Глава 10

ПЕРВИЧНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ДЕЙСТВИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА КЛЕТКИ

В настоящее время в связи с развитием науки и тех­ники большое значение имеет изучение действия различ­ных физических факторов на клетки. В данной главе рассматривается действие ионизирующей радиации и ультразвука на клетки.

Изучение действия ультразвука вызвано тем, что он все шире применяется в медицине для диагностики и терапии.

Изучение действия ионизирующей радиации на орга­низмы обусловлено рядом причин: созданием ядерного оружия, одним из поражающих факторов которого яв­ляется ионизирующая радиация; использованием ядер­ной энергии в промышленности; выходом человека в космос, где радиоактивное излучение более интенсивно, чем фоновое излучение на Земле. Наличие указанных факторов обусловливает необходимость разработки ме­тодов защиты организмов от поражающего действия радиоактивных излучений, что в свою очередь требует выяснения механизмов действия излучений на организ­мы. С другой стороны, изучение действия ионизирующих излучений на организмы необходимо для дальнейшего развития методов рентгено- и радиотерапии, а также применения ионизирующих излучений в генетике и се­лекции.

ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ НА КЛЕТКИ

Виды ионизирующей радиации •

Ионизирующее излучение по своей природе делится на электромагнитное и корпускулярное излучение. К электромагнитному ионизирующему излучению отно­сятся рентгеновские и γ-лучи. Они занимают крайнее место в спектре электромагнитных волн вслед за радио­волнами, инфракрасными лучами, видимым светом и ультрафиолетовыми лучами.*Длина волны рентгеновских и γ-лучей меньше 1 нм и значительно меньше длины вол-

231

ны видимого света. Так, длина волны рентгеновских лу­чей, испускаемых диагностическим рентгеновским аппа­ратом, в 10 000 раз, а γ-лучей, испускаемых ⁶⁰СО, при­мерно в 450 000 раз меньше длины волны фиолетового света.

Энергия фотонов Е рентгеновского излучения и γ-излучения определяется по формуле:

где h — постоянная Планка; γ — частота излучения; с — скорость света; λ — длина волны излучения.

Так как длина волны рентгеновских лучей и γ-лучей меньше длины волны видимого света, то энергия их фо­тонов больше энергии фотонов видимого света. Так, энергия фотонов фиолетового света равна 3 эВ, энергия фотонов рентгеновских лучей для диагностики — 30 кэВ, а энергия γ-квантов ⁶⁰СО равна 1,16 и 1,33 МэВ.

1 эВ — это энергия, которую приобретает электрон, проходя электрическое поле с разностью потенциалов в 1 В. 1 эВ=1,6^-12 эрг; 1 кэВ = 10³ эВ; 1 МэВ=10⁶ эВ. Энергия рентгеновских квантов и γ-квантов может изме­няться от десятков кэВ до нескольких МэВ в зависимо­сти от длины волны.

Рентгеновские лучи возникают при радиоактивном распаде веществ. Для искусственного получения рентге­новских лучей используются рентгеновские трубки. В них электроны, испускаемые при разогреве катода, ускоряются в электрическом поле, создаваемом прило­женным к аноду высоким напряжением. Электроны приближаются к атомам металла, из которого изготов­лен анод, и испытывают резкое торможение. Кинетиче­ская энергия электронов при этом превращается в энер­гию излучения атомов анода. В соответствии с законом сохранения энергии максимальное значение энергии фо­тонов не превышает приложенного напряжения, но мо­жет иметь любое значение ниже его. Фотоны рентгенов­ских лучей очень высокой энергии получают при помощи ускорителей ядерных частиц — бетатронов.

γ-Кванты испускаются возбужденными атомными ядрами в ходе ядерных реакций. Ядро, так же как и атом, представляет собой квантово-механическую систе­му с дискретным набором энергетических уровней. При переходе ядра из одного энергетического состояния в

232

другое испускается γ-квант, энергия которого равна раз­ности энергетических уровней ядра до и после превра­щения.

К корпускулярным ионизирующим излучениям отно­сятся α-частицы, β-частицы, нейтроны, протоны, дейтро­ны, ядра элементов. Основным источником корпускуляр­ных излучений является распад радиоактивных изото­пов. Искусственно корпускулярные излучения получают с помощью ускорителей частиц.

β-Частицами называются электроны и позитроны, которые излучаются при внутриядерных превращениях. Позитроны отличаются от электронов тем, что несут по­ложительный элементарный заряд. При β-распаде атом­ного ядра испускается электрон (или позитрон) и анти­нейтрино (или нейтрино). Поскольку при этом заряд яд­ра изменяется на единицу, то атом превращается в изо­топ предшествующего элемента, когда испускается пози­трон, и в изотоп следующего в периодической системе элемента, когда испускается электрон.

α-Частицы по своей физической природе являются ядрами атома гелия с атомной массой 4,003 и зарядом в две элементарные единицы. Источником α-частиц яв­ляется распад радиоактивных изотопов, например:

Протоны и дейтроны представляют собой ядра легко­го и тяжелого водорода с единичным положительным зарядом. Масса протона равна приблизительно одной атомной единице, а масса дейтрона — двум единицам. Протоны и дейтроны выбрасываются из ядер при неко­торых ядерных реакциях, возникающих, например, при бомбардировке некоторых ядер α-частицами.

Нейтроны — электрически нейтральные частицы с массой, близкой к одной атомной единице.

Энергия Е частиц любого вида корпускулярного из­лучения определяется их скоростью движения:

(2)

где т — масса частицы; v — ее скорость.

При взаимодействии ионизирующего излучения с ве­ществом происходит возбуждение и ионизация атомов вещества. Возбуждение атома заключается в том, что при его столкновении с частицей или квантом излуче-

₂₃₃

ния происходит перемещение электронов атома на более высокие энергетические уровни. При обратном переходе электронов с возбужденных уровней на основные ранее поглощенная энергия излучается в виде квантов видимо­го, ультрафиолетового или рентгеновского излучения. Кроме того, возбужденные атомы могут вступать в хи­мическое взаимодействие.

Возбуждение атома происходит, если он поглощает энергию не больше 10 эВ, что равняется примерно энер­гии связи электрона с ядром. Электрон при этом остает­ся в пределах атома. Если атом поглощает энергию больше энергии связи электрона с ядром, то электрон покидает пределы атома (молекулы) — происходит иони­зация. Атомы и молекулы, потерявшие электроны, ста­новятся положительными ионами. Освободившиеся электроны, присоединяясь к нейтральным атомам и мо­лекулам, образуют отрицательные ионы. Электроны, вы­битые из атомов, могут обладать большой энергией. В таком случае эти электроны сами способны ионизи­ровать атомы и молекулы и создавать вторичные элект­роны. Так как энергия возбуждения атомов меньше энергии ионизации, то вероятность процесса возбужде­ния больше, чем вероятность ионизации, и на каждую пару ионов образуются возбужденные атомы и молекулы.

Действие ионизирующей радиации на организм зави­сит от количества излучения, поглощенного организмом. Для определения количества поглощенного излучения применяют понятие дозы, под которой имеется в виду количество поглощенной энергии. За единицу дозы рент­геновского излучения и γ-излучения принимается рент­ген. Один рентген (1 Р) — такая доза рентгеновского излучения или γ-излучения, при которой 1 г воздуха при 0°С и 760 мм рт. ст. поглощает 84 эрг энергии. Для из­мерения дозы любого ионизирующего излучения приме­няется единица — физический эквивалент рентгена (фэр). Фэр — это доза любого ионизирующего излучения, при которой 1 г вещества поглощает 84 эрг — столько же, сколько поглощает 1 г воздуха при 1 Р электромаг­нитного излучения.

Однако различные виды ионизирующего излучения в одной и той же дозе дают различный биологический эф­фект. Биологический эффект при действии излучения за­висит от плотности ионизации, которая измеряется чис­лом пар ионов, образуемых на 1 мкм пути частицы.

234

Плотность ионизации пропорциональна квадрату заряда и обратно пропорционально скорости частицы. Так как при равных энергиях скорость частицы обратно пропор­циональна массе, то плотность ионизации будет прямо пропорциональна массе частицы. Поэтому при одинако­вых энергиях наибольшую плотность ионизации дают α-частицы, имеющие наибольший заряд и наибольшую массу. Наименьшую плотность ионизации дают элект­роны, рентгеновские лучи и γ-лучи. Протоны, нейтроны и дейтроны занимают промежуточное положение между первой и второй группами излучения.

Для сравнения различных видов излучения нужна была единая мера. С этой целью в дозиметрию была введена единица — биологический эквивалент рентгена (бэр) — доза любого вида ионизирующего излучения, поглощение которого в биологическом отношении экви­валентно поглощению 1 Р электромагнитного излучения. Поскольку для различных видов изучения биологиче­ский эквивалент рентгена различен, понадобилось вве­дение такого понятия, как относительная биологическая эффективность (ОБЭ). ОБЭ зависит от величины плот­ности ионизации в ткани живого объекта. За единицу ОБЭ принята эффективность рентгеновских лучей с энер­гией 200 кэВ. Корпускулярные излучения обладают большей плотностью ионизации при одинаковой энер­гии по сравнению с рентгеновскими лучами, поэтому при одинаковой физической дозе биологическая эффек­тивность их действия будет больше. ОБЭ показывает, во сколько раз биологический эффект данного излуче­ния больше эффекта, вызываемого равной физической дозой рентгеновского излучения:

Дбэр = Дфэр-ОБЭ,

где Д — доза поглощенного излучения.

Ниже приведены величины ОБЭ для различных ви­дов излучения.

Вид излучения ОБЭ

Гамма-лучи и рентгенов- 1

ские лучи

Бета-частицы и электроны 1

Альфа-частицы и протоны 10

Тепловые нейтроны 3

Быстрые нейтроны (до 10

20 МэВ)

Многозарядные ионы и яд- 20

ра отдачи

235