Радіобіологія
Жиганова Л.П.
Радіобіологія
- Наука про дію всіх видів іонізуючих випромінювань на живі організми та їх
спільноти. Дослідження біологічної дії іонізуючих випромінювань
почалося майже одразу за відкриттям цих випромінювань В.К. Рентгеном (1895),
А. Беккерелем (1896) і радію М.Складовської-Кюрі і П. Кюрі (1898). Однак як
самостійна наука радіобіологія сформувалася в першій половині ХХ століття
завдяки швидкому розвитку ядерної фізики і техніки.
Основні
проблеми радіобіології: дослідження радіаційного ураження організмів при їх
тотальному опроміненні, пізнання причин різної радіочутливості
організмів, вишукування різних засоби захисту організмів від випромінювань і шляхів
його пострадіаційної відновлення від ушкоджень, прогнозування небезпеки
для людства підвищується рівня радіації навколишнього середовища, вишукування
нових шляхів використання іонізуючих випромінювань в медицині, сільському
господарстві, харчовій та мікробіологічної промисловості. Багатогранність завдань,
що стоять перед сучасною радіобіологією, призвела до розвитку радіаційної
мікробіології, радіаційної генетики, космічній радіобіології, радіоекології
і інших напрямів. Багато відкриття радіобіології (наприклад, вивчення радіаційного
мутагенезу, а також ферментів, репаруючу радіаційні пошкодження ДНК)
сприяли суттєвому розвитку знань про загальні закономірності життя.
Біологічне
дію випромінювань - постійний вплив на біосферу Землі електромагнітних та
корпускулярних випромінювань позаземного і земного походження, що призводить до
біохімічним, фізіологічним, генетичним і інших змін, що виникають в
живих клітинах і організмах. Найбільш потужне джерело випромінювань - Сонце.
Енергія електромагнітного випромінювання Сонця видимої частини спектру вловлюється
рослинами, і в процесі фотосинтезу трансформується в енергію хімічних
зв'язків органічних речовин, за рахунок якої існує і розвивається життя на
Землі. З дією світла пов'язані інформаційні та регуляторні реакції
організмів (зір тварин, фототаксис, фотопрізм, Фотоперіодизм та ін.)
Поглинаючи в тканинах пофарбованими речовинами - фотосенсибілізатора, видиме
випромінювання може бути опосередковано впливати на нуклеїнові кислоти і
білки (фотодинамічної дія) Ультрафіолетове випромінювання Сонця Частково
проникає через атмосферу і в помірних дозах надає благотворний
вплив на ріст і розвиток рослин і тварин (підсилює обмін речовин,
викликає утворення вітаміну D, підвищує опірність організму). У
великих дозах короткохвильове УФ-випромінювання інактивує нуклеїнові кислоти і
білки, має бактерицидну, ерітемное, мутагенну і канцерогенну дію.
Спалахи на Сонці, як і набагато більш потужні спалахи на інших зірках,
є джерелами високоенергетичних космічних променів, частина космічних
променів відхиляється магнітним полем Землі, інша - поглинається верхніми шарами
атмосфери і лише невелика їх кількість досягає поверхні Землі,
складаючи близько 30% природного фону іонізуючих випромінювань. Решта 70%
обумовлені альфа-, бета-і гамма-випромінюваннями радіоактивних елементів - торію,
урану, радію і продуктів їх розпаду (радон та інші), які перебувають у розсіяному
вигляді в земних породах, грунті, атмосфері, воді. Певний внесок у
природний фон вносять і таки радіоактивні ізотопи, як К40, Н3, С14,
що входять до складу живих клітин. Високоенергетичні іонізуюче випромінювання
глибоко проникають в організм, досягаючи найбільш радіочутливих органів --
кровотворних, генеративних та ін В основі біологічної дії іонізуючих
випромінювань лежать процеси іонізації і збудження молекул,
радіаційно-хімічні реакції, що порушують або змінюють функції біополімерів,
головним чином нуклеїнових кислот і ферментів. Впливаючи на ДНК соматичних
і генеративних клітин, вони здатні викликати мутації, злоякісне
переродження клітини. Тому іонізуюче випромінювання відіграють певну роль в
природної мінливості організмів, і разом з тим підвищують рівень спонтанно
виникають каліцтв, генетичних захворювань, канцерогенезу. В середині ХХ
століття були відкриті способи розщеплення атомних ядер, що супроводжуються потужним
іонізуючим випромінюванням і утворенням великої кількості штучних
радіоактивних речовин. Технічні засоби використання ядерної енергії в
військових і мирних цілях відчутно збільшують кількість джерел іонізуючих
випромінювань, а отже і ймовірність виникнення різних порушень у
організмів. Велику небезпеку для людства представляє використання
іонізуючих випромінювань у військових цілях. При тотальному гамма-нейтронному
опроміненні тварин і людини (супроводжує вибухи атомних і ядерних бомб) в
дозах 100 ГР і вище внаслідок ураження ЦНС настає коматозний стан і
смерть в перші 24-48 годин, при дозах 5-10 Гр виникає важка променева
хвороба. При більш низьких дозах після гострого періоду настає відновлення
уражених тканин і одужання. Проте надалі зростає ймовірність
появи віддалених наслідків опромінення (рак, лейкемія, катаракта, народження
генетично неповноцінного потомства тощо) Внаслідок розвитку техніки все
більш актуальною стає проблема біологічної дії неіонізуючих
магнітних випромінювань з великими довжиною хвиль, таких як УВЧ, міліметрові,.
сантиметрові і дециметрові радіохвилі, вплив яких пов'язане з
локальним, нерівномірним нагрівом ультраструктур тканин і залежить від потужності і
модуляції опромінення. Радіовипромінювання метрового і більшого діапазонів,
мабуть, біологічною дією не володіють. Регульоване біологічне
дію випромінювань широко використовується в медицині (радіотерапія,
рентгенодіагностика, фототерапія, лазери та ін), мікробіологічної
промисловості, сільському господарстві (радіаційний мутагенезу і ін)
Забруднення
біосфери, комплекс різноманітних впливів людського суспільства на
біосферу, що призводять до збільшення рівня вмісту шкідливих речовин у біосфері,
появи нових хімічних сполук, часток і чужорідних предметів,
надмірного підвищення температури (теплове забруднення біосфери), шуму
(шумове забруднення біосфери), радіоактивності (радіоактивне забруднення
біосфери) і т. д. Забруднення біосфери загрожує здоров'ю людини та стану
навколишнього середовища, обмежує можливості подальшого розвитку людського
суспільства. Практично всі сторони сучасної діяльності людини спричиняють ті
чи інші форми забруднення біосфери. Вихідні причини забруднення біосфери --
стихійний зростання промисловості. Енергетики, транспорту, широка хімізація с.
г-ва і побуту, швидке зростання народонаселення і урбанізація планети. Щорічно з
надр Землі витягується більше 100 млрд. т. різних порід, спалюється близько
млрд. т. умовного палива, викидається в атмосферу близько 20 млрд. т. СО2,
ок.300 млн. т. СО, 50 млн. т. NOx, 150 млн. т. SO2, 4-5 млн. т. H2S та ін
шкідливих газів, понад 400 млн. т. частинок золи, сажі, пилу; скидається в
гідросферу близько 600 млрд. т. промислових і побутових стоків, близько 10 млн. т.
нафти і нафтопродуктів; на розведення стічних вод витрачається 40% обсягу
світових ресурсів стійкого річкового стоку; вноситься в грунт близько 100 млн. т.
мінеральних добрив. У біосферу надходить близько 50% витягнутих з надр
металів, 30% хімічної сировини, до 67% тепла, що виробляється
теплоелектростанціями. Щорічно створюються сотні тис. т. невстречавшіхся раніше в
біосфері хімічних сполук (ксенобіотиків тощо), багато з яких не
піддаються біологічного та фізичного руйнування. Масштаби забруднення
біосфери настільки, великі, що природні процесу метаболізму і розбавляються
здатність атмосфери і гідросфери в ряді районів світу не в змозі
нейтралізувати шкідливий вплив господарської діяльності людини. Накопичення
т. нафти персистентності (стійких) забруднюючих речовин, які майже не руйнуються
в природі (деякі пестициди, поліхлорбіфеніли тощо), а також речовин,
що мають природні механізми розкладання або засвоєння (добрива, важкі
метали та інші), в кількостях, що перевищують здатність біосфери до їх
переробці, порушує що склалися в ході тривалої еволюції природні системи
і зв'язку у біосфері, підриває здатність природних комплексів до саморегуляції.
Екологічні порушення проявляються в скороченні чисельності та видового
розмаїття рослин і тварин, у зниженні продуктивності лісів і
сільськогосподарських угідь, деградації екосистем. Введення в круговорот
речовин біосфери мільйонів тонн хлорорганічних сполук, в тому числі
пестицидів, призводить до того, що, з одного боку, руйнуються що склалися в
ході еволюції трофічні ланцюги, і отже, біоценози, а з іншого --
відбувається неконтрольоване розмноження організмів, легко що виробляють
стійкі форми (деякі комахи, мікроорганізми). Забруднення таких
життєво важливих для людини природних ресурсів, як атмосферне повітря,
прісна вода, родючий грунт, запаси яких на планеті обмежені,
набуває глобального характеру. Використання деревини і викопного палива
(вугілля, нафта) як джерела енергії є основною причиною забруднення
атмосфери шкідливими газами і пилом. Глобальний характер забруднення атмосфери
знаходить вираз в її загальній запиленості, у збільшенні концентрації
вуглекислого газу в повітрі та інших забруднюючих речовин, що може призвести до
порушення озонового екрану, зміни клімату Землі. При спалюванні палива, в
тому числі бензину, в біогеохімічні цикли включаються не лише додаткові
маси оксидів вуглецю, сполук сірки, азоту, але й великі кількості таких
забруднюючих біосферу елементів, як ртуть, свинець, миш'як і ін Залучення до
промислове і сільськогосподарське виробництво важких металів значно
перевершує ті кількості, які перебували в біосферному круговороті за всю
попередню історію людства. З'єднання оксидів азоту і сірки з водою
призводить до випадання так званих кислотних дощів, що змінюють рН середовища і
що призводять до загибелі живих організмів.
Одна
з великих проблем забруднення біосфери - радіоактивне забруднення навколишнього
середовища в результаті ядерних випробувань, накопичення радіоактивних відходів, а також
при аваріях на атомних підприємствах. Глобальне радіоактивне забруднення
становило до середини 70-х років більше 5,5 * 10-19 Бк в результаті ядерних
вибухів і більше 1,7 * 1017 Бк внаслідок надходження в Світовий океан
радіоактивних відходів. Найбільш забруднені райони помірних широт, особливо в
Північній півкулі.
В
зв'язку з цим перед радіобіологією виникають нові проблеми: всебічне
дослідження радіаційного ураження радіаційного ураження багатоклітинних
організмів при їх тотальному опроміненні, пізнання причин різної
радіочутливості організмів, ролі радіації у виникненні шкідливих
мутацій, вивчення закономірностей та причин виникнення віддалених наслідків
опромінення (скорочення тривалості життя, виникнення пухлин, зниження
імунітету). Актуальними для радіобіології стають такі практичні
завдання, як вишукування різних засобів захисту організму від випромінювань і шляхів
його пострадіаційної відновлення від ушкоджень, прогнозування небезпеки
для людства підвищується рівня радіації навколишнього середовища, вишукування
нових шляхів використання іонізуючих випромінювань в медицині, сільському
господарстві, харчовій та мікробіологічної промисловості.
Для
біологічної дії іонізуючих випромінювань характерний ряд загальних закономірностей.
По-перше, глибокі порушення життєдіяльності викликаються мізерно малими
кількостями поглинається енергії. Так, енергія, поглинена тілом
ссавця або людини при опроміненні смертельною дозою, при перетворенні на
теплову привела б до нагрівання тіла всього на тисячну частку градуса. По-друге,
біологічну дію іонізуючих випромінювань не обмежується підданим
опромінення організмом, але може поширюватися на наступні покоління, що
пояснюється дією на спадковий апарат організму. По-третє, для
біологічної дії іонізуючих випромінювань характерна наявність латентного
періоду, тобто розвиток променевого ураження спостерігається не відразу.
Тривалість латентного періоду може варіювати від декількох хвилин до
десятків років в залежності від дози опромінення, радіочутливості організму і
спостерігається функції. Так, при опроміненні в дуже великих дозах можна викликати
"смерть під променем", тривалий ж опромінення в малих дозах веде до
зміни стану нервової та ін систем, до виникнення пухлин через роки
після опромінення.
радіочутливість
різних видів організмів різна. Смерть половини опромінених тварин (при
загальному опроміненні) протягом 30 діб після опромінення викликається наступними
дозами рентгенівського випромінювання: морські свинки 250 р., собаки 335 р., мавпи
600р, миші 550-650 р, карасі 1800 р., змії 8000 - 20000 р. Більш стійкі
одноклітинні організми: дріжджі гинуть при дозі 30000 р, амеби - 100000 р, а
інфузорії витримують опромінення в дозі 300000 р. Радіочутливість вищих
рослин теж різна: насіння лілії повністю втрачають схожість при дозі
опромінення 2000 р., на насіння капусти не впливає доза в 64000 р..
Первинне
дію радіації будь-якого виду на будь-який біологічний об'єкт починається з
поглинання енергії випромінювання, що супроводжується порушенням молекул і їх
іонізацією. При іонізації молекул води (побічна дія випромінювання) в
присутності кисню виникають активні радикали, гідратованих електрони, а
також молекули перекису водню, що включаються потім в ланцюг хімічних реакцій
в клітці. При іонізації органічних молекул (пряму дію випромінювання)
виникають вільні радикали, які, включаючи в протікають в організмі
хімічні реакції, порушують протягом обміну речовин і, викликаючи появу невластивих
організму з'єднань, порушують процеси життєдіяльності. При опроміненні в дозі
1000 р в клітці середньої величини виникає близько 1 млн. таких радикалів, кожен
з яких у присутності кисню повітря може дати початок ланцюговим реакцій
окислення, у багато разів збільшує кількість змінених молекул в клітині і
викликає подальша зміна субмікроскопіческіх структур. З'ясування великий
ролі вільного кисню в ланцюгових реакціях, що ведуть до променевому поразки, т.зв.
кисневого ефекту, сприяло розробці ряду ефективних радіозахисні
речовин, що викликають штучну гіпоксію в тканинах організму. Велике значення
має і міграція енергії за молекул біополімерів, в результаті якої
поглинання енергії, що відбулося в будь-якому місці макромолекули, призводить до
ураження її активного центру. Поглинання енергії і іонізація молекул займають
частки секунди.
Наступні
біохімічні процеси променевого ушкодження розвиваються повільніше.
Утворилися активні радикали порушують нормальні ферментативні процеси в
клітці, що веде до зменшення кількості макроергічних з'єднань. Особливо
чутливий до опромінення синтез ДНК в інтенсивно діляться клітинах, таким чином в
внаслідок ланцюгових реакцій виникають при поглинанні енергії випромінювання.
Вплив
іонізуючого випромінювання викликає пошкодження клітин. Найбільш важливо порушення
клітинного поділу - мітозу. При опроміненні в порівняно малих дозах
спостерігається тимчасова зупинка мітозу. Великі дози можуть викликати повне
припинення ділення або загибель клітин. Порушення нормального перебігу мітозу
супроводжується хромосомними перебудовами, виникненням мутацій, що ведуть до
зрушення в генетичному апараті клітини, а отже, до зміни
спадкових властивостей, що розвиваються з них організмів. При опроміненні у великих
дозах відбувається набухання і пікноз ядра, потім структура ядра зникає. У
цитоплазмі при опроміненні в дозах 10000 - 20000 р. спостерігається зміна
в'язкості, набухання цитоплазматичних структур, освіта вакуоль,
підвищення проникності. Все це різко порушує життєдіяльність клітини.
Виникаючі
в опромінюваних клітинах зміни ведуть до порушень в тканинах, органах і
життєдіяльності всього організму. Особливо виражена реакція тканин, в яких
окремі клітини живуть порівняно недовго. Це слизова оболочки шлунка і
кишечнику, яка після опромінення запалюється, вкривається виразками, що веде до
порушення травлення і всмоктування, а потім до виснаження організму його
продуктами розпаду клітин (токсемії) і проникненню бактерій, що живуть в
кишечнику, в кров (бактеріємія). Сильно пошкоджується кровотворна система, що
веде до різкого зменшення числа лейкоцитів у периферичній крові і до зниження
її захисних властивостей. Одночасно падає і вироблення антитіл, що ще більше
послаблює захисні сили організму. Зменшується і кількість еритроцитів, з чим
пов'язане порушення дихальної функції крові. Порушується утворення статевих
клітин, може виникати навіть повне безпліддя. Першою реагує на радіаційне
вплив нервова система. Мають також місце порушення роботи залоз
внутрішньої секреції.
Одним
з варіантів захисту біологічних об'єктів від іонізуючих випромінювань є
застосування радіопротекторів. Якщо їх ввести в організм після опромінення,
ніякого ефекту спостерігатися не буде, тому їх доцільно вводити тільки до
або після опромінення. До ефективних радіопротектора відносяться речовини,
містять сульфгідрильні групи (-SH), наприклад, цистеїн, а також
меркаптоаміни, індолілалкіламіни. Радіопротектори надають дію, знижуючи
внутрішньоклітинний або внутрішньотканинний напруга кисню або збільшуючи
вміст ендогенних тіол, що супроводжується зменшенням
окисно-відновного потенціалу. Величину дії радіопротекторів
виражають у вигляді фактора зменшення дози ФУД (за новою класифікацією - фід),
рівного відношенню доз випромінювань, що викликають однаковий ефект у присутності
радіопротекторів і в їх відсутності. ФУД при опроміненні в умовах гіпоксії
значно менше, ніж при опроміненні в присутності кисню, а при дії
випромінювань з високою лінійною втратою енергії (альфа-частинки, нейтрони) менше,
ніж при дії випромінювань з низькою ЛПЕ (рентгенівські й гамма-промені). Захисне
дію радіопротекторів видоспецифічність. Деякі радіопротектори можуть
захищати мікроорганізми і клітини в культурі і не захищати ссавців. Однак
слід пам'ятати, що позитивний ефект радіопротекторів досягається тільки в
тому випадку, якщо вони були введені до опромінення. При їх введенні після крива
дії радіопротекторів змінюватися не буде, коефіцієнт ФУД залишиться рівним
1, тому що дози, що викликають однаковий ефект у присутності радіопротекторів і в
їх відсутності, стануть рівними.
Список літератури
1.
Кудряшов Ю.Б., Беренфельд Б.С. Радіаційна біофізика, М., 1979
2.
Біологічний Енциклопедичний Словник, М., 1989
3.
Велика Радянська Енциклопедія, М., 1970
4.
Ярмоненко С.П. Радіобіологія людини і тварин, М., 1988
5.
Первинні процеси променевого ураження. Сб ст. М., 1957
6.
Корогодін В.І. Проблеми пострадіаційної відновлення. М., 1966
Для
підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту www.portal-slovo.ru/
