Физические основы радиобиологии

 

РАДИОБИОЛОГИЯ КАК ПРЕДМЕТ

Радиация и жизнь – эти понятия неразрывно связаны. Все организмы, живущие на Земле, получают энергию для жизнедеятельности построения своего тела от Солнца. Растения поглощают энергию солнечного излучения непосредственно и с её помощью строят из неорганических веществ воздуха, воды и почвы сложные органические молекулы. Животные и человек получают готовые органические вещества и скрытую в них энергию от растений. Нет такой стороны жизнедеятельности, на которую не влияло бы ионизирующее излучение. Это воздействие зависит от дозы облучения, метода облучения, вида излучения и возраста и состояния организма. За девяносто лет, прошедших со времени открытия ионизирующих излучений, накоплен огромный фактический материал, прежде всего феноменологического плана, обобщение которого позволило построить стройную систему представлений, допускающих их широкую экспериментальную проверку и создающих основы для оптимистических прогнозов.

Радиобиология – это наука о воздействии всех видов ионизирующих излучений на живые организмы и их сообщества.

Радиобиологический парадокс – большое несоответствие между ничтожной величиной поглощенной энергии и крайней степенью выраженности реакций биологического объекта вплоть до летального исхода.

Предмет радиобиологии – вскрытие общих закономерностей биологического ответа на ионизирующее излучение и разработка путей и методов лучевыми реакциями организма.

Задачи радиобиологии:

• поиск средств защиты организма от воздействия ИИ и пути пострадиационного восстановления от повреждений;

• прогнозирование опасности для человека и животных, вызванных повышенным уровнем радиации окружающей среды и радиоактивным загрязнением с/х продуктов;

• разработка методов использования излучений в качестве радиобиологической технологии;

• диагностика болезней и лечение больных;

• рассмотреть и изучить кардинальные понятия радиочувствительности;

• изучить возможность изменять радиочувствительность с помощью физ. и хим. агентов;

• изучить процессы восстановления на клеточном и организменном уровне;

• провести полный анализ лучевых болезней, знать методы лечения острой и хронической болезни.

Фундаментальная задача: вскрытие общих закономерностей биологического ответа на воздействие ионизирующих излучений, которые являются научной основой гигиенической регламентации радиационного фактора и овладения искусством управления лучевыми реакциями организма.

Методы: 1) физическая дозиметрия; 2) химическая дозиметрия; 3) фотохимическая дозиметрия; 4) калометрическая дозиметрия; 5) математический расчет; 6) биологический метод; 7) цитогенетический; 8) биохимический;

9) геофизический; 10) иммунологический

Наличие фундаментальной задачи, составляющей предмет радиобиологии, и собственных методов исследования, определяет ее как самостоятельную комплексную научную дисциплину, имеющую тесные связи с рядом теоретических и прикладных областей знаний (рис.1).

 

Рис.1. Связь радиобиологии с другими дисциплинами.

Особенности радиобиологии как науки:

• строго экспериментальная дисциплина;

• специфические, присущие только радиационному агенту свойства, обусловливают другую особенность радиобиологии–необходимость проведения исследования на всех уровнях биологической организации – от молекулярного до популяционного;

• большая практическая значимость;

• овладение способами искусственного управления лучевыми реакциями биологических объектов и человека с помощью различных модифицирующих средств.

Как самостоятельная научная дисциплина начала формироваться в середине прошлого столетия после уникальных открытий ядерной физики – атомной энергии и возможностей её получения путём деления атомов урана.

На современном этапе взаимодействия человека и окружающей среды особенно актуальными являются вопросы воздействия источников ионизирующего излучения природного и техногенного происхождения на живые объекты и изучение процессов биологического ответа. Опасно недооценивать губительное действие радиации на живые организмы, но в тоже время не следует, и переоценивать опасность малых доз ионизирующего излучения, сопоставимых с естественным радиационным фоном, изменяющим свои уровни в десятки и сотни раз в различных районах проживания человека.

Таким образом, современная радиобиология представляет самостоятельную комплексную дисциплину, которая имеет четко выделенные отдельные отрасли, главные из которых перечислены на рис.2. Такие направления, как противолучевая защита и терапия радиационных поражений, космическая радиобиология, радиационная иммунология, радиационная гигиена и, наконец, получившая активное развитие в настоящее время радиобиология опухолей, могут быть с достаточным основанием объединены в одну крупную ветвь радиобиологии – медицинскую радиобиологию.

Каждое из перечисленных направлений имеет свои конкретные задачи, достаточно полно определенные их названием, для решения которых, однако, применяют специальные радиобиологические количественные методы исследования, что и объединяет их в одну общую дисциплину.

 

Рис. 2 Структура радиобиологии.

ЗАКОН РАДИОАКТИВНОГО РАСПАДА

Радиоактивный распад является статическим явлением. Особенностью является то, что ядра одного и того же элемента распадаются постепенно. Заранее невозможно указать вероятность распада одного ядра за единицу времени. Эта вероятность характеризуется коэффициентом – постоянной распада l, которая показывает, какая доля ядер распадается в единицу времени. Размерность λ: с–1, мин–1, ч–1 и т.д.

Величина, обратная постоянной распада, называется средней продолжительностью жизни ядра.

τ = 1/λ                                             (1.8)

Закон радиоактивного распада: за единицу времени распадается всегда одна и та же доля наличных (т.е. не распавшихся) ядер данного элемента

N = N0 × e–λt                                            (1.9)

На практике вместо l чаще используют другую характеристику –период полураспада (Т) – это время, в течение которого распадается половина исходного количества радиоактивных ядер (см. рис. 9).

 

Рис. 9. Зависимость количества ядер от времени.

Под линейной плотностью ионизации i понимают отношение числа dn ионов одного знака, образованных заряженной ионизирующей частицей на элементарном пути dl к этому пути. В воздухе при нормальном атмосферном давлении р=760ммртст. (1,01–3∙105 Па) i = (2–8)•106 пар ионов/м. Линейная тормозная способность вещества S – отношение энергии dE, теряемой заряженной ионизирующей частицей при прохождении элементарного пути dl в веществе, к длине этого пути:

S =                                            (1.10)

Значения линейной тормозной способности воздуха S лежат в интервале (70–270) МэВ/м(112∙10–13–432•10–13Дж/м).

Средним линейным пробегом заряженной ионизирующей частицы R является среднее значение расстояния между началом и концом заряженной ионизирующей частицы в данном веществе.

АКТИВНОСТЬ РАДИОАКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА

Активность излучателя (А) определяется числом атомных ядер, распадающихся за единицу времени. Единицы А. Единицей активности в абсолютной системе координат служит распад в секунду – беккерель.

1 Бк = 1 расп/сек (1.11)

Внесистемной единицей является кюри (Кu) – такое количество любого радиоактивного вещества, в котором число радиоактивных распадов в секунду равно 3,7∙1010.

Для измерения количества поглощённой энергии введено понятие «доза излучения» – величина энергии поглощённой в единице объёма (массы) облучаемого вещества.

Экспозиционная доза (X) является мерой ионизационного воздействия излучения на воздух. Единицы X: кулон на килограмм (Кл/кг) (Си), внесистемной единицей является рентген (С), 1 С = 2,58∙10–4 Кл/кг.

Поглощенная доза (Д) определяется средним количеством энергии, поглощенной единицей массы облучаемого вещества. Единицы Д: грэй (Гр) – такая поглощённая доза любого вида ИИ, при которой в 1 кг массы облучаемого вещества поглощается 1 Дж энергии излучения.

 

1 Гр = 1 Дж/кг (1.12)

Внесистемной единицей является рад (рад) – доза, при которой в 1 г массы вещества поглощается энергия равная 100 эрг (10–2 Дж/кг).

1 рад = 0,01 Гр (1.13)

Для оценки биологического действия излучения введён биологический эквивалент рентгена (бэр) В практике используют системную единицу

зиверт (Зв) (Си):

1 бэр = 0,01 Зв (1.14)

 

Рис. 10. Связь понятий «поле», «доза» и «эффект».

Схематично взаимосвязь основных понятий радиоактивности отражена на рис 10.

Коэффициент радиационного риска – это эквивалентная доза облучения всего организма в зивертах, которая приводит к тем же последствиям, что и облучение данного органа эквивалентной дозой в 1 Зв. Если для организма в целом к =1, то для красного костного мозга он равен 0,12, для половых желез – 0,25, для молочных желез – 0,15, для легких – 0,12, для щитовидной железы – 0,03 и т.д.

Умножив эквивалентную дозу на соответствующие коэффициенты радиационного риска и просуммировав по всему организму, органу или группе органов, получим эффективную эквивалентную дозу, отражающую суммарный эффект облучения:

Нэфф =  , (1.15)

где   – коэффициент радиационного риска i-того органа; Нi –эквивалентная доза излучения, поглощенного этим органом. Она также измеряется в зивертах.

Просуммировав индивидуальные эффективные дозы, полученные группой людей, будем иметь коллективную эффективную эквивалентную дозу, которая измеряется в человекозивертах. По величине коллективной дозы можно оценить масштаб радиационного поражения.

Для обеспечения прогноза радиоактивных воздействий введено понятие мощность дозы. Это чрезвычайно важное понятие применяется и для экспозиционной, и для поглощенной, и для эквивалентной доз. В каждом случае, соответствующая мощность дозы равна дозе, получаемой тем или иным веществом за единицу времени (за секунду или, в бытовых условиях чаще, за час). Мощность эквивалентной дозы принято обозначать МЭД. Зная эту величину, можно наперёд вычислить ожидаемое значение получаемой дозы за любой, наперед заданный, период времени, умножив МЭД на это время. Поглощенную и экспозиционную дозу излучений, отнесенные к единице времени, называют мощностью поглощенной и экспозиционной доз. Мощность экспозиционной дозы можно определить, если известна ионизационная g-постоянная, характеризующая данный радионуклид.

Различают дифференциальные и полные g-постоянные.Дифференциальная γ-постоянная относится к определенной моноэнергетической линии γ-спектра изотопа. Полная γ-постоянная равна сумме дифференциальных γ-постоянных.

Полная ионизационная γ-постоянная данного изотопа определяется как мощность экспозиционной дозы в рентгенах за час, которая создается точечным изотопным γ-источником активностью в 3,7•107 Бк на расстоянии 1 см (10–2 м) без начальной фильтрации.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Литература.

 

 Н.Сорокин. Профессиональные болезни и их последствия. Изд. 2, 1999 Н.В. Медуницын Диагностика и профилактика острой лучевой болезни.