Методы ионизирующих излучений при исследовании биологических сис. Методы ионизирующих излучений при исследовании биологических систем Содержание
 Скачать 30.34 Kb.
|
|
Методы ионизирующих излучений при исследовании биологических систем Содержание Введение…………………………………………………………………………...3 Понятие об ионизирующих излучениях, их виды………………………………5 Методы ионизирующих излучений при исследовании биологических систем………………………………………………………………………….......7 Заключение……………………………………………………………………….13 Список используемой литературы……………………………………………...14 Введение Изучение действия ионизирующих излучений на биологические объекты началось практически одновременно с их открытием Вильгельмом Рентгеном в 1895 году. Известно, что ионизирующее излучение — потоки фотонов, элементарных частиц или осколков деления атомов, способные ионизировать вещество. Ионизирующие (или ядерные) излучения возникают при распаде ядер радиоактивных элементов. Они невидимы и обнаруживаются по различным явлениям, происходящим при их действии на вещество. Опасность для биологических объектов связана с особенностями, которые присущи только ядерным излучениям. Они обладают высокой энергией, превышающей внутримолекулярную и межмолекулярную энергию связей атомов и молекул, проникают внутрь облучаемого объекта и передают ему свою энергию, вызывая при этом ионизацию и возбуждение атомов и молекул, разрывают химические связи в молекулах, т.е. вызывают радиолиз молекул. Актуальность изучения действия радиации на живые организмы обусловлены расширением контактов человека и животных с радиационным воздействием. Действие всех видов ионизирующих излучений на живые организмы и их сообщества изучает радиобиология. Фундаментальной задачей радиобиологии является выявление общих закономерностей биологической реакции организма на радиационное воздействие. Решение этой задачи позволит разработать пути и методы управления лучевыми реакциями организма, а также найти средства защиты и восстановления организма от воздействия излучений. К настоящему времени в радиобиологии имеется ряд проблем и нерешенных вопросов. Основная проблема — проблема радиочувствительности. По данным исследований российских ученых, пока не получено однозначного ответа, почему радиочувствительность организмов варьирует в очень широких пределах. В стадии изучения находятся также такие вопросы, как механизм действия ионизирующих излучений, действие радиации на системы органов и на целый организм. При облучении и после облучения формируются различные повреждения, которые проявляются на разных уровнях организации тела человека — от атомного и молекулярного до организменного. Понятие об ионизирующих излучениях, их виды Ионизирующие излучения — это электромагнитные излучения, которые создаются при радиоактивном распаде, ядерных превращениях, торможении заряженных частиц в веществе и образуют при взаимодействии со средой ионы различных знаков. В решении производственных задач имеют место разновидности ионизирующих излучений как корпускулярные (потоки альфа-частиц, электронов (бета-частиц), нейтронов) и фотонные (тормозное, рентгеновское и гамма-излучение) [3]. Альфа-излучение представляет собой поток ядер гелия, испускаемых естественным радионуклидом при радиоактивном распаде, имеют массу 4 у.е. и заряд +2. Энергия альфа-частиц составляет 4—7 Мэв. Пробег альфачастиц в воздухе достигает 8—10 см, в биологической ткани нескольких десятков микрометров. Так как пробег альфа-частиц в веществе невелик, а энергия очень большая, то плотность ионизации на единицу длины пробега у них очень высока (на 1 см до десятка тысяч пар-ионов). Бета-излучение — поток электронов или позитронов при радиоактивном распаде. Бета-частицы имеют массу, равную 1/1838 массы атома водорода, единичный отрицательный (бета-частица) или положительный (позитрон) заряды. Энергия бета-излучения не превышает нескольких Мэв. Пробег в воздухе составляет от 0,5 до 2 м, в живых тканях — 2— 3 см. Их ионизирующая способность ниже альфа-частиц (несколько десятков пар-ионов на 1 см пути). Нейтроны — нейтральные частицы, имеющие массу атома водорода. Они при взаимодействии с веществом теряют свою энергию в упругих (по типу взаимодействия биллиардных шаров) и неупругих столкновениях (удар шарика в подушку). Гамма-излучение — фотонное излучение, возникающее при изменении энергетического состояния атомных ядер, при ядерных превращениях или при аннигиляции частиц. Источники гамма-излучения, используемые в промышленности, имеют энергию от 0,01 до 3 Мэв. Гамма-излучение обладает высокой проникающей способностью и малым ионизирующим действием (низкая плотность ионизации на единицу длины). Рентгеновское излучение — фотонное излучение, состоящее из тормозного и (или) характеристического излучения, возникает в рентгеновских трубах, ускорителях электронов, с энергией фотонов не более 1 Мэв. Тормозное излучение — фотонное излучение с непрерывным энергетическим спектром, возникающее при уменьшении кинетической энергии заряженных частиц. Характеристическое излучение — это фотонное излучение с дискретным энергетическим спектром, возникающее при изменении энергетического состояния электронов атома. Рентгеновское излучение, так же как и гамма-излучение, имеет высокую проникающую способность и малую плотность ионизации среды [1]. Известно, что повреждающее действие разных видов ионизирующей радиации зависит от их проникающей активности и, следовательно, от плотности ионизации в тканях. Чем короче путь прохождения луча, тем выше плотность ионизации и сильнее повреждающее действие. Реакция организма на ионизирующее излучение зависит от величины экспозиционной дозы, выражаемой в рентгенах (Р) и поглощенной дозы, выражаемой в радах (рад), в единицах СИ (Гр). Степень тяжести радиационного поражения зависит не только от дозы излучения, но и от продолжительности действия (мощности дозы). Повреждающее действие ионизирующей радиации при кратковременном облучении более выражено, чем при продолжительном облучении в одной и той же дозе. При дробном (фракционированном) облучении наблюдается понижение биологического эффекта: организм может терпеть облучение в более высоких суммарных порциях. Индивидуальная реактивность и возраст имеют большое значение при определении тяжести радиационного поражения. Согласно данным [15,16] в опытах на животных были выявлены большие колебания персональной чувствительности – одни собаки выживали после однократного облучения в дозе 600 Р, другие погибали после облучения в дозе 275 Р. Также установлено, что молодые и беременные животные наиболее чувствительны к ионизирующему облучению. Старые животные наименее резистентны, вследствие снижения у них процессов регенерации. Методы ионизирующих излучений при исследовании биологических систем Под биологическим действием ионизирующих излучений понимают изменения, которые возникают в жизнедеятельности и структуре живых организмов при воздействии коротковолновых электромагнитных волн (рентгеновского излучения и гамма-излучения) или потоков заряженных частиц (альфа-частиц, бета-излучения, протонов) и нейтронов. Исследования биологического действия ионизирующих излучений были начаты сразу после открытия рентгеновского излучения (1895) и радиоактивности (1896). В 1896 г. русский физиолог И. Р. Тарханов показал, что рентгеновское излучение, проходя через живые организмы, нарушает их жизнедеятельность. Чтобы понять механизмы, определяющие естественную радиочувствительность организма, необходимо последовательно рассмотреть клеточные и тканевые аспекты радиочувствительности, так как клетка — основная биологическая единица, в которой реализуется воздействие поглощенной при облучении энергии, что в последующем приводит к развитию лучевого поражения. Известно, что на клеточном уровне воздействие ионизирующего излучения обусловлено взаимодействием свободных радикалов с молекулами белков, нуклеиновых кислот и липидов, когда вследствие всех этих процессов образуются органические перекиси и возникают быстропроходящие реакции окисления. В результате перекисного окисления в организме накапливается множество измененных молекул, в результате чего начальный радиационный эффект многократно усиливается. В первую очередь, все это будет отражаться на структуре биологических мембран, у которых будут меняться их сорбционные свойства, и повышаться проницаемость (в том числе мембран лизосом и митохондрий). Изменения в мембранах лизосом приводят к освобождению и активации ДНК-азы, РНКазы, катепсинов, фосфатазы, ферментов гидролиза мукополисахаридов и ряда других ферментов. Путем диффузии гидролитические ферменты могут достичь любой органеллы клетки. Под действием этих ферментов происходит дальнейший распад макромолекулярных компонентов клетки, в том числе нуклеиновых кислот, белков. Разобщение окислительного фосфорилирования приводит к угнетению синтеза АТФ и к нарушению биосинтеза белков. Также установлено, что в основе радиационного поражения клетки лежит нарушение ультраструктур клеточных органелл и связанные с этим изменения обмена веществ. Кроме того, ионизирующая радиация вызывает образование в тканях организма целого комплекса токсических продуктов, усиливающих лучевой эффект – так называемых радиотоксинов. Среди них наибольшей активностью обладают продукты окисления липидов - перекиси, эпоксиды, альдегиды и кетоны. Образуясь тотчас после облучения, липидные радиотоксины стимулируют образование других биологически активных веществ – хинонов, холина, гистамина и вызывают усиленный распад белков. Будучи введенными необлученным животным, липидные радиотоксины оказывают действие, напоминающее лучевое поражение. Ионизирующее излучение оказывает наибольшее воздействие на ядро клетки, угнетая митотическую активность. В зависимости от связи летального эффекта с процессом деления различают две основные формы радиационной гибели клеток: интерфазную (до деления клетки или без него) и репродуктивную (после первого или нескольких последующих циклов деления). Для большинства клеток характерна репродуктивная форма лучевой гибели, основной причиной которой являются структурные повреждения хромосом, возникающие в процессе облучения. Гибель таких аберрантных клеток или их потомков происходит вследствие неравномерного разделения или частичной утраты жизненно необходимого генетического материала из-за неправильного соединения разорванных хромосом или отрыва их фрагментов. Определение доли клеток с хромосомными аберрациями часто используют в качестве надежного количественного показателя радиочувствительности, т.к. с одной стороны, число поврежденных клеток четко зависит от дозы ионизирующего излучения, а с другой — отражает его летальное действие. При оценке радиочувствительности тканей необходимо учитывать, что при переходе от изолированной клетки к ткани, к органу и организму все явления усложняются. Это происходит потому, что не все клетки поражаются в равной степени, а тканевой эффект не равен сумме клеточных эффектов: ткани, а тем более органы и системы нельзя рассматривать как простую совокупность клеток. Находясь в составе ткани, клетки в значительной степени зависимы и друг от друга, и от окружающей среды. На митотическую активность, степень дифференцированности, уровень и особенности метаболизма, а также другие физиологические параметры отдельных клеток влияют окружающие их клетки, что необходимо для существования всей популяции в целом. Более устойчивыми к действию ионизирующей радиации являются мышечная и соединительная ткани. Среди соединительных тканей сравнительно высокой радиоустойчивостью обладают костная и хрящевая ткани. Однако в период роста (в детском возрасте) а также в пролиферативном состоянии (при заживлении переломов), радиочувствительность этих тканей повышается. Наибольшая радиочувствительность скелетной ткани характерна для эмбрионального периода, так как особенно интенсивная пролиферация остеобластов и хондробластов у человека происходит на 38-85 сутки эмбрионального развития. Мышцы – высокорадиорезистентные. На органном уровне радиочувствительность зависит не только от радиочувствительности тканей, составляющих данный орган, но и от его функций. На основании морфологических признаков поражения органы и ткани распределяются в следующем нисходящем порядке: лимфоидные органы (лимфатические узлы, селезенка, зобная железа, лимфоидная ткань других органов), костный мозг, семенники, яичники, слизистая оболочка желудочно-кишечного тракта. Еще меньше поражаются кожа с придатками, хрящи, кости, эндотелий сосудов. Высокой радиоустойчивостью обладают паренхиматозные органы: печень, надпочечники, почки, слюнные железы, легкие. Согласно данным [3], различают два вида эффекта воздействия на организм ионизирующих излучений: соматический и генетический. При соматическом эффекте действия излучений, последствия проявляются непосредственно у облучаемого, при генетическом – у его потомства. Соматические эффекты могут быть ранними или отдалёнными. Ранние возникают в период от нескольких минут до 30-60 суток после облучения. К ним относят покраснение и шелушение кожи, помутнение хрусталика глаза, поражение кроветворной системы, лучевая болезнь, летальный исход. Отдалённые соматические эффекты проявляются через несколько месяцев или лет после облучения в виде стойких изменений кожи, злокачественных новообразований, снижения иммунитета, сокращения продолжительности жизни. Для биологического действия ионизирующих излучений характерен ряд общих закономерностей: 1) Глубокие нарушения жизнедеятельности вызываются ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии. 2) Биологическое действие ионизирующих излучений не ограничивается подвергнутым облучению организмом, но может распространяться и на последующие поколения, что объясняется действием на наследственный аппарат организма. 3) Для биологического действия ионизирующих излучений характерен скрытый (латентный) период, т. е. развитие лучевого поражения наблюдается не сразу. Продолжительность латентного периода может варьировать от нескольких минут до десятков лет в зависимости от дозы облучения, радиочувствительности организма. Так, при облучении в очень больших дозах (десятки тыс. рад) можно вызвать «смерть под лучом», длительное же облучение в малых дозах ведёт к изменению состояния нервной и других систем, к возникновению опухолей спустя годы после облучения. Большое значение имеют также возраст, физиологическое состояние, интенсивность обменных процессов организма, а также условия облучения. При этом, помимо дозы облучения организма, играют роль: мощность, ритм и характер облучения (однократное, многократное, прерывистое, хроническое, внешнее, общее или частичное, внутреннее), его физические особенности, определяющие глубину проникновения энергии в организм (рентгеновское, гамма-излучение, альфа - и бета-частицы), плотность ионизации (под влиянием альфа-частиц она больше, чем при действии других видов излучения). Все эти особенности воздействующего лучевого агента определяют относительную биологическую эффективность излучения. Если источником излучения служат попавшие в организм радиоактивные изотопы, то огромное значение для биологического действия ионизирующих излучений, испускаемого этими изотопами, имеет их химическая характеристика, определяющая участие изотопа в обмене веществ, концентрацию в том или ином органе, а также характер облучения организма. Известно, что растения более устойчивы к радиационному воздействию, чем птицы и млекопитающие [5]. Облучение в небольших дозах может стимулировать жизнедеятельность растений – прорастание семян, интенсивность роста корешков, накопление зелёной массы и др. Большие дозы (200-400 Гр) вызывают снижение выживаемости растений, появление уродств, мутаций, возникновение опухолей. Нарушения роста и развития растений при облучении в значительной степени связаны с изменениями обмена веществ и появлением первичных радиотоксинов, которые в малых количествах стимулируют жизнедеятельность, а в больших – подавляют и нарушают её. Так, промывка облученных семян в течение суток после облучения снижает угнетающий эффект на 50-70%. Заключение Было установлено, что ионизирующее излучение — потоки фотонов, элементарных частиц или осколков деления атомов, способные ионизировать вещество. Ионизирующие (или ядерные) излучения возникают при распаде ядер радиоактивных элементов. Опасность для биологических объектов связана с особенностями, которые присущи только ядерным излучениям. Они обладают высокой энергией, превышающей внутримолекулярную и межмолекулярную энергию связей атомов и молекул, способны проникать внутрь облучаемого объекта и передавать ему свою энергию, вызывая при этом радиолиз молекул. На клеточном и тканевом уровнях влияние ионизирующего излучения характеризовалось нарушением ультраструктур клеточных органелл и связанные с этим изменения обмена веществ. Наиболее выраженное воздействие ионизирующее излучение оказывает на ядро клетки, угнетая митотическую активность. В тканях ионизирующая радиация вызывает образование липидных радиотоксинов, которые приводят к усиленному распаду белков. Радиочувствительность органов зависит не только от радиочувствительности тканей, составляющих данный орган, но и от его функций. Наиболее выраженное влияние ионизирующего излучения отмечено на органы кроветворения, нервную и эндокринную системы. Список используемой литературы 1. Аклеев, А.В. Адаптивный ответ лимфоцитов крови как индикатор состояния гемопоэза у облученных лиц [Текст] / А.В. Аклеев, А.В. Алещенко, О.В Кудряшова, Л.П. Семенова, М.А. Серебряный, О.И. Худякова, И.И. Пелевина // Радиационная биология. Радиоэкология. – 2019. – №6. – С. 645-650. 2. Александров, Ю.А. Влияние малых доз ионизирующих излучений на иммунологическую реактивность млекопитающих при многократных воздействиях [Текст] / Ю.А. Александров // Вестник Марийского Государственного университета. Серия: Сельскохозяйственные науки. Экономические науки. – 2017. – № 1(9). – С. 7-13. 3. Артюнина, Г.П. Основы медицинских знаний: Здоровье, болезнь и образ жизни [Текст] / Г.П. Артюнина, С.А. Игнатькова – М.: Академический проспект, 2018. 4. Байсоголов, Г.Д Вопросы онкологии [Текст] / Г.Д. Байсоголов, М.Г. Болотникова, И.В. Федотова и др. – 2018. – №5. – С. 553-559. 5. Байсоголов, Г.Д. Из истории Отечественной радиационной медицины (химический комбинат "Маяк", Челябинск-40) [Текст] / Г.Д. Байсоголов, В.Н. Дощенко, Н.А. Кошурникова // Радиация и риск (бюллетень национального радиационно-эпидемиологического регистра). – 2015. – № 5. – С. 48-53. 6. Бельский, Е.А. Оценка состояния птиц наземных экосистем на территории Восточно-уральского радиоактивного следа (ВУРС) [Текст] / Е.А. Бельский, А.Г. Ляхов // Механизмы поддержания биологического разнообразия. –2015. – С. 14-16. 7. Бирюков, А.П. Злокачественные новообразования мочеполовой системы у облученного населения (научный обзор) [Текст] / А.П. Бирюков, В.К. Иванов, Е.В. Кочергина, М.А. Максютов // Радиация и риск (бюллетень национального радиационно-эпидемиологического регистра). – 2021. – № 12. – С. 109-116. 8. Бодяжина В.И. Влияние ионизирующей радиации на половые железы, беременность и внутриутробный плод [Текст] / В.И. Бодяжина, А.П. Кирющенков, М.Н. Побединский, Н.М. Побединский // М.: Медгиз. – 2016. – С. 182. 9. Болотникова, М.Г. Уровень детской смертности в г. Челябинске65 в 1974-92 годах [Текст] / М.Г. Болотникова, Н.А. Кошурникова, Ю.Е. Имайкина, В.В. Хохряков, Н.С. Шильникова // Радиация и риск (бюллетень национального радиационно-эпидемиологического регистра). – 2015. – № 5. – С. 156-158. 10. Вайсерман, А.М. Заболеваемость и смертность от рака при облучении в малых дозах: эпидемиологические аспекты. [Текст] / А.М. Вайсерман, Л.В. Мехова, Н.М. Кошель, В.П. Войтенко // Радиационная биология. Радиоэкология.– 2020. – № 6. – С. 691-702. 11. Волобуев, П.В. Восточно-Уральский радиоактивный след. Проблемы реабилитации населения и территорий Свердловской области [Текст] / П.В. Волобуев, В.Н. Чуканов, Н.А. Штинов и соавт. – Екатеринбург: УрОРАН. – 2020. – С. 285. |