полный текст. История открытия радиоактивности Предмет и задачи радиоэкологии

• Название: История открытия радиоактивности Предмет и задачи радиоэкологии
• Анкор: полный текст.docx
• Дата: 27.05.2017
• Размер: 11.76 Mb.
• Имя файла: полный текст.docx
• Тип: Документы; #8107
• страница: 2 из 14

Гипотеза первичных радиотоксинов и цепных реакций

Еще в 50-х годах было обнаружено, что водно-солевые вытяжки из печени облученных животных вызывают гемолиз. Так был выявлен «гемолитический фактор» - цитотоксический агент липидной природы, названный липидным радиотоксином (ЛРТ). Он представляет собой комплекс продуктов окисления ненасыщенных жирных кислот.

Введение ЛРТ интактным животным приводило к образованию других «радиотоксинов». Инъекция же этих «радиотоксинов» не приводила к образованию ЛРТ. Поэтому ЛРТ были названы первичными радиотоксинами, а все остальные — вторичными.

Некоторые исследователи полагают, что в начальных процессах лучевого поражения главную роль играют цепные окислительные реакции свободно-радикального типа. Следствием является поражение клеточных мембран, т.к. данные реакции протекают прежде всего на липидных субстратах, и нарушение регуляции химизма живой клетки вплоть до уровней, приводящих к гибели. В естественных условиях в клетке действуют антиокислительные системы, разрушающиеся при облучении, которые предохраняют липиды от окисления.В клетках всегда присутствуют вещества, аналогичные ЛРТ, однако их количество увеличивается при облучении и провоцирует самоускоряющиеся окислительные реакции радикального типа (11).



Рисунок 9. Повреждение клетки свободными радикалами (118).

Структурно-метаболическая гипотеза

В основе гипотезы лежит идея о том, что под действием ионизирующего излучения в клетке развиваются не только чисто радиационно-химические процессы, но синтезируются дополнительные высокореакционные продукты, приводящие к повреждению биологически важных микромолекул и образованию низкомолекулярных токсических метаболитов.

В этой гипотезе важное значение придаётся нарушениям цитоплазматических структур, которые упорядочивают клеточные структуры, обеспечивая их нормальное функционирование.

Повреждение данных структур приводит к нарушению функционирования мембран и сбою в течение таких метаболических процессов как активация ферментов и другим тяжелым последствиям (59).

Современные представления о механизмах повреждения клетки

В настоящее время наиболее распространенной является теория, согласно которой основную роль в процессах лучевого поражения клетки играют ионизированные частицы воды и продукты ее разложения, в частности, перекись водорода.

В первоначальном виде эта теория сформулирована Вейссом (Weiss). Она принята Барроном (Barron) и, хотя не может исчерпывающим образом дать объяснения всем фактическим материалам, все же в основном является общепринятой (119). Под влиянием ионизирующей радиации происходит выбивание отрицательно заряженных электронов из молекул воды с образованием ее частиц, несущих положительный заряд: 

H₂ O — H₂ O ⁺ + e^-

 Далее, по типу цепных реакций происходит ряд превращений с образованием радикалов и различных веществ, обладающих как окислительными, так и восстановительными свойствами. Отрицательно заряженный электрон присоединяется к другой нейтральной молекуле воды, придавая ей отрицательный заряд: 

e- + H₂ O — H₂ O^-

Заряженные молекулы воды крайне нестойки и претерпевают дальнейшие изменения:

H₂ O ⁺ — Н+ + ОН, а H₂ O ^- — Н + ОН- .

 Как свободные радикалы Н и ОН, так и ионы Н+ и ОН- вступают во взаимодействие с образованием H₂ O:

 H + OH — H₂ O и H+ + OH- — H₂ O

 Наряду с этим происходят и другие взаимодействия, и комбинации свободных радикалов, например:

 ОН+ОН — H₂ O₂ (перекись водорода) 

OH+OH — H₂ O +O

 Таким образом, в облученных водных растворах возникает возможность окислительно-восстановительных реакций.

При наличии в среде свободного растворенного O₂ выбитые электроны, присоединяясь к нему, дают образование ионов 0⁺ и О^2-. Эти ионы, сочетаясь с Н⁺ , дают следующие реакции:

О^2-+ Н⁺ — O₂ Н (гидропероксид) и О^2- +2 Н⁺— H₂ O₂  

Следовательно, в аэробных условия создаются особенно подходящие возможности для благоприятного осуществления ионизирующими излучениями окислительных процессов. Все эти первичные изменения происходят крайне быстро, в миллионные доли секунды.

Изменения, аналогичные происходящим с водой, возникают при действии ионизации и с другими входящими в структуру живого вещества соединениями. Образуются органические перекиси. Наряду с ионизацией происходит и возбуждение молекул, которые обладают при этом повышенным запасом энергии. В возбужденных молекулах создаются возможности возникновения химических реакций, которые невозможны в обычных условиях. При этом возникают глубокие изменения белков: «денатурация» белков с отрывом от их молекул некоторых боковых цепей. Отрываются особо лабильные части, которые формируются в соединения, обусловливающие дальнейшее развитие процесса. Денатурируется ряд ферментов с их инактивацией, нарушается состав нуклеиновых кислот, аминокислот, мукополисахаридов и т. д. 
3.4 РАДИОАЦИОННОЕ ПОРАЖЕНИЕ ОРГАНИЗМА

Закономерности взаимодействий, установленные на клеточном уровне, сохраняются и при облучении всего организма, однако при переходе от изолированной клетки к ткани, органу и организму все явления усложняются. Не все клетки поражаются в равной степени, а тканевый эффект не равен сумме клеточных эффектов, так как ткани, органы и системы нельзя рассматривать как простую совокупность клеток. Клетки в составе ткани зависимы друг от друга и от окружающей среды. Все это усложняет оценку радиочувствительности тканей, органов и целого организма (6,55).

При тотальном внешнем однократном обучении радиационному воздействию подвергаются все органы и системы организма млекопитающих. Однако, наибольшее значение в развивающейся картине поражения имеют поглощенные дозы в критических органах. Критические органы – это жизненно важные органы и системы, первыми выходящие из строя в исследуемом диапазоне доз излучения, что обусловливает гибель организма в определенные сроки после облучения. Критическими системами организма при воздействии ионизирующей радиации являются ткани и органы с интенсивным делением клеток – кроветворная система, органы иммунной системы, гонады, слизистая оболочка желудочно-кишечного тракта и др.

При дозах облучения от 1 до 5 Гр происходит нарушение продукции клеток крови и продолжительность жизни не превышает 40 суток. При дозах облучения от 6 до 10 Гр наблюдается резкое нарушение функций кишечника и сроки жизни не превышают 8 суток.

Костный мозг отличается крайне высокой радиочувствительностью, поэтому его поражение всегда наблюдается при общем облучении организма. Он представляет собой типичный образец системы клеточного обновления, обеспечивающей поддержание постоянства числа клеток с ограниченным периодом жизни, в данном случае – клеток крови. Согласно унитарной модели кроветворения, родоначальными для всех ростков кроветворения являются полипотентные стволовые кроветворные клетки. Отличительной их чертой является то, что стволовые клетки способны делиться неограниченное число раз, воспроизводя себе подобных. У млекопитающих, в частности человека, около 90% процентов стволовых клеток находятся в стадии покоя клеточного цикла. Часть потомков стволовых клеток коммитируется, то есть приобретает способность к дифференцировке в направлении ограниченного числа ростков или даже какого-то одного определенного ростка кроветворения (4).

Пройдя одно или несколько делений, клетка постепенно дифференцируется, затем, утратив способность делиться, входит в пул созревания, где окончательно созревает и становится функционально полноценной (рис.10).



Рисунок 10. Система обновления костного мозга (4).

Общий принцип, обеспечивающий устойчивую работу любой системы клеточного обновления, состоит в том, что по мере отмирания и удаления зрелых клеток из функционального пула вместо каждой из них поступает новая, находящаяся в этот момент на стадии максимальной подготовленности.

Таким образом, функционирующая система самоподдерживает себя из-за необходимости восполнения постоянных утрат, активирующих все предшествующие пулы, в результате чего и осуществляется постоянное клеточное обновление (54).

Под действием ионизирующего излучения происходит клеточное опустошение костного мозга и периферической крови, которое идет в несколько фаз:

1. 
   Гибель молодых малодифференцированных стволовых клеток и часть созревающих. Происходит остановка деления всех клеток. При этом в функциональный пул продолжают выходить клетки, что приводит к быстрому опустошению костного мозга.
   
2. 
   Возобновляется деление клеток костного мозга, получивших нелетальные повреждения и еще способные некоторое время к дифференциации. Однако их потомство характеризуется коротким временем жизни.
   
3. 
   Опустошение костного мозга приводит к острой нехватке клеток крови.
   

Фаза восстановления обеспечивается лишь небольшим количеством стволовых клеток, сохранившихся в костном мозге после начального глубокого опустошения и обладающих способностью к неограниченному размножению. Они должны не только продуцировать увеличенное количество подобных себе элементов, необходимых для восстановления пула костномозговых стволовых клеток, но и производить дифференцирующиеся клетки, предназначенные для последующего созревания и поступления в кровь. Только когда пул стволовых клеток существенно разовьется, ощутимая его часть может быть направлена на созревание. В результате в начале фазы восстановления число клеток крови увеличивается медленно, затем скорость выхода зрелых клеток в кровь нарастает, достигая нормальной величины в разгар восстановления.

При облучении в дозах более 10 Гр развивается желудочно-кишечный синдром – наиболее значительные изменения происходят в тонком кишечнике. Гибель клеток в криптах и слущивание эпителия, покрывающего ворсинки слизистой, приводит к оголению ворсинок и вызывает нарушение процессов всасывания. Однако некоторое время после облучения продолжают существовать клетки с грубыми аномалиями, что задерживает время опустошения функциональных компонент. При желудочно-кишечном синдроме важными для летального исхода будут оголение ворсинок и инфекция, а кроме того поражение кровеносных сосудов, нарушение баланса жидкостей и электролитов. Вследствие гибели основного количества стволовых клеток в криптах тонкого кишечника страдает защитная функция, в организм проникают микроорганизмы, токсины, продукты распада из просвета кишечника. причем трудно определить, какой из этих механизмов наиболее существенен (5).

При очень высоких дозах облучения (более 100 Гр) гибель наступает в течении нескольких часов или реже 1-2 суток и сопровождается судорогами, что свидетельствует о глубоком поражении нервной системы. Однако, в связи с тем, что зрелая нервная ткань состоит из неделящихся клеток, ионизирующее излучение поражает клетки нейроглии и кровеносные сосуды, обеспечивающие клетки центральной нервной системы кислородом и глюкозой.

Сравнение радиочувствительности различных тканей свидетельствует о том, что радиочувствительность организма млекопитающих можно связать с радиочувствительностью костного мозга, ибо именно его поражение вполне достаточно для гибели организма. Поэтому под радиочувствительностью организма обычно понимают диапазон доз, вызывающих гибель животного при явлениях костномозгового синдрома (35).

Для количественного изучения радиочувствительности организма пользуются кривыми доза-эффект, при построении которых на оси абсцисс откладывают дозы излучения, а на оси ординат—процент гибели в течение определенного срока наблюдения (чаще всего за 30 дней). Для всех видов млекопитающих такая кривая всегда имеет S-образную форму. Это объясняется тем, что при облучении в начальном диапазоне доз гибели не наблюдается, а при некоторой величине практически все животные погибают. Так как вся смертность регистрируется в интервале между этими дозами, то на этом отрезке кривая круто поднимается вверх, приближаясь к 100%. Наиболее пригодным и чаще всего употребляемым показателем радиочувствительности организма является ЛД₅₀, которую легко определить по графику(рис.11).

Кроме индивидуальных, существуют половые и возрастные различия в радиочувствительности организма. Так, самки, как правило, менее чувствительны к излучению. У мышей в течение жизни радиочувствительность в первые 2—3 недели после рождения наиболее высокая, затем снижается, выходя на плато в половозрелом состоянии, и вновь повышается в последний период жизни.

Рисунок 11. Кривая доза-эффект (55).

2. 
   Естественный РАДИАЦИОННЫЙ ФОН (ерф)
   

Естественные радионуклиды являются обычной составной частью вещества биосферы, а природный радиационный фон, приводящий к облучению любого объекта во внешней среде, — один из экологических факторов, воздействующих на все живое на Земле. Радионуклиды в мелкодисперсном состоянии присутствуют во всех земных породах, воде и воздухе.

Считается, что именно за счет радиоактивного распада произошел разогрев земных недр, который послужил началом тектонических процессов и образования горных систем. При разломах коры скопления радиоактивных пород выходили из земных недр и образовывали области с повышенным фоном ионизирующего излучения. За время существования Земли радиоактивность земного вещества постепенно снижалась за счет распада короткоживущих радионуклидов. Количество первичных радионуклидов в оболочке Земли было в 5—10 раз выше современного (5,56).

Живые организмы подвергаются непрерывному воздействию ионизирующих излучений от различных естеcтвенных источников. Отличительными особенностями этих источников является то, что они влияют на все население Земли и остаются относительно постоянными в течение очень длительного периода времени. По вкладу в суммарное облучение растений, животных и человека в современный период природный радиационный фон превосходит многие другие источники. Облучение от естественных источников является одной из причин возникновения раковых новообразований и наследственных болезней у человека, а также может быть важным фактором естественного (спонтанного) мутагенеза, играющего важную роль в эволюции живых организмов в биосфере.

Источниками ЕРФ является космическое излучение и радионуклиды, содержащиеся в земной коре.

1. 
   космическое излучение
   

Космическое излучение было открыто в 1912 году немецким физиком Виктором Гессом. Он решил проверить как далеко в атмосферу распространяется излучение от поверхности земли. Взяв чувствительный прибор, Гесс стал подниматься на воздушном шаре.



Рисунок 12. Портрет Виктора Гесса. Отправление воздушного шара 1911-1912 гг., Виктор Франц Гесс (сидит в корзине) (изображение VF Hess Society / Schloss Pöllau)(121).

Вначале радиоактивность падала, но затем стала быстро возрастать и на высоте в 4800 м в четыре раза превосходила уровень на поверхности земли. Виктор Гесс сделал вывод, что какая-то часть радиации поступает на земную поверхность из космоса.

Космическое излучение делится на первичное, состоящее из быстрых протонов, альфа-частиц и небольшого количества ядер углерода, азота, кислорода и более тяжелых ядер, попадающих на Землю из мирового пространства. Большая часть этих частиц задерживается атмосферой, однако некоторая часть высокоэнергичных частиц проникает в верхние слои атмосферы и воздействует на ядра атомов составляющих ее элементов. В результате формируется вторичное излучение, которое достигает поверхности земли. Таким образом, на высоте 25-30 км и выше преобладает первичное излучение, а ниже – в основном вторичное.

Изотопы, составляющие вторичное излучение, возникают в результате ядерных реакций и захвата нейтронов атомами атмосферы (Рис.13).

Рисунок 13. Формирование вторичного излучения (122).

Всего известно 14 космогенных радионуклидов, но в наибольших количествах на земную поверхность выпадают:

тритий (Т_1/2=12,34 года), который превращается, в основном, в тритированную воду и с осадками выпадает на земную поверхность, участвуя в круговороте воды;

углерод-14 (Т_1/2=5 730 лет) — вместе с обычным углекислым газом вовлекается в биотический круговорот через фотосинтез;

бериллий-7 (Т_1/2=53,6 суток) —с дождевой водой поступает в растения, и далее с зелеными овощами — в организм животных и человека (1, 58,29).

Мощность вторичного космического излучения у поверхности земли изменяется в зависимости от высоты над уровнем моря: чем выше расположена территория, тем меньше слой экранирующей атмосферы и, соответственно, выше мощность вторичного космического излучения. Это явление называется барометрическим эффектом. Изменение мощности вторичного космического излучения происходит и при удалении от экватора, т.к. уменьшается толщина тропосферы и ее экранирующее действие. Кроме того, траектория заряженных частиц космического излучения больше искривляется геомагнитным полем Земли в области экватора, и поэтому здесь к поверхности могут проникать только частицы с наиболее высокой энергией, а в полярных областях - и частицы сравнительно невысокой энергии. Это явление носит название широтного эффекта (66, 58).

Космическое излучение формирует внешнее облучение человека. Еще некоторую дозу, обусловливают космогенные радионуклиды, поступающие с пищей (тритий и углерод-14). В целом эквивалентная поглощенная доза от источников космического происхождения составляет чуть более 15% от эквивалентной поглощенной дозы, формируемой всеми источниками естественной радиации. Исключение составляют жители высокогорий (высота свыше 2000 м над уровнем моря), где доза в несколько раз выше, чем на равнинных территориях (рис.14). А также пассажиры и экипаж самолетов: на высоте в 4 тыс.м уровень облучения возрастает примерно в 25 раз(2,16).



Рисунок 14. Барометрический эффект космического излучения

4.2 Земная радиация

Основной вклад в формирование естественного радиоактивного фона вносят радионуклиды, содержащиеся в горных породах: калий-40, рубидий-87 и члены двух радиоактивных семейств урана-238 и тория-232.

Калий-40 (Т_1/2=1,3 млн лет) встречается в виде трех изотопов — калий-39, калий-40 и калий-41, из которых радиоактивен только калий-40, усваивающийся организмом вместе со стабильными изотопами калия, необходимыми для жизнедеятельности организма. Соотношение изотопов в составе природного калия соответствует: калий-39 — 93,08 %, калий-41 — 6,91 %, калий-40 — 0,01 %, причем он усваивается любым организмом без изменения изотопного состава. В наибольших концентрациях калий-40 содержится в фосфатно-калийных и азотно-фосфорно-калийных удобрениях, с которыми он попадает в сельскохозяйственные культуры и пищу. Лучшими аккумуляторами калия среди культурных растений являются: фасоль, картофель, орехи и клюква; среди дикорастущих - максимальные значения характерны для высших цветковых растений; несколько ниже они у голосемянных и минимальны — у мхов и лишайников. Особенно велика роль калия-40 при внутреннем облучении организма, т.к. калий активно поглощается организмом из окружающей среды и участвует в обмене веществ. Калий-40 является основным естественным бета-излучателем, содержащимся в теле любого представителя флоры и фауны (4,98).

Рубидий-87 (Т_1/2=61 млрд лет) является химическим аналогом калия и встречается всегда вместе с ним. Рубидий имеет два изотопа — стабильный рубидий-85 и радиоактивный рубидий-87, который распространен в окружающей среде в микроколичествах. Это радионуклид с «мягким» бета-излучением (99).