книги из ГПНТБ / Дертингер Г. Молекулярная радиобиология. Действие ионизирующих излучений на элементарные биологические объекты

«девальвацию». При анализе картин, получаемых в камере Вильсона, Поллард с коллегами [20], получили величину 110 эв на рой ионов. Последующее определение числа пар ионов на рой ([16] см. табл. 5) позволило рассчитать расход энергии на первичное событие, который оказался равным 54 эв. При этом величина энергии, приходящаяся на каждую пару ионов, равна 33 эв. Но все же вполне оправданы сомнения относительно того, можно ли данные, полученные для газов, экстраполировать на

Пщперя энергии, э§

Рис. 27. Распределение потерн энергии электронами, проходящими через тонкие слои органического веще­ ства при неупругом рассеянии. Электроны с энергией

другие вещества, поскольку коллективные возбуждения в твер­ дом теле дают величины распределения сил осциллятора, от­

частоту различных событий потери энергии, исходя из величины неупругого рассеяния. Так, вероятность того, что прошло более чем одно событие потери энергии при прохождении одной частицы через фольгу толщиной 130 А, очень мала, и поэтому данные, представленные на рис. 27 (пунктир), можно рассмат­ ривать как меру распределения частоты различных событий потери энергии. Примечательно, что чрезвычайно редко при каждом первичном взаимодействии переносится энергия меньше 10 эв. Чаще всего переносится 22 эв, в то время как среднее количество потери энергии на событие равно 60 эв. Распреде­ ление энергии можно сравнить с числом пар ионов в газах. Такого рода сравнение в дальнейшем пригодится при обсужде-

60

нии метода трековых сегментов (см. разд. 5.3). Несмотря на то,, что распределение энергии (см. рис. 27) не дает непосредствен­

что особый вид молекулярного повреждения требует, например, двух первичных событий, в каждом из которых участвуют двепары ионов, или утверждению, что этот процесс требует рас­ хода некоторого среднего количества энергии. В любом случаевероятность такого события снижается при увеличении энергии

пленки, может иногда происходить более одного события потери энергии на каждую проходящую частицу. Это отражается в- замедленном спаде спектра в области энергии свыше 40 эв. Если сделать поправку на эти события и, кроме того, вычесть вклад от лобовых соударений, то кривая даст примерную картину спектров возбуждения ДНК (сила осциллятора, делен­ ная на энергию соответствующего состояния). Но все это на­ столько трудно осуществимо (см. разд. 4.3), что не идет дальше такого рода качественной оценки.

Первичные процессы рассматривались с точки зрения взаи­ модействия частиц, а также поврежденных молекул. Первый подход, вероятно, является более приемлемым как в экспери­ ментальном, так и в теоретическом отношении. Тем не менее второй способ безусловно имеет большее значение для радио­ биологических исследований. В связи с этим дальнейшее раз­ витие радиационной физики не должно играть сколько-нибудь значительную роль в понимании биологического действия ра­ диации, тогда как дополнительная, пока еще не очень обширная,, информация о переносе энергии к облученной молекуле необ­ ходима для развития радиобиологии.

ЛИ Т Е Р А Т У Р А

1.Bach R. L., Caswell R. S. Radiation Res., 1968, 35, 1.

2.Бак 3., Александер П. Основы радиобиологии. М., Изд-во иностр. лит.,. 1963.

3.Barkas Н. Nuclear research emulsions. V. 1. New York, Academic Press, 1963.

4.Brustad T. Radiation Res., 1961, 15, 139.

5.Davis M . Phys. Rev., 1954, 94, 243.

6.Fano l). In: Symposium on radiobiology. Ed. J. J. Nickson. New York,. John Wiley & Sons, 1952, p. 13.

7.Fano U. In: Radiation biology I , 1. Ed. A. Hollaender. New York, McGrawHill, 1954, p. 1.

6Г

ТЕОРИЯ МИШЕНИ И СЕЧЕНИЕ

А5 ДЕЙСТВИЯ

После анализа важнейших первичных процессов поглощенияэнергии (см. гл. 4) и разработки эффективных формальных методов описания кривых доза — эффект (см. гл. 2 и 3) неиз­ бежно встает проблема сочетания формального описания с физической реальностью. Поэтому в этой главе особенно важно дать систематическое изложение материала, так как выводы,, сделанные на его основе, послужат важным подспорьем для лучшего понимания и толкования многих явлений радиобиоло­ гии (например, температурного и кислородного эффектов). Рассмотрение материала этой главы прежде всего потребуеточень точного определения' термина «попадание», которое досих пор не удалось сделать при обсуждении теории попадания..

5 . 1 . Создание строгой концепции попадания

Основную идею теории мишени можно изобразить как по­ пытку на основе физических факторов определить число попа­ даний, с тем чтобы далее вычислить объем мишени и, следова­ тельно, размер радиочувствительных субструктур биологической-

С практической точки зрения это не очень существенное огра­ ничение, за исключением некоторых случаев, когда облучениепроводится в разбавленном водном растворе, так как во всей; области молекулярной радиобиологии едва ли встретится хоть один случай, когда кривую доза — эффект с плечом следовало бы интерпретировать как многоударную кривую. Мы получаем,, как правило, экспоненциальные кривые доза — эффект, особен­ но при использовании корпускулярного излучения. Эти наблю­ дения свидетельствуют о том, что попадание ионизирующейчастицы зависит от одиночного переноса некоего количества энергии, величина которого определяется характером повреж­ дения и облучаемой системой. Поэтому можно утверждать, что тестируемый эффект достигается лишь тогда, когда определен­ ное минимальное количество энергии ионизирующей частицы

63

Используя это уравнение, с помощью величины D%7 были рас­ считаны молекулярные веса мишени большого числа ферментов и затем сопоставлены с молекулярными весами, определяемыми физико-химическими методами. Если определение молекуляр­ ного веса двумя способами дает одинаковые результаты, то мы должны получить прямую под углом 45° (рис. 28). Несмотря на

пературе, хотя, казалось бы, для этого нет причин. При низких температурах, когда столь озадачивающие нас непрямые эффек­ ты незначительны (см. гл. 7), как правило, получаются меньшие величины. Этот пример, как и многочисленные случаи эффек­ тивного молекулярного веса мишени, показывает всю тщетность надежды использовать ионизирующее излучение для определе­ ния молекулярного веса макромолекул, которые не удавалось получить в чистом виде.

5.3. Теория поперечного сечения действия

В этом разделе мы попытаемся дать более общее и строгое описание теории мишени. Мы сохраним определение попадания, приведенное в разд. 5.1. Суть его заключается в том, что для попадания требуется перенос минимального, а не среднего количества энергии к системе. Очевидно, именно это делает теорию мишени альтернативной концепцией по отношению к теории попадания. Если, согласно теории попадания, тестэффект наступает после того, как биологическая система полу­ чила минимальное число попаданий, то принято считать, что он происходит тогда, когда ионизирующая частица отдает опре-

деленное минимальное количество энергии при единичном событии потерн энергии. Если этого не случается, то ответная реакция отсутствует. Поэтому, согласно теории мишени, не обязательно ожидать накопления событий, предшествующих потере энергии. Таким образом, в случаях, когда имеется только одна мишень (что будет принято в дальнейшем), неизменно получают экспоненциальную кривую доза — эффект. Поскольку существует определенное лимитирующее минимальное количе­ ство энергии, необходимое для получения тест-эффекта, не все события потерн энергии будут эффективны. Это обстоятельство принимается во внимание при введении понятия «поперечное сечение действия» (сокращенно «сечение действия».). Это коли­ чество, очевидно, зависит от ЛПЭ, поскольку вероятность того, что данное количество энергии будет отдано на единицу длины трека частицы, возрастает с увеличением линейных потерьэнергий.

Эти рассуждения и особенно использование термина ЛПЭ касаются прежде всего корпускулярного излучения, т. е. элект­ ронов или ионов высоких энергий.

Следовательно, попадание в мишень v можно связать с прохождением заряженной частицы через формально опреде­ ляемое поперечное сечение, которое в дальнейшем будет обозна­

одноударную кривую можно описать двумя различными спосо­ бами:

где доза и поток связаны уравнением

Это уравнение связывает теорию мишени с теорией сечения действия, которая и будет рассмотрена ниже. Зависимость се­ чения действия от ЛПЭ качественно выражается следующим образом: количество энергии, необходимое для попадания частицы в мишень, передается во время прохождения редкоионизирующей частицы. Однако вероятность этого события возрастает пропорционально ЛПЭ, пока, наконец, прохождение каждой частицы не начинает вызывать тест-эффект. В соот­ ветствии с этими «классическими» концепциями следует ожи-

66

дать, что с увеличением ЛПЭ сечение процесса будет прибли­ жаться к геометрическому сечению облученных объектов или же к их особо чувствительной субструктуре. Правильность этих идей в целом, а именно то, что сечение действия на самом деле ведет себя как геометрическое поперечное сечение, прекрасно

вращать так, что направление пучка всегда будет перпендику­ лярно ориентации вируса (случай / / ) , то следует ожидать, что сечение инактивации останется постоянным и будет равно мак­ симальному сечению случая /.

М е т о д т р е к о в ы х с е г м е н т о в . Зависимость сечения процесса от ЛПЭ теперь можно рассчитать на основе приве­ денных рассуждений с помощью «метода трековых сегментов» Говарда-Фландерса [5]. Для того чтобы изобразить конвер­

проходя через мишень, вызовет тест-эффект. Вследствие этого

3* 6

приближении приравнена к целому числу, кратному среднему числу событий потери энергии Е:

где d имеет размерность длины и названо поэтому ГовардомФландерсом [5] «трековым сегментом». В общем его можносравнить со средним диаметром геометрической мишени. Счи­ тается, что частота потери энергии (Е) следует пуассоновскому распределению. Следовательно, вероятность того, что точно произойдет у таких событий, определяется уравнением

Исходя из рассуждений, подобных тем, что были использованы для выведения многоударных кривых, вероятность процесса, а именно то, что при прохождении частицы произойдут по край­ ней мере п событий потери энергии, выражается формулой

ходят в виде роя ионов. Этот последний состоит из одной или более пар ионов, причем множественные пары ионов встре­ чаются гораздо реже (см. табл. 5). Поэтому следует принять в расчет частотное распределение пар ионов или же использовать

ний п. В основе графика лежит распределение числа пар ионовна рой ионов в газах, хотя для его построения были использо­ ваны значения, полученные раньше, чем величины, представ­ ленные в табл. 5 [4]. Кривая для п = 1 имеет начальный наклон,, равный единице, что соответствует случаю, когда х ¥ прибли-

68

жается к единице строго экспоненциально [11]. Если требуемая энергия попадания и, следовательно, п увеличивается, то возрастает также и наклон. В результате комбинации уравне­ ний (5.13) и (5.8) получаем кривые чувствительности, пред­ ставленные на рис. 31, а. Сравнение с рис. 31, б, где прини­ мается во внимание распределение энергии по Раусу и Симпсону, показывает, что простая формула (5.13). выражает весьма

трекового сегмента применима на практике. Приведенный нами пример показывает инактивацию гаплоидных дрожжевых кле­ ток заряженными частицами с различными значениями ЛПЭ. Видно, что сечение инактивации увеличивается с возрастанием

(«сверхлетальность»). Максимум предполагает, что при соот­

Хорошее соответствие между теорией и экспериментом побудило нас сделать попытку рассчитать число требуемых событий потери энергии и размер сегмента трека из графиков

69