Влияние радиации на живую материю

Исследования воздействия ионизирующих излучений были начаты сразу после открытия рентгеновского излучения (1895) и радиоактивности (1896). В 1896 русский физиолог И. Р. Тарханов показал, что рентгеновское излучение, проходя через живые организмы, нарушает их жизнедеятельность. Особенно интенсивно стали развиваться исследования этой области с началом применения атомного оружия (1945), а затем и мирного использования атомной энергии.

Для взаимодействия излучения радионуклидов с живыми организмами характерен ряд общих закономерностей. [1]

1) Глубокие нарушения жизнедеятельности вызываются ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии.

2) Биологическое действие ионизирующего излучения не ограничивается подвергнутым облучению организмом, но может распространяться и на последующие поколения, что объясняется действием на наследственный аппарат организма.

3) Для воздействия ионизирующего излучения характерен скрытый (латентный) период, т. е. развитие лучевого поражения, наблюдается не сразу. Продолжительность латентного периода может варьировать от нескольких мин до десятков лет в зависимости от дозы облучения, радиочувствительности организма и наблюдаемой функции (рис. 1). PRIVATE "TYPE=PICT;ALT=0351-5.jpg"

Рис. 1. Влияние дозы облучения на число (%) и сроки выживания клеток костного мозга крыс.

Различные виды ионизирующего излучения воздействуют на организм по-разному.

Ха­рактер воздействия в значительной степени зависит от того, находится ли радионуклид внутри организма (то есть организм подвергается внутреннему облучению) или он расположен вне организма (внешнее облучение).

Рассмотрим сначала, в чем состоит воздействие на организм α-частиц. α –Частицы (ядра атома гелия) из-за своего сравнительно большого заряда (+2) и большой массы испытывают частые столкновения с молекулами и ато­мами среды и растрачивают всю энергию на неболь­шом пути. Поэтому длина пробега α - частиц в воздухе не превышает 10 см, а путь, который они проходят в тканях человека, составляет десятые доли миллиметра. Понятно, что если источник α-частиц расположен, на­пример, на расстоянии 1 м от человека, то до него они просто не долетят, как бы ни была велика активность источника. Поэтому роль α -радиоактивных нуклидов во внешнем облучении организма незначительна.

β- излучения- это поток свободных электронов . Вредное воздействие на организм β-частицы могут оказать как при внутреннем, так и при внешнем облу­чении (когда радионуклид находится вне организма). Длина пробега β-частиц в тканях организма значитель­но больше, чем α-частиц. При этом разрушенные мо­лекулы располагаются не так близко друг к другу, как в случае воздействия α-частиц, и поэтому при одинаковом числе прошедших через организм частиц обоих ви­дов и их равной исходной энергии вред от воздействия β-частиц меньше.

γ-Лучи обладают намного более высокой проника­ющей способностью. γ-излучения это высокочастотное электромагнитное излучение, частота которого . Вред от γ - излучения в большой степени может проявиться при внешнем облучении, даже тогда, когда источник γ-излучения расположен от организма на большом расстоянии и находится, на­пример, за бетонной стеной. Таким образом защита от радиации это в первую очередь защита от γ-излучений. [2]

Для определения уровня радиоактивного заражения существуют несколько единиц измерения.

Универсальной мерой воздействия на вещество является поглощенная доза излучения

, где

Е- энергия излучения, переданная веществу, m- масса вещества

За единицу поглощения дозы в системе СИ принят 1 Грей

Поскольку физическое воздействие ионизирующего излучения связано с ионизацией атомов и молекул, введена экспозиционная доза излучения

Единица измерения . Большинство дозиметров проградуировано внесистемной единицей экспозиционной дозы - рентген (Р)

При облучении мягких тканей человеческого организма рентгеновским или γ-излучением экспозиционной дозе 1 Р соответствует поглощенная доза 8.8 мГр . Следовательно, можно считать, что в дальнейшем при расчетах в работе используется единица излучения 1 Р.

Рис.2.Выживаемость облучённых мышей (ЛД 50/30) в зависимости от возраста.

Первичное действие радиации любого вида на любой биологический объект начинается с поглощения энергии излучения, что сопровождается возбуждением молекул и их ионизацией. При ионизации молекул воды (косвенное действие излучения) в присутствии кислорода возникают активные радикалы (ОН^- и др.), гидратарованные электроны, а также молекулы перекиси водорода, включающиеся затем в цепь химических реакций в клетке. При ионизации органических молекул (прямое действие излучения) возникают свободные радикалы, которые, включаясь в протекающие в организме химические реакции, нарушают течение обмена веществ и, вызывая появление несвойственных организму соединений, нарушают процессы жизнедеятельности. При облучении в дозе 1000 р в клетке средней величины (10~⁹ г) возникает около 1 млн. таких радикалов, каждый из которых в присутствии кислорода воздуха может дать начало цепным реакциям окисления, во много раз увеличивающим количество изменённых молекул в клетке и вызывающим дальнейшее изменение надмолекулярных (субмикроскопических) структур. Физические и физико-химические процессы, лежащие в основе действия излучения, т. е. поглощение энергии и ионизация молекул, занимают доли сек (рис. 3).

Последующие биохимические процессы лучевого повреждения развиваются медленнее. Образовавшиеся активные радикалы нарушают нормальные ферментативные процессы в клетке, что ведёт к уменьшению колиества богатых энергией (макроэргических) соединений. Особенно чувствителен к облучению синтез дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) в интенсивно делящихся клетках. Таким образом, в результате цепных реакций, возникающих при поглощении энергии излучения, изменяются многие компоненты клетки, в т. ч. макромолекулы (ДНК, ферменты и др.) и сравнительно малые молекулы (аденозинтрифосфорная кислота, коферменты и др.). Это приводит к нарушению ферментативных реакций, физиологических процессов и клеточных структур.

Воздействие ионизирующего излучения вызывает повреждение клеток. Наиболее важно нарушение клеточного деления - митоза. При облучении в сравнительно малых дозах наблюдается временная остановка митоза. Большие дозы могут вызвать полное прекращение деления или гибель клеток. Нарушение нормального хода митоза сопровождается хромосомными перестройками, возникновением мутаций, ведущими к сдвигам в генетическом аппарате клетки, а следовательно, к изменению последующих клеточных поколений (цитогенетический эффект.) При облучении половых клеток многоклеточных организмов нарушение генетического аппарата ведёт к изменению наследств, свойств развивающихся из них организмов. При облучении в больших дозах происходит набухание и пикноз ядра (уплотнение хроматина), затем структура ядра исчезает. В цитоплазме при облучении в дозах 10 000-20 000 р наблюдаются изменение вязкости, набухание протоплазматические структур, образование вакуолей, повышение проницаемости. Всё это резко нарушает жизнедеятельность клетки.

Сравнительное изучение радиочувствительности ядра и цитоплазмы показало, что в большинстве случаев чувствительно к облучению ядро (напр., облучение ядер сердечной мышцы тритона в дозе несколько протонов на ядро вызвало типичные деструктивные изменения; доза в несколько тысяч раз большая не повредила цитоплазмы). Многочисленные данные показывают, что клетки наиболее радиочувствительны в период деления и дифференцировки: при облучении поражаются, прежде всего, растущие ткани. Это делает облучение наиболее опасным для детей и беременных женщин.

Возникающие в облучаемых клетках изменения ведут к нарушениям в тканях, органах и жизнедеятельности всего организма. Особенно выражена реакция тканей, в которых отдельные клетки живут, сравнит, недолго. Это слизистая оболочка желудка и кишечника, которая после облучения воспаляется, покрывается язвами, что ведёт к нарушению пищеварения и всасывания, а затем к истощению организма, отравлению его продуктами распада клеток (токсемия) и проникновению бактерий, живущих в кишечнике, в кровь (бактериемия). Сильно повреждается кроветворная система, что ведёт к резкому уменьшению числа лейкоцитов в периферические крови и к снижению её защитных свойств. Одновременно падает и выработка антител, что ещё больше ослабляет защитные силы организма. Биологическое действие ионизирующего излучения обусловливает нарушение половой функции и образования половых клеток вплоть до полного бесплодия (стерильности) облучённых организмов. Важную роль в развитии лучевого поражения животных и человека играет нервная система. Большую роль в развитии лучевой болезни играют и нарушения деятельности желез внутренней секреции.

Для воздействия облучения характерно последействие, которое может быть очень длительным, т. к. по окончании облучения цепь биохимических и физиологических реакций, начавшихся с поглощения энергии излучения, продолжается долгое время. К отдалённым последствиям облучения относятся изменения крови (уменьшение числа лейкоцитов и эритроцитов), нефросклероз, циррозы печени, изменения мышечных оболочек сосудов, раннее старение, появление опухолей. Эти процессы связаны с нарушением обмена веществ и нейроэндокринной системы, а также повреждением генетического аппарата клеток тела (соматические мутации).

Лучевое повреждение организма сопровождается одновременно текущим процессом восстановления, который связан с нормализацией обмена веществ регенерацией клеток. Поэтому облучение дробное или с малой мощностью доз вызывает меньшее повреждение, чем массивное воздействие. В небольших дозах все обитатели Земли постоянно подвержены действию ионизирующего излучения - космических лучей и радиоактивных изотопов, входящих в состав самих организмов и окружающей. Естественным считается радиоактивный фон, если его мощность не превышает 37 мкР/час. Если мощность излучения превышает 50 мкР/час она считается предельно допустимой, поэтому в дальнейших расчетах используется именно это значение.

PRIVATE "TYPE=PICT;ALT=0351-7.jpg"

Рис. 3. Схема развития лучевого повреждения (в центре) и методы воздействия на него (справа).

Обратим внимание на то, что под действием γ-излучений происходит изменение молекулы, что может привести к ее дальнейшему делению и разрастанию тканей. Подобный принцип взаимодействия электромагнитного значения с веществом используется в данном проекте.

Свойства наноструктур

Поиск по сайту: