложены новые подходы к нормированию при обеспечении радиационной безопасности космических полетов. Разработаны рекомендации по совершенствованию норм радиационной безопасности для экипажей космических аппаратов при осуществлении длительных космических полетов. С радиобиологических позиций обоснованы новые более низкие предельные уровни дозовых нагрузок за всю профессиональную деятельность космонавтов, чем в существующих в настоящее время нормативных документах. Они обеспечивают сохранение удовлетворительного уровня здоровья и работоспособности космонавтов как в процессе полетов, так и в отдаленном периоде. Данная задача впервые решается комплексно на
основе разработки модельных представлений о характере развития во времени радиационного поражения организма в условиях пространственной и временной неравномерности радиационного воздействия и дополнительного действия нерадиационных факторов полета, проведения расчетов радиационного риска в процессе полета и в отдаленном периоде. Практическая значимость работы определяется следующим:
-
Проведенный в работе анализ материалов по острому облучению человека в различных дозах может служить основой для определения степени снижения работоспособности и жизнеспособности космонавтов в процессе полетов и обоснования допустимых доз для однократных острых воздействий от излучения солнечных вспышек.
-
Анализ данных по повторным радиационным воздействиям в сочетании с материалами хронического облучения может быть полезным для установления временного распределения допустимых доз для космонавтов в течение месяца, года и в течение всей длительности полета с учетом развития восстановительных процессов на уровне организма и в критических тканях.
-
Развитая в диссертации модель равноценной дозы, учитывающая влияние макропространственного распределения поглощенных доз по телу на радиобиологический эффект, и предложенный в ней алгоритм определения значений коэффициентов равноценности радиационного воздействия позволяет оценивать эффективность неравномерных радиационных воздействий как в условиях космического полета, так и на Земле.
-
Новая концепция радиационной опасности на основе обобщенной дозы позволяет оценивать сочетанное воздействие различных источников ионизирующих излучений и нерадиационных факторов.
-
Алгоритмы и методики расчета радиационного риска для космонавтов в процессе космического полета, суммарного радиационного риска в течение всей их жизни, а также сокращения продолжительности жизни космонавтов важны для решения вопросов нормирования радиационного воздействия как в Космосе, так и на Земле.
-
Полученные в работе значения радиационного риска для космонавтов в течение их жизни после завершения межпланетных и орбитальных полетов различной продолжительности, а также проведенный анализ возможных отдаленных нарушений в различных системах организма в зависимости от дозы представляют достаточную систему данных для обоснования предельных уровней радиационного воздействия на космонавтов за их карьеру.
-
Предложения по совершенствованию подходов к нормированию и снижению нормативных уровней радиационного воздействия на космонавтов за всю их профессиональную деятельность могут непосредственно быть использованы при пересмотре Государственного стандарта по нормам радиационной безопасности длительных космических полетов. Изложенное выше относится не только к проблеме обеспечения радиационной безопасности в условиях космического полета. Представленные материалы могут также успешно использоваться для решения практических задач по обеспечению радиационной безопасности на Земле.
-
Представленные в работе модельные описания формирования радиационного поражения на уровне организма и отдельных его систем в в процессе облучения, в ближайшем и отдаленном периодах после радиационного воздействия, а также методы расчета радиационного риска не являются специфичными по отношению к радиационному фактору. Они могут быть использованы для тех же целей при оценке опасности воздействия ряда других вредных экологических или социальных факторов (например, при интенсивном химическом загрязнении окружающей среды или при действии длительного психо-эмоционального стресса).
Результаты работы внедрены в практику обеспечения радиационной безопасности космических полетов, а также использованы для решения ряда задач радиобиологии и практического здравоохранения.
Разработанная модель эффективной дозы для оценки эффективности протяженных и хронических облучений с различной мощностью дозы и характером распределения дозы во времени направлена по запросу в Институт Биофизики Минздрава СССР и в Совет по радиобиологии АН СССР.
Получившая дальнейшее развитие в работе модель равноценной дозы для определения эффективности неравномерных радиационных воздействий с существенным перепадом доз по телу явилась основой ГОСТа 25645. 219-90 по проблеме "Безопасность радиационная экипажа космического аппарата в космическом полете" (БРЭКАКП). Результаты работы отражены также в трех других ГОСТах по проблеме БРЭКАКП (ГОСТ 25645.201-83; ГОСТ 25645. 214-85 и ГОСТ 25645. 215-85).
Разработанная модель радиационной скорости смертности млекопитающих, которая используется в работе для определения суммарного радиационного риска в течение всей жизни космонавтов явилась основой для разработки обобщенной модели скорости смертности при раздельном и сочетанном действии радиации, интенсивного химического загрязнения и психоэмоционального стресса, а также расчетов риска от действия этих факторов. Эти материалы использованы при оценке здоровья насе-
ления различных регионов страны в отчетах по Государственным программам: "Здоровье населения России" и "Экологическая безопасность России" {разделы 2.5.7 и 3.4.8).
Основные разработки, выносимые на защиту:
-
Обобщенный дозиметрический функционал (обобщенная доза) для оценки опасности сложного радиационного воздействия на членов экипажа космического аппарата в сочетании с действием других нерадиационных факторов полета.
-
Модель эффективной дозы, учитывающую восстановительные процессы в организме и влияние мощности дозы и характера распределения дозы во времени на радиобиологический эффект, и алгоритм определения значений коэффициентов временной неравномерности радиационного воздействия от источников космических излучений, входящих в выражение для обобщенной дозы.
-
Модель равноценной дозы' для учета влияния макропространс-твенного распределения поглощенных доз по телу на радиобиологический эффект и вычисления значений коэффициентов равноценности радиационного воздействия от источников космических излучений, входящих в выражение для обобщенной дозы.
-
Модель радиационной скорости смертности млекопитающих, описывающая характер необратимой трансформации зависимости коэффициентов смертности от возраста, которая позволяет рассчитывать суммарный радиационный риск в течение жизни и сокращение предстоящей продолжительности жизни космонавтов после завершения космического полета.
-
Алгоритм и методика расчета радиационного риска в процессе космического полета, алгоритм и методика расчета суммарного радиационного риска в течение жизни космонавтов, а также сокращения средней предстоящей продолжительности их жизни на основе предложенной модели радиационной скорости смертности млекопитающих.
-
Измененная концепция нормирования на основе риска отдаленных радиобиологических эффектов и предложения по совершенствованию норм радиационной безопасности при осуществлении длительных космических полетов.
Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
II, VIII, IX, X и XI Всесоюзных конференциях по космической биологии и медицине (Москва 1966г, Калуга 1986,1990 гг, Москва 1994, 1998 гг;
X, XVII, XVIII, и XX Симпозиумах по космической биологии и
медицине в рамках программы Ингеркосмос (Сухуми 1977г. Брно 1984. Гагра 1985 г, Берлин 1987);
Всесоюзном Симпозиуме "Хроническое действие внешнего гамма-облучения на организм собак" г.Истра, 1972г;
Всесоюзной конференции "Клинические проблемы высокогорья" Душанбе, 1974г;
Всесоюзном совещании "Теоретические предпосылки и модели процессов радиационного поражения систем организма", Пущино, 1975г;
I Всесоюзной конференции "Физиология экстремальных состояний и индивидуальная защита человека" Москва. 1982г;
Всесоюзной конференции по действию малых доз ионизирующей радиации. Севастополь.1984г;
Всесоюзной конференции "Восстановительные и компенсаторные процессы при лучевых повреждениях", Ленинград, 1986г;
Всесоюзной конференции "Актуальные вопросы радиационнной гигиены" Обнинск, 1987г;
I Всесоюзном Съезде радиобиологов, Москва. 1989г;
Всесоюзном совещании "Прикладные аспекты радиационной физики", Канев 1989г;
I Всесоюзном симпозиуме "Молекулярноклеточные механизмы хронического внешнего и внутреннего действия ионизирующих излучений на биологические системы", Пущино, 1990г;
Международном симпозиуме "Проблемы биохимии, радиационной и космической биологии. Москва-Дубна ,1997г.
По теме диссертации опубликованы одна монография и более 60 работ в отечественных журналах и сборниках, получена одна авторская заявка на изобретение. Ее материалы получили отражение в 4 ГОСТ-ах по проблеме "Безопасность радиационная экипажа космического аппарата в космическом полете (БРЭКАКП).
Материалы диссертации получены в процессе выполнения научных разработок по открытому плану НИР в соответствии с тематикой Института медико-биологических проблем за период с 1964 по 1998 гг.
По своей структуре настоящая работа включает: введение,5 разделов (глав),заключение, выводы, список цитируемой литературы (всего 353 стр.) и приложение (92 стр.) Она содержит также 27 таблиц, 51 рисунок, библиографию, включающую 370 источников.
Вероятность и характер развития первичной лучевой реакции в результате острых облучений в различных дозах
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, аппатия, 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 которые 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 / 325 /.
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 /190,192, 306,325,348/. На рис.1.1 представлена зависимость вероятности развития различных симптомов первичной лучевой реакции от дозы /348/. Как видно из данных, представленных на рисунке, зависимость вероятности симптомов ПЛР в пробитах может быть представлена прямолинейной зависимостью от дозы
Частично сказывается несколько различающийся характер радиационного воздействия, но в большей степени это обусловлено индивидуальными вариациями радиочувствительности различных людей, которая Б СБОЮ очередь зависит от здоровья индивидуума, исходного состояния организма на 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.1.2 представлена зависимость между временем начала проявления продромальных симптомов и поглощенной дозой /192/. 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.1.3 по данным работы /306/.
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 зависит 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 / 68,82 / отмечают 4 степени тяжести первичной реакции. 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 степени проявляются в виде общей слабости, стойкой тошноты ( могут сопровождаться однократной рвотой), сопровождаются выраженным снижением аппетита, обонятельными и вкусовыми извращениями, головной болью, головокружением, нарушениями сна. Эти проявления имеют место при дозах 50-150 сГр и приводят уже к некоторому снижению работоспособности.
Реакцией третьей степени тяжести можно считать развивающийся комплекс симптомов, включающий: сильную общую слабость, отсутствие аппетита, резкую тошноту, многократную рвоту, аппатию, выраженное извращение вкуса и обоняния, резкое головокружение, сильную головную боль, бессоницу. При этой реакции наблюдается выраженное снижение работоспособности в первые двое суток после облучения. Она имеет место при дозах 150-250 сГр. При реакции четвертой степени проявляются симптомы, присущие реакции третьей степени. Кроме того развивается понос, озноб, судороги и возможно состояние прострации. Эта реакция имеет место при дозах однократного острого облучения превышающих 250 сГр.
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 /68,82,348/.
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 обуславливает необходимость уделения дополнительного внимания 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 раст-ройств при применении ускорений (у которых наиболее отчетливо проявляются симптомы болезни движения), 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.
Развитие концепции обобщенного дозиметрического функционала для количественного определения опасности сложного по характеру радиационного воздействия на человека
В отличии от характера радиационного воздействия на Земле, которое в основном обусловлено излучениями с низким значением линейной передачи энергии (ЛПЭ) и является в большинстве случаев равномерным, радиационное воздействие в условиях космического полета на орбите и вне магнитосферы Земли характеризуется сложным составом излучений и их энергетического спектра, простирающегося от нескольких кэВ до сотен ГэВ, которые различаются в значительной степени по своей биологической эффективности.
Это воздействие обусловлено как детерминированными источниками излучения, включающими галактические космические лучи (ГКЛ) и радиационные пояса Земли (РПЗ), так и стохастическим воздействием корпускулярного излучения при развитии солнечных протонных событий (СПС). Оно характеризуется значительной неравномерностью распределения доз как по глубине тела, так и во времени. Максимальная радиационная нагрузка может приходиться на различные фазы полета и состояния адаптированности организма космонавтов к факторам полета, что определяет возможное снижение радиационной устойчивости космонавтов к острым радиационным воздействиям во время развития солнечных вспышек.
В настоящее время в радиобиологии достаточно подробно изучены дозово-временные зависимости непосредственных и отдаленных эффектов после стандартных радиационных воздействий (острое,равномерное облучение от источника ионизирующего излучения с кс-эффициентом качества равным 1,0). В большинстве случаев это воздействие рентгеновского излучения с граничной энергией 250 кэВ или гамма-излучения. Эти данные могут использоваться для оценки вероятности и тяжести ближайших и отдаленных неблагоприятных эффектов у космонавтов на основе разработанных принципов приведения сложного характера облучения в космическом пространстве к условиям стандартного радиационного воздействия на Земле. При разработке данных принципов возникает необходимость обоснования специфического дозового функционала в качестве критерия и количественной меры радиационной опасности, определяющей возможные ближайшие и отдаленные радиобиологические эффекты.
Для решения задач радиационной безопасности и радиационной защиты в условиях сложного характера радиационных воздействий на Земле, Международная комиссия по радиологическим единицам и измерениям в 1963г предложила использовать понятие дозового эквивалента или эквивалентную дозу /352/. Данный подход для приведения сложного характера облучения в космическом пространстве к условиям стандартного радиационного воздействия используются в нормативно-техническом документе /57/ по проблеме "Безопасность радиационная экипажа космического аппарата в космическом полете" (БРЭКАКП) при описании понятия обобщенная доза.
Обобщенная доза Н представляется как доза стандартного радиационного воздействия, вызывающая такой же спектр ближайших проявлений и отдаленных последствий, как и рассматриваемый сложный характер радиационного воздействия. Поскольку выход непосредственных, ближайших радиационных эффектов в процессе осуществления полета с одной стороны, а также возможных неблагоприятных отдаленны/; последствий с другой стороны связан с формированием патологии в существенно различных критических системах организма, отличающихся временем развития поражения, его локализацией, скоростью протекания восстановительных процессов, значение обобщенной дозы следует вычислять отдельно на основе своего набора коэффициентов соответственно для ближайших эффектов НБ И отдаленных последствий Этот новый дозиметрический функционал позволяет осуществить переход от сложного характера облучения в условиях космического прост - 94 ранства к условиям стандартного радріационного воздействия. Переход осуществляется на основе расчетных значений среднетканевых эквивалентных доз от каждого источника радиационной опасности в космическом пространстве и коэффициентов перехода, учитывающих влияние сложного макропространственного и временного распределения дозы по телу космонавтов на радиобиологический эффект. Кроме воздействия ионизирующих излучений, учитывается также влияние нерадиационных факторов, присущих космическому полету.
Нам представляется, что использование данного дозового функционала в качестве критерия для оценки опасности радиационного воздействия в условиях космического полета и методического подхода для учета влияния сложного пространственно-временного режима облучения на радиобиологические эффекты в условиях комбинированного действия радиационных и нерадиационных факторов должно принести объединяющее начало во все многообразие проблемы оценки радиационной опасности длительных космических полетов, позволит установить алгоритм расчета радиационного риска и определить значения риска ближайших и отдаленных радиобиологических эффектов для различных программ космических полетов и стохастических моделей радиационной обстановки.
Обычно представленные в литературе зависимости коэффициентов качества различных видов излучений от ЛПЭ /62,17 5,188,196/ относятся к определению риска отдаленных эффектов при хроническом облучении с малой мощностью дозы. Они непосредственно применимы для получения значений коэффициентов качества ККо. Однако следует отметить, что максимальные значения коэффициентов относительной биологической эффективности (ОБЭ) излучений с различной линейной передачей энергии (ЛПЭ) для ближайших эффектов, связанных с развитием первичной лучевой реакции, с возможным поражением критических тканей в остром периоде таких, как костный мозг, кожа и др., являются в несколько раз и меньшими, чем значения ККо, установленные на основе отдаленных эффектов. Обобщение данных по относительной биологической эффективности излучений с различной величиной ЛПЭ по отношению к ближайшим радиобиологическим проявлениям подробно рассмотрено наїли в работе /256/. В ней на основе анализа патогенетических эффектов на клеточном уровне, глубины изменений в радиочувствительных тканях, а также выживаемости экспериментальных животных проведено сравнение действия протонов, ускоренных многозарядных ионов и нейтронов с воздействием стандартных видов излучении. Это дало возможность оценить максимальные значения коэффициентов ОБЭ,/ и установить их зависимость от ЛПЭ. Максимальные значения коэффициентов ОБЭ могут использоваться в качестве величин коэффициентов качества по ближайшим эффектам ККБ , которые необходимы для вычисления соответствующих значений обобщенной дозы НБ И определения риска снижения жизнеспособности и работоспособности космонавтов после возникновения мощных солнечных протонных событий и других радиационных воздействий в процессе осуществления длительных полетов.
Анализ результатов экспериментальных исследований биологической эффективности протонов /9,90,206,208,267,292,293,360/ показал, что среднее значение коэффициента ОБЭ протонов с энергией в пределах 25-730 МзВ (ЛПЭ=0,24-1,25 кэВ/мкм) по отношению к стандартному рентгеновскому излучению 180-250 кВ на основе данных по смертности мелких лабораторных животных составило 0,70+0,02, а для крупных млекопитающих 0,77+0,03. По радиационно-обусловленным изменениям в клетках различных тканей коэффициенты ОБЭ протонов составили также зна-ЧЄНРІЄ, равное 0,70+0,03. Из представленных данных видно, что эффективность воздействия протонов указанных энергий заметно ниже, чем облучение рентгеновским излучением с напряжением на трубке 180-250 кВ и не превышает эффективности воздействия гамма-излучения б0Со и 137 л В обзорных работах /9,90,206,208,256,267/ показана полная качественная и количественная идентичность радиобиологических эффектов этих видов излучений по показателям тяжести развития острой лучевой болезни, вероятности гибели млекопитающих, их продолжительности жизни, по характеру и глубине изменений в различных органах и тканях, по частоте и характеру цитогенетических нарушений в клетках животных и человека. В этих работах продемонстрирована идентичность характера протекания первичных радиационно-химических процессов и изменения радиобиологической эффективности при применении гипоксии, а также в случае использования радиопротекторов.
Анализ результатов многолетнего эксперимента по облучению собак в режиме, моделирующем дозовые нагрузки на космонавтов при полете на Марс
Для решения вопросов нормирования протяженных радиационных воздействий, в том числе вопросов обеспечения радиационной безопасности экипажей космических аппаратов при длительных космических полетах, была осуществлена постановка многолетнего эксперимента с хроническим и сочетанным облучением беспородных собак в широком диапазоне доз за год (21-188 сГр/год), в котором моделировали возможную величину до-зовых нагрузок на экипаж от различных источников излучений в условиях длительного межпланетного космического полета. Основная задача данного "Хронического эксперимента" состояла в том, чтобы по результатам клинических, физиологических, гематологических, иммунологических, морфологических и ряда других исследований получить данные об изменении функционального состояния большого количества собак в процессе длительного облучения и после его окончания.
Эксперимент проводился на базе Института медико-биологических проблем с 1966 по 1980гг .под руководством Ю.Г.Григорьева, Б.А.Марке-лова и В.И. Попова. В комплексных исследованиях принимали участие научные сотрудники большого числа институтов СССР и стран членов СЭВ. Работа координировалась специально созданным научным советом, в который входили ведущие радиобиологи страны. Результаты пяти лет исследований были широко обсуждены научной общественностью на Всесоюзном симпозиуме "Хроническое действие внешнего гамма-облучения на организм собак", проводившемся в г.Истра в октябре 1972г, и предетавлены также в большом числе публикаций. Основные результаты, полученные в процессе облучения, данные о восстановлении в различных системах организма в пострадиационном периоде и материалы об отдаленных последствиях облучения собак обобщены коллективом авторов в монографии /12/ .
В эксперименте было использовано 240 собак в возрасте от 1-го до 3-х лет. Всех животных до начала исследований подвергли карантину, были проведены тщательные клинические и гематологические обследования. Животных содержали на открытых площадках в специальных круговых вольерах, разделенных на 6 секторов каждый. Хроническое облучение собак проводили непрерывно по 22 часа в сутки с помощью укрепленных над вольерами гамма-облучательских установок "Люстра" с источниками излучения б0Со.
Определение дозных полей в установках и фантомные измерения проводили с помощью ионизационных дозиметров, конденсаторных ионизационных камер и термолюминесцентных дозиметров, проградуированных на основе образцовых гамма-источников 1-го разряда на стенде "Эталон". Неравномерность дозного поля по радиусу вольера по мере удаления от его центра не превышала ±7%, что достигалось использованием в коллиматорах установок стальных выравнивающих фильтров. Результаты фантомных измерений показали, что среднетканевая доза хронического облучения за год у животных 1, 2 и 3-ей групп составляла соответственно 21, 62 и 125 сГр.
Собак 4 и 5 групп, кроме хронического облучения в дозе 62 с(Гр в год, подвергали дополнительно трем острым облучениям Е год с интервалом 4 месяца, моделирующим острое радиационное Бездействие от СКЛ, на гамма-облучательской установке "Кобальт". Каждое воздействие в 5 группе осуществляли в среднетканезой дозе 42 сГр (суммарная доза за год 188 сГр ). В 4-ой группе среднетканевая доза острых воздействий в течение года распределялась как 42, 8 и 8 оГр (суммарная доза за год 120 оГр). Продолжительность облучения основной партии животных составляла 6 лет. Часть животных была выведена из облучения после 3-х лет. Обследования животных осуществляли в течение всей их жизни. Более подробно методика постановки эксперимента, вопросы дозиметрии и основные результаты изложены в работе / 7 2 /.
В процессе многолетнего облучения и после его окончания у собак исследовали общий клинический статус, изучали обмен веществ на основе биохимического анализа крови и тканей, проводили морфологические и цитокинетические исследования гемопоэтической ткани, определяли состояние высшей нервной деятельности, сердечно-сосудистой системы в обычных условиях и при использовании функциональных нагрузок, оценивали состояние вестибулярного анализатора, изучали оперматогенную Функцию и способность производить потомство, проводили гистологические исследования различных органов и тканей и ряд других специальных исследовании.
Клиническое состояние собак в процессе 6-летнего облучения было вполне удовлетворительным. Собаки выглядели активными, с хорошей пищевой возбудимостью и реакцией на окружающую обстановку. Кожа у животных была эластичной, шерстяной покров развит хорошо. Масса тела мало отличалась от контроля. Ее изменения в основном были обусловлены сезонными колебаниями. Температура тела, частота пульса и дыхания колебались в пределах контрольных значений.Заболеваемость среди об - JLO-Ч: лученных собак не превышала уровня заболеваемости контрольны:»: животных. Имели место следующие виды заболеваний, течение которых завершалось выздоровлением: энтероколит, КОНЪЮКТЙЕИТЫ, заболевания кожи, травматические повреждения.
Данные биохимических исследований показали отсутствие существенны:-: нарушении в белковом обмене. Наблюдавшиеся изменения в облучаемы:»: группа:»: находились в предела:»: изменений в контрольной группе. Лишь к концу 6-ти лет облучения у животных 4-5 групп по содержанию альбуминов и глобулинов отмечена менее отчетливая реакция на дополнительную нагрузку (введение чужеродного антигена, вращение на центрифуге, кровопускание). В углеводном обмене, на основании результатов определения сахара, существенны:»: нарушений также отмечено не было. Однако, Е первые 3 года облучения наблюдали большую лабильность показателей во Бремени, чем в контроль НОРІ группе, свидетельствующую об изменении регуляции содержания сахара в организме. Реакция собак на физическую, а также тепловую нагрузку по содержанию сахара в крови была в последние годы облучения (4-5 год) менее выраженной, чем в первые годы. Она имела меньшую глубину и другую направленность по сравнению с контрольными животными.
Из показателей липидного обмена наиболее отчетливые изменения отмечали Е содержании холестерина. У собак контрольной группы концентрация холестерина колебалась, обнаруживая четкую зависимость от сезона. У собак опытны:»: групп этот ритм был несколько искаженным и иногда отмечались разнонаправленные по сравнению с контролем изменения. При анализе среднегодовых значений количества общего холестерина обнаруживается постепенное его снижение у облучаемых животных. Через 3 года облучения содержание холестерина во всех группа:»: было достоверно пониженным. Дополнительные воздействия (кровопускание, физическая нагрузка; выявили замедление скорости восстановления из - 185 менений Б концентрации холестерина,
Таким образом, биохимические исследования в ряде случаев выявили определенные отклонения от нормы в белковом, углеводном и липид-ком обмене. Некоторые из них носили скрытый характер и проявились только при действии на животных функциональных нагрузок. По-видимому, причина их ЕОЗНИКНОЕЄНИЯ может быть связана о недостаточностью неиро-эндокринной регуляции Е организме.
Уже с первого года облучения отмечены начальные изменения в радиочувствительны]-: обновляющихся клеточных системах: кроветворной ткани и сперматогенном эпителии. Они были статистически достоверными и в наибольшей степени выраженными у животных 3-5 групп. К концу первого года эксперимента у собак наблюдали некоторое угнетение белого ростка кроветворения и снижение леикозритроблас-трічеокого отношения. С использованием пирогеналовой пробы выявлено также существенное снижение костномозгового резерва гранулоцитоЕ. Степень снижения реакции на пирогекал зависела от мощности дозы и от длительности облучения. Пороговое значение мощности дозы для начальны/: изменении Е периферической крови собак составляет около 0,1 сГр/сут. При более низких уровнях гамма-облучения (0,058 сГр/сут) отмечено лишь увели-чение лабильности значении показателей периферической крови, а при мощности дозы 0,17 оГр/оут наблюдали достоверное снижение числа лей-коцитов, а также повышение уровня ретикулоцитов в крови у собак.
Предложения по совершенствованию подходов к нормированию и изменению нормативных уровней радиационного воздействия на экипажи космических аппаратов в космических полетах
В настоящее время, Е СВЯЗИ С созданием международной орбитальной космической станции, необходимо согласование принципов и критериев оценки радиационной опасности для экипажей космических кораблей. При этом, по нашему мнению необходимо учитывать риск неблагоприятных последствий как в ближайшем периоде (в процессе длительного полета), так и в отдаленном периоде. При разработке новых нормативно-технических документов по радиационной безопасности космических полетов следует исключить возможность ближайших проявлений, снижающих работоспособность космонавтов (астронавтов) в процессе полета, а также обеспечить сохранение удовлетворительного уровня их здоровья и работоспособности в отдаленном периоде (к концу их карьеры).
Для этого требуется, с одной стороны, рассмотрение целого ряда Еажных критериев опасности радиационного воздействия в условиях полета и Е отдаленном периоде, основанных на реакции целого организма и отдельных его систем. Кроме того необходимо обоснование обобщенных дозиметрических функционалов, которые взаимно однозначно определяют дополнительный радиационно-обусловленный риск смерти в течение жизни, а также вероятность и тяжесть неблагоприятных нарушений состояния здоровья и жизнеспособности Е эти периоды.
Нами в разделе 2 представлена методика расчета обобщенных доз для космических излучений применительно к ближайшим и отдаленным радиобиологическим эффектам, позволяющая производить расчеты радиационного риска в процессе полета (раздел 3) и в отдаленном послеполетном периоде (раздел 4). Материалы, представленные в этом раз-деле, показывают возможность проведения расчетов суммарного радиационного риска за жизнь космонавтов и оценки, сокращения предстоящей продолжительности жизни космонавтов в зависимости от длительности полета, толщины защиты космического аппарата, цикла солнечной активности и возраста космонавтов. Суммарный радиационный риск предполагается нами в качестве основного количественного критерия радиационной опасности для человека и определяется как дополнительный радиацион-но-обусловленный риск смерти в течение жизни, вызванной любыми пата-. логическими проявлениями, индуцированными облучением.
Усовершенствование принципов нормирования при воздействии ионизирующих излучений заключается в необходимости учета большего спектра возможных неблагоприятных радиационных последствий. Как уже отмечалось Еыше, следует, наряду с определением риска развития опухолей, проводить также оценку суммарного радиационного риска как в процессе полета, так и в отдаленном периоде (к концу профессиональной деятельности и за всю жизнь), а также возможного сокращения средней предстоящей продолжительности жизни. При обосновании суммарных допустимых доз за карьеру космонавтов необходимо кроме того более тщательное рассмотрение зависимостей от обобщенной дозы изменений в различных системах организма и учет возможного ухудшения состояния здоровья и работоспособности космонавтов к концу профессиональной деятельности.
Как показывают сравнительные расчетные данные, радиационный риск Е полете существенно (почти на порядок) ниже, чем суммарный радиационный риск в течение всей жизни. Вследствие этого он не может выступать как ведущий критерий при оценке радиационной опасности и определять предельные величины доз для космонавтов за полет и весь период их работы. Вычисление значений обобщенных доз, применительно к определению тяжести ближайших радиационных проявлений в процессе полета, может иметь вспомогательное значение для оценки степени сни - 300 жения работоспособности космонавтов во время- развития мощных солнечных протонных событий (СПС). Из возможных неблагоприятных отдаленных радиационных последствий следует, как указывалось ЕЬІШЄ, проводить расчеты суммарного радиационного риска за жизнь космонавтов и оценку сокращения средней предстоящей продолжительности их жизни, Следует специально подчеркнуть, что суммарный радиационный риск гибели в течение жизни, а также возможное сокращение средней предстоящей продолжительности жизни являются наилучшими критериями для обоснования допустимых уровней радиационного воздействия на космонавтов за их карьеру. При использовании этих критериев рассматривается максимальная опасность для космонавтов и в то же время эти критерии не зависят или точнее слабо зависят от их возраста,
Как показано в разделе 4.4, возможно также оценить увеличение риска развития опухолевых заболеваний и возможной смертности по этой причине за весь период жизни космонавтов в зависимости от характера полета, его продолжительности, цикла солнечной активности, Еозраота космонавтов. Ввиду отсутствия в настоящее время результатов фантомных измерений для широкого класса полетов и различных ТРШОВ космических аппаратов, а также конкретных значений эквивалентных доз в различных органах и тканях, для определения риска развития опухолей в расчетах ИСПОЛЬЗОЕЗЛИ не величины эффективной эквивалентной дозы, а значения средне-тканевой эквивалентной дозы. Поскольку риск развития опухолей значительно меньше суммарного радиационного риска смерти в течение жизни, и так как он существенно зависит от Еозраота космонавтов, использование его в качестве основного критерия для оценки опасности в отдаленном периоде не является, с нашей точки зрения, в полной мере оправданным.
Следует отметить, что значения радиационного риска, оцененные нами в процессе полета и в отдаленном периоде являются значитель - 301 но выше, чем представлялись ранее. Предварительные расчеты показывают, что в случае суммарных эквивалентных доз за всю профессиональную деятельность космонавтов, начинавших карьеру в возрасте 25 лет, равных 150 сЗв (предельно допустимое значение в нормативных документах США), величина радиационного риска, для космонавтов России составит от 8,8 до 14,5 %, а для астронавтов США - от 7,3 до 12,3 %. Сокращение средней продолжительности предстоящей жизни от 3,0 до 5,0 лет и от 2,5 до до 3,5 лет соответственно. При этом риск развития опухолей, вычисленный на основе уточненных радиоэпидемиологических данных, превысит 5,5 %. После суммарной дозы 400 сЗв величина суммарного радиационного риска для космонавтов (астронавтов) России и США, начинающих карьеру Б Еозрасте 50 лет, превысит СООТЕЄТСТЕЄККО 23 и 20%, а сокращение средней продолжительности предстоящей жизни составит более 6,0 лет. Риск раз-Еития опухолей для космонавтов (астронавтов) этого Еозраста при дозе 400 CSE, составит более 7,4% ( оценки по данным работы / 309 / и материалам раздела 4.4).
В таблице 5.6 представлены расчетные значения основных характеристик радиационной опасности для космонавтов различного возраста при суммарных среднетканевых эквивалентных дозах, накопленных за ЕСЮ профессиональную деятельность, 100, 125 и 150 сЗв и различном относительном вкладе в дозу плоткоионизирующего излучения ( вклад ГКЛ от 20 до 60 %). Как видно из таблицы, значения суммарного риска гибели за всю жизнь являются существенно большими, чем регламентируемое нормативными документами предельное значение радиационно-обусловленного риска развития опухолей, равное 3%.
Учитывая оцениваемую более высокую степень опасности воздействия ионизирующих излучений и общую тенденцию к снижению допустимых уровней радиационного воздействия на Земле ( в 2,5 раза /176,196/), а также более высокие уровни радиационного риска для космонавтов,-отмеченные выше, можно считать целесообразным снижение предельного уровня суммарных средне тканевых .эквивалентных доз, допускаемых за карьеру до уровня 100-150 сЗв (табл.5.6). Конкретные допустимые значения доз могут быть установлены вновь разработанными нормативными документами, после регламентации государственными органами (Госсанэпиднадзором и Минздравом) предельного значения суммарного радиационного риска в течение жизни или предельного значения возможного сокращения предстоящей продолжит ель. кости жизни. Поскольку суммарный радиационный риск Е течение жизни практически не зависит от возраста космонавтов, этот критерий является более предпочтительным.
Как указывалось выше, при установлении предельных уровней радиационного воздействия на космонавтов за всю их карьеру, кроме расчетов радиационного риска за БОЮ жизнь и возможного сокращения продолжительности жизни необходимо обеспечить приемлемый уровень здоровья и работоспособности космонавтов к концу их профессиональной деятельности. Для этого прежде всего необходимо определить характер нарушений в ведущих системах организма: центральной нервной и сердечко-сосудистой системах, определяющих возможное снижение здоровья и работоспособности космонавтов Б отдаленном периоде.
