История развития радиобиологии

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 основе 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 г., 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 г.), установившего в опытах наличие ответных реакций на облучение в некотрых системах организма лягушек и насекомых.

В 1903 г. 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 г. Корнике установил, что под влиянием ионизирующего излучения тормозится деление клеток, а Бергонье и Трибондо выявили неодинаковую чувствительность разных клеток к облучению (1906 г.), 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 г. в опытах на дрожжевых клетках и плесневых грибах Г. Н. Надсони Г. Ф. Филиппов выявили действие ионизирующих излучений на генетический аппарат клетки, которое 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 необходимость 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 основе 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 разработка 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 г. Э. Резерфорд предложил планетарную модель атома, которая была развита Н. Бором (1913 г.). Согласно этой модели в цен­тре атома расположено ядро, имеющее положительный электричес­кий заряд. Вокруг ядра перемещаются по эллиптическим орбитам электроны, образующие электронную оболочку атома. В зависимости от энергии, которая удерживает электроны при вращении вокруг ядра, они группируются на той или иной 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 «спин». Спины отдельных электронов могут быть 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 называется 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, которое 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 _Z^АХ, 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. В настоящее время 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).

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. Однако 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. Они 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. Поэтому при увеличении числа нуклонов в ядре ядерные силы значительно ослабевают.

ЯВЛЕНИЕ РАДИОАКТИВНОСТИ

В конце прошлого столетия были сделаны два крупнейших от­крытия. В 1895 г. В. Рентген обнаружил лучи, которые возникали при пропускании тока высокого напряжения через стеклянный баллон с разреженным воздухом, а в 1896 г. А. Беккерель открыл явление радиоактивности. Беккерель обнаружил, что соли урана самопро­извольно испускают невидимые лучи, вызывающие почернение фотопластинки и флуоресценцию некоторых веществ. В1898 г. 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. Кроме того, 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 называется радиоактивным распадом. Таким образом, 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. Однако деление это условно, так как оба вида радиоактивности подчиняют­ся одним и тем же законам.