Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Биофизика: 10 класс. Модуль 4: Радиационная биофизика

Голосов: 3

Пособие к модулю 4 для 10 класса дополнительной образовательной программы по биофизике для учащихся Заочной естественно-научной школе (ЗЕНШ) при Красноярском государственном университете. Программа модуля включает рассмотрение следующих тем: Предмет радиационной биофизики. Первичные процессы поглощения энергии ионизирующих излучений. Косвенное действие ионизирующих излучений. Радиочувствительность (радиоустойчивость) биологических объектов и ее модификация. Радиационная инактивация макромолекул и ее последствия. Лучевые поражения клеток. Радиационные эффекты в области малых доз. Дозиметрия. Действие излучения на ткани и органы организма. Источники радиационных воздействий на человека.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
       АГЕНТСТВО ОБРАЗОВАНИЯ АДМИНИСТРАЦИИ
            КРАСНОЯРСКОГО КРАЯ

КРАСНОЯРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ЗАОЧНАЯ ЕСТЕСТВЕННО-НАУЧНАЯ ШКОЛА при КрасГУ




                 БИОФИЗИКА
                    10 класс


                   Модуль 4
         РАДИАЦИОННАЯ БИОФИЗИКА


            Учебно-методическая часть




                Красноярск 2006


Составители: Т.А.Зотина


Биофизика. 10 класс. Модуль 4. Радиационная биофизика: учебно-
методическая часть / сост.: Т.А.Зотина; Красноярск: РИО КрасГУ. – 2006. –
28 с.

ISBN 5-7638-0708-1




Печатается по решению Дирекции Краевого государственного учреждения
дополнительного образования «Заочная естественно-научная школа» при
Красноярском государственном университете




ISBN 5-7638-0708-1                               © Красноярский
                                                   государственный
                                                   университет, 2006


                                   1. Введение в предмет
       Фундаментальной целью радиационной биофизики является выяснение
механизмов (физико-химических и молекулярных) действия ионизирующих излучений на
биологические объекты от момента поглощения энергии до ответа биологической
системы. Наряду с радиационной биофизикой в современном научном мире существует
также радиационная биология. Обе науки фактически «работают» в одной и той же
области исследований. Радиобиология появилась и получила развитие, как
фундаментальная наука, с появлением необходимости изучения действия ионизирующего
излучения на биологические объекты. Изначально интерес исследователей привлек
парадокс, названный позже «радиобиологическим парадоксом», который был
сформулирован известным исследователем-радиобиологом Н.В.Тимофеевым-Ресовским
как большое несоответствие между малой величиной поглощенной энергии и
выраженностью реакции биологического объекта. Например, при получении смертельной
дозы облучения организму человека передается порция энергии меньшая, чем после
выпитого стакана горячего чая. Этот парадокс на протяжении некоторого времени
оставался одной из основных задач радиобиологических исследований.
       Итак, в истории развития радиобиологии выделяют три этапа:
       1) описательный этап (1895-1922 гг.) – на этом этапе накапливался фактический
экспериментальный материал действия ионизирующего излучения на живые объекты.
Вскоре после открытия Х-лучей Конрадом Рентгеном в 1895 году, названных позже
рентгеновскими, и открытия естественной радиоактивности∗ урана Анри Беккерелем в
1896 году появились сообщения о лучевом поражении кожи и выпадении волос у
исследователей, работавших с радиоактивностью. В России впервые начали проводить
опыты на лягушках и насекомых с целью изучения реакции на облучения во многих
системах организма. В это же время появился первый опыт лечебного применения
рентгеновских лучей для терапии рака. Уже в 1903 году были описаны лучевые изменения
в органах и тканях, летальные эффекты, а также были описаны отличия
радиочувствительности клеток. В первое десятилетие 20-го века были проведены
эксперименты с различными типами клеток, качественно описана их реакция на
облучение.
       2) этап становления фундаментальных количественных принципов (1922-1945 гг.).
На этом этапе были приведены эксперименты на различных организмах и популяциях,
получены зависимости «доза-эффект»∗, показано действие ионизирующего излучения на
генетический аппарат. На основе накопленных экспериментальных данных были
сформулированы основные гипотезы и теории, например, гипотеза точечного нагрева
Дессауэра и теория мишени.
       3) третий этап начинает свой отсчет с 1945 года, этот год ознаменован трагическим
событием в истории человечества – применением атомного оружия, которое
стимулировало развитие радиобиологических исследований. На этом этапе происходит
развитие количественной радиобиологии – экспериментальные исследования на уровнях
от молекулярного до организменного. Также происходит развитие медицинской
радиобиологии.
       Современная радиационная биофизика, равно как и радиобиология тесным образом
связаны с рядом теоретических и прикладных областей знаний (медициной, биологией,
ядерной физикой, биохимией, экологией и др.).
Знания, полученные в области радиобиологии и радиационной биофизики, широко
применяются в различных отраслях человеческой деятельности: от терапии раковых


∗
  Радиоактивность – это самопроизвольное превращение (распад) нестабильных химических элементов
(урана, тория, радия и др.), сопровождающееся выделением энергии в виде ионизирующего излучения.
∗
  Кривые, описывающие зависимость поражения биологического объекта от дозы ионизирующего
излучения, поглощенной облученным объектом в расчете на единицу массы.

                                                                                                   3


заболеваний до создания новых сортов растений. На основе новых знаний, полученных в
результате фундаментальных исследований, в рамках радиационной биофизики
развиваются прикладные области, например, ретроспективная дозиметрия человека и
животных – методы оценки дозы излучения, полученной организмом в прошлом.
       Наряду с экспериментальными количественными методами исследования
радиационная биофизика использует также и теоретические подходы, например,
современные методы численного моделирования.
       Радиационная биофизика является современной развивающейся наукой. Так, к
числу наиболее актуальных современных направлений, привлекающих интерес ученых из
разных стран, можно отнести исследования биологического действия малых доз радиации,
а также так называемый «эффект свидетеля»∗.
       В настоящее время развитие радиационной биофизики, равно как и радиобиологии,
стимулируется не только угрозой техногенных радиационных катастроф и военных
конфликтов с использованием ядерного оружия, но открывшимися широкими
возможностями использования ионизирующих излучений для диагностики и терапии ряда
заболеваний, а также развитием программ по исследованию космоса, неотъемлемым
компонентом которых является изучение действия ионизирующей радиации на организм
человека и других живых объектов, находящихся вне спасительной защиты земной
атмосферы. Следовательно, у этой области науки есть будущее.


    2. Первичные процессы поглощения энергии ионизирующих излучений
Типы ионизирующих излучений
      К ионизирующим излучениям∗ относят электромагнитные и корпускулярные
излучения, энергия которых превышает величину «потенциала ионизации», т.е. 10-12 эВ
                                 (рис.   1).      Электромагнитные        ионизирующие
                                 излучения – это рентгеновское излучение, а также γ-
                                 излучение радионуклидов. Диапазон длин волн (м)
                                 гамма-излучения:        10-10–10-15,    рентгеновского
                                               -7    -11
                                 излучения: 10 – 10 . Оптический спектр излучений
                                 и радиоволны также относят к электромагнитным
                                 излучениям, но они называются неионизирующей
                                 радиацией, поскольку из-за присущей им низкой
                                 энергии не способны к ионизации молекул и лишены
                                 высокой проникающей способности. Соответственно,
                                 ионизирующие       излучения       обладают    высокой
                                 проникающей способностью через вещество.
                                       К корпускулярным излучениям относят
                                 заряженные частицы – β-частицы (электроны и
                                 позитроны); ядра атомов водорода (протоны),
                                 дейтерия (дейтроны), гелия (α-частицы) и других
                                 элементов; ядерные частицы, не имеющие зарядов –
                                 нейтроны, а также многие нестабильные частицы,
                                 например, π+, π- и π0 мезоны и другие.


     Рис.1. Шкала длин волн

∗
  Понятия «малые дозы радиации» и «эффект свидетеля», равно как и другие термины, упомянутые в данной
главе, будут пояснены в следующих разделах.
∗
  Излучение, энергия которого достаточна для разрыва межатомных связей путем удаления электрона с
орбиты (ионизации).

                                                                                                   4


   Нейтроны (частицы с массой 1,0087 атомной единицы и нулевым зарядом) в
зависимости от энергии частиц делятся на группы: быстрые (энергия >100 кэВ),
промежуточные (1-100 кэВ), медленные (< 1 кэВ) и тепловые (0,025 эВ при комнатной
температуре.
      Общее свойство ионизирующих излучений – это способность проникать через
материалы и ионизировать воздух и живые клетки.

Механизмы поглощения энергии:
I. Для ФОТОНОВ (электромагнитное излучение)
Фотоэффект (только для длинноволнового рентгеновского
излучения): энергия падающего кванта полностью
поглощается веществом. В результате появляются
свободные электроны (рис. 2) с кинетической энергией,
равной энергии захваченного кванта за вычетом энергии
выхода электрона.


                                                              Рис.2

                     Эффект Комптона:
                     падающие фотоны упруго рассеиваются на электроне внешней
                     орбиты (рис. 3), которому передается часть энергии фотона.
                     Оставшуюся энергию уносят рассеявшиеся фотоны. Средняя
                     энергия возрастает с увеличением энергии падающего излучения.

                     Рис. 3

Образование электрон-позитронных пар (для фотонов с энергией > 1,022 МэВ, т.е.
                      превышающей внутриатомные энергии связи):
                      В результате взаимодействия кванта излучения с кулоновским
                      полем ядра атома, квант исчезает и одновременно возникает
                      пара частиц электрон-позитрон (рис. 4). Позитрон затем
                      аннигилирует с электронами среды с образованием гамма-
                      квантов, которые проходя через вещество теряют энергию за
                      счет фотоэффекта или эффекта Комптона.

                       Рис. 4

При облучении биологических тканей относительная вероятность реализации
вышеперечисленных механизмов представлена на рисунке (рис. 5). При действии
рентгеновского и гамма-излучения первичная ионизация (возникновение атомов,
утративших электрон вследствие фото- и Комптон-эффекта) мала по сравнению с
ионизацией в результате действия вторичных электронов (электронов, оторванных с
орбиты). Поэтому электромагнитное излучение считают косвенно ионизирующим. В
большинстве случаев при облучении биологических объектов энергия электромагнитного
                               излучения находится в диапазоне 0.2-2 МэВ, поэтому
                               наибольшую роль играет эффект Комптона.




                                Рис. 5

                                                                                5


Относительная вероятность (Р, %) поглощения фотонов различной энергии в одном из
трех вариантов взаимодействия электромагнитного ионизирующего излучения с
веществом. 1 – (10-100 кэВ), фотоэффект, 2 – (0,3-10 МэВ), комптон-эффект, 3 - (>10
МэВ), процесс образования пар.
II. Для частиц (корпускулярное излучение)
     В зависимости от знака заряда в веществе частица испытывает электростатическое
взаимодействие, притягивается или отталкивается от положительно заряженных ядер. Чем
больше масса частицы, тем меньше она отклоняется от первоначального направления.
     Как и в случае с электромагнитным излучением, для частиц существует два основных
механизма взаимодействия с веществом: упругое рассеяние (для легких частиц), когда
меняется направление движения частиц, а не энергия, и неупругое рассеяние (при
прохождении электрона очень высокой энергии вблизи ядра), при котором скорость
частицы снижается, и часть энергии испускается в виде фотона тормозного излучения.
     α - частицы в веществе взаимодействуют с электронами оболочки атомов среды:
упругое рассеяние на электронах и неупругое столкновение с орбитальными электронами
(электрическое поле альфа-частицы ускоряет электроны, преодолевая их взаимодействие с
ядрами атомов, что приводит к ионизации и возбуждению атомов и молекул и к
диссоциации молекул). При этом альфа-частицы теряют свою энергию.
     β - частицы при взаимодействии с атомами среды отклоняются от своего
первоначального направления, в отличие от альфа частиц, их путь в веществе
представляет из себя ломаную линию. Ионизирующая способность бета-частиц меньше,
чем альфа-частиц. При прохождении вблизи положительно заряженных ядер, бета-
частицы тормозятся и теряют энергию в виде тормозного рентгеновского излучения.
     Нейтроны не взаимодействуют с кулоновским полем атомов и молекул и вследствие
этого проходят в веществе значительные расстояния, не меняя направления траектории.
Ионизация вещества–поглотителя происходит косвенным путем: за счет высвобожденных
заряженных частиц.
Механизмы взаимодействия нейтронов с веществом:
- Упругое рассеяние (для быстрых нейтронов) – в результате соударения нейтрона с
ядром атома кинетическая энергия нейтрона распределяется между ним и «ядром отдачи»
(рис.6).
Чем меньше масса ядра, тем больше энергии оно получит. Поэтому в биологических
тканях, богатых водородом, появляются «протоны                                 Р+
отдачи», обладающие значительной кинетической                        e-          Протон
энергией и зарядом, которые могут взаимодействовать                              отдачи
с электронными оболочками атомов и вызывать
ионизацию.                                              n
                                                                   Р+


                                                        Быстрый
                                                        нейтрон               n
                                                                               Нейтрон с
                                                                               меньшей
                                              Рис. 6                           энергией


- Неупругое рассеяние (при энергии больше нескольких кэВ) - часть энергии идет на
возбуждение ядра, часть – на кинетическую энергию ядра. При переходе в основное
состояние возбужденное ядро испускает гамма-кванты.
- Радиационный захват (для медленных нейтронов) - нейтрон захватывается ядром с
образованием короткоживущего высоковозбужденного ядра, которое переходит в
стабильное состояние с образованием гамма-квантов (для легких ядер, водород), протонов
или альфа-частиц (для более тяжелых ядер, азот).
      π-мезоны проходят путь в тканях до полного торможения почти без ядерных
взаимодействий, в конце пробега захватываются ядрами атомов ткани, что
сопровождается «микровзрывом» - вылетом набора частиц (нейтронов, протонов, альфа-).

                                                                                           6


Благодаря особенности взаимодействия с тканями широко используются в лучевой
терапии.

Относительная биологическая эффективность ионизирующих излучений, линейная
передача энергии.
      Когда отдельная частица или пучок частиц излучения воздействуют на вещество,
то их путь можно проследить по произведенным ими эффектам (рис. 6). Действие
ионизирующего излучения на вещество связывают в первую очередь с величиной
линейной передачи энергии (ЛПЭ), которая определяет величину средних потерь энергии
на единицу пути первичной заряженной частицы в пределах объема ее трека. Обычно
принимают, что вещество – это вода с плотностью 1 г/см3, и поэтому ЛПЭ измеряется в
единицах кэВ/мкм.


                                          На рис. 7 схематически представлено
                                          распределение актов ионизации вдоль треков
                                          заряженных частиц различной природы и
                                          энергии. С ростом ЛПЭ вероятность
                                          поражения увеличивается.


                                          Рис. 7
                                          Примечание: дейтрон, ядро атома изотопа
                                          водорода - дейтерия - с массовым числом 2.



      Воздействие разными видами излучений на
биологические объекты в равных дозах приводит к
различным по величине эффектам. Это свойство
излучения определяется, главным образом, ЛПЭ.
      Для количественной оценки качества излучения
введено    понятие    относительной    биологической
эффективности (ОБЭ). Относительная биологическая
эффективность увеличивается с ростом ЛПЭ (рис. 8).


          Рис. 8. Кривые выживания клеток, подвергнутых облучению. 1 – рентгеновское
                                              излучение, 2 – нейтроны, 3 - α-излучение

      С ростом ЛПЭ повышается поражаемость клеток и снижается их способность к
восстановлению (рис. 8).

      Основные физические величины радиобиологии и единицы их измерения
       Активность радионуклида – скорость, с которой происходит радиоактивный распад
нуклеотида. В международной системе единицей активности является беккерель (Бк). 1 Бк
= 1 распад в секунду.
       Доза излучения (экспозиционная доза) измеряется для получения представления о
количестве энергии ионизирующего излучения, падающей на объект за время облучения.
Размерность экспозиционной дозы – это заряд, возникающий в единице массы
поглотителя, в международной системе единиц - Кл/кг (кулон на килограмм). Также в
настоящее время широко применяют внесистемную единицу – Р (Рентген).

                                                                                    7


      Доза облучения (поглощенная доза) – это величина энергии ионизирующего
излучения, переданная веществу. В международной системе единиц поглощенная доза
излучения измеряется в Греях (Гр). 1 Гр= 1Дж/кг.
      Мощность дозы. Эта величина характеризует скорость увеличения дозы за единицу
времени. Измеряется в Гр/с или Кл/(кг * с).


              3. Косвенное действие ионизирующих излучений
      В результате взаимодействия ионизирующего излучения с веществом происходит
ионизация атомов и молекул. Вследствие ионизации происходят изменения макромолекул
(например ДНК, белков и др.), а также образуются высокореакционные продукты из
молекул воды, которая составляет до 90% массы живой клетки. Образование таких
продуктов из воды называют радиолизом. Продукты радиолиза воды реагируют как
между собой, так и органическими компонентами клетки, приводя к разрушению их
молекул. Таким образом, прямым действием ионизирующих излучений называют
изменения молекул, которые возникают в результате утери или приобретения ими
электрона (рис. 9). Непрямое (косвенное) действие ионизирующих излучений – это
изменения молекул, вызванные продуктами радиолиза окружающей их воды и
растворенных низкомолекулярных соединений (рис. 9).
      Так, прямое действие ионизирующего излучения ответственно за 10-20% лучевого
поражения макромолекул ДНК. Косвенное действие (посредством продуктов радиолиза
воды) излучения ответственно за 80-90% лучевого поражения. Косвенное действие
излучения усиливается или ослабляется за счет действия различных химических
модификаторов.

 1       2


             Н2О    Н’ + OH’

                      Диффузия
                      свободных радикалов
                                            Рис. 9.
                       к мишеням
Молекула-мишень                             1 - схема прямого действия излучения;
                                            2 - схема косвенного действия излучения


Радиолиз воды и его продукты.
      Итак, в результате действия       ионизирующего    излучения   молекула   воды
ионизируется, теряя электрон:
                      Н 2 О→ H 2 O + +e -
Ион радикал H2O+ реагирует с нейтральной молекулой воды, образуется высоко-
реактивный радикал ОН•:
                   H2O+ + Н2О→ H3O+ + ОН•
Высвобожденный из молекулы воды электрон взаимодействует с окружающими
молекулами воды. При этом возникает возбужденная молекула H2O*, которая
диссоциирует с образованием двух радикалов: Н• и ОН•.
      Радикалы ОН• ответственны более чем за половину радиационных повреждений
молекул ДНК, т.к. они могут диффундировать на расстояние около 1 нм (это примерный
радиус молекулы ДНК).

                                                                                      8


      В присутствии кислорода образуются окислительные продукты радиолиза воды:
гипероксидный радикал (НО2•), пероксид водорода (Н2О2), атомарный кислород (О):
                   Н • + О 2 → НО 2 •
               НО2• + НО2• → H2O2 + 2О
       В результате радиолиза образуются также восстановительные продукты – это
гидратированый электрон и атомарный водород. Гидратированый электрон (е-aq) -
стабилизированная форма электрона - обладает высокой реакционной способностью в
качестве восстановителя.
       Свободные радикалы, образованные в результате радиолиза воды, характеризуются
чрезвычайно высокой реакционной способностью, так что время их существования
составляет от 10-10 до долей секунды. В веществе радикалы либо рекомбинируют друг с
другом, либо реагируют с органическими соединениями. «Цель» радикала - освободиться
от неспаренного электрона - передать его другой молекуле или отнять у нее электрон для
образования пары и тем самым превратиться в стабильную молекулу.

Инактивация макромолекул в растворах.
      В растворах поражение молекул происходит не только в результате прямого
попадания в них ионизирующего излучения (кванта или электронов, образовавшихся в
ионизированных молекулах), но и за счет диффузии к молекулам продуктов радиолиза
воды.
      Это открытие было сделано в 1930-е годы при исследовании радиохимических
изменений в растворах неорганических и простых органических соединений.




                              Рис. 10.
                              Зависимость «доза-эффект» при косвенном действии
                              излучения.
                              Черные кружки – концентрация муравьиной кислоты 10-4
                              моль, белые кружки – концентрация 10-1 моль


       В экспериментах с растворами муравьиной кислоты в разных концентрациях было
показано, что при облучении 1 л раствора муравьиной кислоты в дозе 100 Гр выделялось
25 мкмоль водорода не зависимо от того, содержал ли облучаемый объем 10-4 моль или
10-1 моль кислоты. Следовательно, одно и то же количество распавшихся молекул
кислоты (25 мкмоль) составляло в первом случае 25 % от общего количества
растворенной кислоты, а во втором случае – 0,025 %.
       Таким образом, при косвенном действии радиации, независимо от концентрации
раствора, абсолютное число поврежденных молекул остается постоянным, а их доля (%)
от общего числа изменяется обратно пропорционально их концентрации.
       В отличие от косвенного, при прямом действии радиации число инактивированных
молекул при заданной дозе увеличивается пропорционально концентрации раствора, а их
доля от общего числа молекул остается постоянной.


                                                                                    9


4. Радиочувствительность (радиоустойчивость) биологических объектов
                          и ее модификация
Критерии радиочувствительности
       Каждому биологическому объекту (клеткам, тканям, органам и организмам)
свойственна своя мера восприимчивости к воздействию ионизирующей радиации, т.е.
своя видовая радиочувствительность. Поиск критериев радиочувствительности является
одной из центральных задач радиобиологии. Основное требование к критериям
радиочувствительности - строгая количественная связь реакции биологического объекта и
дозы облучения.
       Интегральным критерием радиочувствительности для большинства биологических
     Вид       Доза, Гр   объектов является изменение выживаемости в результате
   Человек        2,5-4   облучения в определенных дозах. Два основных показателя -
  Обезьяна        2,5-6   это полулетальная доза (ЛД50) – доза облучения, приводящая к
    Овца          1,5-3   гибели 50 % объектов, подвергнутых радиационному
   Собака         2,5-3   воздействию. Второй показатель - летальная доза (ЛД100), при
    Осел           2-4    которой гибнут все объекты, подвергнутые облучению.
   Кролик         9-10    Примеры радиочувствительности различных биологических
    Хомяк         9-10    объектов приведены в таблице (ЛД50 γ-излучения).
   Мыши           6-15           Существуют        также         другие       критерии
разных линий              радиочувствительности, например, задержка клеточного
   Крысы           7-9    деления, специфичные функции тканей и органов (выработка
разных линий
                          ферментов,    гормонов,     активация     и   ингибирование
   Птицы          8-20
                          специфического метаболизма). Применение перечисленных
    Рыбы          8-20
    Змеи         80-200
                          критериев имеет свои ограничения.
 Насекомые       10-100          Видовую радиочувствительность можно изменить
  Растения      10-1500   (модифицировать) с помощью ряда химических веществ –
                          модификаторов.

Кислородный эффект
       Кислород      является   одним    из    наиболее  сильных    модификаторов
радиочувствительности. Например, в присутствии кислорода ферменты и нуклеиновые
кислоты в 1,5-2,2 раза эффективнее поражаются ионизирующим излучением. Зависимость
тяжести лучевого поражения от содержания кислорода в окружающей клетку среде:
усиление тяжести поражения при повышении концентрации кислорода или уменьшение
при ее снижении – называют кислородным эффектом.

Механизм радиомодифицирующего действия кислорода (интерпретация кислородного
эффекта для макромолекул) обусловлен его электроакцепторными свойствами, благодаря
которым он присоединяется к радикалам ДНК, образованным в результате прямого и
косвенного действия излучения.
      При взаимодействии кислорода с радикалами (R*) (в том числе продуктами
радиолиза) возникают пероксидные радикалы (ROO*).
                *             *
              R + O2     ROO
Кислород способен улавливать электроны:
- электрон, образованный на одном из участков макромолекулы после ионизации атомов,
захватывается кислородом на свою орбиту. Таким образом, кислород присоединяется к
молекуле ДНК в месте разрыва химических связей. В результате снижается
эффективность репарации ДНК и приводит к вставке неправильного аминокислотного
остатка.



                                                                                   10



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика