Модуль 1 з радіобіології

1). Визначення радіобіології, її задачі Радіобіологія – це наука, що вивчає дію іонізуючих випромінювань на біологічні системи різних рівнів організації, в тому числі на живі організми та їх угруповання. Радіобіологія досліджує реакції на опромінення будь-яких біологічних об’єктів − вірусів, бактеріофагів, клітинних органел, клітин, тканин, багатоклітинних організмів тваринного й рослинного світу, людини, видових популяцій, угруповань організмів і біосфери в цілому, а також вивчає механізми процесів, які спричиняють формування радіобіологічної відповіді клітини. Ці процеси відбуваються на різних рівнях: взаємодія фотонів або частинок іонізуючих випромінювань з атомами й молекулами, формування активних форм молекул, ушкодження біологічно важливих макромолекул, індуковані іонізуючим випромінюванням процеси в ядрі клітини, в мембранних системах, інших ультраструктурах клітини, в клітинних популяціях, у складних організмах, у видових популяціях, в екосистемах. Головним завданням радіобіології є вивчення загальних закономірностей біологічної дії іонізуючих випромінювань на організм з метою оволодіння управлінням його реакціями на опромінення. Практичне значення наукових проблем, що вивчає радіобіологія, полягає в захисті від дії іонізуючого випромінювання, а також розроблення шляхів використання іонізуючих випромінювань в медицині, сільському господарстві та інших сферах народного господарства. Відповідно до рівнів досліджуваних систем у радіобіології виділяють розділи, які набули рис самостійних наук із властивими для них методологією досліджень, системою понять і логікою теоретичного аналізу досліджуваних явищ. До групи розділів, що вивчають процеси індуковані під впливом іонізуючих випромінювань на різних рівнях організації біологічних систем належать: радіаційна біофізика, радіаційна хімія, біохімія, молекулярна радіобіологія, радіаційна мембранологія, клітинна радіобіологія, радіаційна цитогенетика, радіобіологія клітинних популяцій, радіаційна генетика. З метою вивчення видоспецифічності дії іонізуючого випромінювання із переходом на вищі рівні організації процесів, дістали розвиток розділи радіобіології, що вивчають радіобіологічні реакції представників царств живої природи, а саме: радіаційна вірусологія, радіаційна мікробіологія, радіобіологія найпростіших, радіобіологія безхребетних, радіобіологія комах, радіобіологія рослин та тварин.

2). Будова атома. Термін “атом” означає “неподільний”. Атом – елементарна, доцільна досконало збудована частинка елементу, що зберігає його хімічні властивості. У сучасному уявленні атом складається з ядра, що має позитивний електричний заряд, і хмари негативно заряджених електронів, що обертаються навколо ядра. Кількість електронів в атомі рівна сумарному позитивному заряду ядра, тому атоми нейтральні. Електрони рухаються по орбітах, що характеризуються основними, орбітальними і магнітними квантовими числами. Заряд ядра характеризує атомний номер і визначає його місце в таблиці хімічних елементів Менделєєва. Сучасні уявлення про будову атома базуються на квантовій механіці. Ядро будь-якого атома складається з елементарних частинок – протонів і нейтронів. Протони мають позитивний заряд, чисельно рівний і протилежний за знаком заряду електрона, і масу спокою. Нейтрони не мають електричного заряду, але мають теж масу спокою. Протони і нейтрони мають спільну назву – нуклони. Кожен вид атомів (ядер) називається нуклідом. Нуклід – це вид атомів і ядер, що відповідає певному числу протонів і нейтронів. Нукліди, ядра яких мають однакову кількість протонів, але різну кількість нейтронів, називаються ізотопами. Ізотопи хімічно тотожні, але відрізняються масою і ядерними властивостями. Всі хімічні речовини мають ізотопи. Найменшу кількість відомих ізотопів має водень (три – водень, дейтерій, тритій), а найбільшу ксенон і цезій (36). Всього відомо близько 1300 ізотопів, з них 250 стабільні, інші радіоактивні. Ізотопи вуглецю і тритій утворюються під впливом космічної радіації.

3). Ізотопи та їх класифікація. Ізотопи це різновиди певного хімічного елемента, що мають різні маси ядер. Термін "ізотоп" походить від грецьких слів "ізо" – рівний, однаковий, "топос" – місце. Ізотоп – той, що посідає одне місце. Маса ядра ізотопа, виміряна в атомних одиницях маси, називається відносною атомною масою ізотопа або ізотопною масою. Природа ізотопії пояснюється різною будовою ядер ізотопів одного елемента: маючи однакове число протонів у ядрі (однаковий заряд ядра), ядра містять різне число нейтронів. Так, ядро "легкого" ізотопа водню містить один протон, а ядро "важкого" – один протон і один нейтрон. Ізотопи бувають природні, штучні, радіоактивні та стабільні. Природні ізотопи – ізотопи, які існують у природі. Штучні ізотопи – це такі, що не трапляються в природі, а утворюються під час ядерних реакцій. Взагалі відомі природні ізотопи 94 природних елементів. Є штучні ізотопи всіх 110 елементів, тобто поняття "штучні ізотопи" та "штучні елементи" не завжди співпадають. Штучні елементи – це ті, в яких усі ізотопи штучні. Радіоактивні ізотопи – це нестійкі ізотопи, що спонтанно перетворюються на інші нукліди, виділяючи енергію. Всі штучні та частина природних ізотопів радіоактивні. Вони називаються радіонуклідами. Стабільні ізотопи – це нерадіоактивні ізотопи. Нукліди – загальна назва атомів, які вирізняються кількістю ядерних частинок. Радіонуклід – це нестійкий нуклід, такий, що розпадається. Термін “радіонуклід” застосовується для визначення атомів радіоактивних речовин, оскільки радіоактивні ізотопи, як правило, бувають у складі сполук і дуже рідко 44 у вільному стані, наприклад радіонукліди 89Sr, 90Sr, 134Cs, 2137Cs тощо. За тривалістю періодів піврозпаду їх поділяють на три наступні групи: - короткоживучі, у складі яких немає радіонуклідів з періодами піврозпаду, що перевищують 10 років; - середньоживучі, що містять радіонукліди з періодом піврозпаду від 10 до 100 років включно; - довгоживучі, які мають радіонукліди з періодами піврозпаду понад 100 років. Відомі 273 стабільні нукліди природних елементів. Усі ізотопи елемента мають однакові хімічні властивості. Це явище підтверджує чинність сучасного формулювання періодичного закону Д.І. Менделєєва.

4). Типи ядерних перетворень Під радіоактивністю розуміють здатність деяких природних чи штучних елементів до розпаду. Такі елементи називають радіоактивними. Розпад елемента супроводиться зміною порядкового номера з перетворенням одного елемента на інший або масового числа з ви- никненням ізотопів даного хімічного елемента. Розпад триває доти, доки не утвориться стабільний, нерадіоактивний ізотоп. Більшість хімічних елементів мають як радіоактивні, так і стабільні ізотопи. Інтенсивність розпаду підпорядковується природному закону, який називають законом радіоактивного розпаду. Сформулювати його можна таким чином: кількість атомів_радіоактивного_елемента (ра- діонукліда), що розпадаються за одиницю часу, пропорційна їх за- гальній кількості; за рівні проміжки часу відбувається ядерне пере- творення рівних часток активних елементів речовини.

Із законом радіоактивного розпаду пов'язане поняття періоду на- піврозпаду радіоактивного елемента. За останнім визначається час, упродовж якого розпадається половила всіх атомів радіонукліда в даній масі речовини. Період напіврозпаду визначений для всіх відомих радіоактивних елементів: він коливається від часток секун- ди до мільярдів років. У зв'язку з цим розрізняють _короткоживучі радіонукліди, період напіврозпаду яких вимірюється секундами,та до- вгоживучі — з тривалішим періодом напіврозпаду.

Розрізняють такі види ядерних перетворень:

1. Альфа-розпад, при якому вивільняються альфа-частинки й ут- ворюються нові елементи з масовим числом меншим на чотири, за- рядом — на дві одиниці.

2. Бета-електронний розпад, коли вивільнюються електрони і заряд нового елемента зростає на одиницю, а масове число не змінюється.

3. Бета-позитронний розпад, коли вивільнюються позитрони; за- ряд елемента зменшується на одиницю, масове число не змінюється.

4. Електронне К-захоплення. В цьому випадку ядро захоплює електрон з внутрішньої оболонки. Заряд зменшується на одиницю, масове число не змінюється.

5. Самовільний поділ ядер. Інколи ядра важких елементів захоп- люють повільні нейтрони. При цьому ядра розпадаються з утворен- ням осколків. Реакція некерована, може бути причиною ядерного вибуху.

6. Термоядерні реакції. В умовах, коли температура середовища досягає мільйонів градусів, а тиск — декількох мільйонів атмосфер, ядра легких елементів, наближаючись одне до одного, об'єднуються у важкі. При цьому звільняються нейтрони і величезна кількість енергії.

Кожний акт радіоактивного розпаду супроводиться виникнен ням іонізуючого випромінювання. Розрізняють:

1. Корпускулярне випромінювання: альфа-, бета-частинки, ней- трони, протони, ядра віддачі. При цьому носії енергії мають масу спокою.

2. Квантове випромінювання: гама- та рентгенівське.