Радиобиология. В 3 частях. Ч.1. Введение в радиобиологию. Учебное пособие

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

Обнинский институт атомной энергетики – филиал федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования

«Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»

(ИАТЭ НИЯУ МИФИ)

РАДИОБИОЛОГИЯ

Учебное пособие

Часть 1

Введение в радиобиологию

В трех частях

Обнинск 2024

Предисловие

Учебное пособие составлено на основе типовой учебной программы для высших учебных заведений по дисциплине «Радиобиология» для бакалавров по направлению 06.03.01 «Биология» и специалистов, обучающихся по направлению подготовки, 31.05.01 «Лечебное дело», и включает в себя две части и глоссарий. Все разделы по наименованию и содержанию соответствуют разделам, представленным в программе. Первая часть рассматривает общие вопросы радиобиологии, дозиметрии и радиоэкологии. Во второй части рассматривается биологическое действие ионизирующего излучения.

Глоссарий необходим для быстрого повторения материала, изложенного, как в учебных пособиях, так и в лекционном материале.

Выражаем. особую признательность авторам всех учебников и монографий, использованных нами для составления схем, задач и различных определений.

Благодарим наших уважаемых рецензентов за ценные практические замечания и уточнения.

4

Цель дисциплины – получение теоретических знаний о механизмах действия ионизирующего излучения, оценивание эффектов облучения на различных биологических объектах, ознакомление студентов с современными методами диагностики, профилактики и лечения радиационных поражений.

Задачи дисциплины:

изучение содержания предмета радиобиологии; истории и основных этапов развития; физических основ радиобиологии;

выявление общих закономерностей биологического ответа на воздействия ионизирующих излучений.

знание принципов и методов регистрации ионизирующих излучений;

Требования к уровню освоения содержания дисциплины

В результате изучения дисциплины студенты должны:

а) знать:

физические основы строения атома, явление изотопии, определение изотопов и факторы нестабильности ядер;

причину и примеры естественной и искусственной радиоактивности, закон радиоактивного распада, типы ядерных превращений, виды ионизирующих излучений и их взаимодействие с веществом;

механизм биологического действия ионизирующих излучений;

течение и формы лучевой болезни, лучевые ожоги;

токсикологию наиболее опасных радиоактивных изотопов: йода-131, цезия-134 и -137, стронция-89 и -90 и других радионуклидов;

основы радиационной безопасности и правила работы с источниками ионизирующих излучений, нормы радиационной безопасности (НРБ-99/2009); основные санитарные правила обеспечения радиационной безопасности (ОСПОРБ-99/2010);

знать принципы использования радионуклидов, меченых ими соединений и источников ионизирующих излучений;

5

б) уметь:

подготовить к работе и использовать при проведении радиационной экспертизы радиометры и дозиметры;

определять мощность дозы излучения с помощью дозиметров

ирасчетным методом;

проводить дозиметрические и клинико-гематологические исследования

прогнозировать дозовую нагрузку для населения;

проводить радиометрический контроль в соответствии с радиационной обстановкой;

в) иметь представление:

об истории возникновения и развития радиобиологии как науки, ее связях с другими дисциплинами и о роли отечественных ученых;

о реальных и потенциальных источниках радиоактивного загрязнения окружающей среды;

о мерах противорадиационной защиты людей при радиационных авариях и катастрофах;

об организации коллективной и индивидуальной дозиметрии ионизирующих излучений;

об организации и проведении мер по противорадиационной защите людей на территориях с повышенным радиационным фоном.

В ходе обучения применяются следующие формы учебного процесса: лекции и практические занятия, написание рефератов, самостоятельная внеаудиторная работа. В качестве проверки знаний практикуется устный опрос студентов, контрольные работы по предложенным темам, тестирование.

По итогам изучаемого курса студенты сдают зачет или экзамен.

6

Тема 1. Введение в дисциплину «Радиобиология»

Краткая история развития радиологии. Предмет и задачи радиологии и радиобиологии, их связь с другими науками. Радиологическая служба и ее задачи в современных условиях.

Занятие 1. Вводное

Радиология – наука об ионизирующей радиации, ее природе, источниках ее происхождения (радионуклидах). Основоположником радиологии считают немецкого физика Вильгельма Рентгена

(1895).

По мнению академика А.Д. Белова, (1990), предмет и задачи радиологии несколько шире, чем радиобиологии, так как они включают такие разделы, как дозиметрия и радиометрия.

Радиобиология – наука о воздействии всех видов ионизирующих излучений на живые организмы и их сообщества. К настоящему времени радиобиология включает в себя два больших направления:

общая (фундаментальная) радиобиология, которая включает радиационную биохимию, радиационную цитологию, радиационную генетику, радиационную экологию, космическую радиобиологию;

медицинская радиобиология (радиационная медицина), включающая радиационную фармакологию, радиационную иммунологию, лучевую диагностику, лучевую терапию, радиационную гигиену.

Этапы развития радиологии и радиобиологии

Первый этап (1895–1922 гг.) базировался на работах немецкого физика Вильгельма Конрада Рентгена, в которых изучались происхождение и свойства радиации, способы ее количественного измерения по степени ионизации воздуха и приведены первые данные о поглощении излучения разными веществами, сделан первый в мире рентгеновский снимок.

В 1896 г. французский физик Анри Антуан Беккерель установил, что соли урана испускают не только видимый свет, но и невидимое проникающее излучение.

7

В1897 г. английский физик Эрнест Резерфорд установил, что в состав излучений изотопов урана входят α- и β-частицы и γ-лучи, то есть он показал, что излучение является комбинированным, состоящим как из электромагнитных волн, так и элементарных частиц.

Открытие А. Беккереля во многом определило научную судьбу Марии Склодовской-Кюри. В 1896–1898 гг. в лаборатории, руководимой Пьером Кюри, она проверяла на радиоактивность все известные в то время химические элементы и оказалось, что только соединения тория испускают лучи, подобные урановым. Термин «радиоактивность» был предложен М. Склодовской-Кюри. В 1898 году супругами Кюри были открыты два новых элемента: радий и полоний.

В1919 г. Эрнест Резерфорд, бомбардируя ядра атомов азота (N14) α-частицами радия, превратил их в ядра атомов кислорода.

Все эти открытия заложили основу развития ядерной физики. Ее становление связано с именами Н. Бора и Э. Резерфорда.

Изучая радиацию, А. Беккерель и М. Склодовская-Кюри столкнулись с ее действием на кожу. Хотя эти первые наблюдения носили чисто описательный характер, они послужили стимулом к развитию радиобиологии.

Открытие радиоактивности вызвало значительный интерес и у российских учёных, которые с самых первых лет внесли свой заметный вклад в становление радиобиологии как науки. Так, уже в январе 1896 г. профессор кафедры физики Военно-медицинской академии Н.Г. Егоров воспроизвёл опыты В.К. Рентгена, а чуть позже А.Н. Георгиевский повторил опыты А. Беккереля. И 11 марта 1896 г., т. е. через два месяца после выхода в свет первой статьи Рентгена, В.А. Тонков выступил на заседании Антропологического общества с докладом «О применении Х-лучей Рентгена к изучению роста скелета». А к началу 1920-х гг. в России, в Петербурге, уже были рентгеновский кабинет, цикл лекций по рентгенологии (ВМА), создан Государственный институт рентгенологии и радиологии.

Вместе с тем, уже на начальном этапе российские учёные внесли вклад и в изучение биологических свойств ионизирующих излучений. Так, в 1896 г. профессор И.Р. Тарханов опубликовал сооб-

8

щение о действии Х-лучей на центральную нервную систему и развитие животных. А профессор Ефим Семёнович Лондон в начале 1900-х показал, что излучение радия может вызвать летальный исход у мышей, установил, что наиболее ранние и выраженные изменения под влиянием радиации происходят в кроветворных, лимфоидных и половых органах. Эти данные, в том числе, позволили в 1906 году французским учёным И.Бергонье и Л.Трибондо сформулировать фундаментальный закон радиочувствительности: ионизирующее излучение тем сильнее действует на клетки, чем интенсивнее они делятся и чем менее дифференцированы.

Второй этап (1922–1945 гг.) характеризуется становлением фундаментальных принципов количественной радиобиологии с установлением связи биологических эффектов с величиной поглощенной дозы, открытием мутагенного действия ионизирующих излучений и развитием радиационной генетики. И здесь российские учёные внесли свой впечатляющий вклад: в 1925 г. Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов в экспериментах на дрожжевых клетках показали, что радиация способна вызвать мутации, проявляющиеся не только в повреждении генома, но и в образовании стойких изменений, передающихся по наследству. Чуть позднее, в 1927 г., Г. Меллер (США) обнаружил феномен лучевого мутагенеза у дрозофил, за что был удостоен Нобелевской премии. Третий этап (1945 – настоящее время) связан с дальнейшим развитием количественной радиобиологии на всех уровнях биологической организации:

•молекулярная и клеточная радиобиология;

•разработка биологических способов противолучевой защиты;

•лечение лучевых поражений;

•создание ускорителей элементарных ядерных частиц;

•разработка радиосенсибилизирующих агентов;

•развитие радиобиологических принципов лучевой терапии опухолей.

Основными научными центрами Российской Федерации, в которых в этот период проводились и проводятся исследования в области радиобиологии, являются Военно-медицинская академия, Институт военной медицины МО, Институт биофизики Минздрава

СССР (ныне ФМБЦ им. А.И. Бурназяна ФМБА), ИМР АМН СССР

9

(ныне МРНЦ им. А.Ф, Цыба), ВНИИ СХР МСХ СССР (ныне ВНИИРАЭ), ОИЯИ.

До середины ХХ столетия источниками радиации были естественные (природные) радиоактивные вещества (синонимы: радионуклиды, нестабильные ядра, радиоактивные изотопы). На их фоне происходило зарождение жизни на Земле.

С момента первых испытаний и применения атомного оружия, использования атомной энергии в мирных целях (вторая половина ХХ столетия) начинают появляться искусственные радионуклиды, число которых постоянно увеличивается. Попадая в организм, они могут замещать в его клетках стабильные изотопы, имеющих одинаковую с ними валентность, то есть аналогов по химическим свойствам. Постоянно распадаясь, они выделяют радиацию, которая, действуя на нейтральные по заряду атомы, приводит к образованию из них ионов. Это ведет к нарушению химических процессов в организме и, следовательно, к обмену веществ и формированию лучевых поражений в нем.

Источники радиации находятся в окружающей внешней среде и внутри организма, создавая внешнее и внутреннее облучение. Последнее даже более актуально.

Занятие 2. Основы радиологии

Свойства ионизирующих излучений и способы их измерения изучает раздел радиобиологии – радиология.

Радиоактивность – способность некоторых химических элементов (урана, тория, радия, калифорния и др.) самопроизвольно распадаться и испускать невидимые излучения. Такие элементы называют радиоактивными. Радиоактивные вещества (РВ) распадаются со строго определенной скоростью, измеряемой периодом полураспада (Т1/2), т.е. временем, в течение которого распадается половина всех атомов. Пример: период полураспада калия-40 – 1 млрд. лет; радия-226 – 1590 лет; урана-235 – 713 млн лет; йода131 – 8,1 день; стронция-90 – 28 лет; цезия-137 – 33 года.

Радиоактивный распад не может быть остановлен или ускорен каким-либо способом.

10