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.
    продолжительность жизни резко сокращается. Ступенчатый характер отмирания связан с
выходом из строя критических систем.
      На рис. 15 показана зависимость средней продолжительности жизни человека и
обезьян от дозы излучения. Наличие плато на кривой свидетельствует о том, что
регистрируемое несовместимое с жизнью повреждение той или иной системы наступает
после достижения определенного уровня поражения, т.е. имеет пороговый характер. На
кривой видно три наклонных участка, которые свидетельствуют о гибели человека в
результате поражения трех критических систем. При дозе 4 Гр продолжительность жизни
не превышает 40 суток, гибель человека обусловлена нарушением кроветворения –
кроветворный синдром. При дозе 8 Гр гибель человека происходит в течение 8-10 суток
вследствие поражения системы пищеварения – желудочно-кишечный синдром. При дозе
более 30 Гр время жизни человека не превышает 2 суток вследствие поражения ЦНС –
церебральный синдром.




                                    Рис. 15

Кроветворный синдром. Органы кроветворения (костный мозг, тимус, лимфатические
узлы, селезенка) – наиболее радиочувствительные критические органы. Основное
назначение костного мозга – продукция зрелых высокодифференцированных клеток
крови. В кроветворной ткани костного мозга выделяют три клеточных линии, три
популяции клеток, являющиеся родоначальниками соответствующих клеток крови —
лейкоцитарный, эритроцитарный и тромбоцитарный.
   Главная функция лейкоцитов — защита. Они участвуют в иммунных реакциях,
вырабатывают антитела, а также связывают и разрушают вредоносные агенты. В норме
лейкоцитов в крови намного меньше, чем других форменных элементов. Основная
функция эритроцитов – снабжение органов кислородом и выведение углекислоты.
Функция тромбоцитов – свертывание крови.
   Компоненты крови обладают разной радиочувствительностью. Вследствие того, что
лейкоциты наиболее радиочувствительны, в результате облучения они повреждаются в
первую очередь, и гибель организма происходит от инфекций.
   Систему клеточного обновления костного мозга можно упрощенно разделить на 2
компартмента: 1 – молодые и делящиеся клетки (стволовые); 2 – зрелые функциональные
клетки периферической крови.
   В результате облучения стволовых клеток костного мозга деление клеток
приостанавливается, и вследствие этого через некоторое время снижается число клеток
периферической крови.
   Особенности динамики компонентов периферической крови после облучения
показаны на рис. 16. В динамике видны три стадии: фаза дегенерации (резкое снижение
доли выживших клеток), фаза абортивного подъема (в периферическую кровь выходят
поврежденные клетки, способные пролиферировать в течение некоторого времени и
выполнять свои функции), фаза восстановления численности клеток до исходного уровня.


                                                                                 21


                                          Рис. 16.
                                          Динамика клеток периферической крови
                                          после облучения.
                                          1 – отмирающие клетки, быстро исчезающие
                                          из системы;
                                          2 – поврежденные клетки, которые отмирают
                                          через несколько делений;
                                          3 – общее количество клеток;
                                          4    –   выжившие      клетки,  способные
                                          пролиферировать бесконечно долго

Желудочно-кишечный синдром. При радиационном поражении желудочно-кишечного
тракта у млекопитающих наиболее важную роль играют изменения в тонком кишечнике:
опустошение крипт и ворсинок. Каждая ворсинка содержит сеть кровеносных сосудов и
лимфатический (млечный) сосуд. Аминокислоты, глюкоза, соли и водорастворимые
витамины всасываются в кровеносные капилляры, а затем по системе воротной вены
поступают в печень, где из них синтезируются собственные белки, липиды и гликоген.
На рис. 17 показаны потеря клеток из крипт (а) и ворсинок (б) у обычных (1) и
выращенных в стерильных условиях (2) мышей после общего рентгеновского облучения в
                                           дозе 30 Гр.
                                           Опустошение крипт происходит на 1-2 сутки,
                                           ворсинок – на 3-4 сутки (средний срок
                                           гибели животных от желудочно-кишечного
                                           синдрома).




                                          Рис.17

      Потеря клеток из крипт и ворсинок приводит к быстрому развитию инфекционных
процессов вследствие попадания в организм животных патогенной микрофлоры. Гибель
организма определяют также поражения кровеносных сосудов и нарушение баланса
жидкостей и электролитов. Для того чтобы продлить срок жизни облученных животных
необходимо предотвратить проникновение инфекции в организм животных, для этого их
помещают в стерильные условия.

Церебральный синдром проявляется у млекопитающих при возрастании дозы от 10 до 200
Гр. При этом наблюдаются нарушения двигательных функций, судороги и гибель в коме.
      ЦНС – морфологически наиболее радиорезистентная критическая система. Зрелая
нервная ткань состоит из высокодифференцированных непролиферирующих клеток, не
способных замещаться в организме.

                                                                                  22


      Под действием высоких доз излучения происходит интерфазная гибель нейронов.
Вследствие нарушений функций нейронов головного мозга, обусловленных
дезинтеграцией синаптических и других клеточных мембран, становится невозможной
передача нервных импульсов (синаптическая нейропередача).
Опосредованные эффекты облучения. Помимо описанных выше прямых эффектов
облучения, при хроническом облучении в малых дозах в органах и системах организмов,
не подвергнутых непосредственному облучению, наблюдаются радиационные эффекты,
названные опосредованными:
   • Эффект свидетеля – поражения органов системы кроветворения (см. предыдущий
      раздел и тему 7).
   • Угнетение иммунитета – повышенная чувствительность к возбудителям
      инфекционных заболеваний, сопровождающихся изменением микрофлоры
      организма, в частности кишечника. Клиническими проявлениями угнетения
      иммунитета являются частые ОРЗ, пневмония, нефрит, уретрит. Одной из причин
      снижения иммунитета является иммунная пассивность лимфоцитов.
   • Нарушение обмена веществ – нарушение белкового обмена, обмена углеводов,
      липидного обмена ингибирование окислительного фосфорилирования в клетках
      радиочувствительных органов; угнетения ферментативных реакций синтеза ДНК и
      пр.
   • Нервно-психические расстройства – искажение межнейронных и межсистемных
      связей. Клинические проявления: расстройства поведения, сна, судорожные
      припадки. У потомства: депрессия интеллекта, аффективный синдром.

Отдаленные эффекты облучения проявляются через несколько лет и десятилетий, а
также у потомков.
- Соматические: катаракта, сокращение продолжительности жизни, злокачественные
новообразования, склероз различных органов. Причиной соматических проявлений
служат радиационные мутаций в соматических клетках.
- Генетические: наследственные заболевания, уродства и пороки развития потомства,
возникающие вследствие радиационных мутации в зародышевых клетках.

Распределение инкорпорированных радионуклидов в организме.
    После попадания в организм (с воздухом, с пищей и водой, через кожные покровы)
радионуклиды распределяются в органах и тканях неравномерно, формируют «горячие
пятна» - это влияет на дозу облучения, получаемую органами и тканями.
    В минеральной части скелета инкорпорируются элементы щелочноземельной группы
(Sr, как аналог Са; Ba; Ra), Р-32 соединения Pu и Th;
    В защитных клетках организма - соединительной ткани, компонентах крови, печени,
капиллярах – редкоземельные элементы (Сe, Pr, Pm), Zn, Th и трансурановые элементы
(Am, Pu etc.).
    Равномерно распределяются в организме (диффузный тип распределения) щелочные
элементы (Cs, как аналог калия; Na; Rb), а также N, C, Po, H.

Примеры скоростей миграции радионуклидов в организме:
   • Ca и Cr переходят из крови в скелет через 4-10 ч;
   • J – в щитовидную железу – через несколько минут и полный переход из крови
     заканчивается через 10-15 часов;
   • U – выводится из крови ч/з 12 ч.

   В таблице представлены скорости выведения искусственных радионуклидов из
организма человека. Т1/2 – период полураспада, Тэфф – время уменьшения содержания
радионуклида в организме вдвое. Наиболее быстро выводятся из организма натрий и йод.

                                                                                 23


Трансурановые элементы плутоний и америций задерживаются в организме наиболее
долго.
Радионуклид     Орган накопления       Т1/2         Тэфф

     Н-3             Все тело         4,5*103       12 сут

    Na-24            Все тело          0,63         0,6 сут

     P-32             Кости            14,3        14,1 сут
                    Щит.железа                      7,6 сут
    J-131                               8
                   Остальн.ткани                    4,8 сут
    Cs-137          Селезенка         1,1*104       140 сут

    Po-210           Мышцы            138,4         42 сут
                                               4
                      Скелет          2,4*10        46 лет
    Pu-239
                      Печень            лет         27лет
                      Скелет                        84 лет
    Am-241                         432,7 лет
                      Печень                        18 лет



             10. Источники радиационных воздействий на человека
Естественный радиационный фон Земли формируют радионуклиды из трех источников:
1) рассеянные в почве, воде, воздухе, возраст которых совпадает с возрастом планеты:
калий –40 (40К), уран-238 (238U), торий-232 (232Th), продукты распада тория и урана, а
также радона (219-282 Rn) и радия (226Ra);
2) космическое излучение;
3) короткоживущие радионуклиды, образующиеся в верхних слоях атмосферы при
взаимодействии газов стратосферы с потоком ядерных частиц высоких энергий из разных
областей Вселенной.
       Первичные геологические источники радионуклидов фона - это верхние слои
литосферы (граниты, сланцы, песчаники, известняки и др.). Под воздействием
микрофлоры, воды, ветра, перепадов температур радионуклиды высвобождаются из
твердых пород и попадают в почву. Затем они включаются в биотический круговорот.
       Естественные радиоактивные изотопы – это тяжелые элементы с порядковыми
номерами 81-96. Тяжелые естественные изотопы образуют четыре радиоактивных
семейства (см. таблицу).
    Родоначальник каждого ряда характеризуется большим периодом полураспада,
сопоставимым со временем жизни Земли (4,5-5 млрд лет.) и Солнечной системы. Ряды
заканчиваются стабильными изотопами свинца.



                      Родоначальник         Т1/2, лет
N     Семейство
                        семейства        (1*109=1 млрд)
1    Урана-радия          U-238             Т1/2 = 4.51*109
2    Тория                Th-232            Т1/2 = 14*109
3    Актиния              U-235             Т1/2 = 7.13*108
4    Нептуния             Np-232            Т1/2 = 2.2*106

Естественные радиоактивные изотопы, не входящие в радиоактивные семейства (всего
их более 200). В результате изолированного акта радиоактивного распада этих изотопов
образуются стабильные элементы.

                                                                                   24


   Изотопы      Символ        Т1/2       Тип распада

   Калий-40        K       1,3x109 лет      бета

  Углерод-14       C        5730 лет        бета

  Рубидий-87      Rb      5,8x1010 лет      бета

 Самарий-147      Sm      6,7x1011 лет     альфа

 Лютеций-176      Lu      2,4x1010 лет      бета

  Рений-187       Re       4x1012 лет       бета


   Радиоактивный калий (40К)– основной радионуклид фона. В рационе человека в
сутки содержится до 4,5 г К-40. Например, в картофеле содержится 107 Бк/кг калия, в
молоке – 44 Бк/кг. Биологическая функция К – обеспечение функционирования мембран
клеток, внутриклеточного давления, передача нервного импульса и пр. Накопители К-40 в
организме человека (в убывающем порядке): Эритроциты, нервная ткань (головной мозг),
мышцы, печень, легкие, кости. К-40 быстро выводится из организма. За 58 суток
выводится половина К-40.
Радионуклиды, образующиеся в верхних слоях атмосферы под воздействием потока
нейтронов космического происхождения.
Тритий (Н-3) - сверхтяжелый радиоактивный изотоп водорода, включается в те же
биологические звенья, что и водород, в организме распределяется равномерно. Т ½ =
12,35 года, бета – излучатель. Общее количество в биосфере (93-185)*1016 Бк, из них 65
% в океане, в продуктах питания – 14-26 Бк/кг.
Углерод – 14 (С-14) (всего существует 5 радиоактивных и два стабильных изотопа С). Т
½ = 5730 лет, бета –излучатель. Расчетное суммарное количество в биосфере 8,5*1018 Бк,
из них 1,6 % - в атмосфере, 4 % - в почвах, 2,2 % в верхних слоях океана, 92 % - в
глубинных. В организм поступает с пищей и водой (99 %). Биогенный элемент, имеет
сродство к жировым тканям, равномерно распределяется в организме. Образуется при
взаимодействии медленных нейтронов с азотом атмосферы.

Космическое излучение - поток солнечных и галактических (93 %) частиц высоких
энергий: протонов и протонно-нейтронных обломков ядер с атомными номерами 3-5, 10-
19, 20. Галактические частицы – это в основном протоны с энергией 100-1014 МэВ.
Энергия солнечных частиц – 20 МэВ. Естественной защитой от космического излучения
является магнитное поле Земли, оно отклоняет протоны, а также озоновый слой
(расположен на высоте 20 км над у.м.), который преобразует излучение (за исключением
нейтронов) в фотонное).
    Естественная защита Земли ослабевает по направлению от экватора к полюсам.

Искусственный (техногенный) радиационный фон Земли формируется за счет:
   1) искусственной концентрации и перераспределения естественных радионуклидов;
   2) загрязнения   окружающей     среды    радиоактивными     изотопами   ядерно-
      энергетического происхождения;
   3) производства и использования искусственных радионуклидов и источников
      ионизирующих излучений в науке, медицине, промышленности.

   Искусственная концентрация и перераспределение естественных радионуклидов
происходит в основном за счет добычи и сжигания топлив, переработки руд,
производства строительных материалов. Так, сжигание многозольного угля приводит к
концентрации и выбросу в атмосферу К-40, U-238, Th-232, за счет чего происходит

                                                                                   25


ежегодное увеличение фона на 0,02 %. Сжигание жидких углеводородных топлив (в
двигателях внутреннего сгорания) приводит к выбросу и включению в состав аэрозолей
воздуха С-14 и К-40. Состав шлаков и аэрозолей, образованных в результате
металлургического производства сходен с составом сжигаемых топлив.
   Применение фосфатных удобрений также вносит существенный вклад в процесс
перераспределения и концентрирования естественных радионуклидов. Например, в
фосфорных удобрениях содержатся: U-238 до 2,34 Бк/кг; Ra-226 – до 0,85 Бк/кг; Pb – 210 –
до 0,39 Бк/кг; Ро-210 – до 0,92 Бк/кг; Th-232 – до 0,052 Бк/кг; К-40 – до 1,22 Бк/кг.

Радионуклиды ядерно-энергетического происхождения появляются в результате:
1.Испытания ядерного оружия, которые происходят в основном в Северном полушарии
планеты. Так, с 1945 по 1991 гг. общее число взрывов на планете составило 2059. Из них
508 было сделано в атмосфере. США осуществили 1085 наземных и 205 атмосферных
взрывов, СССР – 715 и 215, Франция – 137 и 45, Великобритания – 21 и 21, Китай – 13 и
22 соответственно.
       Последствия взрывов – это рассеивание радиоактивных осадков.
2. Использование ядерных реакторов энергетического назначения (АЭС), которые
вырабатывают до 30 % энергии на планете.
       Всего на планете 500 АЭС, из них 163 в странах Западной Европы, 121 - в США,
45 – в России. В результате работы АЭС неизбежны газо-аэрозольные, жидкие и твердые
выбросы. Проблема захоронения выбросов не решена.
       В состав радиоактивных загрязнений входят Cs-137 (30 лет); Sr-90 (27,7 лет); Pu-
239, 240 (8,9*106 лет) и др. радионуклиды (в скобках указан период полураспада), которые
накапливаются в экосистемах.
Цезий-137 (Cs-137) - техногенный радионуклид, гамма- и бета-излучатель. Т1/2=33 года,
стабильный изотоп - Cs-133, его содержание незначительно; образуется при делении ядер
урана, плутония в ядерных реакторах, при ядерных взрывах; по химическим свойствам
близок к калию. В живых организмах полностью включается в метаболизм, конкурируя с
калием; скорость миграции в организме в 25 раз меньше, чем у К; накапливается в мягких
тканях и селезенке, легко выводится из организма.
Стронций-90 (Sr-90) - техногенный радионуклид, бета-излучатель, Т1/2=28 лет,
содержание стабильного изотопа незначительно. Образуется при делении ядер урана,
плутония в ядерных реакторах, при ядерных взрывах; естественный химический аналог -
Са; в живых организмах может замещать кальций; накапливается в костной ткани,
выводится из организма медленно. В природе присутствует в тех же звеньях, что и Cs-137.
Плутоний – 239 (Pu-239) - техногенный элемент, альфа-, гамма – излучатель; Т1/2=24 000
лет, получают в ядерных реакторах, используется как ядерное топливо.; характер
миграции в природной среде мало исследован; накопление в организме сходно с
накоплением тория. В природе (в урановых рудах) существует естественный радиоизотоп
плутоний-244, Т1/2=7.5*107.
Йод – J-129(131) – оба изотопа бета- и гамма- излучатели. Стабильный изотоп I-127.
Всего существует три радиоактивных изотопа J-131, J-133, J-135. Наиболее опасен иод-
131, бета- и гамма-излучатель, который образуется при ядерных взрывах и авариях на
реакторах (в первые часы после взрыва создает 40-50% суммарной активности), I-131 –
8,06 сут. I-129 образуется в литосфере при спонтанном делении урана, Т=1,57 *107 лет.
Биологически активен, необходим для синтеза гормонов щитовидной железы. Активно
мигрирует по биологическим цепям.
Нептуний – Np-212-235, Aмериций – Am-237-242, Кюрий – Cm-238-250 -
трансурановые элементы, техногенные. Стабильных изотопов нет, альфа-, бета-, гамма-
излучатели. Побочные продукты при получении плутония, образуются в ядерных
реакторах и при детонации ядерного оружия. Характер миграции в природной среде мало
исследован. Америций более подвижен благодаря лучшей растворимости в воде.

                                                                                     26


Использование радиоизотопов человеком. Искусственные радиоактивные изотопы
широко применяются в различных сферах деятельности человека. Вот некоторые из них.
   • Дефектоскопия (кобальт-60, цезий-137). По эффективности ослабления
      радиоактивных частиц и гамма-квантов проверяется качество швов трубопроводов,
      дефекты стен.
   • Измерительные приборы - определения толщины, уровня воды, скорости движения
      жидкости по трубопроводу.
   • Пожарная сигнализация (америций-241).
   • Химическая промышленность (ускорения химических реакций) - получение
      полимеров, стабилизация крекинга нефти.
   • Селекция (выведение новых сортов растений при помощи радиационных мутаций).
   • Стерилизация продуктов и семян для увеличения срока их хранения.
   • Борьба с насекомыми - сельхоз. вредителями - стерилизация насекомых.
   • Меченые атомы применяются в научных исследованиях и медицинской
      диагностике, например для наблюдения за метаболизмом с помощью меченых
      атомов (К-40, Na-24, Р-32, Fe-59, J-131).
   • Лечение злокачественных новообразований (раковых опухолей).
   • Медицинская диагностика (рентгенография, флюорография).
   • Геологическая разведка месторождений



                                 Список литературы

1. Барсуков О.А., Барсуков К.А. Радиационная экология. – М.: Научный мир, 2003. – 253
     с.
2.   Кудряшов Ю.Б. Радиационная биофизика (ионизирующие излучения). – М.:
     ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 442 с.
3.   Кудряшов Ю.Б., Беренфельд Б.С. Основы радиационной биофизики. - М.: Изд-во
     МГУ, 1982. - 304 с.
4.   Максимов М.Т., Оджагов Г.О. Радиоактивные загрязнения и их измерение. - М.:
     Энергоатомиздат, 1989. - 304 с.
5.   Пивоваров Ю.П., Михалев В.П. Радиационная экология: учебное пособие для высших
     учебных заведений. – М.: Издательский центр «Академия», 2004. – 240 с.
6.   Радиация. Дозы, эффекты, риск. - М.: Мир, 1988. - 79 с.
7.   Ярмоненко С.П., Вайсон А.А. Радиобиология человека и животных: учебное пособие.
     – М.: Высшая школа, 2004. – 549 с.
8.   Ядерная энциклопедия. - М.: Благотвор. фонд Ярошинской, 1996. - 656 с.




                                                                                  27


Биофизика. 10 класс. Модуль 4. Радиационная биофизика: учебно-
методическая часть




Составитель:       Татьяна Анатольевна Зотина




Редактор О.Ф. Александрова
Корректура автора



Подписано в печать 25.12.2006               Формат 60х84 /16.
Бумага газетная.                            Печать ризоргафическая.
Усл. печ. л. 0,3


Тиражируется на электронных носителях

Заказ

Дата выхода

Адрес в Internet: www.lan.krasu.ru/studies/editions

Отдел информационных ресурсов управления и информации КрасГУ
660041 г. Красноярск, пр. Свободный, 79, ауд. 22-05, e-mail: info@lan.krasu.ru


Издательский центр Красноярского государственного университета
660041 г. Красноярск, пр. Свободный, 79, e-mail: rio@lan.krasu.ru



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика