.RU

Учебное пособие Краснодар 2008




МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ


Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»


Кафедра физиологии сельскохозяйственных животных


Баюров Л.И.


РАДИОБИОЛОГИЯ


Учебное пособие


Краснодар 2008


УДК 577.34


Рецензенты:

кафедра терапии и фармакологии Ставропольского государственного аграрного университета (проф., д.в.н. В.А.Оробец); кафедра паразитологии и ветсанэкспертизы Донского государственного аграрного университета (зав. кафедрой, проф., к.в.н. Н.Ф.Фирсов), кафедра физиологии и этологии с.-х. животных и клинической диагностики (зав. кафедрой, проф., д.б.н. С.В. Буров).


^ Баюров Л.И.


Радиобиология: Учебное пособие. – Краснодар: КубГАУ, 2008. – 331 с.


Учебное пособие включает основные разделы радиобиологии: понятие об ионизирующем излучении, строение атома, типы ядерных распадов, взаимодействие ионизирующего излучения с биологической тканью, понятие доз излучения и единицы, используемые в радиобиологии. Дано описание путей миграции, депонирования и выведения радионуклидов по пищевым цепочкам. Дана характеристика медицинских и экологических последствий аварии на Чернобыльской АЭС.

Пособие предназначено для студентов специальностей 110401 – «Зоотехния», 111201 - «Ветеринария», 020801 - «Экология», 110305 - «Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции» и 110202 – «Плодоовощеводство и виноградарство».


© Л.И. Баюров

СОДЕРЖАНИЕ

с.

Введение…………………………………………………………………..……....6


Глава 1. Предмет и задачи радиобиологии.…………………………………..8

1.1. Радиобиология как наука. Ее предмет и задачи.…………………………..8

1.2. Понятие об ионизирующем излучении (ИИ).………………………..……22

1.3. Характеристика ионизирующих излучений……………………………....25


Глава 2. Физические основы радиобиологии…………….………………...50

2.1. Строение атома и ядра. Ядерные силы сцепления.……………………….50

2.2. Эффект насыщения и дефект массы ядра………………………………....69

2.3. Понятие о стабильных и нестабильных изотопах………………………...71

2.4. Явление радиоактивности………………………………………………….75


Глава 3. Ядерные превращения………………………………………......….78

3.1. Типы ядерных превращений…………………………………………….....78

3.2. Радиоактивные семейства.………………………………………………….82

3.3. Сущность ядерной реакции.………………………………………………..92

3.4. Закон радиоактивного распада и единицы радиоактивности……………98


Глава 4. Источники ионизирующего излучения………………………….102

4.1. Радиационный фон и его компоненты…….……………………….…….102

4.2. Искусственные источники излучения……………………………………120

4.3. Миграция радионуклидов в биосфере……………………………….…...153


Глава 5. Механизм взаимодействия ионизирующего излучения с биологической тканью………………………………………....................................195

5.1. Этапы развития радиационного поражения……………………..…….…195

5.2. Теории косвенного и прямого действия………………………………….197

5.3. Радиохимические процессы в облученном организме………………….202

5.4. Механизм гибели клетки………………………………..……………...…209

5.5. Радиочувствительность растений и факторы ее определяющие…….…210

5.6. Влияние облучения растений на качество продукции растениеводства………………………………………………………………………………...215

5.7. Прогнозирование снижения урожая……………………………………...216


Глава 6. Закономерности загрязнения радионуклидами почвы и растений..............……………………………………………………………………..218

6.1. Осаждение радиоактивных аэрозолей на поверхность земли.………….218

6.2. Радиоактивное загрязнение растений при некорневом поступлении….220

6.3. Растениеводство и животноводство в зонах с различной степенью загрязнения почвы радионуклидами……………………………………………........228


Глава 7. Действие ионизирующих излучений на людей и животных.....237

7.1. Зависимость радиобиологического эффекта от дозы и вида излучения……………………………………………………………………………….237

7.2. Репарационные (восстановительные) процессы в облученных организмах.........................................................................................................................239

7.3. Клиника острой лучевой болезни…………………………………...……246

7.4. Влияние ионизирующей радиации на иммунитет и продуктивность животных.…………………..……………………………………………………....253


Глава 8. Закономерности загрязнения радионуклидами почвы и растений……………………………………………………………………………....257

8.1. Агротехнические и агрохимические мероприятия по снижению поступления радионуклидов из почвы в растения и продукты питания……….…..257

8.2. Дезактивация растениеводческой и животноводческой продукции…...270


Глава 9. Использование ионизирующего излучения в растениеводстве и животноводстве…………………………………………….......…...................276

9.1. Радиационные методы в растениеводстве………………………….……276

9.2. Радиационный мутагенез как основа селекции……………………….…279

9.3. Радиоактивные индикаторы в физиологии и биохимии растений и животных...…………………………………………………………………………283

9.4. Использование радиационно-биологических способов в биотехнологии……...………………………………………………………………………..288

^ Словарь радиологических терминов……………………………………….292

Список использованных источников……………………………….......….315


Введение

«Из невидимых излучений нам известны лишь немногие... Мы едва начинаем понимать их разнообразие, сознавать отрывочность и неполноту наших представлений об окружающем и проникающем в биосфере мире излучений, об их (с трудом постижимом уму, привыкшему к иным картинам мироздания) значении в окружающих нас процессах»


академик В.И. Вернадский


В данном учебном пособии автор попытался рассмотреть основные проблемы, стоящие перед радиобиологией. Хотя на сегодняшний день перед этой наукой встают новые задачи в связи с дальнейшим развитием атомной энергетики и расширяющимся использованием радиации в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, биотехнологии, космонавтике и т.д.

В наш атомный век исключительно актуальной становится проблема радиационного фона, влияющего не только на состояние человека, но сложные биоценозы, объединяющие разнообразных представителей флоры и фауны. Уже хорошо известно, что индивидуальная чувствительность разных живых организмов, начиная с одноклеточных форм, различается в десятки, сотни и даже тысячи раз. Поэтому облучение биоценозов повышенными дозами может привести к серьезному нарушению существующего равновесия, что неизбежно приведет к значительным переменам в их видовом составе и существующих взаимосвязях.

Исключительный интерес и внимание привлекают работы, связанные с различными приемами и способами применения ионизирующей радиации в различных отраслях народного хозяйства, начиная с простейших медицинских процедур (флюорография, томография) и заканчивая развитием биотехнологий.

Перед радиационной экологией также встают ответственные задачи по тщательному мониторингу экологических последствий на территориях с повышенным в той или иной степени радиационным фоном в результате различных аварий, подобных чернобыльской.

На новый, более глубокий, уровень дальнейших исследований переходят и сравнительно старые проблемы радиобиологии, связанные с изучением сложных процессов, возникающих в облученном организме на молекулярном, клеточном и тканевом уровнях. Продвижение научных исследований в этом направлении позволит увеличить наши возможности по предупреждению повышенного облучения организмов, а также снизить тяжесть лучевых поражений и отдаленных последствий воздействия радиации.

Поскольку автором ставилась цель написания цельного учебного пособия, достаточно глубоко раскрывающего содержание программы курса, им были использованы многочисленные данные, таблицы и рисунки из различных источников, включая сайты Интернета. Их полный список приведен в конце пособия.

Глава 1. Предмет и задачи радиобиологии


1.1. Радиобиология как наука. Ее предмет и задачи


Радиоактивность и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения нашей планеты. Ионизирующие излучения сопровождали и Большой взрыв, с которого, как мы сейчас полагаем, началось существование нашей Вселенной около 20 млрд. лет назад. С того времени радиация постоянно наполняет космическое пространство, а радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого ее появления. Даже человек слегка радиоактивен, так как во всякой живой ткани присутствуют в следовых количествах радиоактивные вещества. Да и само зарождение жизни на Земле происходило в присутствии радиационного фона окружающей среды.

Ученые часто дискутируют о том, шло ли развитие жизни наперекор постоянному скрытому патогенному воздействию радиации или же способность ионизирующих излучений вызывать мутации и послужила основной причиной непрерывной эволюции биологических видов в сторону повышения их организации. Однако в настоящее время никто не сможет с уверенностью сказать, как в действительности обстоит дело. И новое, что создал человек в этом отношении, это лишь дополнительная радиационная нагрузка, которой мы подвергаемся, например, во время рентгеновского исследования, во время полета на реактивном самолете, при выпадении радиоактивных осадков после испытания ядерного оружия или в результате работы атомных электростанций, созданных человеком для получения электрической энергии.

В результате этого, в настоящее время миллионы людей контактируют с источниками ионизирующих излучений. Что же помешало огромному росту числа жертв радиации, которого можно было бы ожидать, исходя из многократного увеличения массы контактирующих с нею людей? Таким фактором стало знание свойств ионизирующих излучений, позволившее разработать методы противорадиационной защиты и прогнозирования последствий воздействия радиации на организм человека.

«Предвидеть - значит управлять», - писал великий французский философ, математик и физик Блез Паскаль. Приступая к изучению явления радиоактивности и свойств ионизирующих излучений, знание которых необходимо для прогнозирования и снижения тяжести последствий их воздействия на организм, разработки способов и средств противорадиационной защиты, вначале мы познакомимся с предметом радиобиологии и проделаем краткий экскурс в историю ее становления и развития как науки.

Как и всякое явление, в условиях которого проходит жизнь человека,

радиация (будь это естественное или техногенное воздействие на живой организм) заслуживает соответствующего внимания. Именно этим и занимается наука и учебная дисциплина «Радиобиология».

Радиобиология (сельскохозяйственная радиология) – это наука, изучающая действие ионизирующей радиации на живые организмы, их сообщества и биоценозы в целом. Она является своеобразным фундаментом, на котором строится использование ядерных излучений в различных отраслях народного хозяйства.

Основной задачей, составляющей предмет радиобиологии, является вскрытие закономерностей ответа биологических объектов на радиационное воздействие, на основе которых можно овладеть искусством управления лучевыми реакциями организма. Для решения этой задачи необходимо обладать знаниями из ряда смежных фундаментальных дисциплин, таких как физика, химия, биология, биофизика, биохимия, цитология, гистология, нормальная и патологическая физиология.

Одной из особенностей радиобиологии является то, что это экспериментальная дисциплина. Ни одно утверждение в ней не принимается на веру, если оно не имеет четкого экспериментального подтверждения. А способность радиации взаимодействовать с любыми молекулами и структурами клеток обусловливает другую особенность радиобиологии – необходимость проведения исследований на всех уровнях биологической организации: от молекулярного до популяционного. Неизбежные при этом экстраполяции получаемых результатов на высшие уровни биологической организации определяют эту особенность радиобиологии, связанную с практической значимостью получаемых экспериментальных выводов и большой их ответственностью (например, при оценке радиационно-генетических последствий действия радиации).

И, наконец, еще одна особенность, определяемая прикладными задачами радиобиологии - овладение способами и методами управления реакций биологических объектов при лучевых повреждениях (например, с помощью фармакологических и радиопротекторных препаратов).

Решение стоящих перед радиобиологией задач позволило ей занять достойное место среди наук, служащих интересам человечества. Уже сегодня в сельском хозяйстве используют предпосевное облучение семян как метод повышения урожайности, методы радиационной генетики используются не только для выведения новых видов животных и растений, но и для борьбы с вредителями путем стерилизации насекомых. На основе радиобиологических знаний организована лучевая стерилизация овощей, пищевых консервов, а также медицинских средств и реактивов.

Отдельными направлениями радиобиологии являются также радиационная экология, космическая радиобиология, военная радиобиология, а такие направления как противолучевая защита, лучевая терапия, радиационная гигиена, радиационная иммунология и другие можно объединить в одну крупную ветвь радиобиологии – медицинскую радиобиологию.

За более чем 100 лет со времени открытия ионизирующих излучений накоплен огромный теоретический и практический материал, обобщение которого позволило построить стройную систему представлений о радиации и ее воздействии на живые организмы.

Современная радиобиология представляет собой самостоятельную комплексную дисциплину, имеющей четко выделенные отдельные направления: радиационная цитология, общая радиобиология, радиационная биохимия, радиационная генетика, радиационная экология, противолучевая защита и терапия радиационных поражений, космическая радиобиология, радиационная гигиена и, наконец, получившая активное развитие в настоящее время - радиобиология опухолей.

Такова сложная структура современной радиобиологии, относительно короткая история которой как столь интересна, так и столь драматична.

Зарождение радиологии связано с тремя важнейшими событиями конца XIX века:

1). открытие Вильгельмом Конрадом Рентгеном (первая Нобелевская премия по физике, 1901) новых невидимых для глаза лучей, получивших название рентгеновских или Х-лучей.

Сообщение об открытии датировано 28 декабря 1895 г. Более полутора месяцев ученый тщательно исследовал неведомые лучи. Ему удалось установить, что они В.Рентген (1845-1923) сильно флюоресцируют под ударами катодных лучей.


В начале 1896 г. петербургский физиолог ^ И. Р. Тарханов провел первые исследования на лягушках и насекомых, облученных лучами Рентгена, и пришел к выводу, что «Х-лучами можно не только фотографировать, но и влиять на ход жизненных функций».

Другим пионером в радиобиологии был российский патофизиолог, биохимик и радиобиолог, профессор ^ Е. С. Лондон, который начал в 1896 г. многолетние широкие исследования по рентгенорадиологии и экспериментальной радиобиологии. Еще в 1901 г. в работе П. Кюри и А. Беккереля, появилась первая официальная информация о патологическом влиянии радиации на кожу, в которой авторы сообщали, что неосторожное обращение с радием вызывало у них ожоги кожи. Понимая необходимость элементарных дозиметрических знаний, Е.С. Лондон и его сотрудник врач-хирург С.В. Гольдберг проводили экспериментальные исследования действия радия на себе. Работа Е.С. Лондона «Радий в биологии и медицине» (1911) стала первой в мире монографией по радиобиологии.

Основной и очень важной задачей радиобиологии в то время была необходимость точной количественной оценки дозы радиации. Дозиметрия, как раздел физики, количественно оценивающая испускаемую (экспозиционную) и поглощенную энергию излучений, а также активность радиоизотопов, появилась значительно позднее.

2). весной 1896 г. французский физик Антуан Анри Беккерель (Нобелевская премия по физике, 1903) сделал ряд сообщений об обнаружении им нового вида излуче-

ния, которое испускалось солями урана. Подобно откры-

тым за несколько месяцев до этого рентгеновским лучам, оно обладало проникающей способностью, засвечивало экранированную черной бумагой фотопластинку и иони-

А.Беккерель (1852-1908)

зировало воздух.

Гипотеза, которая привела к открытию радиоактивности, возникла у Беккереля под влиянием исследований В.Рентгена.

^ В 1896 г. французский математик и физик Анри Пуанкаре высказал предположение, что Х-лучи, открытые Рентгеном, могут самопроизвольно испускаться некоторыми природными фосфоресцирующими веществами. Рассуждения Пуанкаре были логичны и просты: рентгеновское излучение, по-видимому, возникает на том конце вакуумной трубки, куда попадают катодные лучи и где светится стекло трубки. Но тогда, может быть, светящиеся (люминесцирующие) вещества могут и сами испускать лучи, наподобие рентгеновских? Доклад Пуанкаре произвел большое впечатление на Беккереля.

Поскольку при генерации Х-лучей наблюдалась фосфоресценция стеклян-

ных стенок рентгеновской трубки, Беккерель предположил, что любое фос-

форесцентное свечение сопровождается испусканием рентгеновского излуче-

ния. Он поместил на пакет фотографических пластинок, завернутых в плот-

ную черную бумагу, люминесцентный материал (сульфат-уранил калия), имевшийся у него под рукой, и в течение нескольких часов подвергал этот сверток облучению солнечным светом.

После этого Беккерель обнаружил, что излучение прошло сквозь бумагу и воздействовало на фотографическую пластинку, что, очевидно, указывало на то, что соль урана испускала рентгеновские лучи, а также и свет после того, как была облучена солнечным светом. Однако, к удивлению Беккереля, оказалось, что то же самое происходило и тогда, когда такой пакет с фотопластинками помещали в темное место без облучения солнечным светом.

Анри Беккерель, по-видимому, наблюдал результат воздействия не рентгеновских лучей, а нового вида проникающей радиации, испускаемой без внешнего облучения источника.

На протяжении нескольких последующих месяцев Беккерель повторял свой опыт с другими известными люминесцентными веществами и обнаружил, что одни лишь соединения урана испускают открытое им самопроизвольное излучение. Кроме того, нелюминесцентные соединения урана испускали аналогичное излучение, и, следовательно, оно не было связано с люминесценцией.

В мае 1896 г. Беккерель, проведя опыты с чистым ураном, обнаружил, что фотографические пластинки показывали такую степень облучения, которая в три-четыре раза превышала излучение первоначально использовавшейся соли урана. Загадочное излучение, которое, совершенно очевидно, являлось свойством, присущим урану, стало известно как лучи Беккереля.

Многочисленные контрольные опыты показали, что причиной засветки явилась не фосфоресценция, а именно уран, в каком бы химическом соединении он ни находился. Свойство радиоактивного излучения вызывать ионизацию воздуха позволило наряду с фотографическим методом регистра-

ции применять более удобный электрический метод, что значительно ускори-

ло процесс исследований. Это явление самопроизвольного испускания соля-

ми урана лучей особой природы было названо радиоактивностью (от лат. radio - «излучаю»; radius-«луч» и activus - «действенный»).

Своим открытием Беккерель поделился с Пьером Кюри и Марией Скло-довской-Кюри. Однажды для публичной лекции он взял у супругов Кюри пробирку с радиоактивным препаратом и положил ее в жилетный карман. На следующий день он обнаружил на теле покраснение кожи в виде пробирки. Беккерель рассказал об этом П.Кюри, который ставит на себе опыт: в течение десяти часов носит привязанную к предплечью пробирку с радием. Через несколько дней у него развивается покраснение, перешедшее затем в тяже-лейшую язву, от которой Кюри страдал два месяца. Так впервые опытным путем, было открыто биологическое действие радиации.

3). открытие в 1898 г. супругами Кюри радиоактивных элементов - полония и радия, испускающих три вида лучей: α, β и γ. Радий заставлял фосфоресцировать мно-

гие вещества, неспособные сами по себе излучать свет.

П. Кюри М. Склодовская-Кюри

(1859-1906) (1867-1934)


Увидев свечение радия, Пьер Кюри сказал друзьям: «Вот свет будущего!» Ученый оказался прав - открытие радиоактивности изменило не только наши представления об устройстве материального мира, но и наши возможности обеспечивать процесс его познания и реализации гуманитарных планов человеческой цивилизации. Проще говоря, у человека появилась возможность добывать энергию из атомных глубин и использовать ее во благо.

Как-то известный английский химик Фредерик Содди взял стеклянную трубочку с радием и фотопластинку в светонепроницаемой кассете и стал водить трубочкой, как карандашом, по кассете. Лучи радия прошли сквозь кассету и на фотопластинке отпечатались слова «Writing radium» («Написано радием»).

За свои исследования Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри в 1903 г. были удостоены Нобелевской премии по физике. Спустя 8 лет последовала вторая Нобелевская премия по химии, присужденная Марии Кюри «за откры-

тие элементов радия и полония, за выяснение природы радия и выделение его в металлическом виде».

Так М. Склодовская-Кюри стала первой женщиной, удостоенной высшей награды, и первым ученым, удостоенным ею дважды. Многие академии и научные общества мира избрали ее почетным членом, в том числе и Академия наук России. Вся жизнь Марии Склодовской-Кюри – подвиг, беззаветный труд во имя науки. Девизом служили слова ее мужа Пьера: «Что бы ни случилось, хотя бы расставалась душа с телом, надо работать». Работа по изучению радиоактивных веществ началась в темной, плохо оборудованной лаборатории, где супруги Кюри в течение почти 4 лет перерабатывали тонны урансодержащих отходов.

В июле и декабре 1898 года соответственно им удалось выделить ничтожно малые количества неизвестных до сих пор элементов – полония и радия. Только в 1902 г. они получили около 0,1 г чистого хлорида радия, что позволило им определить его атомный вес, установить физические и химические свойства и его место в периодической системе элементов. Научный мир с нетерпением ожидал каждую новую статью о радиоактивности, подписанную супругами Кюри: каждая из них несла крупицу новых знаний.

19 апреля 1906 г. произошло трагическое событие: в результате несчастного случая погиб Пьер Кюри. Но горе не сломило Марию: «Что бы ни случилось - надо работать!». И упорная работа принесла новые плоды. В 1910 г. она совместно с французским физиком А. Дебьерном (первооткрывателем актиния) впервые выделила небольшие количества чистого металлического радия и вторично, с большей точностью, определила его атомный вес. В 1911 г. она впервые изготовила эталон радия, который в течение 24 лет оставался единственным в мире.

М.Склодовской-Кюри принадлежат работы в области радиологии и рентгенологии. Позднее это событие включили в число семи наиболее крупных научных достижений – «семи чудес света» – первой четверти 20-го века.

В 1914 г. она организовала рентгенологическое обследование раненых в госпиталях, а в 1922 г. стала первой женщиной, избранной членом Парижской медицинской академии.

М.Склодовская-Кюри стала первой женщиной - профессором. Курс лек-

ций по радиоактивности, прочитанный ею, лег в основу фундаментального труда «Радиоактивность» (1910 г.), который много раз переиздавался на иностранных языках, в том числе и на русском.

По ее инициативе и непосредственном участии в Париже был создан ^ Институт радия. Он был построен накануне первой мировой войны, и Мария вплоть до пос-

ледних дней жизни возглавляла его физи-

ко-химический отдел. Человек большой и щедрой души – такой она была всю жизнь. Мария первой организовала ши-

рокое применение излучений в медицин-

ских целях, обучила во время войны бо-

лее 1500 человек работе на рентгеновс-

ких установках. Свою вторую Нобелевскую премию М. Склодовская-Кюри внесла в фонд помощи раненым.

Она подарила Институту радия в Варшаве, открывшемуся в 1932 году, один грамм очень дорогого радия; внимательно относилась к молодым ученым, которые съезжались в ее лабораторию со всего мира.

М. Склодовская-Кюри скончалась в 1934 г. от лучевой болезни. В 1955 г. были обследованы записные книжки Марии Кюри. Они до сих пор излучают из-за радиоактивного загрязнения, внесенного при их заполнении. На одном из листков сохранился также радиоактивный отпечаток пальца ее супруга - Пьера Кюри.

Кстати, в нашей стране первые препараты радия были получены в конце 1921 г. В.Г. Хлопиным и Я.И. Башиловым. Виталий Григорьевич руководил созданием в России первого радиевого завода, изучал условия миграции радиоактивных элемен-

тов в земной коре и разработал метод определения абсолютного возраста горных

пород на основе радиоактивных данных.

^ Он открыл и исследовал радийсодержащие воды и изучил распространённость гелия, аргона в природных газах и бора в природных водах.

В 1901 г. и последующее время появилось также мно-

жество зарубежных и отечественных работ о лучевом поражении кожи (дерматиты, эритемы, лучевые ожоги

и язвы, выпадение волос), а в 1902 г. был описан пер-

вый случай лучевого рака кожи.

В.Г. Хлопин (1890-1950)

Постепенно стало выясняться, что проникающая радиация не только невидима и неощутима, не только воздействует на кожу, но и вызывает лучевое поражение внутренних органов и тканей, а также гибель живых организмов и человека (эксперименты Е.С. Лондона в России и Г. Хейнеке - в Германии).

Продолжают накапливаться данные о различии в устойчивости отдельных облучаемых биологических объектов и систем к летальному облучению и о высокой радиочувствительности процессов клеточного деления.

Так, в 1906 г. французские радиобиологи Ж. Бергонье и Л. Трибондо сформулировали фундаментальный закон (правило) клеточной радиочувствительности: ионизирующее излучение тем сильнее действует на клетки, чем интенсивнее они делятся и чем менее определенно выражены их морфология и функция, т.е. чем менее они дифференцированы.

В 1918 г. в Петербурге был открыт первый в стране радиобиологический Государственный институт рентгенологии и радиологии, организатором и директором которого стал известный рентгенолог М.И. Неменов.

Многочисленные исследования развития лучевого поражения организмов позволили придти радиобиологам к общему выводу о том, что лучевая болезнь представляет собой сложный комплекс взаимосвязанных изменений в организме, появление которых зависит от величины дозы, характера облучения, от времени, прошедшего после лучевого воздействия и биологической особенности организма (его радиочувствительности).

Попытки найти какое-либо действующее начало, специфическое только для лучевого поражения, так и не увенчались успехом. Поиски токсических веществ в облученном организме (радиотоксинов) показали, что они представляют собой продукты избыточного накопления продуктов нормально протекающих процессов, усиленных действием облучения.

Исследования динамики биохимических лучевых нарушений заняли все дальнейшие годы истории радиобиологии и позволили собрать ценнейший материал, характеризующий характер и типы развития лучевой болезни.

Изучение ионизирующего действия проникающей радиации на атомы и молекулы, создание количественной дозиметрии позволило перейти радиобиологам к созданию количественных принципов, связывающих радиобиологические эффекты с дозой облучения.

Этим начинается следующий период - период количественной радиобиологии. В это время интенсивно велись поиски «главного виновника преступления», т.е. критических биологических молекулярных и клеточных структур, а также органов и тканей облучаемых организмов, ответственных за развитие лучевого поражения, ведущего к смертельному исходу. Анализ количественных закономерностей зависимости биологических эффектов от величины доз облучения стимулировал такие поиски. К числу важных черт биологического действия ионизирующих излучений относят так называемый радиобиологический парадокс: энергия ионизирующих излучений оказывается несопоставимо малой при сравнении с тем же биологическим эффектом, вызываемой тепловой энергией [76].

В последующие годы обнаруживаются лучевые изменения различных биохимических процессов: нарушения активности ферментов в органах и тканях, появление токсических веществ в крови (лейкотоксинов).

Таким образом, сведения о высокой биологической эффективности нового вида излучений стимулировало мощный взрыв радиобиологических работ, характеризующий начальный, описательный период в истории радиобиологии.

Особенно интенсивно радиология начала развиваться в 30-40-х годах прошлого столетия в связи с достижениями ядерной физики.

В 1934 г. супругами Иреной и Фредериком Жолио-Кюри была открыта искусственная радиоак-

тивность, за что им в 1935 г. была присуждена Нобелевская премия по химии. Открытие искусствен-

ной радиоактивности явилось началом нового этапа развития

И. Жолио-Кюри Ф. Жолио-Кюри ядерной физики.

(1897-1956) (1900-1958)


Совместно с сотрудниками они изучали также различные ядерные реак-

ции, вызванные действием альфа-частиц и дейтронов, и способы использо-

вания искусственных радиоактивных изотопов в качестве меченых атомов. Исследование супругами Жолио-Кюри свойств излучения, возникающего при бомбардировке атомов бериллия альфа-частицами, сыграло большую роль в развитии нейтронной физики.

Ф. Жолио-Кюри впервые доказал (1934), что масса нейтрона несколько больше массы протона. Отсюда следовало, что нейтрон может быть связан с бета-распадом. Это блестящее предположение полностью подтвердилось в 1951 г., когда был открыт бета-распад ядер. Важный цикл работ супругов Жолио-Кюри был посвящен исследованию рождения пар, а также обратного процесса - аннигиляции. Их исследования показали, что энергия гамма-кванта превращается в энергию пары элементарных частиц (позитрона и электрона).

После открытия Джеймсом Чедвиком нейтрона Ф. Жолио-Кюри одним из первых указал на важность этого открытия для практического использования атомной энергии. Фредерик Жолио-Кюри опубликовал ряд работ, явившихся одними из первых исследований по делению тяжёлых ядер и образованию трансурановых элементов. После второй мировой войны с 1939 по 1945 г.г. он руководил строительством первого французского атомного реактора, пущенного в эксплуатацию в форте Шатийон (1948 г.).

В конце 30-х годов ХХ века итальянский физик Энрико Ферми с сотрудниками доказал возмож-ность получения радиоактивности почти у всех элементов под воздействием нейтронной бомбарди-

ровки их ядер. Им же в 1942 г. был спроектирован и построен в США первый в мире ядерный реактор, что позволило широко использовать радиоизотопы

Э.Ферми (1901-1954) в научных лабораториях, технике, медицине и сель-

ском хозяйстве.

^ В 1934 году он создал количественную теорию -распада, основанную на предпо-

ложении В. Паули о том, что -частицы испускаются одновременно с нейтрино. В 1934–38 г.г. Ферми с сотрудниками своей лаборатории изучал свойства нейтро-

нов и практически заложил основы нейтронной физики. Впервые наблюдал искус-

ственную радиоактивность, вызванную бомбардировкой нейтронами ряда элемен-

тов, в том числе урана.

В 1938 г. Э.Ферми была присуждена Нобелевская премия по физике. В решении Нобелевского комитета говорилось, что премия присуждена ему «за доказательства существования новых радиоактивных элементов, полученных при облучении нейтронами, и связанное с этим открытие ядерных реакций, вызываемых медленными нейтронами». В том же году Энрико Ферми эмиг-

рировал в США, став профессором Колумбийского университета.

Он руководил исследованиями в области исследования ядерной энергии, участвовал в создании проекта атомной бомбы. В декабре 1942 г. ему с сот-

рудниками впервые удалось осуществить цепную ядерную реакцию в ядерном реакторе, где в качестве замедлителя нейтронов использовался графит, а в качестве «горючего» – уран.

А в 1946 г. Э. Ферми стал профессором Чикагского университета и в последние годы жизни занимался физикой высоких энергий. Однако трудно отыскать такую области физики, которой бы не занимался Ферми в течение своей жизни. Недаром один из его учеников - российский физик Бруно Понтекорво - писал: «Великий итальянский физик Энрико Ферми занимает особое место среди современных ученых: в наше время, когда узкая специализация в научных исследованиях стала типичной, трудно указать столь же универсального физика, каким был Ферми».

Из общего числа (около 1600) известных ныне науке радиоактивных изотопов лишь около 300 природные, а остальные получены искусственным путем в результате ядерных реакций. Между искусственной и естественной радиоактивностью нет принципиального различия.

^ В результате изучения искусственной радиоактивности были открыты новые варианты -распада - испускание позитронов (И. и Ф. Жолио-Кюри, 1934) и элек-

тронный захват (Л. Альварес, 1938), предсказанный первоначально Х. Юкавой и

С. Сакатой (Япония, 1935).

^ Впоследствии были обнаружены другие сложные, включающие -распад, превра-

щения, в том числе испускание запаздывающих нейтронов (Дж. Даннинг с сотр., США, 1939), запаздывающих протонов (В.А. Карнаухов с сотр., СССР, 1962), запаздывающее деление ядер (Г.Н. Флёров с сотр., СССР, 1966-71).

В 1955 г. при ООН был создан научный комитет по действию атомной радиации (НКДАР) на организм человека.

В настоящее время функционирует ещё одна организация - МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии) - созданная в 1957 году, со штаб-квартирой в Вене, для развития международного сотрудничества в области мирного использования атомной энергии.

Наиболее важной задачей, стоящей в настоящее время перед радиобиоло-

гией является защита живых организмов от вредного воздействия ионизиру-щих излучений. Они опасны тем, что даже в малых дозах, не вызывающих заболеваний или гибели, они оставляют свой след на облученном организме, что может сказаться на последующих поколениях по истечении длительного времени.

Кроме этого, сельскохозяйственная радиология занимается также пробле-

мой миграции радионуклидов в сфере сельскохозяйственного производства,

изучением закономерностей поступления и накопления радиоизотопов в растениях, разработкой агротехнических и агрохимических мероприятий по снижению перехода радионуклидов из почвы в растения и разрабатывает различные способы и методы дезактивации сельскохозяйственной продук-

ции.

Достижения современной радиологии нашли отражение и в такой отрасли растениеводства как селекция с.-х. культур на основе использования эффекта радиационного мутагенеза при выведении новых высокоурожайных сортов. Весьма перспективной видится роль ионизирующей радиации в различных биотехнологических приемах и методах. А в физиологических и биохимичес-

ких исследованиях животных и растений нашли широкое применение раз-личные радиоактивные индикаторы («меченые» атомы).


1.2. Понятие об ионизирующем излучении (ИИ)


Важнейшим свойством различных ядерных превращений является их способность образовывать различные виды ионизирующих излучений (ИИ), которые, в свою очередь, при прохождении различных сред (газы, твердые тела и жидкости) неорганического или органического происхождения вызы-

вают в них ионизацию атомов и молекул. Это приводит к образованию электрически заряженных частиц – ионов (катионов и анионов).

Ионизирующая радиация называется «ионизирующей» потому, что при прохождении через любое вещество заряженных или нейтральных частиц, а также квантов электромагнитного излучения происходит ионизация: элек-трически нейтральные атомы и молекулы возбуждаются и возникают поло-жительные и отрицательные ионы и свободные электроны. Действие ионизи-рующего излучения существенно отличается от действия химических веществ тем, что радиация не может «растворяться» (Остапенко В.А., 2002) до всё более низкой концентрации. Переданная энергия концентрируется вдоль трека электрона или кванта электромагнитного излучения и эту локальную концентрацию энергии нельзя уменьшить. Потому радиационное загрязнение – самое опасное для живых существ (Яблоков А.В., 2002).

Итак, ионизирующие излучения, проходя через различные вещества, взаимодействуют с их атомами и молекулами. Такое взаимодействие приводит возбуждению атомов и отрыву отдельных электронов из атомных оболочек. В результате атом, лишенный одного или нескольких электронов, превращается в положительно заряженный ион - происходит первичная ионизация.

Выбитые при первичном взаимодействии электроны, обладающие энергией, сами взаимодействуют со встречными атомами и также создают новые ионы - происходит вторичная ионизация. Электроны, потерявшие в результате многократных столкновений свою энергию, остаются свободными или присоединяются («прилипают») к нейтральному атому, образуя отрицательно заряженные ионы. Энергия излучения при прохождении через вещество расходуется в основном на ионизацию среды.

Число пар ионов, создаваемых ионизирующим излучением в веществе на единице пути пробега, называется удельной ионизацией, а средняя энергия, затрачиваемая ионизирующим излучением на образование одной пары ионов, - средней работой ионизации.

По мере продвижения заряженная частица теряет свою энергию, а на некотором расстоянии от начала пути скорость её становится равной скорости теплового движения атомов и молекул среды. Расстояние, пройденное частицей от места образования до места потери ею избыточной энергии, называется длиной пробега.

На каждую пару ионов возникает, кроме того, два-три возбуждённых атома или молекулы, в которых при столкновении происходит перемещение электронов на оболочках. В результате атом или молекула приобретают избыточную энергию, которая излучается или в виде фотонов видимого, ультрафиолетового света, или в виде рентгеновских лучей и гамма- квантов.

Количество образовавшихся ионов и их пространственное расположение

неодинаково для различных видов излучений. Это, прежде всего, зависит от проникающей способности излучений. Наибольшей проникающей способностью обладают гамма-лучи, рентгеновские лучи и быстрые нейтроны, затем бета-частицы и, наконец, альфа-частицы.

При оценке биологического действия излучений на ткани организма необходимо учитывать плотность ионизации. ^ Плотностью ионизации называется число пар ионов, образующихся на единицу пути ионизирующей частицы в тканях. Наибольшей плотностью ионизации обладают альфа- частицы и нейтроны, затем бета – частицы, а на последнем месте - рентгеновские и гамма - лучи.

Следовательно, при внешнем облучении наибольшую опасность представляет поток быстрых нейтронов, так как они обладают и высокой плотностью ионизации и довольно большой проникающей способностью. А при попадании радиоактивных веществ внутрь организма наиболее опасны, кроме нейтронов, альфа-частицы, так как они обладают высокой плотностью ионизации.

Радиобиологические эффекты, возникающие при воздействии ИИ на живые организмы, обусловлены, прежде всего, количеством энергии, поглощенной единицей объема биологической ткани. Вплоть до начала пятидесятых годов прошлого столетия для измерения количества радиации использовалась единица экспозиционной дозы «рентген» (Р). Один рентген соответствовал эффекту действия 1 г радия-226 за час на расстоянии одного метра и обнаруживался по покраснению кожи руки.

В настоящее время один рентген - это такая величина поглощенной энергии ионизирующего излучения, которая в 1 см³ абсолютно сухого воз-

духа при температуре 0ºС и атмосферном давлении 760 мм рт. ст. приводит к образованию 2,08•109 пар ионов.

Ионизирующие излучения по своей природе неоднородны, т.к. создаются различными видами радиоактивных лучей.


1.3. Характеристика ионизирующих излучений


Все виды ИИ по природе принято делить на 2 группы:

1). корпускулярные (от лат. corpusculum – «тельце»);

2). волновые (электромагнитные).

Корпускулярные излучения представляют собой потоки лучей определен-

ной массы, создаваемых элементарными и атомными частицами. Большин-

ство этих лучей имеет электрический заряд, массу покоя и скорость распро-

странения. Выделяют 4 группы корпускулярных излучений. Рассмотрим их подробнее.

 (альфа) - излучение. Это излучение создается альфа-частицами, каждая из которых состоит из двух протонов и двух нейтронов, прочно связанных между собой. Масса -частицы составляет 4,00273 атомных единиц массы (а.е.м.) или 6,644•10-24 г, а её заряд равен двум положительным элементарным единицам. Энергия альфа-частиц, испускаемых изотопами естественных радиоактивных элементов, лежит в пределах от 2 до 9 МэВ (мегаэлектронвольт), а с помощью ускорителей заряженных частиц можно получить -частицы с энергией порядка сотен МэВ. При вылете из ядер одного и того же радиоизотопа все альфа-частицы имеют одинаковую энергию. Скорость их движения составляет от 0,05 до 0,08 скорости света, т.е. 14-20,6 тыс. км в секунду. В вакууме альфа-частица могла бы полностью обогнуть земной шар по экватору за 2 секунды (рис. 1).




Рис.1. Образование альфа-излучения

Длину пробега альфа-частиц в других веществах легко вычислить, исходя из того, что тормозная способность вещества, отнесённая к одному атому, пропорциональна квадратному корню из атомной массы. Для плотных веществ длина пробега -частиц составляет порядка сотых долей миллиметра (например, в стекле R = 0,04 мм).

Альфа-частиц пользуются для осуществления различных ядерных реакций, в частности для получения нейтронов и некоторых радиоактивных изотопов. Так как масса -частиц значительно больше (в 7345 раз) в сравнении с массой электронов атомов, с которыми они сталкиваются, то траектория движения -частиц практически прямолинейна.

Вследствие положительного заряда и относительно невысокой скорости -частицы весьма интенсивно взаимодействуют с электронами поглощаю-

щего материала; быстро расходуя свою энергию. При этом они успевают

пройти очень небольшое расстояние и обладают самой высокой степенью линейной, удельной и объемной ионизации различных сред и веществ. Так, в воздухе на своем коротком пути движения одна альфа-частица приводит к образованию от 116 до 254 тыс. пар ионов. В воздухе - частицы имеют путь пробега от 2,5 до 11 см, а в мягких тканях живых организмов – всего лишь 30-130 микрон в зависимости от своей энергии (табл. 1).


Таблица 1. Пробеги -частиц в воздухе, биологической ткани и металле

Среды

Путь

пробега

Энергия α-частиц, МэВ

4

6

8

10

Воздух

см

2,5

4,6

7,4

10,6

Биологические

ткани

мкм

31

56

96

130

Алюминий

мкм

16

30

48

69

urok-9-religiozno-mifologicheskie-predstavleniya-drevnih-egiptyan.html
urok-9-tema-drevnie-napevi-eposa-2-raza-v-nedelyu.html
urok-91-moya-semya-puteshestvie-v-carstvo-vesennih-pesenok.html
urok-algebri-i-nachal-analiza-v-10-om-klasse-s-primeneniem-zdorovesberegayushih-tehnologij-21.html
urok-analiticheskogo-chteniya-povesti-a-s-pushkina-kapitanskaya-dochka.html
urok-anglijskogo-yazika-11-aklass-tema-uroka.html
  • grade.bystrickaya.ru/ob-ustanovlenii-predelno-dopustimih-znachenij-kreditorskoj-zadolzhennosti-byudzhetnogo-uchrezhdeniya-astrahanskoj-oblasti-previshenie-kotorih-vlechet-rastorzhenie-trudo.html
  • knigi.bystrickaya.ru/rezyumeo-perspektivah-nauki-tesli-yu-v-mazurin-nikola-tesla-slavyanskij-genij.html
  • ucheba.bystrickaya.ru/poyasnitelnaya-zapiska-kurs-osnovi-zhurnalistiki-stavit-celyu-vvesti-uchashihsya-v-osnovi-teorii-i-praktiki-sovremennoj-zhurnalistiki-dat-predstavlenie-o-specifike-zhurnalistkoj-professii.html
  • vospitanie.bystrickaya.ru/zaklyuchenie-otzivi-o-knige.html
  • kanikulyi.bystrickaya.ru/vreligii-drevnih-egiptyan-reshayushee-znachenie-imeli-ih-predstavleniya-o-zagrobnoj-zhizni-eto-predstavleniya-okazali-bolshoe-vliyanie-na-razvitie-i-formirovanie-stilya.html
  • books.bystrickaya.ru/dlya-ulazhivaniya-konflikta-metodom-kotorij-nazivaetsya-ula-0ils-eto-delo-traktata.html
  • reading.bystrickaya.ru/lekciya-12-po-teme-sistemnij-i-funkcionalnij-podhod-k-upravleniyu-bankrotstvom.html
  • klass.bystrickaya.ru/aktualnost-temi-issledovaniya-pri-vsej-shirote-ohvata-problem-regionalnoj-istorii-arhitekturi-do-sih-por-net-celostnoj-kartini-formoobrazovaniya-tradicionnogo.html
  • education.bystrickaya.ru/1-5-sentyabrya-informacionnij-byulleten-administracii-sankt-peterburga-33-684-30-avgusta-2010-g.html
  • znaniya.bystrickaya.ru/rabochaya-programma-uchebnoj-disciplini-tehnologiya-pervichnoj-pererabotki-produktov-zhivotnovodstva-dlya-podgotovki-bakalavrov-po-profilyam-kormlenie-zhivotnih-i-tehnologiya-kormov.html
  • abstract.bystrickaya.ru/-kratkaya-istoriya-razvitiya-diagnostiki-i-lecheniya-tuberkuleza-a-brief-history-of-tuberculosis-in-development-of-diagnosis-and-treatment-2-stranica-13.html
  • ekzamen.bystrickaya.ru/respubliki-buryatiya-respublikanskaya-detsko-yunosheskaya-biblioteka-stranica-10.html
  • laboratornaya.bystrickaya.ru/publichnij-otchet-mou-sosh-im-a-n-arapova-za-2006-2007-uch-god-gorodskoj-okrug-verh-nejvinskij-stranica-4.html
  • uchitel.bystrickaya.ru/rabochaya-programma-shifr-i-naimenovanie-specialnostinapravleniya-030701-mezhdunarodnie-otnosheniya-uroven-obrazovaniya.html
  • thescience.bystrickaya.ru/instrukciya-po-podgotovke-i-zapolneniyu-zayavki-na-uchastie-v-aukcione-10-podacha-zayavok-na-uchastie-v-aukcione-12-stranica-12.html
  • write.bystrickaya.ru/glava-iii-popitki-uregulirovaniya-vneshnepoliticheskoj-konfrontacii-v-2001-2006-gg-premerstvo-a-sharona.html
  • reading.bystrickaya.ru/konvenciya-o-pravah-rebenka-stranica-3.html
  • lektsiya.bystrickaya.ru/pravila-ekspluatacii-42-6-ohlazhdenie-gaza-apparat-vozdushnogo-ohlazhdeniya-gaza-42-1-naznachenie-i-opisanie-konstrukcii-avo-2avg-75-42.html
  • holiday.bystrickaya.ru/obshaya-harakteristika-vidov-tehnicheskogo-obsluzhivaniya-i-remonta-elektropodvizhnogo-sostava.html
  • znaniya.bystrickaya.ru/referat-na-temu-gosudarstvo-i-pravo-v-godi-velikoj-otechestvennoj-vojni.html
  • tasks.bystrickaya.ru/-timirbaev-v-r-2004-vse-prava-zashisheni-izdatelstvo-zhzlk-2004-vse-prava-zashisheni.html
  • doklad.bystrickaya.ru/velikie-lyudi-nizhnego-novgoroda-maksim-petrovich-dmitriev.html
  • spur.bystrickaya.ru/material-s-sajta-kojnovoj-v-v-www-koinova-ucoz-ru.html
  • write.bystrickaya.ru/glava-19velikaya-misteriya-samara-izdatelstvo-ofort.html
  • crib.bystrickaya.ru/kachestvennaya-ocenka-tehnicheskogo-sostoyaniya-zdanij-i-sooruzhenij-obektov-energetiki.html
  • paragraph.bystrickaya.ru/lekciya-11-skalyarnie-proizvedeniya-matematicheskih-obektov.html
  • literatura.bystrickaya.ru/sozdani-svodnij-otchet-o-deyatelnosti-ministerstva-promishlennosti-ienergetiki.html
  • books.bystrickaya.ru/buryatiya-regionalnie-programmi-11-vologda-11-vyacheslav-pozgalyov-slishat-lyudej-odno-iz-glavnih-umenij-vlasti.html
  • laboratornaya.bystrickaya.ru/rabochaya-programma-disciplini-kompyuternaya-geometriya-i-grafika-dlya-specialnosti-230103-avtomatizirovannie-sistemi-obrabotki-informacii-i-upravleniya.html
  • ekzamen.bystrickaya.ru/sabati-tairibi-lilar-el-sabati-masati.html
  • lesson.bystrickaya.ru/trace-modetrejs-moud-adastra-rossiya-uchebnoe-posobie-kratkij-konspekt-lekcij.html
  • desk.bystrickaya.ru/palacco-redzoniko-krasilnikova-e-lena-nikolaevna-veneciya.html
  • znanie.bystrickaya.ru/5-soderzhanie-razdelov-disciplini-kormlenie-zhivotnih-s-osnovami-primernaya-programma-naimenovanie-disciplini-kormlenie.html
  • control.bystrickaya.ru/dochka-materi-aif-17052007-20-str-31-gosduma-rf-monitoring-smi-17-maya-2007-g.html
  • uchenik.bystrickaya.ru/cennosti-i-ideali-professionalnoj-socialnoj-raboti.html
  • © bystrickaya.ru
    Мобильный рефератник - для мобильных людей.