Опубликовать ОпубликоватьРеферат на тему:
Радиационная биология или радиобиология — это самостоятельная комплексная, фундаментальная наука, состоящая из многих научных направлений, изучающая действие ионизирующих и неионизирующих излучений на биологические объекты.
Код науки по 4-х значной классификации ЮНЕСКО — 2418 (раздел — биология).
Радиобиология, являясь самостоятельной комплексной научной дисциплиной, имеет тесные связи с рядом теоретических и прикладных областей знаний — биологией, физиологией, цитологией, генетикой, биохимией, биофизикой, ядерной физикой, фармакологией, гигиеной и клиническими дисциплинами.
Фундаментальными задачами, составляющими предмет радиобиологии, являются:
Существуют две противоположные и одинаково неправильные точки зрения на облучение и вред его для человека — радиоэйфория и радиофобия.
В соответствии с объектами РБ-исследований (уровней организации живого) в радиобиологии выделяют 3 раздела:
В радиобиологии используют специфические методы, используемые в различных ее разделах.Важной чертой РБ-методов исследования является количественное сопоставление рассматриваемого эффекта с вызвавшей его дозой излучения, ее распределением во времени и объеме реагирующего объекта.
Первой количественной теорией является теория «точечного тепла» или «точечного нагрева» (Ф.Дессауэр-1922):
Теория "мишени или попаданий" поставила во главу угла представления о прямом действии ионизирующего излучения на клетки (30-е годы).
Стохастическая (вероятностная) гипотеза является дальнейшим развитием теории прямого действия излучений. Выразителями этой точки зрения являлись О. Хуг и А. Келлерер (1966). Суть их взглядов заключалась в том, что взаимодействие излучений с клеткой происходит по принципу вероятности (случайности) и что зависимость "доза-эффект" обуславливается не только прямым попаданием в молекулы и структуры-мишени, но и состоянием биологического объекта как динамической системы.
Б.И. Тарусовым и Ю.Б. Кудряшовым было показано, что свободные радикалы могут возникать при действии радиации и в неводных средах - в липидных слоях биомембран. Эта теория получила название "теории липидных радиотоксинов".
Своеобразной интегральной теорией, объясняющей биологическое действие ионизирующих излучений является структурно-метаболическая теория (1976). Автор этой теории А.М. Кузин считает, что нарушения под действием радиации обусловлены деструкцией всех основных биополимерных молекул, цитоплазматических и мембранных структур в живой клетке.
В настоящее время произошел сдвиг парадигмы от принципа попадания и теории мишени к эффекту «свидетеля».
Николай Владимирович Тимофеев-Ресовский. Портрет, нарисованный Олегом Цингером (1945)
Открытие Иваном Павловичем Пулюем (1890) и Вильгельмом Конрадом Рентгеном Х-лучей (1895), Антуаном Анри Беккерелем естественной радиоактивности (1896), Марией Склодовской - Кюри и Пьером Кюри радиоактивных свойств полония и радия (1898) явилось физической основой для рождения радиобиологии.
Радиобиологический эффект формируется после действия облучения последовательно на различных уровнях (А -атомарном, М - молекулярном, К - клеточном,О - органном).Изменения на первых трех уровнях обратимы.
1. Физико-химическая стадия — прямое или косвенное действие излучения на молекулы-мишени.
2. Биохимическая стадия-действие излучения на основные компоненты радиочувствительных клеток с последующим изменением метаболизма.
3. Биологическая стадия — генетические и отдаленные эффекты облучения.
Радиационная цитология (радиобиология клетки) — наука, изучающая влияние излучений на строение и функции клеток; одно из направлений радиобиологии.
Повреждение основных компонентов клетки ведет к дальнейшему изменению органов (О) и/или гибели клеток облученного организма. (М-молекулы, ПД-прямое действие, КД-косвенное действие, РТ-действие радиотоксинов). Изменения могут быть модифицированы.
Основные изменения
Причины нарушений
Классификация типов гибели клеток по В.И. Корогодин
Классификация типов гибели нервных клеток головного и спинного мозга по Ю.В. Щербатых
Категории: Радиобиология.
Текст доступен по лицензии Creative Commons Attribution-ShareAlike.wreferat.baza-referat.ru
Количество просмотров публикации История развития радиобиологии. - 269
1. История радиобиологии
2. Физические основы
История радиобиологии
Радиобиология - наука о действии всех видов ионизирующих излучений на живые организмы и их сообщества.
Основной задачей является - обнаружение общих закономерностей биологического ответа на ионизирующие воздействия, на базе которых разрабатывают методы управления лучевыми реакциями организма. Радиобиология занимается: 1) поиском средств защиты организма от воздействия излучений и путей пострадиационного восстановления от повреждений; 2) прогнозированием опасности для человека и животных, вызванной повышением уровня радиации окружающей среды и радиоактивного загрязнения продуктов сельскохозяйственного производства; 3) разработкой методов использования ионизирующих излучений в качестве радиобиологической технологии в сельском хозяйстве, пищевой и микробиологической промышленности, а также для диагностики болезни и лечения больных животных.
Радиобиология тесно связана с рядом теоретических и прикладных областей знаний - биологией, физиологией, цитологией/генетикой, биохимией, биофизикой и ядерной физикой.
Первые сведения о повреждающем действии ионизирующих излучений, в частности рентгеновского, были опубликованы в 1896 ᴦ., когда у ряда больных, которым производились рентгеновские снимки, а также у врачей, работающих с этими лучами, были обнаружены дерматиты.
Среди самых ранних работ по изучению биологического действия ионизирующих излучений на животных можно выделить исследования Н. Ф. Тарханова (1898 ᴦ.), установившего в опытах наличие ответных реакций на облучение в некотрых системах организма лягушек и насекомых.
В 1903 ᴦ. Альберс-Шонберг обнаружил дегенеративные изменения семяродного эпителия и азоспермию у морских свинок и кроликов, и в том же году Хейнеке впервые описал лучевую анемию и лейкопению, которых облучали рентгеновскими лучами. Он также обратил внимание на поражение органов кроветворения (атрофия селезенки).
В 1905 ᴦ. Корнике установил, что под влиянием ионизирующего излучения тормозится деление клеток, а Бергонье и Трибондо выявили неодинаковую чувствительность разных клеток к облучению (1906 ᴦ.), из чего вывели следующее положение - чувствительность клеток к облучению прямо пропорциональна митотической активности и обратно пропорциональна степени их дифференцированности. Позднее в правила Бергонье и Трибондо были внесены существенные коррективы. Было обнаружено возникновение различных аномалий при облучении на определенных стадиях развития эмбриона.
В 1925 ᴦ. в опытах на дрожжевых клетках и плесневых грибах Г. Н. Надсони Г. Ф. Филиппов выявили действие ионизирующих излучений на генетический аппарат клетки, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ сопровождалось наследственной передачей вновь приобретенных признаков. Наблюдая данные грибы в течение многих поколений, они установили, что рентгеновские лучи обладают мутагенным действием.
Наиболее интенсивное развитие радиобиологических исследований началось после бомбардировки Хиросимы и Нагасаки. Последствия ядерной атаки поставили задачу по разработке способов противолучевой защиты и методах лечения при радиационных поражениях. Это вызвало крайне важно сть детально изучить механизмы биологического действия ионизирующих излучений и патогенез болезни.
Несмотря на то, что к настоящему времени имеется большое количество фундаментальных работ и накоплен огромный фактический материал по различным аспектам биологического действия ионизирующих излучений, на сегодняшний день нет единой объединяющей теории механизма их биологического действия. Отсутствие единой теории биологического действия излучений значительно затрудняет поиски средств профилактики и лечения лучевых повреждений.
Значительный вклад в развитие радиобиологии в РФ в области ветеринарии и животноводства внесли ученые Московской ветеринарной академии им. К. И. Скрябина (Белов, Ильин и др.), Казанского ветеринарного института им. Баумана (Киршин, Бударков и др.), Ленинградского ветеринарного института (Воккен и др.), ВИЭВ (Карташов, Круглов и др.) и др.
На базе эффектов биологического действия ионизирующей радиации радиобиология ведет разработку радиационно-биологической технологии (РБТ) в животноводстве, ветеринарии и других отраслях сельского хозяйства в следующих направлениях: 1) стимуляция хозяйственно полезных качеств у сельскохозяйственных животных под действием малых доз внешнего облучения; 2) стерилизация ветеринарных, лекарственных препаратов, биологических тканей, полимерных изделий, перевязочных материалов; 3) консервирование пищевых продуктов и обеззараживание сырья животного происхождения , а также отходов сельскохозяйственного производства (навозные стоки). Одновременно идет выработка методов радиоактивных изотопов в животноводстве и ветеринарии для изучения физиологии и биохимии животных, диагностики болезней и с лечебной целью, в селекционно-генетических исследованиях.
Специалисты сельского хозяйства должны знать характер биологического действия различных доз радиоактивных излучений, так как правильная и своевременная организация мер по определению радиационной ситуации, обработке и защите животных может предотвратить заражение радиоактивными веществами мяса, молока и другой продукции.
Физические основы
Все в природе состоит из простых и сложных веществ. Мельчайшую частицу химического элемента͵ которая является носителем его химических свойств, называют атомом. Мельчайшая частица сложного вещества - молекула; она состоит из атомов одного или нескольких элементов.
В природе только инертные газы обнаруживаются в виде атомов.
Атом любого элемента можно разделить на элементарные частицы. К ним относят электроны, протоны, нейтроны, мезоны, нейтрино и др.
Изучение атомов всех элементов сводится к изучению свойств и взаимодействию трех частиц - электронов, протонов и нейтронов. Один элемент отличается от другого только числом и расположением этих частиц.
В 1911 ᴦ. Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома, которая была развита Н. Бором (1913 ᴦ.). Согласно этой модели в центре атома расположено ядро, имеющее положительный электрический заряд. Вокруг ядра перемещаются по эллиптическим орбитам электроны, образующие электронную оболочку атома. Учитывая зависимость отэнергии, которая удерживает электроны при вращении вокруг ядра, они группируются на какой-либо электронной орбите (уровне или слое). Число слоев у различных атомов неодинаковое. Их обозначают либо цифрами, либо буквами латинского алфавита: К, L, M, N, О, Р, Q; ближайший к ядру - К-слой. Число электронов в каждом слое строго определенное. Так, А - слой имеет не более двух электронов, Z-слой - до 8, М-слой - до 18, Л - слой - 32 электрона и т.д.
Электрон - устойчивая элементарная частица с массой покоя, равной 0,000548 атомной единицы массы (а.е.м.) Энергетический эквивалент электрона составляет 0,511 МэВ. Электрон несет один элементарный отрицательный заряд электричества, (1,6 ‣‣‣ 10-19Кл) .
В атоме суммарное количество электронов на орбитах всегда равно сумме протонов, находящихся в ядре. Вследствие равенства суммы положительных и отрицательных зарядов атом представляет собой электрически нейтральную систему. На каждый из движущихся вокруг ядра электронов действуют две равные, противоположно направленные силы: кулоновская сила притягивает электроны к ядру, а равная ей центробежная сила инерции стремится вырвать электрон из атома. Электроны, вращаясь по орбите, одновременно вращаются вокруг собственной оси. Это вращене носит название ʼʼспинʼʼ. Спины отдельных электронов бывают ориентированы параллельно или антипараллельно друг другу.
Атомы, обладающие избытком энергии, называют возбужденными, а переход электронов с одного энергетического уровня на другой, более удаленный от ядра, - процессом возбуждения.
Атом, лишившийся одного или нескольких электронов, превращается в положительный ион, а присоединивший к себе один или несколько электронов - в отрицательный. Следовательно, на каждый положительный ион образуется один отрицательный. Процесс образования ионов из нейтральных атомов принято называть ионизацией. Атом в состоянии иона существует в обычных условиях короткий промежуток времени. Свободное место на орбите положительного иона заполняется свободным электроном, и атом вновь становится электрически нейтральной системой. Этот процесс носит название рекомбинации ионов (деионизации) и сопровождается выделением избыточной энергии в виде излучения.
Ядро атома состоит из двух типов частиц: протонов и нейтронов, связанных между собой огромными силами. Протоны и нейтроны имеют общее название нуклон (они в ядре могут превращаться друг в друга).
Протон р - устойчивая элементарная частица с массой покоя, равной 1,00758 а.е.м. Протон имеет один элементарный положительный электрический заряд, равный заряду электрона. Каждый атом любого элемента содержит в ядре определенное число протонов, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ постоянно и определяет физические и химические свойства элемента. Число протонов в ядре Z называют атомным номером или зарядовым числом, оно соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе Д. И. Менделеева.
Нейтрон п - электрически нейтральная частица, масса покоя которой равна 1,00898 а.е.м. Вследствие своей электрической нейтральности нейтрон не отклоняется под действием магнитного поля, не отталкивается атомным ядром и, следовательно, обладает большой проникающей способностью, что создает серьезную опасность как фактор биологического действия излучения. Число нейтронов, находящихся в ядре, дает в основном только физическую характеристику элемента. Чем дальше расположен элемент в периодической системе элементов Д. И. Менделеева (начиная с 21-го элемента), тем больше в его атомах число нейтронов по сравнению с протонами. В самых тяжелых ядрах число нейтронов в 1,6 раза больше числа протонов.
Диаметр ядра атома составляет 0,0001 диаметра всего атома, однако практически вся масса атома (99,95...99,98 %) сосредоточена в его ядре. Суммарное число протонов и нейтронов в ядре называют массовым числом и обозначают буквой А (или М). Число нейтронов в ядре равно разности между массовым числом и атомным номером элемента: N = A-Z.
При обозначении атомов обычно пользуются символом элемента͵ которому принадлежит атом, и указывают слева сверху массовое число А, а внизу - атомный (порядковый) номер Z в форме индексов ZАХ , где X - символ элемента.
Большинство химических элементов в природе представляет собой определенные смеси атомов с разным числом нейтронов в их ядрах. Атомы с одинаковым числом протонов (с одинаковым зарядом), но различные по числу нейтронов, называют изотопами. Такие элементы имеют одинаковый номер в таблице Д. И. Менделеева, но разное массовое число. Большинство (71 из 90) природных элементов представляет собой смесь двух-десяти изотопов.
Ядра всех изотопов химических элементов принято называть нуклидами.
Радионуклиды это радиоактивные атомы с данным массовым числом и атомным номером, а для изомеров - с данным энергетическим состоянием атомного ядра.
При помощи ядерных реакций удается получить у каждого химического элемента еще по нескольку радиоактивных (неустойчивых) изотопов. Сегодня известно около 300 стабильных изотопов, а количество радиоактивных превосходит 1500. В природе существуют атомные ядра разных элементов с одинаковым массовым числом, но с различным атомным номером. Такие атомы называют изобарами ( Ar, К, Са.). Атомные ядра разных элементов с равным числом нейтронов называют изотонами (С и N ).
В случае если ядра атомов состоят только из нуклонов (протонов и нейтронов), то как объяснить устойчивость этих ядер? Одноименно заряженные протоны согласно закону Кулона, отталкиваясь друг от друга, должны были бы разлететься в разные стороны. При этом в действительности ядра атомов очень прочные образования. Считают наиболее вероятным, что ядерные силы возникают в процессе непрерывного обмена между нуклонами и особыми частицами (квантами ядерного поля), которые называют пи-мезонами или пионами. Ядерные силы короткодействующие. Οʜᴎ значительны только на очень малых расстояниях, сравнимых с поперечником самих ядерных частиц. С увеличением расстояния между ядерными частицами ядерные силы очень быстро уменьшаются и становятся практически равными нулю. Ядерные силы обладают свойством насыщения, т. е. каждый нуклон взаимодействует только с ограниченным числом соседних нуклонов. По этой причине при увеличении числа нуклонов в ядре ядерные силы значительно ослабевают.
ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ
В конце прошлого столетия были сделаны два крупнейших открытия. В 1895 ᴦ. В. Рентген обнаружил лучи, которые возникали при пропускании тока высокого напряжения через стеклянный баллон с разреженным воздухом, а в 1896 ᴦ. А. Беккерель открыл явление радиоактивности. Беккерель обнаружил, что соли урана самопроизвольно испускают невидимые лучи, вызывающие почернение фотопластинки и флуоресценцию некоторых веществ. В1898 ᴦ. Пьер Кюри и Мария Склад овская-Кюри открыли еще два элемента — полоний и радий, которые давали подобные излучения, но интенсивность их во много раз превышала интенсивность излучения урана. Впоследствии были установлены свойства этих излучений и определена их природа. Вместе с тем, было обнаружено, что радиоактив-ные..вещества непрерывно выделяют энергию в виде теплоты.
Явление самопроизвольного излучения было названо радиоактивностью, а вещества, испускающие излучения, - радиоактивными\(от лат. radius — луч и activus — действенный).
Радиоактивность — это свойство атомных ядер определенных химических элементов самопроизвольно (т. е. без каких-либо внешних воздействий) превращаться в ядра других элементов с испусканием особого рода излучения, называемого радиоактивным. Само явление принято называть радиоактивным распадом. Τᴀᴋᴎᴍ ᴏϬᴩᴀᴈᴏᴍ, радиоактивность является исключительно свойством атомного ядра и зависит только от его внутреннего состояния. Нельзя повлиять на течение процесса радиоактивного распада, не изменив состояния атомного ядра. На скорость течения радиоактивных превращений не оказывают никакого воздействия изменения температуры и давления, наличие электрического и магнитного полей, вид химического соединения данного радиоактивного элемента и его агрегатное состояние.
Радиоактивные явления, происходящие в природе, называют естественной радиоактивностью; аналогичные процессы, происходящие в искусственно полученных веществах (через соответствующие ядерные реакции), — искусственной радиоактивностью. При этом деление это условно, так как оба вида радиоактивности подчиняются одним и тем же законам.
referatwork.ru
Жиганова Л.П.
Радиобиология – наука о действии всех видов ионизирующих излучений на живые организмы и их сообщества. Исследование биологического действия ионизирующих излучений началось почти тотчас за открытием этих излучений В.К. Рентгеном (1895), А.Беккерелем (1896) и радия М.Складовской-Кюри и П.Кюри (1898). Однако как самостоятельная наука радиобиология сформировалась в первой половине ХХ века благодаря быстрому развитию ядерной физики и техники.
Основные проблемы радиобиологии: исследование радиационного поражения организмов при их тотальном облучении, познание причин различной радиочувствительности организмов, изыскание различных средства защиты организмов от излучений и путей его пострадиационного восстановления от повреждений, прогнозирование опасности для человечества повышающегося уровня радиации окружающей среды, изыскание новых путей использования ионизирующих излучений в медицине, сельском хозяйстве, пищевой и микробиологической промышленности. Многогранность задач, стоящих перед современной радиобиологией, привела к развитию радиационной микробиологии, радиационной генетики, космической радиобиологии, радиоэкологии и других направлений. Многие открытия радиобиологии (например, изучение радиационного мутагенеза, а также ферментов, репарирующих радиационные повреждения ДНК) способствовали существенному развитию знаний об общих закономерностях жизни.
Биологическое действие излучений – постоянное воздействие на биосферу Земли электромагнитных и корпускулярных излучений внеземного и земного происхождения, приводящее к биохимическим, физиологическим, генетическим и другим изменениям, возникающим в живых клетках и организмах. Наиболее мощный источник излучений – Солнце. Энергия электромагнитного излучения Солнца видимой части спектра улавливается растениями, и в процессе фотосинтеза трансформируется в энергию химических связей органических веществ, за счёт которой существует и развивается жизнь на Земле. С действием света связаны информационные и регуляторные реакции организмов (зрение животных, фототаксис, фотопризм, фотопериодизм и др.). Поглощаясь в тканях окрашенными веществами – фотосенсибилизаторами, видимое излучение может быть опосредованно воздействовать на нуклеиновые кислоты и белки (фотодинамическое действие) Ультрафиолетовое излучение Солнца Частично проникает через атмосферу и в умеренных дозах оказывает благотворное воздействие на рост и развитие растений и животных (усиливает обмен веществ, вызывает образование витамина D, повышает сопротивляемость организма). В больших дозах коротковолновое УФ-излучение инактивирует нуклеиновые кислоты и белки, оказывает бактерицидное, эритемное, мутагенное и канцерогенное действие. Вспышки на Солнце, как и гораздо более мощные вспышки на других звёздах, являются источниками высокоэнергетических космических лучей, часть космических лучей отклоняется магнитным полем Земли, другая – поглощается верхними слоями атмосферы и только небольшое их количество достигает поверхности Земли, составляя около 30% естественного фона ионизирующих излучений. Остальные 70% обусловлены альфа-, бета- и гамма-излучениями радиоактивных элементов – тория, урана, радия и продуктов их распада (радон и др.), находящихся в рассеянном виде в земных породах, почве, атмосфере, воде. Определённый вклад в естественный фон вносят и таки радиоактивные изотопы, как К40, Н3, С14, входящие в состав живых клеток. Высокоэнергетические ионизирующие излучения глубоко проникают в организм, достигая наиболее радиочувствительных органов – кроветворных, генеративных и др. В основе биологического действия ионизирующих излучений лежат процессы ионизации и возбуждения молекул, радиационно-химические реакции, нарушающие или изменяющие функции биополимеров, главным образом нуклеиновых кислот и ферментов. Воздействуя на ДНК соматических и генеративных клеток, они способны вызвать мутации, злокачественное перерождение клетки. Поэтому ионизирующие излучения играют определённую роль в естественной изменчивости организмов, и вместе с тем повышают уровень спонтанно возникающих уродств, генетических заболеваний, канцерогенеза. В середине ХХ века были открыты способы расщепления атомных ядер, сопровождающиеся мощным ионизирующим излучением и образованием большого количества искусственных радиоактивных веществ. Технические средства использования ядерной энергии в военных и мирных целях ощутимо увеличивают количество источников ионизирующих излучений, а следовательно и вероятность возникновения различных нарушений у организмов. Большую опасность для человечества представляет использование ионизирующих излучений в военных целях. При тотальном гамма-нейтронном облучении животных и человека (сопровождающем взрывы атомных и ядерных бомб) в дозах 100 ГР и выше вследствие поражения ЦНС наступает коматозное состояние и смерть в первые 24-48 часов,при дозах 5-10 Гр возникает тяжёлая лучевая болезнь. При более низких дозах после острого периода наступает восстановление поражённых тканей и выздоровление. Однако в дальнейшем возрастает вероятность появления отдалённых последствий облучения (рак, лейкемия, катаракта, рождение генетически неполноценного потомства и т.п.) Вследствие развития техники всё более актуальной становится проблема биологического действия неионизирующих магнитных излучений с большими длинами волн, таких как УВЧ, миллиметровые,. сантиметровые и дециметровые радиоволны, воздействие которых связано с локальным, неравномерным нагревом ультраструктур тканей и зависит от мощности и модуляции облучения. Радиоизлучения метрового и большего диапазонов, по-видимому, биологическим действием не обладают. Регулируемое биологическое действие излучений широко используется в медицине (радиотерапия, рентгенодиагностика, фототерапия, лазеры и др.), микробиологической промышленности, сельском хозяйстве (радиационный мутагенез и др.)
Загрязнение биосферы, комплекс разнообразных воздействий человеческого общества на биосферу, приводящих к увеличению уровня содержания вредных веществ в биосфере, появлению новых химических соединений, частиц и чужеродных предметов, чрезмерному повышению температуры (тепловое загрязнение биосферы), шума (шумовое загрязнение биосферы), радиоактивности (радиоактивное загрязнение биосферы) и т. д. Загрязнение биосферы угрожает здоровью человека и состоянию окружающей среды, ограничивает возможности дальнейшего развития человеческого общества. Практически все стороны современной деятельности человека влекут те или иные формы загрязнения биосферы. Исходные причины загрязнения биосферы – стихийный рост промышленности. Энергетики, транспорта, широкая химизация с. х-ва и быта, быстрый рост народонаселения и урбанизация планеты. Ежегодно из недр Земли извлекается более 100 млрд. т. различных пород, сжигается около млрд. т. условного топлива, выбрасывается в атмосферу около 20 млрд. т. СО2, ок.300 млн. т. СО, 50 млн. т. NOx, 150 млн. т. SO2, 4—5 млн. т. h3S и др. вредных газов, более 400 млн. т. частиц золы, сажи, пыли; сбрасывается в гидросферу около 600 млрд. т. промышленных и бытовых стоков, около 10 млн. т. нефти и нефтепродуктов; на разбавление сточных вод расходуется 40% объёма мировых ресурсов устойчивого речного стока; вносится в почву около 100 млн. т. минеральных удобрений. В биосферу поступает около 50% извлечённых из недр металлов, 30% химического сырья, до 67% тепла, вырабатываемого теплоэлектростанциями. Ежегодно создаются сотни тыс. т. невстречавшихся ранее в биосфере химических соединений (ксенобиотиков и др.), многие из которых не поддаются биологическому и физическому разрушению. Масштабы загрязнения биосферы столь, велики, что естественные процесса метаболизма и разбавляющая способность атмосферы и гидросферы в ряде районов мира не в состоянии нейтрализовать вредное влияние хозяйственной деятельности человека. Накопление т. нефти персистентных (стойких) загрязняющих веществ, которые почти не разрушаются в природе (некоторые пестициды, полихлорбифенилы и др.), а также веществ, имеющих естественные механизмы разложения или усвоения (удобрения, тяжёлые металлы и др.), в количествах, превышающих способность биосферы к их переработке, нарушает сложившиеся в ходе длительной эволюции природные системы и связи в биосфере, подрывает способность природных комплексов к саморегуляции. Экологические нарушения проявляются в сокращении численности и видового разнообразия растений и животных, в снижении продуктивности лесов и сельскохозяйственных угодий, деградации экосистем. Введение в круговорот веществ биосферы миллионов тонн хлорорганических соединений, в том числе пестицидов, приводит к тому, что, с одной стороны, разрушаются сложившиеся в ходе эволюции трофические цепи, и следовательно, биоценозы, а с другой – происходит неконтролируемое размножение организмов, легко вырабатывающих устойчивые формы (некоторые насекомые, микроорганизмы). Загрязнение таких жизненно важных для человека природных ресурсов, как атмосферный воздух, пресная вода, плодородная почва, запасы которых на планете ограничены, приобретает глобальный характер. Использование древесины и ископаемого топлива (уголь, нефть) как источника энергии является основной причиной загрязнения атмосферы вредными газами и пылью. Глобальный характер загрязнения атмосферы находит выражение в её общей запылённости, в увеличении концентрации углекислого газа в воздухе и других загрязняющих веществ, что может привести к нарушению озонового экрана, изменению климата Земли. При сжигании топлива, в том числе бензина, в биогеохимические циклы включаются не только дополнительные массы окислов углерода, соединений серы, азота, но и большие количества таких загрязняющих биосферу элементов, как ртуть, свинец, мышьяк и др. Вовлечение в промышленное и сельскохозяйственное производство тяжёлых металлов значительно превосходит те количества, которые находились в биосферном круговороте за всю предшествующую историю человечества. Соединение окислов азота и серы с водой приводит к выпадению так называемых кислотных дождей, изменяющих рН среды и приводящих к гибели живых организмов.
Одна из крупных проблем загрязнения биосферы – радиоактивное загрязнение окружающей среды в результате ядерных испытаний, накопления радиоактивных отходов, а также при авариях на атомных предприятиях. Глобальное радиоактивное загрязнение составляло к середине 70-х годов более 5,5*10-19 Бк в результате ядерных взрывов и более 1,7*1017 Бк вследствие поступления в Мировой океан радиоактивных отходов. Наиболее загрязнены районы умеренных широт, особенно в Северном полушарии.
В связи с этим перед радиобиологией возникают новые проблемы: всестороннее исследование радиационного поражения радиационного поражения многоклеточных организмов при их тотальном облучении, познание причин различной радиочувствительности организмов, роли радиации в возникновении вредных мутаций, изучение закономерностей и причин возникновения отдалённых последствий облучения (сокращение продолжительности жизни, возникновение опухолей, снижение иммунитета). Актуальными для радиобиологии становятся такие практические задачи, как изыскание различных средств защиты организма от излучений и путей его пострадиационного восстановления от повреждений, прогнозирование опасности для человечества повышающегося уровня радиации окружающей среды, изыскание новых путей использования ионизирующих излучений в медицине, сельском хозяйстве, пищевой и микробиологической промышленности.
Для биологического действия ионизирующих излучений характерен ряд общих закономерностей. Во-первых, глубокие нарушения жизнедеятельности вызываются ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии. Так, энергия, поглощённая телом млекопитающего или человека при облучении смертельной дозой, при превращении в тепловую привела бы к нагреву тела всего на тысячную долю градуса. Во-вторых, биологическое действие ионизирующих излучений не ограничивается подвергнутым облучению организмом, но может распространяться на последующие поколения, что объясняется действием на наследственный аппарат организма. В-третьих, для биологического действия ионизирующих излучений характерно наличие латентного периода, т.е. развитие лучевого поражения наблюдается не сразу. Продолжительность латентного периода может варьировать от нескольких минут до десятков лет в зависимости от дозы облучения, радиочувствительности организма и наблюдаемой функции. Так, при облучении в очень больших дозах можно вызвать "смерть под лучом", длительное же облучение в малых дозах ведёт к изменению состояния нервной и др. систем, к возникновению опухолей спустя годы после облучения.
Радиочувствительность разных видов организмов различна. Смерть половины облучённых животных (при общем облучении) в течение 30 суток после облучения вызывается следующими дозами рентгеновского излучения: морские свинки 250 р, собаки 335 р, обезьяны 600р, мыши 550-650 р, караси 1800 р, змеи 8000 - 20000 р. Более устойчивы одноклеточные организмы: дрожжи погибают при дозе 30000 р, амёбы – 100000 р, а инфузории выдерживают облучение в дозе 300000 р. Радиочувствительность высших растений тоже различна: семена лилии полностью теряют всхожесть при дозе облучения 2000 р, на семена капусты не влияет доза в 64000 р.
Первичное действие радиации любого вида на любой биологический объект начинается с поглощения энергии излучения, что сопровождается возбуждением молекул и их ионизацией. При ионизации молекул воды (косвенное действие излучения) в присутствии кислорода возникают активные радикалы, гидратированные электроны, а также молекулы перекиси водорода, включающиеся затем в цепь химических реакций в клетке. При ионизации органических молекул (прямое действие излучения) возникают свободные радикалы, которые, включаясь в протекающие в организме химические реакции, нарушают течение обмена веществ и, вызывая появление несвойственных организму соединений, нарушают процессы жизнедеятельности. При облучении в дозе 1000 р в клетке средней величины возникает около 1 млн. таких радикалов, каждый из которых в присутствии кислорода воздуха может дать начало цепным реакциям окисления, во много раз увеличивающим количество изменённых молекул в клетке и вызывающим дальнейшее изменение субмикроскопических структур. Выяснение большой роли свободного кислорода в цепных реакциях, ведущих к лучевому поражению, т.н. кислородного эффекта, способствовало разработке ряда эффективных радиозащитных веществ, вызывающих искусственную гипоксию в тканях организма. Большое значение имеет и миграция энергии по молекулам биополимеров, в результате которой поглощение энергии, происшедшее в любом месте макромолекулы, приводит к поражению её активного центра. Поглощение энергии и ионизация молекул занимают доли секунды.
Последующие биохимические процессы лучевого повреждения развиваются медленнее. Образовавшиеся активные радикалы нарушают нормальные ферментативные процессы в клетке, что ведёт к уменьшению количества макроэргических соединений. Особенно чувствителен к облучению синтез ДНК в интенсивно делящихся клетках,т.о. в результате цепных реакций возникающих при поглощении энергии излучения.
Воздействие ионизирующего излучения вызывает повреждение клеток. Наиболее важно нарушение клеточного деления – митоза. При облучении в сравнительно малых дозах наблюдается временная остановка митоза. Большие дозы могут вызывать полное прекращение деления или гибель клеток. Нарушение нормального хода митоза сопровождается хромосомными перестройками, возникновением мутаций, ведущих к сдвигу в генетическом аппарате клетки, а следовательно, к изменению наследственных свойств развивающихся из них организмов. При облучении в больших дозах происходит набухание и пикноз ядра, затем структура ядра исчезает. В цитоплазме при облучении в дозах 10000 – 20000 р наблюдается изменение вязкости, набухание цитоплазматических структур, образование вакуолей, повышение проницаемости. Всё это резко нарушает жизнедеятельность клетки.
Возникающие в облучаемых клетках изменения ведут к нарушениям в тканях, органах и жизнедеятельности всего организма. Особенно выражена реакция тканей, в которых отдельные клетки живут сравнительно недолго. Это слизистая оболочка желудка и кишечника, которая после облучения воспаляется, покрывается язвами, что ведёт к нарушению пищеварения и всасывания, а затем к истощению организма его продуктами распада клеток (токсемия) и проникновению бактерий, живущих в кишечнике, в кровь (бактериемия). Сильно повреждается кроветворная система, что ведёт к резкому уменьшению числа лейкоцитов в периферической крови и к снижению её защитных свойств. Одновременно падает и выработка антител, что ещё больше ослабляет защитные силы организма. Уменьшается и количество эритроцитов, с чем связано нарушение дыхательной функции крови. Нарушается образование половых клеток, может возникать даже полное бесплодие. Первой реагирует на радиационное воздействие нервная система. Имеют также место нарушения работы желёз внутренней секреции.
Одним из вариантов защиты биологических объектов от ионизирующих излучений является применение радиопротекторов. Если их ввести в организм после облучения, никакого эффекта наблюдаться не будет, поэтому их имеет смысл вводить только до или после облучения. К эффективным радиопротекторам относятся вещества, содержащие сульфгидрильные группы (-SH), например, цистеин, а также меркаптоамины, индолилалкиламины. Радиопротекторы оказывают действие, понижая внутриклеточное или внутритканевое напряжение кислорода или увеличивая содержание эндогенных тиолов, что сопровождается уменьшением окислительно-восстановительного потенциала. Величину действия радиопротекторов выражают в виде фактора уменьшения дозы ФУД (по новой классификации – ФИД), равного отношению доз излучений, вызывающих одинаковый эффект в присутствии радиопротекторов и в их отсутствии. ФУД при облучении в условиях гипоксии значительно меньше, чем при облучении в присутствии кислорода, а при действии излучений с высокой линейной потерей энергии (альфа-частицы, нейтроны) меньше, чем при действии излучений с низкой ЛПЭ (рентгеновские и гамма-лучи). Защитное действие радиопротекторов видоспецифично. Некоторые радиопротекторы могут защищать микроорганизмы и клетки в культуре и не защищать млекопитающих. Однако следует помнить, что положительный эффект радиопротекторов достигается только в том случае, если они были введены до облучения. При их введении после кривая действия радиопротекторов изменяться не будет, коэффициент ФУД останется равным 1, т.к. дозы, вызывающие одинаковый эффект в присутствии радиопротекторов и в их отсутствии, станут равными.
1. Кудряшов Ю.Б., Беренфельд Б.С. Радиационная биофизика, М.,1979
2. Биологический Энциклопедический Словарь, М., 1989
3. Большая Советская Энциклопедия, М., 1970
4. Ярмоненко С.П. Радиобиология человека и животных, М.,1988
5. Первичные процессы лучевого поражения. Сб. ст. М., 1957
6. Корогодин В.И. Проблемы пострадиационного восстановления. М.,1966
www.neuch.ru
Жиганова Л.П.
Радиобиология – наука о действии всех видов ионизирующих излучений на живые организмы и их сообщества. Исследование биологического действия ионизирующих излучений началось почти тотчас за открытием этих излучений В.К. Рентгеном (1895), А.Беккерелем (1896) и радия М.Складовской-Кюри и П.Кюри (1898). Однако как самостоятельная наука радиобиология сформировалась в первой половине ХХ века благодаря быстрому развитию ядерной физики и техники.
Основные проблемы радиобиологии: исследование радиационного поражения организмов при их тотальном облучении, познание причин различной радиочувствительности организмов, изыскание различных средства защиты организмов от излучений и путей его пострадиационного восстановления от повреждений, прогнозирование опасности для человечества повышающегося уровня радиации окружающей среды, изыскание новых путей использования ионизирующих излучений в медицине, сельском хозяйстве, пищевой и микробиологической промышленности. Многогранность задач, стоящих перед современной радиобиологией, привела к развитию радиационной микробиологии, радиационной генетики, космической радиобиологии, радиоэкологии и других направлений. Многие открытия радиобиологии (например, изучение радиационного мутагенеза, а также ферментов, репарирующих радиационные повреждения ДНК) способствовали существенному развитию знаний об общих закономерностях жизни.
Биологическое действие излучений – постоянное воздействие на биосферу Земли электромагнитных и корпускулярных излучений внеземного и земного происхождения, приводящее к биохимическим, физиологическим, генетическим и другим изменениям, возникающим в живых клетках и организмах. Наиболее мощный источник излучений – Солнце. Энергия электромагнитного излучения Солнца видимой части спектра улавливается растениями, и в процессе фотосинтеза трансформируется в энергию химических связей органических веществ, за счёт которой существует и развивается жизнь на Земле. С действием света связаны информационные и регуляторные реакции организмов (зрение животных, фототаксис, фотопризм, фотопериодизм и др.). Поглощаясь в тканях окрашенными веществами – фотосенсибилизаторами, видимое излучение может быть опосредованно воздействовать на нуклеиновые кислоты и белки (фотодинамическое действие) Ультрафиолетовое излучение Солнца Частично проникает через атмосферу и в умеренных дозах оказывает благотворное воздействие на рост и развитие растений и животных (усиливает обмен веществ, вызывает образование витамина D, повышает сопротивляемость организма). В больших дозах коротковолновое УФ-излучение инактивирует нуклеиновые кислоты и белки, оказывает бактерицидное, эритемное, мутагенное и канцерогенное действие. Вспышки на Солнце, как и гораздо более мощные вспышки на других звёздах, являются источниками высокоэнергетических космических лучей, часть космических лучей отклоняется магнитным полем Земли, другая – поглощается верхними слоями атмосферы и только небольшое их количество достигает поверхности Земли, составляя около 30% естественного фона ионизирующих излучений. Остальные 70% обусловлены альфа-, бета- и гамма-излучениями радиоактивных элементов – тория, урана, радия и продуктов их распада (радон и др.), находящихся в рассеянном виде в земных породах, почве, атмосфере, воде. Определённый вклад в естественный фон вносят и таки радиоактивные изотопы, как К40, Н3, С14, входящие в состав живых клеток. Высокоэнергетические ионизирующие излучения глубоко проникают в организм, достигая наиболее радиочувствительных органов – кроветворных, генеративных и др. В основе биологического действия ионизирующих излучений лежат процессы ионизации и возбуждения молекул, радиационно-химические реакции, нарушающие или изменяющие функции биополимеров, главным образом нуклеиновых кислот и ферментов. Воздействуя на ДНК соматических и генеративных клеток, они способны вызвать мутации, злокачественное перерождение клетки. Поэтому ионизирующие излучения играют определённую роль в естественной изменчивости организмов, и вместе с тем повышают уровень спонтанно возникающих уродств, генетических заболеваний, канцерогенеза. В середине ХХ века были открыты способы расщепления атомных ядер, сопровождающиеся мощным ионизирующим излучением и образованием большого количества искусственных радиоактивных веществ. Технические средства использования ядерной энергии в военных и мирных целях ощутимо увеличивают количество источников ионизирующих излучений, а следовательно и вероятность возникновения различных нарушений у организмов. Большую опасность для человечества представляет использование ионизирующих излучений в военных целях. При тотальном гамма-нейтронном облучении животных и человека (сопровождающем взрывы атомных и ядерных бомб) в дозах 100 ГР и выше вследствие поражения ЦНС наступает коматозное состояние и смерть в первые 24-48 часов,при дозах 5-10 Гр возникает тяжёлая лучевая болезнь. При более низких дозах после острого периода наступает восстановление поражённых тканей и выздоровление. Однако в дальнейшем возрастает вероятность появления отдалённых последствий облучения (рак, лейкемия, катаракта, рождение генетически неполноценного потомства и т.п.) Вследствие развития техники всё более актуальной становится проблема биологического действия неионизирующих магнитных излучений с большими длинами волн, таких как УВЧ, миллиметровые,. сантиметровые и дециметровые радиоволны, воздействие которых связано с локальным, неравномерным нагревом ультраструктур тканей и зависит от мощности и модуляции облучения. Радиоизлучения метрового и большего диапазонов, по-видимому, биологическим действием не обладают. Регулируемое биологическое действие излучений широко используется в медицине (радиотерапия, рентгенодиагностика, фототерапия, лазеры и др.), микробиологической промышленности, сельском хозяйстве (радиационный мутагенез и др.)
Загрязнение биосферы, комплекс разнообразных воздействий человеческого общества на биосферу, приводящих к увеличению уровня содержания вредных веществ в биосфере, появлению новых химических соединений, частиц и чужеродных предметов, чрезмерному повышению температуры (тепловое загрязнение биосферы), шума (шумовое загрязнение биосферы), радиоактивности (радиоактивное загрязнение биосферы) и т. д. Загрязнение биосферы угрожает здоровью человека и состоянию окружающей среды, ограничивает возможности дальнейшего развития человеческого общества. Практически все стороны современной деятельности человека влекут те или иные формы загрязнения биосферы. Исходные причины загрязнения биосферы – стихийный рост промышленности. Энергетики, транспорта, широкая химизация с. х-ва и быта, быстрый рост народонаселения и урбанизация планеты. Ежегодно из недр Земли извлекается более 100 млрд. т. различных пород, сжигается около млрд. т. условного топлива, выбрасывается в атмосферу около 20 млрд. т. СО2, ок.300 млн. т. СО, 50 млн. т. NOx, 150 млн. т. SO2, 4—5 млн. т. h3S и др. вредных газов, более 400 млн. т. частиц золы, сажи, пыли; сбрасывается в гидросферу около 600 млрд. т. промышленных и бытовых стоков, около 10 млн. т. нефти и нефтепродуктов; на разбавление сточных вод расходуется 40% объёма мировых ресурсов устойчивого речного стока; вносится в почву около 100 млн. т. минеральных удобрений. В биосферу поступает около 50% извлечённых из недр металлов, 30% химического сырья, до 67% тепла, вырабатываемого теплоэлектростанциями. Ежегодно создаются сотни тыс. т. невстречавшихся ранее в биосфере химических соединений (ксенобиотиков и др.), многие из которых не поддаются биологическому и физическому разрушению. Масштабы загрязнения биосферы столь, велики, что естественные процесса метаболизма и разбавляющая способность атмосферы и гидросферы в ряде районов мира не в состоянии нейтрализовать вредное влияние хозяйственной деятельности человека. Накопление т. нефти персистентных (стойких) загрязняющих веществ, которые почти не разрушаются в природе (некоторые пестициды, полихлорбифенилы и др.), а также веществ, имеющих естественные механизмы разложения или усвоения (удобрения, тяжёлые металлы и др.), в количествах, превышающих способность биосферы к их переработке, нарушает сложившиеся в ходе длительной эволюции природные системы и связи в биосфере, подрывает способность природных комплексов к саморегуляции. Экологические нарушения проявляются в сокращении численности и видового разнообразия растений и животных, в снижении продуктивности лесов и сельскохозяйственных угодий, деградации экосистем. Введение в круговорот веществ биосферы миллионов тонн хлорорганических соединений, в том числе пестицидов, приводит к тому, что, с одной стороны, разрушаются сложившиеся в ходе эволюции трофические цепи, и следовательно, биоценозы, а с другой – происходит неконтролируемое размножение организмов, легко вырабатывающих устойчивые формы (некоторые насекомые, микроорганизмы). Загрязнение таких жизненно важных для человека природных ресурсов, как атмосферный воздух, пресная вода, плодородная почва, запасы которых на планете ограничены, приобретает глобальный характер. Использование древесины и ископаемого топлива (уголь, нефть) как источника энергии является основной причиной загрязнения атмосферы вредными газами и пылью. Глобальный характер загрязнения атмосферы находит выражение в её общей запылённости, в увеличении концентрации углекислого газа в воздухе и других загрязняющих веществ, что может привести к нарушению озонового экрана, изменению климата Земли. При сжигании топлива, в том числе бензина, в биогеохимические циклы включаются не только дополнительные массы окислов углерода, соединений серы, азота, но и большие количества таких загрязняющих биосферу элементов, как ртуть, свинец, мышьяк и др. Вовлечение в промышленное и сельскохозяйственное производство тяжёлых металлов значительно превосходит те количества, которые находились в биосферном круговороте за всю предшествующую историю человечества. Соединение окислов азота и серы с водой приводит к выпадению так называемых кислотных дождей, изменяющих рН среды и приводящих к гибели живых организмов.
Одна из крупных проблем загрязнения биосферы – радиоактивное загрязнение окружающей среды в результате ядерных испытаний, накопления радиоактивных отходов, а также при авариях на атомных предприятиях. Глобальное радиоактивное загрязнение составляло к середине 70-х годов более 5,5*10-19 Бк в результате ядерных взрывов и более 1,7*1017 Бк вследствие поступления в Мировой океан радиоактивных отходов. Наиболее загрязнены районы умеренных широт, особенно в Северном полушарии.
В связи с этим перед радиобиологией возникают новые проблемы: всестороннее исследование радиационного поражения радиационного поражения многоклеточных организмов при их тотальном облучении, познание причин различной радиочувствительности организмов, роли радиации в возникновении вредных мутаций, изучение закономерностей и причин возникновения отдалённых последствий облучения (сокращение продолжительности жизни, возникновение опухолей, снижение иммунитета). Актуальными для радиобиологии становятся такие практические задачи, как изыскание различных средств защиты организма от излучений и путей его пострадиационного восстановления от повреждений, прогнозирование опасности для человечества повышающегося уровня радиации окружающей среды, изыскание новых путей использования ионизирующих излучений в медицине, сельском хозяйстве, пищевой и микробиологической промышленности.
Для биологического действия ионизирующих излучений характерен ряд общих закономерностей. Во-первых, глубокие нарушения жизнедеятельности вызываются ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии. Так, энергия, поглощённая телом млекопитающего или человека при облучении смертельной дозой, при превращении в тепловую привела бы к нагреву тела всего на тысячную долю градуса. Во-вторых, биологическое действие ионизирующих излучений не ограничивается подвергнутым облучению организмом, но может распространяться на последующие поколения, что объясняется действием на наследственный аппарат организма. В-третьих, для биологического действия ионизирующих излучений характерно наличие латентного периода, т.е. развитие лучевого поражения наблюдается не сразу. Продолжительность латентного периода может варьировать от нескольких минут до десятков лет в зависимости от дозы облучения, радиочувствительности организма и наблюдаемой функции. Так, при облучении в очень больших дозах можно вызвать "смерть под лучом", длительное же облучение в малых дозах ведёт к изменению состояния нервной и др. систем, к возникновению опухолей спустя годы после облучения.
Радиочувствительность разных видов организмов различна. Смерть половины облучённых животных (при общем облучении) в течение 30 суток после облучения вызывается следующими дозами рентгеновского излучения: морские свинки 250 р, собаки 335 р, обезьяны 600р, мыши 550-650 р, караси 1800 р, змеи 8000 - 20000 р. Более устойчивы одноклеточные организмы: дрожжи погибают при дозе 30000 р, амёбы – 100000 р, а инфузории выдерживают облучение в дозе 300000 р. Радиочувствительность высших растений тоже различна: семена лилии полностью теряют всхожесть при дозе облучения 2000 р, на семена капусты не влияет доза в 64000 р.
Первичное действие радиации любого вида на любой биологический объект начинается с поглощения энергии излучения, что сопровождается возбуждением молекул и их ионизацией. При ионизации молекул воды (косвенное действие излучения) в присутствии кислорода возникают активные радикалы, гидратированные электроны, а также молекулы перекиси водорода, включающиеся затем в цепь химических реакций в клетке. При ионизации органических молекул (прямое действие излучения) возникают свободные радикалы, которые, включаясь в протекающие в организме химические реакции, нарушают течение обмена веществ и, вызывая появление несвойственных организму соединений, нарушают процессы жизнедеятельности. При облучении в дозе 1000 р в клетке средней величины возникает около 1 млн. таких радикалов, каждый из которых в присутствии кислорода воздуха может дать начало цепным реакциям окисления, во много раз увеличивающим количество изменённых молекул в клетке и вызывающим дальнейшее изменение субмикроскопических структур. Выяснение большой роли свободного кислорода в цепных реакциях, ведущих к лучевому поражению, т.н. кислородного эффекта, способствовало разработке ряда эффективных радиозащитных веществ, вызывающих искусственную гипоксию в тканях организма. Большое значение имеет и миграция энергии по молекулам биополимеров, в результате которой поглощение энергии, происшедшее в любом месте макромолекулы, приводит к поражению её активного центра. Поглощение энергии и ионизация молекул занимают доли секунды.
Последующие биохимические процессы лучевого повреждения развиваются медленнее. Образовавшиеся активные радикалы нарушают нормальные ферментативные процессы в клетке, что ведёт к уменьшению количества макроэргических соединений. Особенно чувствителен к облучению синтез ДНК в интенсивно делящихся клетках,т.о. в результате цепных реакций возникающих при поглощении энергии излучения.
Воздействие ионизирующего излучения вызывает повреждение клеток. Наиболее важно нарушение клеточного деления – митоза. При облучении в сравнительно малых дозах наблюдается временная остановка митоза. Большие дозы могут вызывать полное прекращение деления или гибель клеток. Нарушение нормального хода митоза сопровождается хромосомными перестройками, возникновением мутаций, ведущих к сдвигу в генетическом аппарате клетки, а следовательно, к изменению наследственных свойств развивающихся из них организмов. При облучении в больших дозах происходит набухание и пикноз ядра, затем структура ядра исчезает. В цитоплазме при облучении в дозах 10000 – 20000 р наблюдается изменение вязкости, набухание цитоплазматических структур, образование вакуолей, повышение проницаемости. Всё это резко нарушает жизнедеятельность клетки.
Возникающие в облучаемых клетках изменения ведут к нарушениям в тканях, органах и жизнедеятельности всего организма. Особенно выражена реакция тканей, в которых отдельные клетки живут сравнительно недолго. Это слизистая оболочка желудка и кишечника, которая после облучения воспаляется, покрывается язвами, что ведёт к нарушению пищеварения и всасывания, а затем к истощению организма его продуктами распада клеток (токсемия) и проникновению бактерий, живущих в кишечнике, в кровь (бактериемия). Сильно повреждается кроветворная система, что ведёт к резкому уменьшению числа лейкоцитов в периферической крови и к снижению её защитных свойств. Одновременно падает и выработка антител, что ещё больше ослабляет защитные силы организма. Уменьшается и количество эритроцитов, с чем связано нарушение дыхательной функции крови. Нарушается образование половых клеток, может возникать даже полное бесплодие. Первой реагирует на радиационное воздействие нервная система. Имеют также место нарушения работы желёз внутренней секреции.
Одним из вариантов защиты биологических объектов от ионизирующих излучений является применение радиопротекторов. Если их ввести в организм после облучения, никакого эффекта наблюдаться не будет, поэтому их имеет смысл вводить только до или после облучения. К эффективным радиопротекторам относятся вещества, содержащие сульфгидрильные группы (-SH), например, цистеин, а также меркаптоамины, индолилалкиламины. Радиопротекторы оказывают действие, понижая внутриклеточное или внутритканевое напряжение кислорода или увеличивая содержание эндогенных тиолов, что сопровождается уменьшением окислительно-восстановительного потенциала. Величину действия радиопротекторов выражают в виде фактора уменьшения дозы ФУД (по новой классификации – ФИД), равного отношению доз излучений, вызывающих одинаковый эффект в присутствии радиопротекторов и в их отсутствии. ФУД при облучении в условиях гипоксии значительно меньше, чем при облучении в присутствии кислорода, а при действии излучений с высокой линейной потерей энергии (альфа-частицы, нейтроны) меньше, чем при действии излучений с низкой ЛПЭ (рентгеновские и гамма-лучи). Защитное действие радиопротекторов видоспецифично. Некоторые радиопротекторы могут защищать микроорганизмы и клетки в культуре и не защищать млекопитающих. Однако следует помнить, что положительный эффект радиопротекторов достигается только в том случае, если они были введены до облучения. При их введении после кривая действия радиопротекторов изменяться не будет, коэффициент ФУД останется равным 1, т.к. дозы, вызывающие одинаковый эффект в присутствии радиопротекторов и в их отсутствии, станут равными.
Список литературы
1. Кудряшов Ю.Б., Беренфельд Б.С. Радиационная биофизика, М.,1979
2. Биологический Энциклопедический Словарь, М., 1989
3. Большая Советская Энциклопедия, М., 1970
4. Ярмоненко С.П. Радиобиология человека и животных, М.,1988
5. Первичные процессы лучевого поражения. Сб. ст. М., 1957
6. Корогодин В.И. Проблемы пострадиационного восстановления. М.,1966
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта www.portal-slovo.ru/
Дата добавления: 28.04.2007
www.km.ru
1
ВВЕДЕНИЕ
Всякая научная дисциплина или предмет наряду со специальными или частными содержит определенный круг вопросов, имеющих отношение к любому аспекту изучаемой проблемы.
В наибольшей степени это относится к пограничным дисциплинам, находящимся на стыке наук, ибо постигающему основной предмет неизбежно приходится осваивать определенный объем знаний из смежных дисциплин.
Типичным пример такого рода - радиобиология, где изучению закономерностей главного феномена - биологического действия ионизирующего излучения на разных уровнях организации живых систем - предшествует необходимость овладения основными сведениями из общей и ядерной физики, цитологии, генетики, биохимии и др.
Двадцатому веку последовательно приписывали три наименования - атомный, космический и век биологии. Согласно ряду ученых, первое определение наиболее емко. Так, есть все основания полагать, что успехи в познании тайн атомного ядра и управлении его энергией окажут решающее влияние на все проблемы жизни. Однако это не единственная точка зрения. Мы предполагаем, что в данном случае - это век тесного слияния научных открытий в области ядерной физики и биологии.
В данном курсе лекций мы не будем излагать подробно сведения о строении атомного ядра, радиоактивности, других элементах ядерной физики, известных Вам из предыдущих курсов лекций, включая и радиационную биофизику.
Итак, радиобиология - молодая наука, изучающая действие на организм (человека, животных, растений, бактерий) излучений высокой энергии.
Фундаментальной задачей, составляющей предмет радиобиологии, является вскрытие общих закономерностей биологического ответа на ионизирующее воздействие, на основе которых можно овладеть искусством управления лучевыми реакциями организма.
Задача эта невероятно трудна прежде всего потому, что для ее решения необходимо, по меткому выражению Н.В.Тимофеева-Рессовского, понять и преодолеть основной радиобиологический парадокс, состоящий в большом несоответствии между ничтожной величиной поглощенной энергии и крайней степенью выраженности реакции биологического объекта вплоть до летального эффекта.
Несмотря на существующие в природе колоссальные различия в чувствительности к ионизирующим излучениям отдельных объектов, облучение в дозе 10 Гр убивает всех млекопитающих. Что же представляет собой такая доза по суммарной энергии, поглощенной в организме при облучении? Если условно перевести эту энергию без потерь в тепловую энергию, то окажется, что организм человека нагреется лишь на 0,001°, т.е. меньше, чем от стакана выпитого горячего чая. В то же время человек переносит без очевидного вреда для себя воздействие видимого им инфракрасного излучения в гораздо большем энергетическом выражении.
Этот радиобиологический парадокс может быть объяснен лишь тем, что каждая частица или квант ионизирующего излучения при взаимодействии с тканями организма порождает в них качественно новые, более глубокие изменения, чем многочисленные кванты оптического излучения. И ключевую роль в этом взаимодействии играет первая, физическая стадия процесса, приводящая к эффекту ионизации.
Сколько атомов подвергается ионизации при облучении в той же смертельной дозе 10Гр? Косвенное представление об этом может быть получено из рассмотрения следующего примера. Оказывается, что если подвергать воздействию непрерывного излучения какое-либо вещество, по плотности соответствующее живым тканям, с интенсивностью, создающей смертельную дозу в течение 1 часа, то половина его атомов превратилась бы в ионы лишь через 1000 лет.
Наконец небезынтересно знать, что в 1 мкм3 ткани доза 10 Гр, исходя из расчетов Д.Ли, создает около 200 ионизаций, т.е. примерно такое же количество, как и число реагирующих молекул, а так как в 1 мкм3 ткани содержится около 10 атомов, то смертельная доза 10 Гр приведет к изменению ничтожно малой доли молекул в данном объеме.
Причина того, почему ничтожное количество поглощенной в организме энергии приводит к катастрофе, составляет загадку радиобиологического парадокса, раскрытие ее могло бы решить основную задачу радиобиологии. Для этого необходимо привлечение сведений и методов из ряда смежных дисциплин - физики, химии, биохимии, физиологии, патологии, генетики и цитологии (рис.1).
Рис.1. Связь радиобиологии с другими дисциплинами
В процессе изучения многочисленных радиобиологических эффектов сформировались специфические экспериментальные методы решения соответствующих проблем в модельных системах, на молекулярном, клеточном и организменном уровнях.
Отметим еще одну важнейшую особенность биологического действия ионизирующей радиации: ее незримость, неощутимость. В отличие от лучей оптического диапазона (ультрафиолет, инфракрасные и видимой области 400-700 нм) и даже радиоволн, вызывающих в определенных дозах нагревание тканей и ощущение тепла, ионизирующая радиация даже в смертельных дозах нашими органами чувств не фиксируется.
Особенности радиобиологии
1) Одной из особенностей радиобиологии является то, что это экспериментальная дисциплина. Ни одно утверждение в радиобиологии не может быть воспринято серьезно, если оно не имеет путей экспериментальной проверки. При этом наиболее ценны экспериментальные результаты, позволяющие охарактеризовать изучаемое явление количественно.
2) Другой особенностью радиобиологии является необходимость проведения исследования на всех уровнях биологической организации - от молекулярного до популяционного.
3) И, наконец, еще одна особенность радиобиологии, определяемая ее прикладными аспектами - овладение способами искусственного управления лучевыми реакциями биологических объектов и человека с помощью различных модифицирующих средств.
В поле зрения радиобиолога должны находиться и опосредованные эффекты облучения, особенно при анализе сложных интегральных лучевых реакций организма, где их влияние проявляется наиболее значительно в связи с неизбежным вовлечением в процесс регулирующих систем и нейрогормональных механизмов.
Далеко не совершенное понимание первичных механизмов радиобиологических процессов, и как будет показано далее в лекциях, отсутствие единой теории радиобиологического эффекта еще и сегодня затрудняют распространение этих представлений на последующие уровни биологической организации.
Современная радиобиология представляет не только самостоятельную комплексную дисциплину, но имеет четко выделенные отдельные направления (такие, как противолучевая защита и терапия радиационных поражений, космическая радиобиология, радиационная иммунология, радиационная гигиена и радиобиология опухолей).
История развития радиобиологии
Возникновение радиобиологии обязано трем велики открытиям, увенчавшим окончание предыдущего столетия
1895г. - открытие х- лучей В.К. Рентгеном.
1896г. - открытие Анри Беккерелем естественной радиоактивности урана;
1898г. - открытие четой Кюри радиоактивных свойств полония и радия.
Три этапа развития радиобиологии
1. Первый этап развития радиобиологии характеризуется работами описательного характера. Но уже в этом периоде установлено два кардинальных факта - вызываемое ионизирующим излучением торможение клеточного деления (И.Корникс,1905г.) и различие в степени выраженности реакции разных клеток на облучение. Впервые это было отмечено французскими исследователями И.Бергонье и Л.Трибондо. Они показали, что наиболее чувствительными к излучению являются сперматогонии, а наиболее резистентными - сперматозоиды, облучение которых вообще не вызывало морфологических изменений.
На основании этих экспериментов в 1906 году было сформулировано правило Бергонье и Трибондо. Суть этого положения состоит в том, что клетки тем более радиочувствительны, чем большая у них способность к размножению и чем менее определенно выражены их морфология и функция, т.е. чем они менее дифференцированы. Это правило не утратило значения и до сих пор.
Очень рано - в 1903г. - была выявлена роль поражения ядра в клеточной радиочувствительности (Д.Бун).
2. Второй этап развития радиобиологии связан со становлением ее количественных принципов, имевших целью связать биологический эффект с дозой излучения. Одна из знаменательных дат этапа - 1922г. когда Ф.Дессауэр преложил первую теорию, объяснявшую радиобиологический эффект дискретностью событий - актов ионизации в чувствительном объеме.
Эти взгляды в последующем получили развитие в виде принципа попаданий и теории мишеней в трудах Тимофеева-Рессовского, Циммера Д.Ли и др.
Общие парадигмы радиобиологии
Радиобиологические концепции
1. Принципиальной мишенью для радиационно-индуцированной гибели клеток является ДНК. Для рентгеновских и g-лучей около 2/3 биологических эффектов обусловлено непрямым воздействием за счет радикалов воды.
2. Зависимость доза-эффект при малых передачах энергии аппроксимируется линейно-квадратичной зависимостью:
R = aD + bD2
Отношение a/b - доза при которой линейный и квадратичный вклад в биологический эффект равны и варьирует от 1 до10 Гр.
3. Биологический эффект данной дозы радиации изменяется в зависимости от качества излучения.
4. Клеточная радиочувствительность зависит от клеточного цикла (наиболее радиочувствит. - G2)
5. Эффект действия радиации зависит от мощности дозы.
6. Различные химические соединения могут модифицировать клеточную гибель под действием радиации.
7. Существуют модификаторы которые не значительно влияют на клеточную гибель, но сильно модифицируют процесс онкотрансформации.
Литература
1. Когл Дж. Биологические эффекты радиации. М,1986.
2. Жизнеспособность клеток, облученных в малых дозах (Под ред. Т.Альнер). М., 1980.
3. Кузин А.М. Структурно-метаболическая теория в радиобиологии. М.,1986.
4. Гончаренко Е.Н., Кудряшов Ю.Б. Гипотеза эндогенного фона радиорезистентности.
М.,1980.
5. Ярмоненко С.П. Радиобиология человека и животных. М., “Высшая школа”, 1988.
turboreferat.ru
Предмет радиобиологии. Радиационные методы исследования. Связь радиобиологии с другими дисциплинами. Структура современной радиобиологии.
1.1. Радиоактивные превращения ядер.
Характеристика атомного ядра. Явление радиоактивности. Типы ядерных превращений. Закон радиоактивного распада. Активность радиоактивного элемента и единицы активности.
1.2. Характеристика ионизирующих излучений и их взаимодействие с веществом.
Природа радиоактивных излучений. Взаимодействие различных видов ионизирующих излучений с веществом. Закон ослабления. Линейный коэффициент ослабления.
2.1. Источники радиации природного и техногенного происхождения.
Космическое излучение, его природа, характеристика, воздействие на природную среду. Вторичное излучение и его воздействие на человека, животный и растительный мир. Место космического излучения в естественном радиационном фоне.
Естественные радионуклиды земного происхождения. Семейства радиоактивных элементов. Антропогенная радиоактивность. Искусственные источники ионизирующих излучений.
2.2. Радиоактивное загрязнение окружающей среды.
Пути поступления радионуклидов в окружающую среду. Общие закономерности перемещения радиоактивных веществ в биосфере. Физико-химическое состояние радионуклидов в воде, почве, воздухе.
Экологические проблемы атомной энергетики. Загрязнение окружающей среды радиоактивными отходами.
3.1. Факторы, обуславливающие токсичность радионуклидов. Классификация радионуклидов по их токсичности для человека и животных. Накопление радионуклидов в органах и тканях и выведение их из организма. Метаболизм и токсикология определённых радионуклидов.
4.1. Механизм биологического действия ионизирующего излучения. Теории прямого действия радиации: теория мишени, стохастическая (вероятностная) теории. Теории непрямого действия: липидных радиотоксинов (первичных радиотоксинов и цепных реакций), структурно- метаболическая теория действия ионизирующего излучения.
4.2. Этапы воздействия ионизирующего излучения на биологические объекты.
4.3. Опосредованное действие радиации. Дистанционные эффекты облучения в некритических системах организма. Угнетение основных механизмов иммунитета. Нарушение основных биохимических процессов обмена веществ на различных этапах лучевого поражения.
4.4. Отдалённые последствия облучения. Механизм отдалённых последствий.
4.5. Молекулярный уровень. Повреждение структуры макромолекул.
4.6. Клеточный уровень. Действие излучения на клеточный цикл. Радиочувствительность клеток в различные стадии клеточного цикла. Репарационные системы. Виды гибели клеток и её причины.
4.7. Организменный уровень. Радиочувствительность органов и тканей при внешнем облучении. Пути поступления радионуклидов в организм. Распределение инкорпорированных радионуклидов в организме и их действие на органы и ткани.
5.1. Пути снижения внутреннего и внешнего облучения.
5.2. Способы уменьшения поступления радионуклидов в организм. Пути выведения радионуклидов. Продукты питания. Переработка и приготовление пищи. Режим питания. Витамины. Продукты, обладающие антимутагенным и радиопротекторным действием. Адаптация организма к действию радиации.
5.3. Нормальные условия эксплуатации источников излучения. Планируемое повышенное облучение. Требования к ограничению облучения населения. Санитарные правила.
studfiles.net
Жиганова Л.П.
Радиобиология – наука о действии всех видов ионизирующих излучений на живые организмы и их сообщества. Исследование биологического действия ионизирующих излучений началось почти тотчас за открытием этих излучений В.К. Рентгеном (1895), А.Беккерелем (1896) и радия М.Складовской-Кюри и П.Кюри (1898). Однако как самостоятельная наука радиобиология сформировалась в первой половине ХХ века благодаря быстрому развитию ядерной физики и техники.
Основные проблемы радиобиологии: исследование радиационного поражения организмов при их тотальном облучении, познание причин различной радиочувствительности организмов, изыскание различных средства защиты организмов от излучений и путей его пострадиационного восстановления от повреждений, прогнозирование опасности для человечества повышающегося уровня радиации окружающей среды, изыскание новых путей использования ионизирующих излучений в медицине, сельском хозяйстве, пищевой и микробиологической промышленности. Многогранность задач, стоящих перед современной радиобиологией, привела к развитию радиационной микробиологии, радиационной генетики, космической радиобиологии, радиоэкологии и других направлений. Многие открытия радиобиологии (например, изучение радиационного мутагенеза, а также ферментов, репарирующих радиационные повреждения ДНК) способствовали существенному развитию знаний об общих закономерностях жизни.
Биологическое действие излучений – постоянное воздействие на биосферу Земли электромагнитных и корпускулярных излучений внеземного и земного происхождения, приводящее к биохимическим, физиологическим, генетическим и другим изменениям, возникающим в живых клетках и организмах. Наиболее мощный источник излучений – Солнце. Энергия электромагнитного излучения Солнца видимой части спектра улавливается растениями, и в процессе фотосинтеза трансформируется в энергию химических связей органических веществ, за счёт которой существует и развивается жизнь на Земле. С действием света связаны информационные и регуляторные реакции организмов (зрение животных, фототаксис, фотопризм, фотопериодизм и др.). Поглощаясь в тканях окрашенными веществами – фотосенсибилизаторами, видимое излучение может быть опосредованно воздействовать на нуклеиновые кислоты и белки (фотодинамическое действие) Ультрафиолетовое излучение Солнца Частично проникает через атмосферу и в умеренных дозах оказывает благотворное воздействие на рост и развитие растений и животных (усиливает обмен веществ, вызывает образование витамина D, повышает сопротивляемость организма). В больших дозах коротковолновое УФ-излучение инактивирует нуклеиновые кислоты и белки, оказывает бактерицидное, эритемное, мутагенное и канцерогенное действие. Вспышки на Солнце, как и гораздо более мощные вспышки на других звёздах, являются источниками высокоэнергетических космических лучей, часть космических лучей отклоняется магнитным полем Земли, другая – поглощается верхними слоями атмосферы и только небольшое их количество достигает поверхности Земли, составляя около 30% естественного фона ионизирующих излучений. Остальные 70% обусловлены альфа-, бета- и гамма-излучениями радиоактивных элементов – тория, урана, радия и продуктов их распада (радон и др.), находящихся в рассеянном виде в земных породах, почве, атмосфере, воде. Определённый вклад в естественный фон вносят и таки радиоактивные изотопы, как К40, Н3, С14, входящие в состав живых клеток. Высокоэнергетические ионизирующие излучения глубоко проникают в организм, достигая наиболее радиочувствительных органов – кроветворных, генеративных и др. В основе биологического действия ионизирующих излучений лежат процессы ионизации и возбуждения молекул, радиационно-химические реакции, нарушающие или изменяющие функции биополимеров, главным образом нуклеиновых кислот и ферментов. Воздействуя на ДНК соматических и генеративных клеток, они способны вызвать мутации, злокачественное перерождение клетки. Поэтому ионизирующие излучения играют определённую роль в естественной изменчивости организмов, и вместе с тем повышают уровень спонтанно возникающих уродств, генетических заболеваний, канцерогенеза. В середине ХХ века были открыты способы расщепления атомных ядер, сопровождающиеся мощным ионизирующим излучением и образованием большого количества искусственных радиоактивных веществ. Технические средства использования ядерной энергии в военных и мирных целях ощутимо увеличивают количество источников ионизирующих излучений, а следовательно и вероятность возникновения различных нарушений у организмов. Большую опасность для человечества представляет использование ионизирующих излучений в военных целях. При тотальном гамма-нейтронном облучении животных и человека (сопровождающем взрывы атомных и ядерных бомб) в дозах 100 ГР и выше вследствие поражения ЦНС наступает коматозное состояние и смерть в первые 24-48 часов, при дозах 5-10 Гр возникает тяжёлая лучевая болезнь. При более низких дозах после острого периода наступает восстановление поражённых тканей и выздоровление. Однако в дальнейшем возрастает вероятность появления отдалённых последствий облучения (рак, лейкемия, катаракта, рождение генетически неполноценного потомства и т.п.) Вследствие развития техники всё более актуальной становится проблема биологического действия неионизирующих магнитных излучений с большими длинами волн, таких как УВЧ, миллиметровые,. сантиметровые и дециметровые радиоволны, воздействие которых связано с локальным, неравномерным нагревом ультраструктур тканей и зависит от мощности и модуляции облучения. Радиоизлучения метрового и большего диапазонов, по-видимому, биологическим действием не обладают. Регулируемое биологическое действие излучений широко используется в медицине (радиотерапия, рентгенодиагностика, фототерапия, лазеры и др.), микробиологической промышленности, сельском хозяйстве (радиационный мутагенез и др.)
Загрязнение биосферы, комплекс разнообразных воздействий человеческого общества на биосферу, приводящих к увеличению уровня содержания вредных веществ в биосфере, появлению новых химических соединений, частиц и чужеродных предметов, чрезмерному повышению температуры (тепловое загрязнение биосферы), шума (шумовое загрязнение биосферы), радиоактивности (радиоактивное загрязнение биосферы) и т. д. Загрязнение биосферы угрожает здоровью человека и состоянию окружающей среды, ограничивает возможности дальнейшего развития человеческого общества. Практически все стороны современной деятельности человека влекут те или иные формы загрязнения биосферы. Исходные причины загрязнения биосферы – стихийный рост промышленности. Энергетики, транспорта, широкая химизация с. х-ва и быта, быстрый рост народонаселения и урбанизация планеты. Ежегодно из недр Земли извлекается более 100 млрд. т. различных пород, сжигается около млрд. т. условного топлива, выбрасывается в атмосферу около 20 млрд. т. СО2, ок.300 млн. т. СО, 50 млн. т. NOx, 150 млн. т. SO2, 4—5 млн. т. h3S и др. вредных газов, более 400 млн. т. частиц золы, сажи, пыли; сбрасывается в гидросферу около 600 млрд. т. промышленных и бытовых стоков, около 10 млн. т. нефти и нефтепродуктов; на разбавление сточных вод расходуется 40% объёма мировых ресурсов устойчивого речного стока; вносится в почву около 100 млн. т. минеральных удобрений. В биосферу поступает около 50% извлечённых из недр металлов, 30% химического сырья, до 67% тепла, вырабатываемого теплоэлектростанциями. Ежегодно создаются сотни тыс. т. невстречавшихся ранее в биосфере химических соединений (ксенобиотиков и др.), многие из которых не поддаются биологическому и физическому разрушению. Масштабы загрязнения биосферы столь, велики, что естественные процесса метаболизма и разбавляющая способность атмосферы и гидросферы в ряде районов мира не в состоянии нейтрализовать вредное влияние хозяйственной деятельности человека. Накопление т. нефти персистентных (стойких) загрязняющих веществ, которые почти не разрушаются в природе (некоторые пестициды, полихлорбифенилы и др.), а также веществ, имеющих естественные механизмы разложения или усвоения (удобрения, тяжёлые металлы и др.), в количествах, превышающих способность биосферы к их переработке, нарушает сложившиеся в ходе длительной эволюции природные системы и связи в биосфере, подрывает способность природных комплексов к саморегуляции. Экологические нарушения проявляются в сокращении численности и видового разнообразия растений и животных, в снижении продуктивности лесов и сельскохозяйственных угодий, деградации экосистем. Введение в круговорот веществ биосферы миллионов тонн хлорорганических соединений, в том числе пестицидов, приводит к тому, что, с одной стороны, разрушаются сложившиеся в ходе эволюции трофические цепи, и следовательно, биоценозы, а с другой – происходит неконтролируемое размножение организмов, легко вырабатывающих устойчивые формы (некоторые насекомые, микроорганизмы). Загрязнение таких жизненно важных для человека природных ресурсов, как атмосферный воздух, пресная вода, плодородная почва, запасы которых на планете ограничены, приобретает глобальный характер. Использование древесины и ископаемого топлива (уголь, нефть) как источника энергии является основной причиной загрязнения атмосферы вредными газами и пылью. Глобальный характер загрязнения атмосферы находит выражение в её общей запылённости, в увеличении концентрации углекислого газа в воздухе и других загрязняющих веществ, что может привести к нарушению озонового экрана, изменению климата Земли. При сжигании топлива, в том числе бензина, в биогеохимические циклы включаются не только дополнительные массы окислов углерода, соединений серы, азота, но и большие количества таких загрязняющих биосферу элементов, как ртуть, свинец, мышьяк и др. Вовлечение в промышленное и сельскохозяйственное производство тяжёлых металлов значительно превосходит те количества, которые находились в биосферном круговороте за всю предшествующую историю человечества. Соединение окислов азота и серы с водой приводит к выпадению так называемых кислотных дождей, изменяющих рН среды и приводящих к гибели живых организмов.
Одна из крупных проблем загрязнения биосферы – радиоактивное загрязнение окружающей среды в результате ядерных испытаний, накопления радиоактивных отходов, а также при авариях на атомных предприятиях. Глобальное радиоактивное загрязнение составляло к середине 70-х годов более 5,5*10-19 Бк в результате ядерных взрывов и более 1,7*1017 Бк вследствие поступления в Мировой океан радиоактивных отходов. Наиболее загрязнены районы умеренных широт, особенно в Северном полушарии.
В связи с этим перед радиобиологией возникают новые проблемы: всестороннее исследование радиационного поражения радиационного поражения многоклеточных организмов при их тотальном облучении, познание причин различной радиочувствительности организмов, роли радиации в возникновении вредных мутаций, изучение закономерностей и причин возникновения отдалённых последствий облучения (сокращение продолжительности жизни, возникновение опухолей, снижение иммунитета). Актуальными для радиобиологии становятся такие практические задачи, как изыскание различных средств защиты организма от излучений и путей его пострадиационного восстановления от повреждений, прогнозирование опасности для человечества повышающегося уровня радиации окружающей среды, изыскание новых путей использования ионизирующих излучений в медицине, сельском хозяйстве, пищевой и микробиологической промышленности.
Для биологического действия ионизирующих излучений характерен ряд общих закономерностей. Во-первых, глубокие нарушения жизнедеятельности вызываются ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии. Так, энергия, поглощённая телом млекопитающего или человека при облучении смертельной дозой, при превращении в тепловую привела бы к нагреву тела всего на тысячную долю градуса. Во-вторых, биологическое действие ионизирующих излучений не ограничивается подвергнутым облучению организмом, но может распространяться на последующие поколения, что объясняется действием на наследственный аппарат организма. В-третьих, для биологического действия ионизирующих излучений характерно наличие латентного периода, т.е. развитие лучевого поражения наблюдается не сразу. Продолжительность латентного периода может варьировать от нескольких минут до десятков лет в зависимости от дозы облучения, радиочувствительности организма и наблюдаемой функции. Так, при облучении в очень больших дозах можно вызвать «смерть под лучом», длительное же облучение в малых дозах ведёт к изменению состояния нервной и др. систем, к возникновению опухолей спустя годы после облучения.
Радиочувствительность разных видов организмов различна. Смерть половины облучённых животных (при общем облучении) в течение 30 суток после облучения вызывается следующими дозами рентгеновского излучения: морские свинки 250 р, собаки 335 р, обезьяны 600р, мыши 550-650 р, караси 1800 р, змеи 8000 — 20000 р. Более устойчивы одноклеточные организмы: дрожжи погибают при дозе 30000 р, амёбы – 100000 р, а инфузории выдерживают облучение в дозе 300000 р. Радиочувствительность высших растений тоже различна: семена лилии полностью теряют всхожесть при дозе облучения 2000 р, на семена капусты не влияет доза в 64000 р.
Первичное действие радиации любого вида на любой биологический объект начинается с поглощения энергии излучения, что сопровождается возбуждением молекул и их ионизацией. При ионизации молекул воды (косвенное действие излучения) в присутствии кислорода возникают активные радикалы, гидратированные электроны, а также молекулы перекиси водорода, включающиеся затем в цепь химических реакций в клетке. При ионизации органических молекул (прямое действие излучения) возникают свободные радикалы, которые, включаясь в протекающие в организме химические реакции, нарушают течение обмена веществ и, вызывая появление несвойственных организму соединений, нарушают процессы жизнедеятельности. При облучении в дозе 1000 р в клетке средней величины возникает около 1 млн. таких радикалов, каждый из которых в присутствии кислорода воздуха может дать начало цепным реакциям окисления, во много раз увеличивающим количество изменённых молекул в клетке и вызывающим дальнейшее изменение субмикроскопических структур. Выяснение большой роли свободного кислорода в цепных реакциях, ведущих к лучевому поражению, т.н. кислородного эффекта, способствовало разработке ряда эффективных радиозащитных веществ, вызывающих искусственную гипоксию в тканях организма. Большое значение имеет и миграция энергии по молекулам биополимеров, в результате которой поглощение энергии, происшедшее в любом месте макромолекулы, приводит к поражению её активного центра. Поглощение энергии и ионизация молекул занимают доли секунды.
Последующие биохимические процессы лучевого повреждения развиваются медленнее. Образовавшиеся активные радикалы нарушают нормальные ферментативные процессы в клетке, что ведёт к уменьшению количества макроэргических соединений. Особенно чувствителен к облучению синтез ДНК в интенсивно делящихся клетках, т.о. в результате цепных реакций возникающих при поглощении энергии излучения.
Воздействие ионизирующего излучения вызывает повреждение клеток. Наиболее важно нарушение клеточного деления – митоза. При облучении в сравнительно малых дозах наблюдается временная остановка митоза. Большие дозы могут вызывать полное прекращение деления или гибель клеток. Нарушение нормального хода митоза сопровождается хромосомными перестройками, возникновением мутаций, ведущих к сдвигу в генетическом аппарате клетки, а следовательно, к изменению наследственных свойств развивающихся из них организмов. При облучении в больших дозах происходит набухание и пикноз ядра, затем структура ядра исчезает. В цитоплазме при облучении в дозах 10000 – 20000 р наблюдается изменение вязкости, набухание цитоплазматических структур, образование вакуолей, повышение проницаемости. Всё это резко нарушает жизнедеятельность клетки.
Возникающие в облучаемых клетках изменения ведут к нарушениям в тканях, органах и жизнедеятельности всего организма. Особенно выражена реакция тканей, в которых отдельные клетки живут сравнительно недолго. Это слизистая оболочка желудка и кишечника, которая после облучения воспаляется, покрывается язвами, что ведёт к нарушению пищеварения и всасывания, а затем к истощению организма его продуктами распада клеток (токсемия) и проникновению бактерий, живущих в кишечнике, в кровь (бактериемия). Сильно повреждается кроветворная система, что ведёт к резкому уменьшению числа лейкоцитов в периферической крови и к снижению её защитных свойств. Одновременно падает и выработка антител, что ещё больше ослабляет защитные силы организма. Уменьшается и количество эритроцитов, с чем связано нарушение дыхательной функции крови. Нарушается образование половых клеток, может возникать даже полное бесплодие. Первой реагирует на радиационное воздействие нервная система. Имеют также место нарушения работы желёз внутренней секреции.
Одним из вариантов защиты биологических объектов от ионизирующих излучений является применение радиопротекторов. Если их ввести в организм после облучения, никакого эффекта наблюдаться не будет, поэтому их имеет смысл вводить только до или после облучения. К эффективным радиопротекторам относятся вещества, содержащие сульфгидрильные группы (-SH), например, цистеин, а также меркаптоамины, индолилалкиламины. Радиопротекторы оказывают действие, понижая внутриклеточное или внутритканевое напряжение кислорода или увеличивая содержание эндогенных тиолов, что сопровождается уменьшением окислительно-восстановительного потенциала. Величину действия радиопротекторов выражают в виде фактора уменьшения дозы ФУД (по новой классификации – ФИД), равного отношению доз излучений, вызывающих одинаковый эффект в присутствии радиопротекторов и в их отсутствии. ФУД при облучении в условиях гипоксии значительно меньше, чем при облучении в присутствии кислорода, а при действии излучений с высокой линейной потерей энергии (альфа-частицы, нейтроны) меньше, чем при действии излучений с низкой ЛПЭ (рентгеновские и гамма-лучи). Защитное действие радиопротекторов видоспецифично. Некоторые радиопротекторы могут защищать микроорганизмы и клетки в культуре и не защищать млекопитающих. Однако следует помнить, что положительный эффект радиопротекторов достигается только в том случае, если они были введены до облучения. При их введении после кривая действия радиопротекторов изменяться не будет, коэффициент ФУД останется равным 1, т.к. дозы, вызывающие одинаковый эффект в присутствии радиопротекторов и в их отсутствии, станут равными.
Список литературы
1. Кудряшов Ю.Б., Беренфельд Б.С. Радиационная биофизика, М.,1979
2. Биологический Энциклопедический Словарь, М., 1989
3. Большая Советская Энциклопедия, М., 1970
4. Ярмоненко С.П. Радиобиология человека и животных, М.,1988
5. Первичные процессы лучевого поражения. Сб. ст. М., 1957
6. Корогодин В.И. Проблемы пострадиационного восстановления. М.,1966
www.ronl.ru
