От кармана Беккереля до нейтрон-захватной терапии: краткая история изучения влияния радиации на организм человека
Радиация существует с самого зарождения Вселенной. В современной культуре радиоактивное излучение — синоним чего-то страшного и опасного, но при этом всё равно жутко притягательного. Когда 120 с лишним лет назад радиация была открыта, никто не знал, что она может убить. Более того, многие были очарованы загадочными лучами. Осознание опасности этого явления заняло десятки лет и стоило сотен и даже тысяч жизней. О том, как это было, читайте в материале Андрея Вдовенко.
Наивная эпоха
В 1895 году немецкий физик Вильгельм Конрад Рентген, экспериментируя с электронно-лучевыми трубками, обнаружил X-лучи, которые обладали большой проникающей способностью. Например, проходили через человеческое тело, фиксируя строение костей на фотографической пластинке.
Французский физик Антуан Анри Беккерель зимой 1896 года вел похожие эксперименты с фосфоресценцией минералов урана, которые могли засвечивать фотопластинку даже через черную бумагу. Беккерель думал, что найденное им излучение работает только при солнечном свете (урановые руды действительно могут аккумулировать его). Однако убедить себя в этом ему помешал случай. Поставить повторный эксперимент Беккерель не смог — солнце никак не выходило над Парижем, и пластинки с солями урана три дня пролежали в столе. Когда 1 марта наконец наступил погожий день, ученый вытащил пластинки и попробовал их проявить, чтобы проверить качество фотоэмульсии. Внезапно он обнаружил на пластинках контуры минералов. Оказалось, те могли распространять некое невидимое и ранее неизвестное излучение самостоятельно.
Лучами Беккереля заинтересовались супруги Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри. Проведя несколько экспериментов, они доказали, что активен именно атом урана. Затем они обнаружили радиоактивность и в других веществах — в уже известном тории и выделенных из минерала уранинита полонии и радии. А в 1899 году британский физик Эрнест Резерфорд открыл несколько типов радиоактивного распада.
Так была открыта радиоактивность — излучение (его также называют ионизирующим) различных элементарных частиц (альфа, бета, гамма, нейтронов и других) нестабильными ядрами атомов некоторых веществ. Представление о неделимости атомов, существовавшее со времен философа Демокрита (460–370 до н. э.), рухнуло.
Первые годы изучения радиации стали временем невероятной, доходящей до мании самоотверженности ученых в работе. Например, так как радия в уранините ничтожно мало, Мария Кюри, будучи беременной, вручную перебрала несколько тонн материала, работая в сарае с протекающей крышей и асфальтовым полом — бывшей прозекторской. Руду они с мужем скупали на собственные деньги, она была из промышленных отходов с производства богемского стекла (в него тогда добавляли урановые соли для дымчатой окраски). Так были получены первые 100 миллиграмм (то есть 0,1 грамма) хлорида радия. Позднее ученая переработала еще восемь тонн руды ради одного грамма радия, хотя уже было известно, что тот может обжигать кожу.
«Я могу сказать без преувеличения, что этот период был для меня и моего мужа героической эпохой в нашей совместной жизни. Нередко я готовила какую-нибудь пищу тут же, чтобы не прерывать ход особо важной операции.
Иногда весь день я перемешивала кипящую массу железным шкворнем длиной почти в мой рост. Вечером я валилась от усталости. Но как раз в этом дрянном сарае прошли лучшие и счастливейшие годы нашей жизни, всецело посвященные работе».
Мария Кюри
Новый элемент супруги запаяли в ампулу и ходили по вечерам любоваться красивым и таинственным свечением, которое исходило от нее.
Все пятеро — Рентген, Беккерель, супруги Кюри и Резерфорд — стали нобелевскими лауреатами.
Сами физики и химики еще толком ничего не знали о новых излучениях, в том числе об их вреде для здоровья. А их открытия породили настоящую радиоактивную лихорадку. Особенно после того, как в 1913 году был изобретен более эффективный метод извлечения радия и началась его добыча.
Так, в 1920–1940-х годах торий и радий стали добавлять в косметику, зубную пасту, чистящие средства, свечи, продукты, воду, посуду (правда, частенько дорогостоящие радиоактивные элементы были только в названии). Развилось настоящее радиоактивное шарлатанство — на излучение смотрели как на чудодейственное, омолаживающее и целительное средство. С радиоактивными элементами стали выпускать БАДы, различные «терапевтические» устройства вроде мошоночного радиоэндокринатора для увеличения «мужской силы» или содержащих радий клизм, на курортах предлагали принимать урановые ванны. Некоторые из артефактов того времени до сих пор радиоактивны и опасны.
В 1930–1940-е годы подобные вещества и приборы стали запрещать, однако пренебрежение радиационными опасностями сохранилось и во второй половине XX века. Так, даже ученые, работавшие в атомной промышленности в 1950–1960-х годах, недооценивали радиационную опасность, ликвидируя аварии без необходимой защиты (например, вытирали разлив тряпками) или сливая «светящиеся» отходы в канализацию. Да и особых мер защиты для них, кроме перчаток и вентиляции, не предусматривалось.
Читайте также
Лишь со становлением атомной промышленности нормы безопасности стали строже. Например, на атомных объектах начали изолировать места работы с «грязными» материалами, устанавливая шлюзы, душевые и контрольные посты. Также атомщики разработали методы утилизации отходов, перевозки радиоактивных материалов и постоянной дозиметрии.
Но всё это не мешало до 1960-х поставлять из Японии карты с урановой рудой, которые якобы уменьшали содержание смол и никотина в сигаретах, если положить их в пачку; и вплоть до 1970-х в обувных магазинах по всему миру использовать флюороскопы, с помощью которых можно было подобрать обувь по размеру, рассматривая свои стопы в рентген-лучах.
В те годы царил радиационный оптимизм: атомная энергия считалась вполне чистой. В ней видели будущего спутника человека, с помощью которого люди решат топливную проблему, проведут дешевую промышленную революцию, добьются рывка в сельском хозяйстве, создадут новые, невиданные раньше материалы и медицинские технологии. Ученые верили, что вскоре человечество сможет преодолеть негативные последствия облучения.
Долгий путь к осознанию опасности
Проходя через живое тело, ионизирующее излучение нарушает нормальное течение биологических процессов. Например, разрушает структуру спиралей ДНК, которые управляют ростом клеток по всему организму. Одним из последствий облучения может быть развитие злокачественных опухолей, а также формирование наследственных заболеваний.
Первооткрыватели радиации об этом не знали, хотя поводов задуматься было немало.
Еще в 1879 году, за 15 лет до открытия Рентгена, у шахтеров, работавших в рудниках, где впоследствии стали добывать уран и радий, обнаружили рак легких. Да и сам немецкий физик в 1895 году описал ожоги, которые получил, облучив свои пальцы (Рентген ошибочно списал причину травм на реакцию излучения с озоном).
Не прошло и пяти лет с открытия радиации, как вскрылись и негативные свойства радия. В 1901 году Беккерель взял у супругов Кюри колбочку с ним и положил в карман жилета. Та пролежала в кармане всего несколько часов, а через неделю или две на коже ученого в том же месте появилось сильное воспаление. После лечения как при обычном ожоге оно прошло, но остался рубец. В беседе с Кюри Беккерель так резюмировал это происшествие: «Я очень люблю радий, но я на него в обиде».
Узнав о случае с Беккерелем, Пьер Кюри решил поставить на себе эксперимент в схожих условиях. Он сознательно положил радий в карман и тоже получил ожог.
В 1906 году ученый трагически погиб под конной повозкой. Поговаривали, что из-за радия у него развилась слабость, поэтому он споткнулся и упал под колеса.
К тому моменту среди ученых уже шла недобрая молва о свойствах новых элементов. Еще в 1896 году российско-грузинский физиолог Иван Тарханов обнаружил влияние X-лучей на «живую функцию» лягушек и насекомых. Семь лет спустя российский патофизиолог Ефим Лондон показал, что лучи радия летально воздействуют на мышей, вызывая у них лейкопению, анемию и атрофию кроветворных органов. В те времена вышел целый ворох подобных исследований. Первый «рентгеновский» рак обнаружили уже в 1902 году. К 1914-му таких диагнозов среди медицинского и технического персонала было поставлено уже 114.
Другая показательная история связана с Томасом Эдисоном. Сразу после открытия Рентгена тот начал разработку флюороскопа — аппарата для рентгеноскопии. Тестирование рентгеновских трубок он поручил своему ассистенту Кларенсу Делли. Тот для быстроты и наглядности пробовал устройства на своих руках. Через четыре года работы у него на кистях появились ожоги и развился рак: руки пришлось ампутировать. Но это не спасло Делли от смерти: он умер от рака. Эдисон, пораженный случившимся, больше не экспериментировал с X-лучами.
Но самые громкие истории произошли в 1920–1930-е годы.
Первым стало дело так называемых радиевых девушек.
В первом десятилетии XX века в Германии разработали светящуюся краску с радием: она была достаточно тусклой, чтобы быть видимой на свету, но зато хорошо различалась в темноте. Во время Первой мировой войны это изобретение пришлось очень кстати: наручными часами с циферблатами, покрытыми радиевой краской, было удобно пользоваться в окопах. Мода на часы со светящимися стрелками сохранилась и после войны.
В США циферблаты с радиевой краской делала компания U.S. Radium. Она нанимала девушек и молодых женщин, которые кисточками наносили состав тонкими линиями — по 250 циферблатов за смену. При этом компания рекомендовала заострять кисточки губами, так как после нескольких мазков щетинки расползались. В перерывах работницы иногда играли с краской: наносили ее на локоны, ногти и даже зубы, изображая улыбку чеширского кота.
Никто и не думал, что это может быть опасно, тем более что богатые люди в то же время платили за препараты с радием огромные деньги. Но внезапно девушки начали заболевать, и очень страшно. У них стали выпадать зубы, развивались язвы во рту, разваливались челюсти и ломались кости, а сами они чахли от анемии. Во многом такие последствия были связаны со свойствами радия. Он излучает альфа-частицы, которые не способны пройти даже через лист бумаги или человеческую кожу, но становятся очень опасными, если попадают внутрь организма или в кровь с пищей или воздухом.
К 1924 году погибло девять работниц. Все — молодые и ранее не имевшие проблем со здоровьем.
Тогда U.S. Radium наняла группу ученых, чтобы расследовать причины внезапной и таинственной болезни.
Специалисты из Гарварда обнаружили, что весь завод густо усыпан радиевой пылью, а работники покрыты ею настолько, что светились в темноте как призраки.
Однако у радия была такая публичная репутация, что расследователи не решились возложить вину за загадочные смерти на этот элемент и ограничились тем, что указали причиной болезни работу завода. Заказчики исследования не оценили даже таких осторожных выводов и запретили его публиковать.
В 1925 году группа из пяти бывших красильщиц подала на корпорацию в суд. У всех были тяжелые проблемы со здоровьем, такие как сломанные и удаленные кости, ноги одна короче другой, металлические скобы в позвоночнике, волосы, светящиеся даже спустя несколько лет после увольнения. После трех лет разбирательств компания, пусть и в меньшем размере, согласилась компенсировать женщинам ущерб.
К тому моменту проблемой заинтересовалась группа ученых, не аффилированных с U.S. Radium. В своих работах они однозначно указали на радий, накапливавшийся в костях и разрушавший их. Последовала волна новых исков, и на производствах ввели более строгие меры безопасности. Но краску продолжали использовать вплоть до 1960-х годов, хотя в последние десятилетия в основном для военных нужд.
Другой громкой историей стала смерть в 1932 году нью-йоркского промышленника, светского льва и гольфиста Эбена Байерса.
Байерс был очень увлечен модой на радиоактивные препараты. Ради повышения тонуса он на протяжении нескольких лет выпивал по несколько бутылочек воды Radithor в день. От употребления разбавленного водой радия у него стала разваливаться челюсть (ее пришлось удалить), череп, мозг и внутренние органы. В 1932 году мужчина скончался. По поводу его смерти было начато федеральное расследование. Радиационная лихорадка постепенно стала сворачиваться.
Параллельно биологическое воздействие радиации продолжали изучать ученые. Так, важным стало открытие американского генетика Германа Джозефа Меллера, который в 1927 году обнаружил влияние ионизирующего излучения на мутации генов. За это 19 лет спустя он получил Нобелевскую премию.
Тем не менее у радия были и именитые заступники. Например, сама Мария Кюри. Она открыто говорила, что не боится радия, носила ампулы с ним в карманах и всячески защищала элемент. К 1920-м годам ее здоровье стало ухудшаться, и ученая в итоге умерла от радиационной апластической анемии в 1934 году.
Похоронили Марию в свинцовом гробу. Вещи ее до сих пор радиоактивны и также хранятся в свинце. Без защитного снаряжения прикасаться к ним нельзя еще 1500 лет (пока не пройдет период полураспада радия-226).
Кюри совсем немного не дожила до того, как Нобелевскую премию получили ее дочь Ирен и зять за синтез новых радиоактивных элементов.
В 1930-х годах Энрико Ферми начал опыты с бомбардировкой различных элементов нейтронами. Сам того не зная, итальянский физик предвосхитил открытие цепной реакции деления атомного ядра (которое сделали его немецкие коллеги Отто Ган и Фриц Штрассман в 1938 году). Дорога к созданию ядерных реакторов и оружия была открыта.
Взрывы в Хиросиме и Нагасаки во многом стали определяющими для осознания опасности радиации. Они наглядно показали, как проявляется, развивается и убивает лучевая болезнь. Здоровье населения бомбардированных городов на протяжении многих лет изучали. Выяснилось, например, что облучение приводит к увеличению риска рака.
В 1940–1950-х годах по всему миру стали развиваться исследовательские центры, изучавшие радиобиологический эффект и лучевую болезнь. А в 1955 году Генассамблея ООН основала Научный комитет по действию атомной радиации, чтобы противостоять растущему вреду от испытаний ядерных вооружений.
Своеобразным рубежом стала катастрофа в Чернобыле, а также случившаяся за семь лет до нее менее известная авария на американской АЭС «Три-Майл-Айленд» в Пенсильвании. Вторая обошлась без жертв, но всё равно привела к тому, что строительство новых АЭС в США было заморожено на 30 с лишним лет.
Как писал радиохимик из Обнинского филиала физико-химического института имени Карпова Джон Лебедев, чернобыльская трагедия показала, что радиация «бесконтрольно расползлась по стране». Сам он, например, обнаружил, что фонят его наручные часы, стрелки которых в СССР тоже покрывали «светосоставом постоянного действия» с радием-226.
Хотя после Три-Майл-Айленда и Чернобыля были значительно переработаны и усилены меры атомной безопасности, особенно связанные с человеческим фактором, радиация стала вызывать у людей всё больше страха. Радиооптимизм сменила радиофобия. Впрочем, с 2000-х наметился своеобразный ядерный ренессанс, во многом инициированный сами атомщиками. Например, Росатом вкладывает большие деньги в медиаприсутствие и пропаганду высоких стандартов ядерной безопасности и светлого будущего мирного атома. Впрочем, авария в Фукусиме несколько поколебала это восстановление радиооптимизма.
В правильной дозе яд — это лекарство
Однако радиация не только калечит, но и лечит при правильном применении. Небольшие дозы излучения, оказывается, даже активизируют иммунитет.
На самом деле история радиомедицины началась почти одновременно с первыми открытиями в области ионизирующих излучений. Так, уран стали применять в медицине даже до открытий Рентгена, Беккереля и Кюри, а X-лучи почти сразу привлекли внимание врачей. Например, уже в 1896 году Леопольд Фрейнд демонстрировал лечение рентгеновским излучением образований на коже. Вскоре с их помощью стали лечить волчанку, базальноклеточную карциному и эпителиому. Пробовали исследователи бороться с помощью X-лучей и с внутренними формами рака.
Полоний и радий тоже стали использовать практически сразу после открытия. Так, когда в 1902 году Пьер и Мария Кюри описали воздействие элемента на кожу, они предложили попробовать применять его против рака. Впрочем, эти работы к тому моменту уже велись, и то, что соли радия могут уменьшать злокачественные образования, врачи уже знали.
Никто еще толком не понимал, как и почему это работает, но на фоне существовавших методик радиотерапия казалась настоящим чудом (в газетах ионизирующее излучение сравнивали с солнечным светом), и уже вскоре ее начали внедрять в больницах.
В 1920–1930-е годы французский радиолог Анри Кутар разработал технологию облучения раковых опухолей малыми дозами. К 1935 году его метод, который лег в основу современной лучевой терапии, стал использоваться повсеместно. А в 1949 году британский профессор Дэвид Смитерс впервые использовал изотоп (разновидность) йода — радиоактивный йод-131 — для лечения рака щитовидной железы. Эта технология тоже используется по сей день.
В итоге с помощью радиоактивных элементов и их излучений медики стали стерилизовать инструменты, которым противопоказана химическая и термическая обработка, диагностировать опухоли и болезни, а также лечить их. В США в 1950-е годы даже звучали заявления о том, что радиоактивность уже помогла спасти больше людей, чем погибло от американских бомбардировок Хиросимы и Нагасаки.
Но нередко доза радиации вызывает побочные эффекты (их появление индивидуально): от тошноты, сухости во рту, лихорадки и покраснений на коже до выпадения волос, появления язв, воспаления легких, кровотечения из прямой кишки и повреждения здоровых тканей облучением. Чаще всего тяжелые побочные эффекты появляются при брахитерапии, когда пациент принимает радиоактивный препарат внутрь. Причем некоторые из них могут возникнуть спустя долгое время после лечения.
Но радиомедицина не стоит на месте, и сегодня известен ряд методов облучения, которые не вредят здоровым клеткам.
Новые препараты вроде астата-211, полученного на Большом адроном коллайдере, обладают малыми, до нескольких часов, периодами полураспада и очень небольшим (например, 60 мкм — размер нескольких клеток) диаметром разлета частиц. Это позволяет буквально уничтожать отдельные клетки, например метастазы.
Так, с помощью актиния-225 можно проводить таргетную терапию: в составе специального препарата изотоп достигает пораженного органа и разрывает ДНК раковых клеток, более восприимчивых к излучению. Средства с бором-10 (это нерадиоактивный изотоп) работают иначе: ими накачивают опухоль и затем обдают ее мощным нейтронным излучением — это называется нейтрон-захватной терапией. Хотя процедура сложна, она позволяет более эффективно и безопасно, ведь бор-10 поглощает нейтроны, проводить терапию, избирательно уничтожая раковые клетки.
Совершенствуются и методы радиодиагностики. Так, сегодня применяется позитронно-эмиссионная томография: в орган вводят радионуклид (например, технеций-99m или более современный галлий-68) и регистрируют его излучение. Этот метод диагностики — один из самых совершенных и безопасных, к тому же он позволяет не просто увидеть анатомическое строение органа, но и отследить физиологические процессы в нем.
Также с помощью углерода-13 и углерода-14 проводят диагностические дыхательные тесты. Пациенту дают обогащенную изотопами пищевую субстанцию, а затем анализируют выдыхаемый CO2 масс-спектрометром. Это позволяет неинвазивно изучить особенности метаболизма и состояние внутренних органов, распознать предрасположенность к заболеваниям и контролировать лечение.
Хотя с открытия радиации прошло уже больше ста лет и человечество знает о ней с тех пор гораздо больше, возможности, которые открывает излучение, порой всё еще кажутся чудом.