Радиобиология как наука и направления ее развития

РАДИОБИОЛОГИЯ

РАДИОБИОЛОГИЯ

2011

ЛЕКЦИИ ПО РАДИОБИОЛОГИИ

Радиобиология как наука и направления ее развития

Радиация, от лат. слова radio – излучаю. Представляет собой излучение, которое идет от какого либо тела. Она всегда сопутствовала людям, поскольку намного старше человеческого рода. До возникновения жизненных форм на нашей планете, господствовал космический ветер, только одно Солнце является источником, огромного количества частиц, обладающих высокой энергией (электронов, ионов, нейтронов и др.). В земной коре находится уран и другие долгоживущие радионуклиды, а также постоянно выделяющийся радиоактивный газ – радон. Без радиации на земле не возникло бы столь большого разнообразия жизненных форм. Когда мощное горообразование сформировало вид земли, радиоактивные граниты, базальты, руды оказались под толщей осадочных пород, и это привело к снижению радиационного фона и стабилизации его на более или мене постоянном уровне. Человек, весь животный и растительный мир привыкли к радиации и вряд ли бы могли существовать в абсолютно радиационно стерильной среде. Живые организмы испытывают на себе определенное действие определенного количества радиации. Это излучение идет от природных источников, например: из почвы или пищи, а также из космических лучей, кроме того искусственно созданные человеком источники излучений, которые применяются в медицине (рентгеновские лучи, изотопы), а также промышленности и атомной энергетики привели к дополнительному радиационному воздействию на живой организм. Эти источники постоянно повышают уровень естественного радиационного фона. В центре земли находится ядро не из расплавленного железа и никеля, а из смеси радиоактивных элементов (уран или плутоний), которые постоянно поддерживают ядерные реакции. Ядро имеет диаметр около 8 км. Потоки излучений, действию которых подвергается все живое, это по своей природе – электромагнитные волны. Совокупность электромагнитных волн, различных длин от тысяч метров и до 10^-12 и короче, которые распространяются во вселенной в том числе и земли можно представить в виде шкалы электромагнитных волн (наиболее длинные – радиоволны, далее ИК, видимый спектр, УФ, Х-лучи, γ-излучение). В зависимости от частоты и энергии кванта hν существенно изменяются свойства и характер взаимодействия ЭМ-волн с биологическим веществом. ЭМИ подразделяют при оценке их взаимодествия с биологическими объектами на ионизирующее и неионизирующее.

Ионизация – процесс образования положительных или отрицательных ионов или свободных электронов из электронейтральных атомов и молекул в результате взаимодействия частиц высоких энергий с этими веществами. Радиация будет ионизирующей в том случае, если она способна разрывать химические связи молекул, из которых состоят живые организмы и тем самым вызывать биологически важные изменения. Атомы, потерявшие в результате ионизации электронные оболочки, оказываются заряженными положительно и это положительные ионы. Электрон, который был сорван с внешней оболочки атома или молекулы, образует отрицательный ион. Возникающие в процессе ионизации ионы обладают повышенной химической активностью и порождают в конечном счете – лучевую болезнь или гибель организма, мутации или опухоли. Исследование влияния ионизирующих излучений на биологические системы разного уровня организации, в том числе и живые организмы, всем этим занимается наука радиобиология. Как всякая наука, она имеет четко определенный объект исследования, которым являются реакции биологических систем и уровни осуществления радиобиологических процессов. Радиобиология использует много различных методов исследования из смежных наук. Из физики, биохимии, молекулярной биологии, всеми нами любой генетики. В соответствии с уровнем исследуемых систем, в радиобиологии выделяют разделы, которые стали самостоятельными науками. Выделят две группы разделов радиобиологии. Первая группа объединяет направления, которые изучают процессы вызванные влиянием ионизирующих излучений на разные уровни организации биологических систем. Радиационные физические и радиационные химические процессы, которые происходят в различных живых клетках, очень похожи, поскольку клеточный состав веществ у различных организмов существенно не отличается. Поэтому в момент действия ионизирующего излучения в любой клетке происходят близкие по свей природе радиационно - химические превращения, а именно переходы молекул в свободнорадикальное состояние, разрывы молекул, химическая модификация молекул. На этом этапе радиационного поражения отличия радиобиологических процессов в клетке будет обусловлено неодинаковым составом веществ в этих клетках. Охарактеризуем более подробно разделы радиобиологии:

Первая группа

Радиационная биофизика – рассматривает различные передачи энергии и ионизирующего излучения атомам и молекулам веществ. Любой радиобиологический процесс начинается с акта взаимодействия излучения с веществом и проходит он за очень короткое время 10^-15 сек.

Радиационная химия – исследует особенности химических форм, которые образуются вследствие взаимодействия ионизирующих излучений с веществом, а также особенности их химических превращений. При этом изучаются химические реакции, которые происходят при участии вызванных излучений активных  химических форм молекул. Эти активные формы возбужденные или ионизированные молекулы, могут иметь превращения, которые в обычных условиях в клетках не наблюдаются. В частности, химические процессы приводят к появлению молекул, которые имеют измененную структуру, и такие молекулярные повреждения могут влиять на функциональную способность различных систем клеток. В этом и проявляется её радиационное поражение.

Радиационная биохимия, занимается изучением изменения в обмене веществ, которое сопровождается появлением в метаболических системах клетки продуктов радиационно - химических превращений. При этом рассматриваются не только первичные биохимические процессы, но и отдаленные последствия ряда метаболических реакций.

Радиационная молекулярная биология  исследует влияние ионизирующих излучений, в которых принимают участия биологические макромолекулы. На репликацию ДНК, транскрипцию, трансформацию, а также биосинтез белков. Благодаря исследованиям выявляются фундаментальные причины формирования основных радиобиологических эффектов.

Радиационная мембранология – исследует механизмы радиационных излучений на состояние химических компонентов биологических мембран, их структурную организацию, или выполняемые ими функции. При облучении клеток, особенно повреждаются молекулы, которые составляют биологические липиды и белки.

Радиационная цитогенетика – рассматривает механизмы радиационно вызванных преобразований цитогенетических структур, обусловленных повреждениями генетического материала клетки (ДНК, РНК, хроматина, хромосом, ядра).

Радиационная генетика – исследует механизмы возникновения генетических случайных изменений - мутаций, которые происходят вследствие облучения клеток. А также изучает механизмы их сохранения или превращения.

Ко второй группе радиобиологии относятся разделы, которые исследуют радиобиологические реакции целостных организмов, а также представителей больших таксонов.

Радиационная вирусология – влияние реакции на структуру бактериофагов и вирусов, на их  вирулентность жизненный цикл и эволюцию. Использование вирусов и бактериофагов, как наиболее простых в организации биологических систем. Позволила раскрыть механизмы действия ионизирующего излучения на молекулярно биологические процессы.

Следующий раздел - радиобиология микроорганизмов имеет ряд важных теоретических и практических аспектов. Так разнообразие бактерий, особенности структурно-функциональной организации их клеток, а также многочисленные адоптивные особенности обуславливают проявление в них различных радиобиологических реакций. Именно этот раздел радиобиологии обогатил знаниями о фундаментальных механизмах действия ионизирующих изучений на клетки. Результаты действия радиации на микроорганизмы используются в практике. Радиационная инактивация клеток является удобным способом, а вызванный мутагенез позволяет получать новые штаммы для использования в современной биотехнологии.

Радиобиология  растений – царство растений несущее большое разнообразие в организации клеток  и структурно функциональных особенностях различных видов. От прокариотных до эукариотных низших и высших растений. Поскольку растения существенно отличаются от животных характером биохимических и клеточных процессов, в частности это форма образования процессов, поэтому их реакция на облучение по многим признакам отличается от реакции животных.  Использование растений как объектов радиобиологических исследований обусловлено тем, что среди них имеются яркие представители, на которых желательно изучать действие радиации.

 

 

ЛЕКЦИЯ 2

 

Для генерации рентгеновского излучения применяют рентгеновские аппараты в которых ускоренные вакуумные электроны поступают на мишень из Молибдена (Mo) или Вольфрама (W). Чем выше поддерживается напряжение на лучевой трубке (для ускоренных электронов приблизительно 100 кВ), тем короче будут длины волн (λ), образуемых рентгеновский лучей; «жесткими» называют лучи с более короткими длинами волн, а «мягкими» с более длинными волнами.

Гамма излучение или γ-лучи – коротковолновое магнитное излучение, которое испускается ядрами радиоактивных веществ в ходе их радиоактивного распада. Энергетический переход электронов при этом происходит с внешних электронных уровней на нижние. Кроме этого  γ-фотоны образуются при аннигиляции. Так же γ-фотоны образуются вследствие распада некоторых элементарных частиц. Гамма-фотоны, выделением которых сопровождается радиоактивный распад имеют энергию порядка от 2 до 10 МэВ. В качестве источника γ-лучей часто используют радиоактивные изотопы ⁶⁰Co ¹³⁷Cs, эти изотопы используют в большинстве установок и для создания гамма полей (для исследования длительного действия γ-лучей на растения).

Синхротронное излучение – электромагнитное излучение (ЭМИ), которое относиться к тормозящему, так как его источником являются электроны, ускоренные до скорости света, и поскольку такие условия движения заряженных частиц создают на циклических резонансных ускорителях электронов, которые называются синхротронами. Спектр этого излучения растянут на очень большой интервал - от вакуумного УФ (10^-3нм) до Х-лучей (10^-2нм).

Корпускулярное  ионизирующее излучение -  поток частиц, которые имеют ненулевую массу покоя. К этому типу относятся потоки элементарных частиц (электроны, фотоны, потоки ядер Не, О и др., а также потоки нейтронов). Основными физическими характеристиками данного типа излучения является масса частицы, её заряд и начальная энергия.

Бета излучение – является потоком ускоренных электронов (бета отрицательная β^-) или позитронов (бета положительная β⁺). Возникают во время распада соответствующих радиоактивных изотопов (³Н –тритий, ¹⁴С, ⁴⁰К, ²²⁶Ra и др.).

Протоны – поток ускоренных протонов (ядер атомов водорода ₁Н¹ с массовым числом = 1), стабильная положительно заряженная элементарная частица, которая имеет массу 1836 m_e. Генерируют в специальных ускорителях частиц - синхрофазатронах. К источнику быстрых протонов относится много ядерных реакций. В космосе существуют потоки протонов с очень большими значениями энергиями. Как ионизирующе излучение данного типа расматривается так же потоки Дейтерия (²H) и Трития (³Н)

Альфа лучи – излучение которое состоит из α-частиц образующихся по время α-распада различных радиоизотопов. Это изотопы Гелия (⁴He), который состоит из четырех нуклонов. Известно более 25 природных и больше 100 искусственных радиоизотопов, распад которых сопровождается излучением α-частиц. Основным же источником альфа лучей, являются тяжелые радиоактивные элементы, такие как  Радий (226Ra)  и изотопы урана (²³⁵U, ²³⁸U). Энергия α-частиц достигает МэВ и в природных источниках довольно высока – от 4,5 до 10 МэВ.

Быстрые ядра химических элементов – генерируют в ускорителях различных типов - они представляют собой поток положительно заряженных ядер практически всех химических элементов, начиная с Дейтерия ²Н, Гелия ⁴Не, и до трансурановых элементов. Потоки этих ядер являются ионизирующим излучением очень интенсивного действия и энергия этих элементов может достигать десятков ГэВ.

Мезоны – нестабильные элементарные частицы, имеющие массу более электрона, но меньше массы протона (m_e<m_M<m_p). Среди мезонов различают π-мезоны (пионы), к-мезоны (каоны) μ-мезоны (мюоны)

• Пионы – являются квантами, которые характеризуют ядерное поле и благодаря им осуществляется связь между протонами и нейтронами.
• Мюоны – (содержатся в космических лучах) добывают путем бомбардирования быстрыми протонами мишеней, которые приводят к образованию мюонов во время распада.

Нейтроны – электрически нейтральные, элементарные частицы которые имеют массу 1838 масс электронов, они вместе с протонами входят в состав ядер любых химических элементов, за исключением изотопов водорода протия ¹Н. Потоки нейтронов отличаются от других излучений значительно большей проникающей способностью в слое веществ. В свободном состоянии нейтрон является нестабильной элементарной частицей и очень быстро превращается в протон, электрон и антинейтрино. Нейтрон и протон по своим признакам подобны и поэтому считают эти частицы разным состоянием одной и той же частицы, которую называют нуклоном. Потоки нейтронов получают в ядерных реакторах и специальных генераторах нейтронов на основе ядерных реакций. Источником нейтронов является изотоп Калифорний ²⁵²Cf, который спонтанно распадается с выделением нейтронов со средней энергией 2,3 МэВ. Нейтроны являются важной частью излучений который сопровождают атомный взрыв. Нейтроны могут иметь разную кинетическую энергию от 10^-2, до 10^-10 эВ. Энергетический спектр электронов которые полученные в реакторах очень широкий и зависит от типа ядерных реакций.

Явление радиоактивности

Радиоактивностью называется самопроизвольное превращение одних атомных ядер в другие которые сопровождается излучением элементарных частиц. Атомное ядро состоит из элементарных атомных частиц протоны и нейтроны и атомного ядра  _zX^a, где z- число протонов, а- массове число ядра, которое представляет собой общее число нуклонов ₉₂U²³⁸ z=92, a=238. Свободный протон (₁p¹) представляет собой стабильную частицу, которая обладает положительным зарядом – равным заряду электрона. Нейтрон (₀n¹)   нейтрально заряженная частица, которая обладает массой близкой к массе протона и в отличие от протона свободный нейтрон не стабилен и распадется по следующей схеме:  ₀n¹ → ₁p¹+e+ν. Среднее время жизни примерно 12,5 минут.

Ядра атомов с одинаковым зарядным число z но разным массовым числом а- называют изотопами. Большинство химических элементов имеют по несколько стабильных и не стабильных изотопов. Изотопы которые подвергаются распаду называются радиоактивными, их разделяют на природные и искусственные, в зависимости от того существуют ли они в природе, или их получают искусственным путем. В зависимости от механизма превращения нестабильных ядерных изотопов, различают следующие типы их распада:

• α-распад/
• β-отрицательный
• β-положительный
• К-захват
• ядерные реакции

Преимущественно радиоактивный  распад приводит к появлению нового ядра которое находится в состоянии возбуждения. Излишки энергии возбужденных ядер высвобождаются сражу же после превращения ядра и происходит это в виде гамма излучений или γ-фотонов. Интенсивность радиоактивного распада характеризуется его скоростью. Единицей измерения является Бк (Беккерель) в системе СИ. Один Беккерель соответствует одному распаду в секунду. Один Кюри - 1Кu = 3.7 * 10¹⁰ Бк. Активность радионуклидов часто характеризует период полураспада - Т_1/2 этому соответсвует еденице времени в течении которого активность уменьшается в двое Т_1/2= ln²/λ=0,693/λ.

λ – коэффициент пропорциональности, постоянной радиоактивного распада. Радиоактивность  любого элемента, скорость распада  ядер которые входят в его состав dN/dt -  пропорционально числу нераспавшихся ядер – dN/dt = -λ*N.

Закон радиационного  распада: N_t = N₀ * e^-λt

Альфа распад – тип спонтанного радиоактивного превращения тяжелых атомных ядер, который состоит в выбрасывании альфа частиц из ядра. α-частицы - ядра гелия, которые состоят из двух протонов и двух нейтронов. Энергия α-частиц, которая возникает во время α-распада составляет от 2 до 9 МэВ. Пробег α-частицы в веществе очень короткий в связи с тем, что дозовое поле α-частицы которое излучается во время распада тяжелых радионуклидов в клетке неоднородное. Тогда α-частица не может проникнуть вглубь ткани и доза накапливается в поверхностных слоях. К концу пробега энергия α-частиц уменьшается, причем настолько, что она уже не способна  производить ионизацию и, присоединив к себе два электрона, превращается в атом гелия. Альфа распад характерен для тяжелых радиоактивных элементов (U, ²¹⁸Po, ²²⁸Th и ²³⁹Pu). Обладает большой ионизирующей способностью 2*10⁵ пар ионов, но малой проникающей способностью. Пробег в воздухе 11см, в мягкой ткани он измеряется микронами и α-частица полностью задерживаться листом бумаги.