Файловый архив студентов. Файловый архив студентов.
1327 вузов, 5487 предметов.
/ Регистрация
FAQ Обратная связь Вопросы и предложения
Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Башкирский Государственный Аграрный Университет
Предмет:
[НЕСОРТИРОВАННОЕ]
Файл:

Радиоэкология и радиационная безопасность. Пособие для студентов вузов

.pdf
Скачиваний:
0
Добавлен:
07.09.2026
Размер:
1 Мб
Скачать
☆
Энергия, которая теряется частицей или квантом на единице длины их пути в веществе, называется линейной передачей энергии (ЛПЭ). Понятие ЛПЭ было введено Р. Цирклем в 1954 г. За едини­цу ЛПЭ принимают 1 кэВ/мкм ткани или 1кэВ/мкм = 62 Дж/м.
В зависимости от значения ЛПЭ все ионизирующие излучения делят на:
редкоионизирующие – «легкие» излучения с ЛПЭ < 10 кэВ/мкм;
плотноионизирующие – «тяжелые» излучения с ЛПЭ > 10 кэВ/мкм.
Хотя следует оговориться, что данное деление ионизирующих излучений достаточно условно, так как ЛПЭ зависит не только от физической природы самого излучения, но и от скорости поле­та ионизирующей частицы. В современных мощных ускорителях тяжелые частицы, относящиеся к плотноионизирующим излу­чениям, могут быть разогнаны до столь больших энергий, что их скорость приближается к скорости света. В этом случае ЛПЭ заря- женных частиц при их очень большой скорости движения снижа­ется до минимального значения, характерного для редкоионизи­рующих «легких» частиц. ЛПЭ заряженных частиц возрастает со снижением скорости их движения, поэтому в конце пробега от­дача энергии всякой заряженной частицей максимальна, что при­водит к характерному распределению ионизации, описываемому кривой Брэгга, с максимумом (пиком) в конце пути. Эту особен­ность взаимодействия тяжелых ионизирующих частиц использу­ют при лечении опухолей, так как она позволяет сосредоточить значительную часть энергии на глубине пораженной ткани при минимальном ее рассеивании в здоровых тканях по ходу ионизи­рующего пучка.
Немаловажное значение имеет и длина пути (пробег), на ко­торой сохраняется способность производить ионизацию. Пробег частицы равен минимальной толщине поглотителя, затормажива­ющего и поглощающего ионизирующую частицу. Пробег частицы зависит от массы (или от объема) и плотности среды. Определив последнюю по табличным данным, можно рассчитать пробег, а затем число пар ионов, возникающих на единицу пути пробега (линейная плотность ионизации) или в данном объеме вещества (объемная плотность ионизации).
По механизму действия различают двоякого рода ионизи­рующие излучения – непосредственно и косвенно ионизирующие. Первые представляют собой заряженные частицы, обладающие кинетической энергией, достаточной для ионизации встречных атомов. Косвенно ионизирующими излучениями называют излу-
131
чения, ионизация в облучаемом веществе при действии которых опосредуется вторичными ионизирующими частицами. Возбуж­дение встречных атомов и молекул возникает при прохождении мимо них ионизирующей частицы в том случае, когда последняя не выбивает орбитальный электрон за пределы атома, а лишь сме­щает его на более высокий энергетический уровень (рис. 8, Б). На возбуждение атома расходуется меньше энергии, чем на его иони­зацию. Обычно каждый акт ионизации сопровождается возбужде­нием 3–4 соседних атомов.
Ионизированное состояние длится лишь стомиллионные доли секунды (10
–8
с), после чего положительный ион, присоединив к себе любой свободный электрон, рекомбинирует, т. е. восстанав­ливается в нейтральный атом или молекулу (см. рис. 8 А). Реком­бинация сопровождается перегруппировкой орбитальных элект­ронов, при этом энергия излучения, ранее поглощенная атомом при ионизации, превращается в простых веществах в тепловую энергию колебания молекул, но в некоторых веществах высво­бождается, высвечивается с γ-квантами, квантами рентгеновского или ультрафиолетового излучений и даже видимого света (люми­несценция). Таким же путем избыток энергии отдается и возбуж­денными атомами (см. рис. 8, Б). Ионизированные атомы и моле­кулы химически более активны, чем неионизированные. Поэтому в сложных веществах еще до рекомбинации возникают химически активные радикалы и происходят химические превращения, ко­торые, в свою очередь, могут изменить физические свойства об­лучаемого объекта.
Итак, ионизирующие излучения, взаимодействуя с вещест­вом, вызывают в нем первичные (ионизация, возбуждение, лю­минесценция) и вторичные эффекты (химические и физические изменения). На выявлении перечисленных эффектов основаны средства и методы обнаружения и регистрации ионизирующих излучений.
Конечный результат взаимодействия ионизирующих излуче­ний с веществом зависит:
от соотношения массы, энергий и заряда потока частиц;
от вида квантов (фотонов) и их энергий;
от типа и плотности облучаемого вещества;
от значений энергий внутримолекулярных сил облучаемого ве-
щества.
132
12. БИОЛОГИЧЕСКИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТИ
ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ.
СВОБОДНО-РАДИКАЛЬНЫЕ ПРОЦЕССЫ
12.1. Общая характеристика биологического
действия ионизирующих излучений
Характер взаимодействия ионизирующих излучений с биоло­гическими объектами в силу структурных особенностей послед­них как отдельного типа материи имеет свои отличия. В первую очередь, это связано с упорядоченной структурой самих биоло­гических объектов (молекула, клетка, ткань, орган и организм в целом), составляющие элементы которых связаны между собой комплексом сложных взаимоотношений. В их основе лежат не просто физические, но и химические связи, а также сложно ие­рархически структурированные биологические связи. Именно по­этому механизм воздействия ионизирующих излучений на биоло­гические объекты нельзя свести к простому физико-химическому контакту. В общем плане в действии ионизирующих излучений на биологический объект выделяют несколько следующих друг за другом этапов (рис. 9):
Физический этап
Длительность: 10
10
–15
– 10
–24
–4
– 10
–8
с для электромагнитного излучения;
сек для корпускулярного излучения
Физико-химический этап
Длительность: 10
Химический этап
Длительность: от 10
Биомолекулярные повреждения
Длительность: от микросекунд, секунд, минут до нескольких часов
Ранние биологические эффекты
Длительность: минуты, часы, недели, месяцы
Отдаленные биологические эффекты
Длительность: годы и столетия
Рис. 9. Основные этапы воздействия ионизирующих излучений на биологические
–7
–12
– 10
–5
–10
с до нескольких часов
объекты
–8
с
133
1. Физический этап — этап непосредственного поглощения энергии ионизирующих излучений, в ходе которого образуются ионизированные и возбужденные атомы и молекулы, случайным образом распределенные в веществе, поскольку вероятность пог­лощения энергии тем или иным атомом, из которых построены биологические молекулы, практически одинакова.
2. Физико-химический этап — этап переноса энергии ионизи- рующих частиц в виде ионизации. На этом этапе поглощенная энергия мигрирует по макромолекулярным структурам и распре­деляется между отдельными биомолекулами, что сопровождается разрывами химических связей. В силу этого процессы физико-хи­мического этапа приобретают несколько предсказуемый характер, тогда как на физическом этапе поглощение энергии различными молекулярными структурами — есть процесс неизбирательный.
3. Химический этап — этап разрывов химических связей и хи- мических повреждений молекул (возбуждение молекул до теп­лового равновесия, внутреннего разогрева облученных тканей и образование свободных радикалов). Образовавшиеся во время химического этапа высокореакционные свободные радикалы вступают в химические реакции как между собой, так и с други­ми молекулами. Названные стадии в действии ионизирующих из­лучений получили наименование первичных, являются общими при действии излучений как на живую, так и на неживую материю и осуществляются в течение чрезвычайно короткого промежутка времени.
4. Этап биомолекулярных повреждений — этап изменения струк- туры молекул белков, нуклеиновых кислот, углеводов и липидов под влиянием обменных процессов.
5. Этап ранних биологических эффектов — этап развития био- химических повреждений, приводящих как к гибели клеток, так и отдельных особей.
6. Этап отдаленных биологических эффектов – этап развития стойких нарушений функций и структуры, проявляющихся в виде детерминированных и стохастических соматических и наследс­твенных эффектов (генетические мутации, развитие рака, лейко­за, сокращение продолжительности жизни, генетически закреп­ленные изменения и др.). Процессы, происходящие на данных последних этапах до сих пор остаются одним из предметов при­стального внимания ученых. Пока не представляется возможным до конца описать всю цепочку радиационно-индуцированных событий, связывающих физическое поглощение энергии с конеч-
134
ными биологическими эффектами и динамикой их последующего проявления.
Организм человека и животных лишен специализированных рецепторов и анализаторов для восприятия ионизирующей ра­диации, вместе с тем реакции воздействия ионизирующих излу­чений проявляются на всех структурных уровнях биологической организации (табл. 2). Правда степень, длительность и характер проявления эффектов во многом зависит от ряда причин: мощ­ности воздействия радиационного фактора, поглощенной дозы облучения, состояния организма.
С эволюционной точки зрения, природный радиоактивный фон — обязательный компонент для возникновения и развития жизни, представляет собой один из важнейших естественных факторов мутагенеза, стимулирующих эволюционные преобра­зования биологических структур. На малые дозы радиации, не превышающие известный уровень, организмы в определенных условиях реагируют усилением роста и развития, увеличением продолжительности жизни. Подобное явление было названо «ра- диационный гормезис». Явление радиационного гормезиса описано и для людей. Эпидемиологические исследования онкологов вы­явили любопытные закономерности: сравнение уровня заболева­емости онкологическими болезнями в регионах с более высоким естественным радиоактивным фоном, показало его снижение от­носительно среднего уровня по стране.
Таблица 2
Эффекты ионизирующих излучений на разных уровнях биологической
организации
Уровень
организации
Молекулярный
Субклеточный
Клеточный
Тканевой и органный
Организменный Смерть или сокращение продолжительности жизни
Популяционный
Повреждение ферментов, ДНК, РНК, нарушение обмена веществ
Повреждение клеточных мембран, ядер, хромосом, митохондрий, лизосом
Остановка клеточного деления и гибель клеток, транс­формация в злокачественные опухоли
Повреждение ЦНС, костного мозга, желудочно-ки­шечного тракта, кровеносной системы и т.д.
Изменение генетических характеристик в результате мутаций
Радиационные повреждения
135
Радиационный гормезис можно разделить на две составляю­щие. Одной из них является фоновый радиационный гормезис, кото­рый опирается на экологическую особенность, что все организмы в своих ареалах могут быть подвержены стабильному воздействию факторов внешней среды, в том числе и ионизирующей радиации. Другой и гораздо более значительной составляющей радиацион­ного гормезиса является стресс-индуцируемый радиационный гор- мезис. Этот компонент определяется энергетическими ресурсами организма и, по-видимому, развивается как адаптация к экстре­мальным условиям окружающей среды. Стресс-индуцируемый гормезис может развиваться и в гораздо более жестких условиях, например, при превышении фоновой радиации (в среднем мень­ше 5 мЗв/год) на два и больше порядков. Вне зависимости от сво­их составляющих механизм радиационного гормезиса заключа­ется в том, что облучение малыми дозами радиации приводит к повышению устойчивости к воздействию больших доз радиации или стресса иной природы. Так, на примере лейкоцитов показа­но, что клетки, облученные малыми дозами радиации, становятся более устойчивыми к облучению большими дозами ионизирую­щего излучения. По мнению многих исследователей, механизмы адаптивного ответа лежат в области эффективности репарацион­ных систем клетки. В силу этого явление радиационного гормезиса нашло применение в медицине. В частности, достаточно широкое распространение по всему миру получила радонотерапия. Специа­лизированные клиники есть в Германии, Франции, Чехии, Италии, Японии, США, на территории России. Показаниями к подобному лечению являются: ревматизм, артрит, псориаз, бронхиты, астма.
Однако на дозы, превышающие некоторый уровень, в организ­ме возникает только повреждающий эффект. Поэтому параллель­но с представлением об эффектах физиологического уровня луче­вого воздействия (радиофизиология), следует постоянно помнить о превалирующем повреждающем эффекте ионизирующих излу­чений (радиопатология).
12.2. Свободно-радикальные процессы облучения
Ионизирующие излучения обладают высокой энергией, спо­собствующей разрыву химических связей в биологических мо­лекулах и индуцированию длительно протекающих химических реакций, приводящих, в конечном счете, к инактивации биологи­ческих веществ. Радиационно-индуцированные химические ре-
136
акции могут охватывать сотни и тысячи других молекул, вовлекая в развитие лучевых эффектов все новые и новые функциональные структуры живых систем.
Механизм радиационного поражения клеток, тканей и орга­низма на физическом этапе сводится к поглощению энергии излу­чения путем возбуждения и ионизации атомов и молекул. Вместе с тем простые расчеты показывают, что даже при летальной дозе для млекопитающих в 1000 рад в лучшем случае в клетке иони­зируется только одна молекула на миллион, а тканям передается ничтожная энергия в 2 кал/г — так называемый, «радиобиологи- ческий парадокс» — несоответствие между ничтожной величиной поглощенной энергии ионизирующих излучений и крайней сте­пенью выраженности реакций биологических объектов вплоть до летального исхода. К тому же почти все ионизированные моле­кулы немедленно рекомбинируют. Следовательно, эффект, вызы­ваемый излучениями в живых тканях, никак не может быть объ­яснен лишь первичными физическими изменениями в клетках, и теории, вроде теории точечных разогревов и теории попадания и мишени, оказываются несостоятельными, формальными. Поэто­му, предполагается, что при воздействии на организм ионизиру­ющих излучений в последнем вступают в силу иные механизмы, обуславливающие конечный повреждающий эффект. Данные ре­акции происходят по типу цепных реакций: любой радикал или химически активная молекула, вступившая в реакцию в момент ионизации, немедленно порождает две новые активные молекулы (радикалы), которые действуют как катализаторы и, в свою оче­редь, индуцируют появление новых активных молекул или их вы­сокоактивных осколков. С этого момента и начинается первичное действие ионизирующих излучений на биологические ткани, в основе которого лежат два важных механизма, обозначаемые как прямое и косвенное действие.
Под прямым действием понимают такие изменения, которые
возникают в результате непосредственного поглощения энергии ионизирующих излучений самими исследуемыми молекулами-«ми­шенями». В ходе таких процессов происходит ионизация атомов
и молекул, образование ионов, возбуждение отдельных атомов и появление свободных радикалов. Данные активные вещества ин­дуцируют различные химические реакции, повреждая целые ком­плексы клеток и системы тканей.
Под косвенным действием понимают изменения молекул, вы-
званные продуктами радиационного разложения (радиолиза) воды,
137
а не энергией ионизирующих излу­чений, поглощенной самими мо­лекулами. Другими словами, под
косвенным действием понимают процессы повреждения молекул белков, липидов и других органи­ческих веществ непосредственно радиационно-индуцированными
Рис 10. Схема прямого и косвен­ного действий ионизирующих из-
лучений на биологические ткани
радикалами воды и пероксидами, что приводит к структурным из­менениям клеток и тканей. Схе-
матически процессы прямого и косвенного действия ионизирующих излучений представлены на рис. 10.
Воздействие ионизирующих излучений на биологические тка­ни как при прямом, так и при косвенном механизме сопровож­дается свободно-радикальными процессами, приводящими к об­разованию высокореакционных свободных радикалов, впоследс­твии инициирующих сами биологические эффекты на клеточном, тканевом и организменном уровнях.
Свободные радикалы — электрически нейтральные атомы и мо­лекулы с неспаренным электроном на внешней орбите. Свободные
радикалы, обладая способностью к связыванию неспаренного электрона с аналогичным электроном в другом радикале или во­обще к удалению электрона из атома, выступают в качестве ак­цепторов (окислителей) или доноров (восстановителей) элект­ронов. Данные свойства свободных радикалов, в независимости от их происхождения, определяют их высокие реакционные воз­можности в инициировании ряда сложных радиационно-биохи­мических реакций.
Явление образования сходных вторичных свободных радика­лов обусловливает неспецифичность действия ионизирующих излу- чений. Другими словами, вне зависимости от прямого или косвен­ного своего действия ионизирующие излучения вызывают равные биологические эффекты.
Наиболее вероятностным процессом при косвенном действии ионизирующих излучений выступает радиолиз воды. Учитывая, что наибольшую часть в организме занимает вода, то более 50% энергии подающего ионизирующего излучения поглощается не­посредственно молекулами воды, а остальная часть приходится на сами клеточные органеллы и растворимые вещества. Как прави-
138
ло, считают, что вклад косвенного действия более существенен, так как клетки содержат 70–90% воды, хотя для конечного про­явления радиобиологического эффекта не важно, как происходит повреждение.
Первоначальные моменты химического взаимодействия энер­гии ионизирующих излучений с молекулой воды связаны с об­разованием большого количества быстрых свободных электро-
–
нов (е (Н
) и положительно заряженных ионов воды ион-радикалов
О+):
2
Н
О → Н2О+ + е–.
2
Ионизированные молекулы воды (ион-радикалы) быстро реа­гируют с другими нейтральными молекулами воды, в результате чего образуется высокореактивный радикал гидроксила (ОН
Н
О+ + Н2О → Н3О+ + ОН·.
2
В свою очередь вырванный свободный электрон (е
·
):
–
) также вза­имодействует с электрически нейтральными молекулами воды, вызывая образование свободных радикалов:
Н
О + е– → Н2О* → Н· + ОН.
2
Данные свободные радикалы содержат неспаренные электро­ны и поэтому отличаются высокой реакционной способностью (время их жизни 10 выступает сильным окислителем, а атом водорода (Н
–5
с). Из них гидроксильный радикал (ОН·)
·
) — восста­новителем. Между обоими радикалами, а также между ними и свободным кислородом биологических тканей возникает ряд ре­акций, среди продуктов которых образуются такие мощные окис­лители, как перекись водорода (Н сшая перекись (Н
) и атомарный кислород. Кроме того, в про-
2О4
), гидропероксид (НО2), вы-
2О2
цессе радиолиза воды возникает особая стабилизированная фор­ма электрона — гидратированный электрон (е
–
· ag), обладающие мощными восстановительными свойствами. При каждых 1000 эВ, поглощенных водой, образуется 26 гидратированных электронов, 26 гидроксильных радикалов (ОН большое количество Н
и Н2О:
2
·
Н
+ ОН· → Н2О;
·
ОН
+ ОН· → Н2О2;
Н
+ ОН· → Н2О + О2Н·.
2О2
·
), 4 атома водорода (Н·) и не-
139
В биологических тканях процесс радиолиза воды характери­зуется более сложными взаимодействиями, чем при облучении воды. Все образованные в результате радиационно-индуцирован­ного радиолиза воды первичные свободные радикалы и пероксиды пространственно не разобщены, а находятся в одном объеме об­лученной ткани, и инициируют формирование вторичных свобод- ных радикалов в ходе непосредственного взаимодействия первич­ных радикалов с крупными органическими молекулами (белками, липидами и углеводами):
RН + ОН
RН + Н
·
→ R· +Н2О;
·
→ R· +Н2.
Кроме того, в клетках живых организмов присутствует очень мощный окислитель — растворенный кислород, взаимодействие с которым свободных радикалов приводит к накоплению уровня перекисных радикалов водорода (Н (Н
О·) и перекисей (Н2О2). В липидах, богатых ненасыщенными
2
·
), гидроперекисных радикалов
жирными кислотами, этот процесс может идти по цепному меха­низму с самоускорением и накоплением гидроперекисей. Повы­шенная эффективность воздействия ионизирующих излучений на живые клетки в присутствии кислорода известна как «кислородный
эффект».
Кислородный эффект — эффект увеличения количества свобод­ных радикалов, образующихся в присутствии свободного кислорода под действием ионизирующих излучений.
О
+ Н· → НО
2
О2 + е– · ag → О
·
; О
+ Н+ → НО
2
2
–
2
;
НО
·
+ НО
2
·
→ Н2О2 + 2О.
2
·
;
2
В ходе прямого действия ионизирующих излучений также от­мечается цепочка сложных последовательных событий: от момен­та поглощения энергии ионизирующей частицы непосредственно молекулой-«мишенью» (белком, углеводом, липидом и др.) до по­явления радиационных биологических эффектов через образова­ние вторичных свободных радикалов:
ΔЕ
RН
· +
R
О2 → RO
·
RO
+ RН → RОН + R· (цепная реакция).
2
→ RН+ + е– → R· + Н+;
·
(органический перекисный радикал);
2
Две последние реакции протекают в 30 раз быстрее, чем кон­курирующие реакции, и равноценны между собой с точки зрения нанесения биологического повреждения.
140
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
Помощь Обратная связь Вопросы и предложения Пользовательское соглашение Политика конфиденциальности