Радиационная биология или радиобиология — наука, изучающая действие ионизирующих и неионизирующих излучений на биологические объекты.
Код науки по 4-х значной классификации ЮНЕСКО (англ.) — 2418 (раздел — биология).
Радиобиология, являясь самостоятельной комплексной научной дисциплиной, имеет тесные связи с рядом теоретических и прикладных областей знаний — биологией, физиологией, цитологией, генетикой, биохимией, биофизикой, ядерной физикой, фармакологией, гигиеной и клиническими дисциплинами.
Существуют две противоположные и одинаково неправильные точки зрения на облучение и вред его для человека — радиоэйфория и радиофобия.
Объекты и методы в радиобиологии
В соответствии с объектами радиобиологических исследований (уровней организации живого) в радиобиологии выделяют 3 раздела:
Важной чертой радиобиологических методов исследования является количественное сопоставление рассматриваемого эффекта с вызвавшей его дозой излучения, ее распределением во времени и объеме реагирующего объекта.
Теоретические аспекты радиобиологии
Первой количественной теорией является теория «точечного тепла» или «точечного нагрева» (Ф. Дессауэр, 1922):
Теория «мишени или попаданий» поставила во главу угла представления о прямом действии ионизирующего излучения на клетки (30-е годы).
Стохастическая (вероятностная) гипотеза является дальнейшим развитием теории прямого действия излучений. Выразителями этой точки зрения являлись О. Хуг и А. Келлерер (1966). Суть их взглядов заключалась в том, что взаимодействие излучений с клеткой происходит по принципу вероятности (случайности) и что зависимость «доза-эффект» обуславливается не только прямым попаданием в молекулы и структуры-мишени, но и состоянием биологического объекта как динамической системы.
Б. И. Тарусовым и Ю. Б. Кудряшовым было показано, что свободные радикалы могут возникать при действии радиации и в неводных средах — в липидных слоях биомембран. Эта теория получила название теории липидных радиотоксинов.
Своеобразной интегральной теорией, объясняющей биологическое действие ионизирующих излучений является структурно-метаболическая теория (1976). Автор этой теории А. М. Кузин считает, что нарушения под действием радиации обусловлены деструкцией всех основных биополимерных молекул, цитоплазматических и мембранных структур в живой клетке.
В настоящее время произошел сдвиг парадигмы от теории мишени и попадания к теории эффекта «свидетеля».
История
Открытие Иваном Павловичем Пулюем (1890) и Вильгельмом Конрадом Рентгеном Х-лучей (1895), Антуаном Анри Беккерелем естественной радиоактивности (1896), Марией Склодовской — Кюри и Пьером Кюри радиоактивных свойств полония и радия (1898) явилось физической основой для рождения радиобиологии.
Этапы развития радиобиологии
Первый этап
описательный этап, связанный с накоплением данных и первыми попытками осмысления биологических реакций на облучение
И. П. Пулюй • В. К. Рентген • А. Беккерель • М. Склодовская • П. Кюри • И. Р. Тарханов • Е. С. Лондон • Г. Е. Альберс- Шонберг • Л. Хальберштадтер • П. Броун • Дж. Осгоуд • Г. Хейнеке • Ж. Бергонье • Л. Трибондо
Второй этап
1922—1944 гг. Теория точечного тепла, становление фундаментальных принципов количественной радиобиологии, связь эффектов с величиной поглощенной дозы; открытие мутагенного действия ионизирующих излучений, развитие радиационной генетики
дальнейшее развитие количественной радиобиологии на всех уровнях биологической организации:
с 1986 года по настоящее время
Стадии формирования радиобиологических эффектов
В формировании радиобиологических эффектов различают следующие стадии:
Радиобиология клетки
Радиационная цитология (радиобиология клетки) изучает влияние излучений на строение и функции клеток, а именно:
Направления
Литература
Периодические издания
Учебные заведения и научные учреждения
Радиобиологией занимаются во многих научных центрах и университетах. Вот некоторые из них:
Предмет радиобиологии. Цели и задачи радиобиологии как науки
Под предметом радиобиологии понимаются многообразные проявления действия излучений на всех уровнях организации живого – от радиационных эффектов на молекулярном, клеточном, тканевом до организменного уровня; механизмы развития радиационных эффектов в живых системах; модифицирующие влияния на проявления биологических эффектов радиации; модификация действия ионизирующих излучений на живое факторами нерадиационной природы.
Целью радиобиологических исследований являются познание закономерностей биологического действия ионизирующих излучений и обоснование таких важных прикладных аспектов, как:
— обоснование средств и методов диагностики и прогнозирования степени тяжести радиационных поражений;
— обоснование пределов дозы для лиц, работающих с источниками ионизирующих излучений;
Фундаментальные положения радиобиологии являются результатом анализа тщательно проведенных на четкой количественной основе экспериментальных исследований и клинических наблюдений.
Сегодня радиобиологию относят к числу фундаментальных наук, и изучение ее полезно не только для ориентировки в проблемах медицинской противорадиационной защиты. В альянсе радиобиологии с другими дисциплинами оформились отдельные самостоятельные направления, такие, как радиационная гигиена и радиационная экология, радиобиология опухолей, космическая радиобиология и др.
кафедра терапии и фармакологии Ставропольского государственного аграрного университета (проф., д. в.н. ); кафедра паразитологии и ветсанэкспертизы Донского государственного аграрного университета (зав. кафедрой, проф., к. в.н. ), кафедра физиологии и этологии с.-х. животных и клинической диагностики (зав. кафедрой, проф., д. б.н. ).
Радиобиология: Учебное пособие. – Краснодар: КубГАУ, 2008. – 331 с.
Учебное пособие включает основные разделы радиобиологии: понятие об ионизирующем излучении, строение атома, типы ядерных распадов, взаимодействие ионизирующего излучения с биологической тканью, понятие доз излучения и единицы, используемые в радиобиологии. Дано описание путей миграции, депонирования и выведения радионуклидов по пищевым цепочкам. Дана характеристика медицинских и экологических последствий аварии на Чернобыльской АЭС.
Глава 1. Предмет и задачи радиобиологии.…………………………………..8
1.1. Радиобиология как наука. Ее предмет и задачи.…………………………..8
1.2. Понятие об ионизирующем излучении (ИИ).………………………..……22
Список использованных источников………………………………. ….315
«Из невидимых излучений нам известны лишь немногие. Мы едва начинаем понимать их разнообразие, сознавать отрывочность и неполноту наших представлений об окружающем и проникающем в биосфере мире излучений, об их (с трудом постижимом уму, привыкшему к иным картинам мироздания) значении в окружающих нас процессах»
В данном учебном пособии автор попытался рассмотреть основные проблемы, стоящие перед радиобиологией. Хотя на сегодняшний день перед этой наукой встают новые задачи в связи с дальнейшим развитием атомной энергетики и расширяющимся использованием радиации в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, биотехнологии, космонавтике и т. д.
В наш атомный век исключительно актуальной становится проблема радиационного фона, влияющего не только на состояние человека, но сложные биоценозы, объединяющие разнообразных представителей флоры и фауны. Уже хорошо известно, что индивидуальная чувствительность разных живых организмов, начиная с одноклеточных форм, различается в десятки, сотни и даже тысячи раз. Поэтому облучение биоценозов повышенными дозами может привести к серьезному нарушению существующего равновесия, что неизбежно приведет к значительным переменам в их видовом составе и существующих взаимосвязях.
Исключительный интерес и внимание привлекают работы, связанные с различными приемами и способами применения ионизирующей радиации в различных отраслях народного хозяйства, начиная с простейших медицинских процедур (флюорография, томография) и заканчивая развитием биотехнологий.
Перед радиационной экологией также встают ответственные задачи по тщательному мониторингу экологических последствий на территориях с повышенным в той или иной степени радиационным фоном в результате различных аварий, подобных чернобыльской.
На новый, более глубокий, уровень дальнейших исследований переходят и сравнительно старые проблемы радиобиологии, связанные с изучением сложных процессов, возникающих в облученном организме на молекулярном, клеточном и тканевом уровнях. Продвижение научных исследований в этом направлении позволит увеличить наши возможности по предупреждению повышенного облучения организмов, а также снизить тяжесть лучевых поражений и отдаленных последствий воздействия радиации.
Поскольку автором ставилась цель написания цельного учебного пособия, достаточно глубоко раскрывающего содержание программы курса, им были использованы многочисленные данные, таблицы и рисунки из различных источников, включая сайты Интернета. Их полный список приведен в конце пособия.
Глава 1. Предмет и задачи радиобиологии
1.1. Радиобиология как наука. Ее предмет и задачи
В результате этого, в настоящее время миллионы людей контактируют с источниками ионизирующих излучений. Что же помешало огромному росту числа жертв радиации, которого можно было бы ожидать, исходя из многократного увеличения массы контактирующих с нею людей? Таким фактором стало знание свойств ионизирующих излучений, позволившее разработать методы противорадиационной защиты и прогнозирования последствий воздействия радиации на организм человека.
Как и всякое явление, в условиях которого проходит жизнь человека,
радиация (будь это естественное или техногенное воздействие на живой организм) заслуживает соответствующего внимания. Именно этим и занимается наука и учебная дисциплина «Радиобиология».
Радиобиология (сельскохозяйственная радиология) – это наука, изучающая действие ионизирующей радиации на живые организмы, их сообщества и биоценозы в целом. Она является своеобразным фундаментом, на котором строится использование ядерных излучений в различных отраслях народного хозяйства.
Основной задачей, составляющей предмет радиобиологии, является вскрытие закономерностей ответа биологических объектов на радиационное воздействие, на основе которых можно овладеть искусством управления лучевыми реакциями организма. Для решения этой задачи необходимо обладать знаниями из ряда смежных фундаментальных дисциплин, таких как физика, химия, биология, биофизика, биохимия,цитология, гистология, нормальная и патологическая физиология.
Одной из особенностей радиобиологии является то, что это экспериментальная дисциплина. Ни одно утверждение в ней не принимается на веру, если оно не имеет четкого экспериментального подтверждения. А способность радиации взаимодействовать с любыми молекулами и структурами клеток обусловливает другую особенность радиобиологии – необходимость проведения исследований на всех уровнях биологической организации: от молекулярного до популяционного. Неизбежные при этом экстраполяции получаемых результатов на высшие уровни биологической организации определяют эту особенность радиобиологии, связанную с практической значимостью получаемых экспериментальных выводов и большой их ответственностью (например, при оценке радиационно-генетических последствий действия радиации).
Решение стоящих перед радиобиологией задач позволило ей занять достойное место среди наук, служащих интересам человечества. Уже сегодня в сельском хозяйстве используют предпосевное облучение семян как метод повышения урожайности, методы радиационной генетики используются не только для выведения новых видов животных и растений, но и для борьбы с вредителями путем стерилизации насекомых. На основе радиобиологических знаний организована лучевая стерилизация овощей, пищевых консервов, а также медицинских средств и реактивов.
Отдельными направлениями радиобиологии являются также радиационная экология, космическая радиобиология, военная радиобиология, а такие направления как противолучевая защита, лучевая терапия, радиационная гигиена, радиационная иммунология и другие можно объединить в одну крупную ветвь радиобиологии – медицинскую радиобиологию.
За более чем 100 лет со времени открытия ионизирующих излучений накоплен огромный теоретический и практический материал, обобщение которого позволило построить стройную систему представлений о радиации и ее воздействии на живые организмы.
Такова сложная структура современной радиобиологии, относительно короткая история которой как столь интересна, так и столь драматична.
Зарождение радиологии связано с тремя важнейшими событиями конца XIX века:
1). открытие Вильгельмом КонрадомРентгеном(первая Нобелевская премия по физике, 1901) новых невидимых для глаза лучей, получивших название рентгеновских или Х-лучей.
Сообщение об открытии датировано 28 декабря 1895 г. Более полутора месяцев ученый тщательно исследовал неведомые лучи. Ему удалось установить, что они В. Рентген ()сильно флюоресцируют под ударами катодных лучей.
В начале 1896 г. петербургский физиолог провел первые исследования на лягушках и насекомых, облученных лучами Рентгена, и пришел к выводу, что «Х-лучами можно не только фотографировать, но и влиять на ход жизненных функций».
Основной и очень важной задачей радиобиологии в то время была необходимость точной количественной оценки дозы радиации. Дозиметрия, как раздел физики, количественно оценивающая испускаемую (экспозиционную) и поглощенную энергию излучений, а также активность радиоизотопов, появилась значительно позднее.
2). весной 1896 г. французский физик Антуан АнриБеккерель (Нобелевская премия по физике, 1903) сделал ряд сообщений об обнаружении им нового вида излуче-
ния, которое испускалось солями урана. Подобно откры-
тым за несколько месяцев до этого рентгеновским лучам, оно обладало проникающей способностью, засвечивало экранированную черной бумагой фотопластинку и иони-
Гипотеза, которая привела к открытию радиоактивности, возникла у Беккереля под влиянием исследований В. Рентгена.
В 1896 г. французский математик и физик Анри Пуанкаре высказал предположение, что Х-лучи, открытые Рентгеном, могут самопроизвольно испускаться некоторыми природными фосфоресцирующими веществами. Рассуждения Пуанкаре были логичны и просты: рентгеновское излучение, по-видимому, возникает на том конце вакуумной трубки, куда попадают катодные лучи и где светится стекло трубки. Но тогда, может быть, светящиеся (люминесцирующие) вещества могут и сами испускать лучи, наподобие рентгеновских? Доклад Пуанкаре произвел большое впечатление на Беккереля.
Поскольку при генерации Х-лучей наблюдалась фосфоресценция стеклян-
ных стенок рентгеновской трубки, Беккерель предположил, что любое фос-
ния. Он поместил на пакет фотографических пластинок, завернутых в плот-
ную черную бумагу, люминесцентный материал (сульфат-уранил калия), имевшийся у него под рукой, и в течение нескольких часов подвергал этот сверток облучению солнечным светом.
После этого Беккерель обнаружил, что излучение прошло сквозь бумагу и воздействовало на фотографическую пластинку, что, очевидно, указывало на то, что соль урана испускала рентгеновские лучи, а также и свет после того, как была облучена солнечным светом. Однако, к удивлению Беккереля, оказалось, что то же самое происходило и тогда, когда такой пакет с фотопластинками помещали в темное место без облучения солнечным светом.
Анри Беккерель, по-видимому, наблюдал результат воздействия не рентгеновских лучей, а нового вида проникающей радиации, испускаемой без внешнего облучения источника.
На протяжении нескольких последующих месяцев Беккерель повторял свой опыт с другими известными люминесцентными веществами и обнаружил, что одни лишь соединения урана испускают открытое им самопроизвольное излучение. Кроме того, нелюминесцентные соединения урана испускали аналогичное излучение, и, следовательно, оно не было связано с люминесценцией.
В мае 1896 г. Беккерель, проведя опыты с чистым ураном, обнаружил, что фотографические пластинки показывали такую степень облучения, которая в три-четыре раза превышала излучение первоначально использовавшейся соли урана. Загадочное излучение, которое, совершенно очевидно, являлось свойством, присущим урану, стало известно как лучи Беккереля.
Многочисленные контрольные опыты показали, что причиной засветки явилась не фосфоресценция, а именно уран, в каком бы химическом соединении он ни находился. Свойство радиоактивного излучения вызывать ионизацию воздуха позволило наряду с фотографическим методом регистра-
ции применять более удобный электрический метод, что значительно ускори-
ло процесс исследований. Это явление самопроизвольного испускания соля-
Своим открытием Беккерель поделился с Пьером Кюри и Марией Скло-довской-Кюри. Однажды для публичной лекции он взял у супругов Кюри пробирку с радиоактивным препаратом и положил ее в жилетный карман. На следующий день он обнаружил на теле покраснение кожи в виде пробирки. Беккерель рассказал об этом П. Кюри, который ставит на себе опыт: в течение десяти часов носит привязанную к предплечью пробирку с радием. Через несколько дней у него развивается покраснение, перешедшее затем в тяже-лейшую язву, от которой Кюри страдал два месяца. Так впервые опытным путем, было открыто биологическое действие радиации.
гие вещества, неспособные сами по себе излучать свет.
Как-то известный английский химик Фредерик Содди взял стеклянную трубочку с радием и фотопластинку в светонепроницаемой кассете и стал водить трубочкой, как карандашом, по кассете. Лучи радия прошли сквозь кассету и на фотопластинке отпечатались слова «Writingradium» («Написано радием»).
За свои исследования Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри в 1903 г. были удостоены Нобелевской премии по физике. Спустя 8 лет последовала вторая Нобелевская премия по химии, присужденная Марии Кюри «за откры-
тие элементов радия и полония, за выяснение природы радия и выделение его в металлическом виде».
Склодовская-Кюри стала первой женщиной, удостоенной высшей награды, и первым ученым, удостоенным ею дважды. Многие академии и научные общества мира избрали ее почетным членом, в том числе и Академия наук России. Вся жизнь Марии Склодовской-Кюри – подвиг, беззаветный труд во имя науки. Девизом служили слова ее мужа Пьера: «Что бы ни случилось, хотя бы расставалась душа с телом, надо работать». Работа по изучению радиоактивных веществ началась в темной, плохо оборудованной лаборатории, где супруги Кюри в течение почти 4 лет перерабатывали тонны урансодержащих отходов.
В июле и декабре 1898 года соответственно им удалось выделить ничтожно малые количества неизвестных до сих пор элементов – полония и радия. Только в 1902 г. они получили около 0,1 г чистого хлорида радия, что позволило им определить его атомный вес, установить физические и химические свойства и его место в периодической системе элементов. Научный мир с нетерпением ожидал каждую новую статью о радиоактивности, подписанную супругами Кюри: каждая из них несла крупицу новых знаний.
М. Склодовской-Кюри принадлежат работы в области радиологии и рентгенологии. Позднее это событие включили в число семи наиболее крупных научных достижений – «семи чудес света» – первой четверти 20-го века.
В 1914 г. она организовала рентгенологическое обследование раненых в госпиталях, а в 1922 г. стала первой женщиной, избранной членом Парижской медицинской академии.
ций по радиоактивности, прочитанный ею, лег в основу фундаментального труда «Радиоактивность» (1910 г.), который много раз переиздавался на иностранных языках, в том числе и на русском.
По ее инициативе и непосредственном участии в Париже был создан Институт радия. Он был построен накануне первой мировой войны, и Мария вплоть до пос-
ледних дней жизни возглавляла его физи-
ко-химический отдел. Человек большой и щедрой души – такой она была всю жизнь. Мария первой организовала ши-
рокое применение излучений в медицин-
ских целях, обучила во время войны бо-
лее 1500 человек работе на рентгеновс-
ких установках. Свою вторую Нобелевскую премию М. Склодовская-Кюри внесла в фонд помощи раненым.
Она подарила Институту радия в Варшаве, открывшемуся в 1932 году, один грамм очень дорогого радия; внимательно относилась к молодым ученым, которые съезжались в ее лабораторию со всего мира.
тов в земной коре и разработал метод определения абсолютного возраста горных
пород на основе радиоактивных данных.
Он открыл и исследовал радийсодержащие воды и изучил распространённость гелия, аргона в природных газах и бора в природных водах.
В 1901 г. и последующее время появилось также мно-
жество зарубежных и отечественных работ о лучевом поражении кожи (дерматиты, эритемы, лучевые ожоги
и язвы, выпадение волос), а в 1902 г. был описан пер-
вый случай лучевого рака кожи.
Продолжают накапливаться данные о различии в устойчивости отдельных облучаемых биологических объектов и систем к летальному облучению и о высокой радиочувствительности процессов клеточного деления.
Так, в 1906 г. французские радиобиологи Ж. Бергонье и Л. Трибондо сформулировали фундаментальный закон (правило) клеточной радиочувствительности: ионизирующее излучение тем сильнее действует на клетки, чем интенсивнее они делятся и чем менее определенно выражены их морфология и функция, т. е. чем менее они дифференцированы.
Многочисленные исследования развития лучевого поражения организмов позволили придти радиобиологам к общему выводу о том, что лучевая болезнь представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных изменений в организме, появление которых зависит от величины дозы, характера облучения, от времени, прошедшего после лучевого воздействия и биологической особенности организма (его радиочувствительности).
Попытки найти какое-либо действующее начало, специфическое только для лучевого поражения, так и не увенчались успехом. Поиски токсических веществ в облученном организме (радиотоксинов) показали, что они представляют собой продукты избыточного накопления продуктов нормально протекающих процессов, усиленных действием облучения.
Исследования динамики биохимических лучевых нарушений заняли все дальнейшие годы истории радиобиологии и позволили собрать ценнейший материал, характеризующий характер и типы развития лучевой болезни.
Изучение ионизирующего действия проникающей радиации на атомы и молекулы, создание количественной дозиметрии позволило перейти радиобиологам к созданию количественных принципов, связывающих радиобиологические эффекты с дозой облучения.
В последующие годы обнаруживаются лучевые изменения различных биохимических процессов: нарушения активности ферментов в органах и тканях, появление токсических веществ в крови (лейкотоксинов).
Особенно интенсивно радиология начала развиваться в 30-40-х годах прошлого столетия в связи с достижениями ядерной физики.
В 1934 г. супругами Иреной и Фредериком Жолио-Кюри была открыта искусственная радиоак-
тивность, за что им в 1935 г. была присуждена Нобелевская премия по химии. Открытие искусствен-
ной радиоактивности явилось началом нового этапа развития
И. Жолио- Жолио-Кюри ядерной физики.
Совместно с сотрудниками они изучали также различные ядерные реак-
ции, вызванные действием альфа-частиц и дейтронов, и способы использо-
вания искусственных радиоактивных изотопов в качестве меченых атомов. Исследование супругами Жолио-Кюри свойств излучения, возникающего при бомбардировке атомов бериллия альфа-частицами, сыграло большую роль в развитии нейтронной физики.
После открытия Джеймсом Чедвиком нейтрона Ф. Жолио-Кюри одним из первых указал на важность этого открытия для практического использования атомной энергии. Фредерик Жолио-Кюри опубликовал ряд работ, явившихся одними из первых исследований по делению тяжёлых ядер и образованию трансурановых элементов. После второй мировой войны с 1939 по 1945 г. г. он руководил строительством первого французского атомного реактора, пущенного в эксплуатацию в форте Шатийон (1948 г.).
В конце 30-х годов ХХ века итальянский физик Энрико Ферми с сотрудниками доказал возмож-ность получения радиоактивности почти у всех элементов под воздействием нейтронной бомбарди-
Э. Ферми () в научных лабораториях, технике, медицине и сель-
В 1934 году он создал количественную теориюb-распада, основанную на предпо-
ложении В. Паули о том, чтоb-частицы испускаются одновременно с нейтрино. В 1934–38 г. г. Ферми с сотрудниками своей лаборатории изучал свойства нейтро-
нов и практически заложил основы нейтронной физики. Впервые наблюдал искус-
ственную радиоактивность, вызванную бомбардировкой нейтронами ряда элемен-
тов, в том числе урана.
В 1938 г. Э. Ферми была присуждена Нобелевская премия по физике. В решении Нобелевского комитета говорилось, что премия присуждена ему «за доказательства существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами». В том же году Энрико Ферми эмиг-
рировал в США, став профессором Колумбийского университета.
Он руководил исследованиями в области исследования ядерной энергии, участвовал в создании проекта атомной бомбы. В декабре 1942 г. ему с сот-
рудниками впервые удалось осуществить цепную ядерную реакцию в ядерном реакторе, где в качестве замедлителя нейтронов использовался графит, а в качестве «горючего» – уран.
Из общего числа (около 1600) известных ныне науке радиоактивных изотопов лишь около 300 природные, а остальные получены искусственным путем в результате ядерных реакций. Между искусственной и естественной радиоактивностью нет принципиального различия.
тронный захват (Л. Альварес, 1938), предсказанный первоначально Х. Юкавой и
С. Сакатой (Япония, 1935).
Впоследствии были обнаружены другие сложные, включающиеb-распад, превра-
щения, в том числе испускание запаздывающих нейтронов (Дж. Даннинг с сотр., США, 1939), запаздывающих протонов ( с сотр., СССР, 1962), запаздывающее деление ядер ( с сотр., СССР, 1966-71).
В 1955 г. при ООН был создан научный комитет по действию атомной радиации (НКДАР) на организм человека.
Наиболее важной задачей, стоящей в настоящее время перед радиобиоло-
гией является защита живых организмов от вредного воздействия ионизиру-щих излучений. Они опасны тем, что даже в малых дозах, не вызывающих заболеваний или гибели, они оставляют свой след на облученном организме, что может сказаться на последующих поколениях по истечении длительного времени.