1. Содержание предмета радиобиологии. Цель, задачи, методы. Связь радиобиологии с ядерной физикой, общей биологией, цитологией, генетикой, биохимией, биофизикой, фармакологией, гигиеной и клиническими дисциплинами.

Радиобиология – наука о действии всех видов ионизирующих излучений на живые организмы и их сообщества. Фундаментальными задачами, составляющими предмет радиобиологии, являются:

• вскрытие общих закономерностей биологического ответа на воздействие ионизирующих излучений, в том числе и объяснение радиобиологического парадокса

• управление радиобиологическими эффектами.

Объектом изучения радиобиологии:

Биологические реакции на действие ионизирующего излучения на вирусы, простейших и человека. Действие радиации на популяции и биоценозы.

Предмет изучения:

Механизмы развития радиационных поражений различных объектов.

В соответствии с объектами радиобиологических исследований (уровней организации живого) в радиобиологии выделяют 3 раздела:

1. Радиобиология сложных систем (экологические системы, популяции, многоклеточные организмы, органы и ткани)

2. Клеточная радиобиология (клетки, клеточные органеллы, биологические мембраны)

3. Молекулярная радиобиология (макромолекулы, «малые молекулы»).

Решение же актуальных проблем радиобиологии возможно только в содружестве с математиками, кибернетикой, физиками и биофизикой, морфологами и физиологами, другими специальностями в области природоведения.

Все физические аспекты взаимодействия ионизирующих излучений с биосубстратом описываются с помощью физических законов, детектируются и анализируются с помощью физических приборов и технологий.

Радиобиология активно использует новейшие достижения ядерной физики, включая новые полученные радионуклиды и источники ионизирующих излучений, системы рационального контроля и защиты.

Благодаря физике и биофизике, затем радиационной биофизике, химии и биохимии, а затем радиационной биохимии были достаточно глубоко изучены физические и физико-химические процессы в живых организмах, в том числе и при действии на них ионизирующих излучений.

Использование математических методов расчетов и моделирования привели к возникновению количественных и стохастических методов, которые статистически описывают закономерности взаимодействия ионизирующих излучений с веществом, биологическими структурами клетки и характер их повреждений, что привело к созданию теории надежности биологических систем, объясняющей стойкость организма к стрессовым действиям и его адаптационные способности.

Использование принципов и методов исследования, технологий молекулярной биологии, биохимии и цитологии, позволяющих раскрыть и объяснить различные стороны специфического взаимодействия ионизирующего излучения с биосубстратом на разных уровнях его структурно-функциональной организации привели к возникновению радиационной биохимии и радиационной цитологии.

2. Исторический очерк открытия ионизирующих излучений и явления радиоактивности. Этапы развития радиобиологии.

Возникновение радиобиологии как науки обусловлено тремя великими научными открытиями конца 19 века: 1895 год - открытие Конрадом Рентгеном Х-лучей (рентгеновского излучения); 1896 г. - открытие Анри Беккерелем явления естественной радиоактивности; 1898 год- получение Марией Склодовской и Пьером Кюри первых радиоактивных элементов - полония и радия.

Этапы развития радиобиологии.

1 этап: 1895-1922 гг. Описательный.

Сразу же после открытия Рентгена, начались интенсивные исследования действия рентгеновских лучей на живые организмы. И.Ф. Тарханов показал, что рентгеновские лучи изменяют различные физиологические показатели животных и насекомых, выдвинул предположение, что рентгеновские лучи можно использовать для лечения различных заболеваний. В 1896 году появились первые сообщения о различных поражениях кожи у лиц, облученных рентгеновскими аппаратами. Немецкий ученый - врач Г. Фрибен описал первый случай рака кожи вызванный облучением. Американец Дж. Джилман впервые использовал рентгенотерапию для лечения рака. Поражение кожных покровов возникали и после воздействия лучами радия. Пьер Кюри, желая выяснить их влияние на кожу, специально облучил радием свою руку. В сообщении, сделанном им в Парижской Академии наук, он подробно описал процесс поражения кожи. Е.С. Лондон обнаружил летальный эффект радия на мышей при исследовании его действия на различные органы этих животных. Результаты своих исследований Е. Лондон обобщил в работе «Радий в биологии и медицине», которая была опубликована 1911 году. Эта книга является первой в мире монографией по радиобиологии. На этом этапе развития, были обнаружены два очень важных факта. Первый факт- торможение клеточного деления при облучении (М.Корнике, 1905 год), второй - различные реакции (по степени выраженности) различных клеток на облучение. Этот факт обнаружили французские ученые И. Бергонье и Л. Трибондо в 1906 году. В современной радиобиологии их выводы называют законом (правилом) Бергонье и Трибондо: клетки, обладающие способностью к делению (менее дифференцированые), более радиочувствительны, чем созревшие, дифференцированные клетки.

2 этап: 1922-1945 гг. Количественный.

Этот период характеризуются массовыми экспериментами на популяциях клеток и организмов, с количественным представлением результатов на специальных кривых, отражающих зависимость радиобиологического эффекта от дозы излучения. В 20-х годах была предложена гипотеза, объясняющая радиобиологический эффект дискретными событиями: актами ионизации атомов и молекул в дискретном объеме (С. Дессауэр, К. Блау, Е. Алтенбургер). В 1925-26 годы российские исследователи Г.А. Надсон и Г.Ф. Филлипов исследовали действие ионизирующих излучений на генетический аппарат клетки и обнаружили мутагенное действие радиации. Впоследствии эти опыты были повторены американцем Г. Меллером, который показал мутагенный эффект ионизирующих излучений на дрозофилах. Мутагенное действие рентгеновских лучей на растения впервые показал в 1928 году Л. Стадлер. Возможность использования радиационного мутагенеза в селекции растений было показано в работах Л.Н. Делоне (1932) и Л.А. Сапегина (1934). Результативные эксперименты по радиационной генетике животных были выполнены в 1933-35 годах под руководством П.Ф.Рокицкого.

3 этап: с 1945 по сегодняшний день.

Третий этап развития радиобиологии характеризуется большим количеством целенаправленных экспериментальных работ по действию ионизирующих излучений на живые системы различных уровней организации. В 60-70-ые годы в Калифорнийской военно-морской лаборатории США был проведен цикл крупномасштабных исследований на домашних животных по изучению их радио- устойчивости, механизмов репарации клеток и тканей после радиационного поражения. Результаты этих экспериментов имеют большое общебиологическое значение. Подобные эксперименты проводились и в нашей стране.

Задача современного этапа – разработка способов противолучевой защиты и лечения лучевой болезни.

26 апреля 1986 г. Авария на Чернобыльской АЭС. С этого момента внимание направлено на выявление повреждающего и защитного действия малых доз радиации.

3. Сущность явления радиоактивности и типы радиоактивных превращений ядер (альфа-распад, бета-превращения ядер, изомерный переход, спонтанное деление тяжелых ядер). Законы радиоактивного распада. Ядерные реакции. Явление наведенной радиоактивности.

Радиоактивность — это способность атомов некоторых изотопов самопроизвольно распадаться, испуская излучение.

Типы радиоактивных превращений:

Альфа-распадом называют самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α-частицу (ядро атома ⁴He).

Альфа-распад, как правило, происходит в тяжёлых ядрах с массовым числом А ≥ 140 (хотя есть несколько исключений). Внутри тяжёлых ядер за счёт свойства насыщения ядерных сил образуются обособленные α-частицы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов.

Бета-распад (точнее, бета-минус-распад, β⁻-распад) — это радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием из ядра электрона и электронного антинейтрино. Бета-распад является внутринуклонным процессом.

Изомерный переход (гамма-распад) — радиоактивный распад атомного ядра, происходящий из возбуждённого метастабильного состояния с излучением одного или нескольких гамма-квантов.

Спонтанное деление – самопроизвольный распад тяжёлых ядер на два (редко – три или четыре) осколка – ядра элементов середины Периодической таблицы.

Закон радиоактивного распада

Современная формулировка закона:

dN/dt= -λN

что означает, что число распадов за интервал времени t в произвольном веществе пропорционально числу N имеющихся в образце радиоактивных атомов данного типа.

В этом математическом выражении λ — постоянная распада, которая характеризует вероятность радиоактивного распада за единицу времени и имеет размерность с⁻¹. Знак минус указывает на убывание числа радиоактивных ядер со временем. Закон выражает независимость распада радиоактивных ядер друг от друга и от времени: вероятность распада данного ядра в каждую следующую единицу времени не зависит от времени, прошедшего с начала эксперимента, и от количества ядер, оставшихся в образце.

Ядерная реакция — это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, который может сопровождаться изменением состава и строения ядра. По механизму взаимодействия ядерные реакции делятся на два вида:

• реакции с образованием составного ядра, это двухстадийный процесс, протекающий при не очень большой кинетической энергии сталкивающихся частиц (примерно до 10 МэВ).

• прямые ядерные реакции, проходящие за ядерное время, необходимое для того, чтобы частица пересекла ядро. Главным образом такой механизм проявляется при больших энергиях бомбардирующих частиц.

Наведённая радиоактивность — это радиоактивность веществ, возникающая под действием облучения их ионизирующим излучением, особенно нейтронами. При облучении частицами (нейтронами, протонами, гамма-квантами) стабильные ядра могут превращаться в радиоактивные ядра с различным периодом полураспада, которые продолжают излучать длительное время после прекращения облучения. Особенно сильна радиоактивность, наведённая нейтронным облучением.

4. Природные радионуклиды. Радиоактивные ряды. Радионуклиды, не входящие в ряды, существующие с момента образования Земли и постоянно новообразуемые в атмосфере под влиянием космических лучей. Космические лучи. Характеристика первичного и вторичного космического излучения.

Источники ионизирующей радиации, формирующей естественный фон Земли, можно разделить на 3 группы:

1.Природные радионуклиды, входящие в радиоактивные ряды.

2.Радионуклиды, не входящие в ряды:

–радионуклиды, существующие с момента образования Земли;

– постоянно новообразуемые радионуклиды вследствие действия космических лучей на атмосферу

3.Космические лучи.

Радиоактивный ряд – ряд последовательных превращений ядер атомов, испытывающих либо α-, либо β-распад. В природе существует 3 радиоактивных семейства, родоначальниками которых являются наиболее долгоживущие радионуклиды, испускающие α-лучи. Одним из промежуточных членов каждого семейства является газ один из изотопов радона. Все семейства заканчиваются стабильным изотопом свинца. В искусственных условиях был получен ²³⁷₉₃Np, который является родоначальником ещё одного семейства.

1.ториевый ряд: наиболее долгоживущий изотоп - Th-232, Т_1/2 = 1.4 × 10¹⁰ лет;

2.урановый ряд по наиболее долгоживущему изотопу - U-238, Т_1/2 = 4.5 × 10⁹ лет;

3.урановый ряд по наиболее долгоживущему изотопу - U-235, T_1/2 = 7 × 10⁸ лет;

4.нептуниевый ряд: наиболее долгоживущий изотоп - Np-237, Т_1/2 = 2.2 × 10⁶ лет.

Природной радиоактивностью обладают изотопы некоторых элементов с периодом полураспада, сравнимым со временем существования нашей планеты, которые образовались в момент формирования Земли и не распались до настоящего времени. Эта группа в основном состоит из 11 долгоживущих радионуклидов (период полураспада от 10⁷ до 10¹⁵ лет). Из них наибольший вклад в формирование эффективной дозы вносят К-40 и Rb-87.

Некоторые природные радионуклиды постоянно новообразуются при воздействии космических лучей на верхние слои атмосферы. Это ³H, ¹⁴C, ³²P, ⁷Be, ³⁵S, ³⁹Cl.

Космические лучи - это ионизирующее излучение, непрерывно падающее на поверхность Земли из мирового пространства и образующееся в земной атмосфере в результате взаимодействия излучения с атомами воздуха.

Различают первичное и вторичное космическое излучение. Первичное космическое излучение представляет собой поток элементарных частиц, которые приходят на земную поверхность из разных областей всемирного пространства. Оно образуется вследствие извержения и испарения материи с поверхности звезд и туманностей космического пространства. Оно состоит из протонов (92%), альфа-частиц (7%), ядер атомов лития, бериллия, бора, углерода, азота, кислорода и др. (1%). Первичное космическое излучение отличается большой проникающей способностью. Космические излучения подразделяются по происхождению на внегалактические, галактические и солнечные.

При взаимодействии космических частиц с атомами элементов, находящихся в атмосфере возникает вторичное космическое излучение. Оно состоит из мезонов, электронов, позитронов, протонов, нейтронов, гамма- квантов, т.е. из практически всех известных в настоящее время частиц.