Урок: "Біологічний вплив радіоактивного випромінювання"

Тема уроку: Біологічний вплив радіоактивного випромінювання.

Мета уроку:

• поглибити знання учнів про радіаційне випромінювання та його наслідки, щодо дії на живі організми.
• розвивати вміння логічно мислити, самостійно робити висновки.
• виховувати в учнів поняття безпечного поводження під час надзвичайних ситуацій.

Тип уроку: інтегрований урок біології і фізики.

Обладнання: періодична система хімічних елементів Д.І. Менделєєва, таблиця «Мутаційна мінливість»,  фільм «Аварія на Чорнобильській АЕС».

Структура уроку:

І.Організаційний етап.

ІІ. Актуалізація опорних знань.

ІІІ. Вивчення нового матеріалу.

           1.Вплив радіаційного випромінювання на організм людини.

           2. Наслідки радіаційного впливу на організм людини.

ІV. Закріплення та узагальнення знань.

V. Домашнє завдання.

VІ. Підбиття підсумків уроку.

Хід уроку.

І.Організаційний етап.

ІІ. Актуалізація опорних знань. Використовується інтерактивний метод «Робота в групах».

   І група презентує тему «Ізотопи».

   ІІ група презентує тему «Джерела радіаційного випромінювання».

 

ІІІ. Вивчення нового матеріалу.

           1.Вплив радіаційного випромінювання на організм людини.

           2. Наслідки радіаційного впливу на організм людини.

 

1.Вчитель фізики. Складність у відстеженні послідовності процесів, викликаних опроміненням, пояснюється тим, що наслідки опромінення, особливо при невеликих дозах, можуть виявитися не відразу, і найчастіше для розвитку хвороби потрібні роки або навіть десятиліття. Крім того, внаслідок різної проникаючої здатності різних видів радіоактивних випромінювань вони впливають на організм: α- частки найбезпечніші (для них навіть аркуш паперу є непереборною перешкодою); β- випромінювання здатне проходити в тканині організму на глибину 1-2 сантиметри; γ-випромінювання характеризується найбільшою проникаючою здатністю (його може затримати лише товста плита з матеріалів, що мають високий коефіцієнт поглинання, наприклад, з бетону або свинцю).

Вчитель біології. Також різниться чутливість окремих органів до радіоактивного випромінювання. Тому, щоб одержати найбільш достовірну інформацію про ступінь ризику, необхідно враховувати відповідні коефіцієнти чутливості тканин при розрахунку еквівалентної дози опромінення:

0,03 – кісткова тканина;

0,03 – щитовидна залоза;

0,12 – червоний кістковий мозок;

0,12 – легені;

0,15 – молочна залоза;

0,25 – яєчники або сім’яники;

0,30 – інші тканини;

1,00 – організм у цілому.

 

  2. Вчитель фізики. Вплив радіоактивного випромінювання на організм людини можна уявити в дуже спрощеному вигляді таким чином. Припустимо, що в організм людини відбувається нормальний процес травлення, їжа, що надходить, розкладається на більш прості сполуки, які потім надходять через мембрану усередину кожної клітини і будуть використанні як будівельний матеріал для відтворення собі подібних, для відшкодування енергетичних витрат на транспортування речовин і їхню переробку. Під час потрапляння випромінювання на мембрану відразу ж порушуються молекулярні зв’язки, атоми перетворюються в іони. Крізь зруйновану мембрану в клітину починають надходити сторонні (токсичні) речовини, робота її порушується. Якщо доза випромінювання не велика, відбувається рекомбінація електронів, тобто повернення їх на свої місця. Молекулярні зв’язки відновлюються і клітина продовжує виконувати свої функції. Якщо ж доза опромінення висока або дуже багато разів повторюється, то електрони не встигають рекомбінувати; молекулярні зв’язки не відновлюються; виходить з ладу велика кількість клітин; робота органів розладнується; нормальна життєдіяльність організму стає неможливою.

  Специфічність дії іонізуючого випромінювання полягає в тому, що інтенсивність хімічних реакцій, індукційованих вільними радикалами, підвищується й у них втягується багато сотень і тисяч молекул, не порушених опроміненням. Таким чином, ефект дії іонізуючого випромінювання зумовлений не кількістю поглинутої об’єктом, що опромінюється, енергії, а формою, в якій ця енергія передається. Ніякий інший вид енергії (теплова, електрична та ін.), що поглинається біологічним об’єктом у тій самій кількості, не призводить до таких змін, які спричиняє іонізуюче випромінювання.

   Радіоактивні ізотопи надходять в середину організму з пилом, повітрям, їжею або водою і поводять себе по-різному: деякі ізотопи розподіляються в організмі людини рівномірно (тритій, вуглець, залізо, полоній); деякі накопичуються в кістках (радій, фосфор, стронцій); інші залишаються в м’язах (калій, рубідій, цезій); накопичуються в щитовидній залозі (йод); у печінці, нирках, селезінці (рутеній, полоній, ніобій) тощо.

  Найнебезпечнішими за наслідками є аварії на АЕС з викидом  в атмосферу радіоактивних речовин, внаслідок яких має місце довгострокове радіоактивне забруднення місцевості на величезних площах. На підприємствах атомної енергетики відбулися такі значні аварії:

• 1957 рік - аварії в Уїндскейлі (Північна Англія) на заводі по виробництву плутонію (зона радіоактивного забруднення становила 500 кв.км);
• 1957 рік - вибух сховища радіоактивних відходів біля Челябінська,  СРСР (радіаційне забруднення переважно стронцієм -90 території, на якій мешкало 0,5 млн осіб);
• 1961 рік - аварія на АЕС Айдахо-Фолсі, США (в реакторі стався вибух);
• 1979 рік - аварія на АЕС «Тримай-Айленд» у Грисберзі, США (сталося зараження великих територій короткоживучими радіонуклідами, що призвело до необхідності евакуювати населення з прилеглої зони).

   Однак найбільшою за масштабами забруднення навколишнього середовища є аварія, яка сталася 1986 р. на Чорнобильській АЕС. Внаслідок грубих порушень правил експлуатації та помилкових дій 1986 рік став для людства роком вступу в епоху ядерної біди. Історія людства ще не знала такої аварії, яка була б настільки згубною за своїми наслідками для довкілля, здоров’я та життя людей. Радіаційне забруднення величезних територій та водоймищ, міст та сіл, вплив радіонуклідів на мільйони людей, які довгий час проживають на забруднених територіях, дозволяє назвати масштаби Чорнобильської катастрофи глобальними, а ситуацію надзвичайною.

   За оцінками спеціалістів, відбулись викиди 50 мегакюрі небезпечних ізотопів і 50 мегакюрі хімічних інертних радіоактивних газів. Сумарне радіоактивне забруднення еквівалентне випадінню радіоактивних речовин від вибуху декількох десятків таких атомних бомб, які були скинуті над Хіросімою. Внаслідок цього викиду були забрудненні води, грунти, рослини, дороги на десятки й сотні кілометрів. Під радіоактивне ураження потрапили території України, Білорусії, Росії, де зараз проживає 5 млн.осіб.

  Нині радіоактивний стан об’єкта ЧАЕС такий: доза опромінення становить 15-300 мР/год, а на окремих ділянках 1-5Р/год. Проектний термін служби саркофага, який захищає четвертий реактор – 30 років. Зараз планується будівництво «Саркофага -2», який повинен вмістити «Саркофаг-1» і зробити його безпечним. 15 грудня 2000 року відбулося закриття Чорнобильської АЕС.

   Сьогодні ніхто практично не застрахований від впливу наслідків цієї аварії чи будь-якої іншої аварії на об’єктах атомної промисловості. Навіть віддаленість на сотні і тисячі кілометрів від АЕС не може бути гарантією безпеки.

  Одним з наслідків аварії на Чорнобильській станції є довгострокове опромінення малими дозами іонізуючого випромінювання за рахунок надходження в організм радіоактивних речовин, які містяться в продуктах харчування та воді. При впливі малих доз іонізуючого випромінювання відбувається поступовий розвиток патологічних процесів.

   Проблема оцінки довгострокового впливу на організм малих доз радіоактивного випромінювання належить до найбільш актуальних.

   Вчитель біології. Імовірність ушкодження тканин залежить від сумарної дози й від величини дозування, тому що завдяки репараційним здатностям більшість органів мають можливість відновитися після серії дрібних доз.

  Проте, існують дози при яких летальний результат практично неминучий. Так, наприклад, дози порядку 100г приводять до смерті через кілька днів або навіть годин  внаслідок ушкодження центральної нервової системи, від крововиливу в результаті дози опромінення в 10-50г смерть наступає через один-два тижні, а доза в 3 - 5 г загрожує обернутися летальним результатом приблизно половини опромінених.

   Знання конкретної реакції організму на ті або інші дози необхідні для оцінки наслідків дії більших доз опромінення при аваріях ядерних установок і пристроїв або небезпеки опромінення при тривалому знаходженні в районах підвищеного радіаційного випромінювання, як від природних джерел, так і у випадку радіоактивного забруднення. Однак навіть малі дози радіації не є нешкідливими і їхній вплив на організм і здоров’я майбутніх поколінь до кінця не вивчено. Однак можна припустити, що радіація може викликати, насамперед, генні й хромосомні мутації, що в наслідок може привести до прояву рецесивних мутацій.

  Варто більш докладно розглянути найпоширеніші й серйозні ушкодження, викликані опроміненням, в саме рак і генетичні порушення.

   У випадку раку важко оцінити ймовірність захворювання як наслідку опромінення. Будь-яка, навіть найменша доза, може привести до необоротних наслідків, але це не визначено. Проте, установлено, що ймовірність захворювання зростає прямо пропорційно дозі опромінення.

    Серед найпоширеніших ракових захворювань, викликаних опроміненням, виділяються лейкози. Оцінка ймовірності летального результату при лейкозі більш надійна, чим аналогічні оцінки для інших видів ракових захворювань. Це можна пояснити тим, що лейкози першими проявляють себе, викликаючи смерть у середньому через 10 років після моменту опромінення. За лейкозами «по популярністю» випливають: рак молочної залози, рак щитовидної залози й рак легенів. Менш чутливі шлунок, печінка, кишечник і інші органи й тканини.

  Вплив радіологічного випромінювання різко підсилюється іншими несприятливими екологічними факторами (явище синергизму). Так смертність від радіації в курців помітно вища.

  Що стосується генетичних наслідків радіації, то вони проявляються у вигляді хромосомних аберацій (у тому числі зміни числа або структури хромосом) і генних мутацій. Генні мутації проявляються відразу в першому поколінні (домінантні мутації) або тільки за умови, якщо в обох батьків мутантним є той самий ген (рецесивні мутації), що є малоймовірним.

  Вивчення генетичних наслідків опромінення ще більш утруднено, чим у випадку раку. Невідомо, які генетичні ушкодження при опроміненні, проявлятися вони можуть протягом багатьох поколінь, неможливо відрізнити їх від тих, що викликано іншими причинами.

   Існують три шляхи надходження радіоактивних речовин в організм: при вдиханні повітря, забруднення радіоактивними речовинами, через заражену їжу або воду, через шкіру, а також при заражені відкритих ран. Найнебезпечніший перший шлях, оскільки:

• Об’єм легеневої вентиляції дуже великий;
• Значення коефіцієнта засвоєння в легенях більше високі.

   Пилові частки, на яких сорбовані радіоактивні ізотопи, при вдиханні повітря через верхні дихальні шляхи частково осідають у порожнині рота й носоглотці. Звідси пил надходить у травний тракт. Інші частки надходять у легені. Ступінь затримки аерозолів у легенях залежить від дисперсійності. У легенях затримується близько 20% всіх часток; при зменшенні розмірів аерозолів величина затримки збільшується до 70%.

 

Показ фільму « Аварія на Чорнобильській АЕС».

 

ІV. Закріплення та узагальнення знань.

Тести

1.Техногенні джерела радіації створені:

а) природно;

б) штучно;

в) як штучно так і природно.

2.Найчутливішим органом людини до радіації є:

а) легені;

б) кісткова тканина;

в) молочні залози.

3.Найпоширеніші ракові захворювання:

а) рак щитовидної залози;

б) лейкози;

в) рак легень.

4.Вкажіть один із шляхів зараження ізотопами:

а) з повітрям;

б) статевим шляхом;

в) користуванням засобами гігієни інших осіб.

5.Радіоактивне випромінювання в організмі викликає:

а) модифікаційну мінливість;

б) мутаційну мінливість;

в) соматичні мутації.

 

V. Домашнє завдання.

    Конспект

 

VІ. Підбиття підсумків уроку.

 

            Додаткова інформація (для самостійного опрацювання)

    Проблема точного визначення наслідків впливу на людину малих доз була і залишається актуальною і не розв'язана до кінця. На жаль, окрім наукового значення і змісту вона з самого початку була “забарвлена” політичними та ідеологічними аспектами.
Наприклад, кілька десятиліть з політичних міркувань у Радянському Союзі висвітлення питань біологічної дії іонізуючих випромінювань було і неповним, і одностороннім. Аж до його розпаду нічого не повідомлялося про нещастя, аварії і катастрофи, рівні забруднення і ризику для населення. Мотивація була досить “оригінальною”, бо мовчання виправдовувалося гострою потребою захистити людей від радіофобії, небезпечної панічної поведінки, неврозів, розладів психіки тощо.
    Водночас у пресі й науково - популярній літературі настійно наголошувалося, що навіть одинична швидка і заряджена частинка може спричинити непоправне пошкодження молекули ДНК і народження нащадка з невиліковними генетичними дефектами. Ці пояснення обов’язково закінчувалися “науково обґрунтованою” критикою мілітаристів-американців за ядерне бомбардування Японії у 1945 році, за випробування ядерної зброї тощо. Замовчувалися власні надвипробування і забруднення, зате американців “авторитетно” зараховували до “поганих”, себе до “гарних”.
     У шкільному курсі фізики кілька уроків відводилося на виклад питань ядерної фізики, критику США, але не давалося жодних знань з основ дозиметрії, не формувалося правильного уявлення про дію іонізуючого випромінювання на людину. Утримування практично всього населення у мороці незнання дуже придалося керівництву СРСР у момент катастрофи на ЧАЕС, коли сотні тисяч людей було свідомо піддано комплексному обстрілу усіма можливими видами випромінювання. Досить було пообіцяти подвійну чи потрійну зарплату, щоб позбавлені найменшого уявлення про справжній рівень небезпеки робітники, шофери, навіть інженери погоджувалися на несподівані “заробітки”. За кордоном рівень знань населення був не набагато вищий, ніж в СРСР, бо там більшість взагалі не вивчала ядерної фізики в школі чи ліцеї. Головною їхньою перевагою було те, що в розвинених країнах ті, хто бажали, могли легко знайти правдиву інформацію і про ядерні випробування, і про можливий вплив на довкілля ядерних електростанцій та інших пристроїв з радіонуклідами. Втім, і там не все було так добре. За роки глобального змагання з СРСР і його “табором” у США та інших країнах сформувався численний загін осіб, які були економічно зацікавлені і у виробництві ядерної зброї, і в розширенні ядерної енергетики. Хоч порівняно демократичний устрій цих країн давав голос і критикам такого підходу, та не вони вирішували глобальні політичні питання. Ще далі від важелів управління було населення західних країн, думка якого аж до останніх років у таких питаннях, як доцільність того чи іншого типу реакторів чи ядерної зброї, вважалася, як мінімум, “некомпетентною”, як максимум “дитячою” і не вартою уваги “справжніх фахівців”.
   Оскільки швидко змінити усталені уявлення сотень мільйонів людей неможливо, то, на думку авторів, змальована тут ситуація з невеликими змінами існує й зараз. Ці зміни внесла катастрофа на ЧАЕС і про них ітиметься далі. Звернімося до проблеми малих доз і визначення межі, або порога, реальної небезпеки для здоров’я як однієї особи, так і всього людства з боку іонізуючого випромінювання довільного походження.
    “Малими” умовно називають дози, які в 2-3-4 (5?) разів перевищують отримані населенням різних ділянок поверхні Землі внаслідок зовнішнього і внутрішнього опромінення, спричиненого наявними у довкіллі природними радіонуклідами.
Уже на цій стадії виникають перші ускладнення. Практично немає авторитетної критики даних, які входять у наведену таблицю, для джерел природного іонізуючого випромінювання та їх відносного значення, а також для середньої дози за рік для майже всіх людей на Землі (таблиця).

Таблиця - Джерела і дози природного опромінення людини
 

   Немає переконливих заперечень і того, що лише третину (приблизно 0,065 бер) повної дози утворюють зовнішні джерела, а 2/3 ті радіонукліди, що розпадаються всередині нашого тіла: калій40 у м’яких тканинах, радій у кістках, радон у легенях.
    Певне уявлення про місце і кількість щосекундних розпадів радіонуклідів у нашому тілі та про зовнішнє опромінення за цей короткий час дає рисунок.

 

 

 

 

Кількість,

види розпаду

щосекунди

(природний фон)

 

 

 

 

      Проблемою є рівні перевищення наведеної середньої дози в багатьох місцях Землі. Справді, вона у 2-3 рази більша у багатьох гірських зонах (виходи збагачених ураном порід і посилення потоку від позаземних джерел). На меншій площі спостерігається ще більша середня річна доза для постійного населення з десятків тисяч осіб. Добре відома “торієва смуга” у штаті Керала (Індія), де подекуди дози сягають 0,81,2 бер. У Бразилії (зона міста Гуанапара) ще більше: від 1,5 до 2 бер. Під час інтенсивних пошуків родовищ урану і торію геологи знайшли місця локального перевищення середнього природного фону мало не в кожній країні (відомі такі зони й на території України).
Уважне дослідження стану здоров’я населення цих “опромінюваних” місцевостей і порівняння зі здоров’ям сусідів, що живуть у тих же кліматичних умовах, але в слабшому радіаційному полі, не виявило помітного негативного впливу підвищеного в кілька разів природного фону іонізуючої радіації. Саме ця обставина й ускладнює визначення “малих” доз, встановлення тієї порогової дози, розпочинаючи з якої чітко виявляється негативний вплив радіації природного типу на здоров’я людей.
    Однозначної і загальновизнаної відповіді на ці питання немає і дотепер. Є навіть підстави вважати, що її можуть і не знайти до того (вже близького) моменту, коли людство змушене буде вибирати шляхи йти далі “разом з радіацією”, потроху нарощуючи рівень радіаційного поля, чи відмовитися від виробництва і використання всіх штучних радіонуклідів.
    Складність вибору ще й у тому, що наші знання з радіобіології дотепер неповні. Висновки з малої кількості фактичних даних явно неоднозначні й суперечливі через брак і неповноту інформації.
   Логіка й послідовність міркувань, звичайно ж, є певною силою, але люди вже не раз обпікалися і під час опори на “здоровий глузд”, і під час використання науки. Втім, чимало людей не поспішають сприймати “логіку”, керуючись власними почуттями, інтуїцією, емоціями. Записувати їх у “дилетанти” й ігнорувати їхню думку, на наш погляд, аж ніяк не можна.
    Звичайно, ідеальним був би варіант надати кожному громадянинові якнайповнішу інформацію про найтонші особливості дії слабкого іонізуючого випромінювання. Це, на нашу думку, допомогло б всім полегшити вибір, зробити його точним, свідомим і обґрунтованим.
   Спробуємо надати читачам таку інформацію як базу для власних рішень.
Експерти сходяться на тому, що абсолютно екологічно безпечною є повна відсутність іонізуючого випромінювання. Та спроба досягти такого стану найближчого довкілля людини є лише мрією без шансів здійснитися у майбутньому. Причина полягає у великому поширенні природних радіонуклідів, їх “розпорошеності” і, почасти, безперервному утворенні нових нестійких ядер під впливом космічного проміння.
    В оцінюванні характеру впливу малих доз на людину фахівці поділяються на дві групи. Перша обстоює ту думку, що природний фон шкідливий для людини, а його посилення вдвічі внаслідок радіонуклідних викидів з АЕС та інших установок збільшить цю шкоду як мінімум вдвічі (можливо, у 34 рази). Аргументація цієї групи спирається не на прямі вимірювання чи експериментальні підтвердження такого посилення негативного впливу радіації на населення, а на логіку й сучасне уявлення про стадії біологічної дії іонізуючого проміння на живу речовину.
    Отже, перша група категорично відкидає будь-яке порушення природного радіаційного поля, виступає проти як концентрованих, так і дифузних викидів навіть малих кількостей створених людьми радіонуклідів. На практиці це означає закриття ядерних електростанцій, майже повне припинення використання ізотопів і всіх ядерних технологій.
    Друга група менш однорідна і додатково може бути поділена на “оптимістів” та “поміркованих”. Спільним для них є допущення можливості збереження ядерної енергетики й технологій за певних умов, а також припустимість модифікації природного радіаційного фону. Зазначені підгрупи розходяться насамперед у визначенні знака дії малих доз та рівня допустимості збільшення радіаційного фону середовища проживання людей.
   “Оптимісти” вважають, що природна радіація благо для біосфери загалом, а отже й для людства. Хоч їх аргументація досить широка, ми обмежимося найсуттєвішим:

• медики не виявили ознак погіршення здоров’я аборигенного населення зон з 3-4, навіть 8-кратним перевищенням середнього значення природного радіаційного фону. Відтак, такі умови не можна вважати несприятливими для людини;
• наявність у живих істот репараційних структур, спеціалізованих на усуненні радіаційних пошкоджень, “потребує”, щоб вони, образно кажучи, “мали роботу” (система, яка “не працює”, ліквідовується і знищується самим організмом!). Відомо, що нормальна і збалансована робота всіх систем нашого тіла є обов’язковою умовою міцного здоров’я. Відключення, ослаблення чи повна ліквідація репараційних структур небезпечна сама по собі. Вона нерозумна й у віддаленій перспективі, бо існує, хай і дуже мала, ймовірність несподіваного посилення потоку космічних променів. Погодьтеся, що на такий екстремальний випадок краще мати якнайпотужніші структури усунення радіаційних пошкоджень;
• еволюція біосфери від “простого до складного” відбувалася через генні мутації, а останні, як відомо, викликаються багатьма чинниками. Серед них чи не найбільше значення належить дії проміння природних радіонуклідів. Кожний вид має певну кількість особин з генними відхиленнями, у решти гени мають “помилки” меншого значення. Ця природна різноманітність особин багато важить для виживання виду, коли швидко й істотно змінюються умови довкілля.

Генетики вважають, що кожний вид платить своєрідний “податок” у вигляді невеликої кількості дефектних організмів, поява яких частково спричинена дією радіонуклідів, за потрібну різноманітність, готовність до змін, до боротьби за виживання.
Отже, "оптимісти" переконані, що немає ризику значної шкоди здоров'ю людства в близькому чи далекому майбутньому від підвищення природного радіаційного фону в кілька разів. Проте, і це важливо, таке збільшення не повинно порушувати його рівномірності, призводити до появи нових видів променів, локального великого підвищення фону, концентрації радіонуклідів в окремих видах найпростіших, рослинах чи тваринах.
Підгрупа “поміркованих” не наголошує на “обов’язковості і корисності” природного радіаційного фону і спирається насамперед на відсутність помітної шкідливості його дії на людей, залучаючи дані про застосування лікарями контрольованої кількості радіонуклідів (типу радонових вод тощо) у санаторіях і лікарнях.
Вони, як і “оптимісти”, вважають можливим техногенне підвищення радіаційного фону на поверхні Землі, але невелике, приблизно до рівня 0,5 бер на рік (за умови збереження однорідності та інших згаданих вище характеристик).
На думку "поміркованих ", доза 35 бер за все життя людини не призводить до якихось помітних шкідливих наслідків. Якщо саме такою ціною можна буде розв'язати всі енергетичні проблеми цивілізації, уникнути "парникового ефекту", врятуватися від голоду і колапсу, то суворо контрольована ядерна енергетика з гарантією від катастроф "чорнобильського типу" тимчасово допустима.