Биофизика мембран и системы кровообращения

Светочувствительные клетки глаза бывают двух видов: колбочки и палочки. Палочек примерно 120 млн., колбочек - 6 млн. плотность колбочек максимальна в середине центральной ямки, а палочек - вокруг этой ямки; в ней самой они полностью отсутствуют. Оба типа рецепторов сходны по структуре в том смысле, что и у тех, и у других есть наружный сегмент, состоящий примерно из тысячи мембранных дисков (палочки) и мембранных складок (колбочки). Он соединяется с остальной частью клетки узкой «ресничкой». Время жизни дисков равен приблизительно 10 дней. Палочки представляют собой вторично-чувствующие рецепторы.

На первичные рецепторы попадает сигнал (возбуждение) от нескольких колбочек. В процессе передачи сигнала на более «поздние» нейроны изменяются характеристики электрических сигналов так, что если палочки генерируют аналоговый сигнал, то с нервных клеток можно снять последовательность прямоугольных импульсов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Латеральное торможение - торможение сигналов соседних клеток за счет своего возбуждения. Благодаря этому подчеркивается граница между светлым и темным. Это можно видеть на графике. Интенсивность сигналов «теневых» клеток (тех, на которые попадает мало света) уменьшается соседними возбужденными (теми, на которые попадает много света) клетками. Этим объясняется провал. Возбужденные клетки слабо тормозятся соседними «теневыми» на графике виден «горб».

Размещено на http://www.allbest.ru/

Такая первичная обработка сигналов происходит без участия мозга, в этом смысле глаз и сетчатку называют мозгом, вынесенным наружу.



В сетчатке глаза позвоночных содержатся два типа фоторецепторных клеток: палочки и колбочки. Палочки чувствительны к свету, а колбочки отвечают за восприятие цвета.

А. Фоторецептор

На рисунке схематически изображена одна из фоторецепторных клеток, палочка. Клетка состоит из двух основных частей, наружного и внутреннего сегментов. В дисках наружного сегмента (специализированных замкнутых мембранах) локализован родопсин, интегральный мембранный белок, включающий 7 трансмембранных тяжей. Такое строение характерно для большой группы сигналпереносящих рецепторных белков. Родопсин является светочувствительным хромопротеином. Помимо белковой части, опсина, молекула родопсина включает остаток 11-цис-ретиналя, связанный ковалентно с е-аминогруппой остатка лизина. Родопсин обладает характерным спектром поглощения света с максимумом при 500 нм.

Поглощение молекулой родопсина кванта света индуцирует изомеризацию 11-цис-ретиналя в полностью транс-форму. В результате этой фотохимической реакции изменяется геометрия ретиналя, а спустя 10 мс происходит аллостерический переход родопсина в его активную форму (родопсин*). Стимуляция родопсином* G-белка запускает каскад передачи сигнала, который побуждает зрительную клетку уменьшить выброс нейромедиатора (глутамата), вследствие чего биполярные нейроны, связанные со зрительными клетками, посылают измененный импульс, что воспринимается как зрительное возбуждение.

Б. Сигнальный каскад

G-белок палочек носит название трансдуцин. Связывание активированного светом родопсина* (метародопсина II) с ГДФ-трансдуцином катализирует обмен ГДФ (GDP) на ГТФ (GTP). Активная форма трансдуцина (ГТФ-трансдуцин) диссоциирует на комплекс в, г-субъединиц и ГТФ-б*-субъединицу (см. с. 372), которая активирует цГМФ-фосфодиэстеразу (сGМС - фосфодиэстеразу) [1], связывая ингибиторную субъединицу фермента.

В отсутствие света концентрация цГМФ (cGMP) в колбочках поддерживается на сравнительно высоком уровне (70 мкМ). Этот вторичный мессенджер (см. с. 374) постоянно синтезируется гуанилатциклазой и гидролизуется цГМФ-фосфодиэстеразой. Активация фосфодиэстеразы (при освещении родопсина) вызывает быстрое (в течение нескольких мс) падение уровня цГМФ.

Спустя короткое время б-субьединица трансдуцина инактивируется за счет медленного гидролиза связанного ГТФ и ассоциирует с комплексом в, г-субъединиц. Родопсин* распадается на опсин и полностью транс-ретиналь, который изомеризуется в цис-ретиналь под действием изомеразы [3]. После сборки родопсина молекула возвращается в исходное состояние.

В темноте (на схеме слева внизу) высокий уровень цГМФ в палочках поддерживается благодаря активности гуанилатциклазы. Поэтому цГМФ-зависимые катионные каналы плазматической мембраны остаются открытыми и катионы Na+ и Ca2+ беспрепятственно поступают в клетку. При этом зрительная клетка постоянно выбрасывает нейромедиатор глутамат в синаптическую щель.

При освещении (на схеме справа внизу) уровень цГМФ резко падает за счет активации фосфодиэстеразы*, что приводит к перекрыванию ионных каналов. Так как ионы Na+ и Ca2+ постоянно выкачиваются из клетки, концентрация их быстро падает. Это приводит к гиперполяризации клетки и останавливает выброс нейромедиатора. Снижение концентрации ионов Ca2+ инициирует активацию гуанилатциклазы, что влечет за собой быстрый подъем уровня цГМФ настолько, что ионные каналы открываются вновь.

Биофизика отклика.

Генерация рецепторного потенциала. Свет поглощается белком родопсином, бесцветным белком, который, по сути, является комплексом белка опсина и ретиналя (имеющего розовую окраску). Ретиналь может находиться в нескольких конформациях, однако в состав комплекса родопсина входит в виде 11-цис-форме или в виде полностью транс-форме. Ретиналь имеет высокую экстинкцию (поглощение) в желтом краю спектра. Попадание света приводит к возбуждению электронов родопсина, вследствие чего ретиналь изменяет свою конформацию: из 11-цис переходит в полностью-транс форму. После этого происходит активация ГТФ и связывание (активация) фосфодиэстеразы (ФДЭ). Активная ФДЭ может либо закрыть натриевые каналы с образованием ГМФ, либо открыть их с образованием ц-ГТФ. На один квант света приходится 10⁶ ионов натрия.

Табл.1. Различие колбочек и палочек.

Палочки	Колбочки
1 млрд. чувствительны к ч/б изображению очень чувствительны. Тепло может вызвать шумы, для предотвращения которых присутствует схема совпадений: для того, чтобы сигнал прошёл в мозг необходимо срабатывание 8 палочек.	3 млн. отвечают за цветное изображение разрешение меньше, чем у палочек. Все цвета получаются различной комбинацией трёх основных: красный, зеленый, желтый. За формирование света ответственен йодопсин, эритролаб, хлоролаб

Лекция 5. Биосфера и физические поля

Биосфера Земли, в том числе и человек, развивались и существуют под постоянным действием потоков электромагнитных волн и ионизирующих излучений. Естественный радиоактивный фон и фон электромагнитных излучений являются сферой нашего обитания, неотъемлемой частью и условием развития жизни.

Космические события, изменения солнечной активности, нарушение магнитосферы и ионосферы Земли могут оказывать влияние на жизненные процессы всех биологических объектов нашей планеты.

Изучение влияния физических полей окружающего мира на биосферу является одной из важнейших задач биофизики. Прогресс в этой области науки тесно связан с проблемами развития цивилизации, экологического состояния Земли и существования человечества.

С другой стороны, сам человек является источником акустических и электромагнитных полей. Эти поля называются собственными физическими полями человека. К ним относятся акустическое, электрическое и магнитное поля, электромагнитные волны в радио-инфракрасном и видимом диапазонах. Изучение собственных физических полей человека позволяет глубже понимать процессы, происходящие в организме, и использовать эти поля в диагностических целях.

Вещество и поле - составляющие единного материального мира

На современном уровне развития науки известны два вида материи: вещество и поле. К веществу относятся формы материи, состоящие из элементарных частиц (протонов, электронов, нейтронов и др.), из которых состоят атомы и молекулы конечном счете, все окружающие тела. Веществу свойствено наличие массы покоя. Поле - форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между частицами вещества или телами. Полю свойственны непрерывность в прострастве и отсутствие массы покоя.

Поле и вещество неразрывно связаны между собой, образуют единую материю нашего мира.

Важнейшим универсальным свойством материи является корпускулярно-волновой дуализм. Всем микрообъектам присущи одновременно и корпускулярные, и волновые свойства. Bпepвые корпускулярно-волновой дуализм был установлен для света. Опыты по интерференции, дифракции света свидетельствовали о волновой природе и подтверждали теорию Максвелла, установившую, что свет представляет собой электромагнитные волны.

Электромагнитной (ЭМ) волной называется процесс распространения в пространстве взаимоиндуцирующих переменных электрических и магнитных полей.

Основные положения об ЭМ поле были сформулированы английским физиком Максвеллом, объединившим в рамках волной теории электрические и магнитные явления. Им было казано, что ЭМ волны распространяются в среде с конечной скоростью, векторы напряженности электрического поля Е и магнитного поля Н взаимно-перпендикулярны и фазы их колебаний одинаковы. Для плоской гармонической ЭМ волны распространяющейся в изотропной среде без затухания:

E (x,t) = E_m sinщ (t-x/v),

H (x,t) = H_m sinщ (t-x/v)

где E(x,t) - мгновенное значение напряженности электрического поля, Е_m - ее максимальное значение, H(x,t) - мгновенное значение напряженности магнитного поля, Н_m - ее максимальное значение, щ -- циклическая частота; v - скорость распространения ЭМ волны, t - время, х - координата вдоль направления распространения волны.

Длина волны л, и период колебаний Т связаны соотношением:

л=vT.

Длиной волны называется расстояние между двумя ближайшими точками, колебания величин Е и Н в которых происходят в одинаковой фазе. Скорость распространения ЭМ волны в вакууме (с) есть величина постоянная:

.

где е₀ - электрическая постоянная (е₀= 8,85 10 ^-12 Ф /м), м₀ -магнитная постоянная (м₀ = 4р 10⁷ Гн/м ). Скорость распространения ЭМ волны в однородной изотропной среде, имеющей относительную диэлектрическую проницаемость е > 1 и относительную магнитную проницаемость м > 1, имеет вид:

.

Из уравнения следует, что скорость распространения ЭМ волны в среде (V) всегда меньше, чем в вакууме (с).

Важнейшей характеристикой волны является интенсивность I - среднее количество энергии W_cp, переносимое волной за единицу времени через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны:

.

Трудами Эйнтейна и ряда ученых было показано, что ЭМ-излучение не только испускается, но и распространяется квантами. Так возникло представление о частицах света фотонах, несущих квант энергии и движущихся со скоростью света. Было разрешено противоречие, возникшее в 17 столетии и содержащееся в утверждениях, что свет, с одной стороны, - это волна (Гюйгенс), а с другой - поток корпускул» (Ньютон). ЭМ излучение обладает дуализмом, то есть одновременно и свойствами волны, и свойствами потока частиц. Корпускулярно-волновой дуализм присущ и другим микрочастицам, например электронам, нейтронам.

Один вид материи может превращаться в другой и обратно. Так известна реакция аннигиляции (уничтожения) двух частиц: электрона и позитрона:

е⁺ + е^- > г + г

В данной реакции вещество - электрон е^- и позитрон е⁺ - превращаются в два кванта электромагнитного поля. В peзультате этой реакции могут образовываться два гамма-кванта, испускающие энергию не менее 0,51 МэВ каждый.

Известно и обратное превращение - реакция рождения пары:

г>е⁺+е^-

При этой реакции гамма-фотона высокой энергии (более 1,2 МэВ) при взаимодействии с электрическим полем ядра атома превращается в две частицы: электрон и позитрон. Таким образом, кванты электромагнитного поля превращаются в вещество. Реакции аннигиляции и рождения пар являются пpимером перехода одного вида материи в другой и обратно.

Лекция 6. Человек и физические поля окружающего мира

Понятие «физические поля окружающего мира», является широким и может включать в себя многие явления зависимости от целей и контекста рассмотрения. Если рассматривать его в строго физическом смысле, то есть, как вид материи, то следует иметь в виду, прежде всего электрическое, магнитное, электромагнитное, гравитационное поля и поле ядерных сил. В экологическом контексте в это понятие могут быть включены потоки ионизирующих частиц, акустические и вибрационные поля, атмосферные изменения и ряд других.

Вся биосфера Земли: простейшие, обширные царства растений и животных и человек - находится в окружении единого материального мира, составляющего ее среду обитания. Сфера обитания является неотъемлемым условием развития жизни и одновременно суммой факторов, влияющих на живые организмы и определяющих эволюцию живой природы. Одним из существенных факторов сферы обитания являются потоки излучений, действию которых подвергается все живое на Земле. Это электромагнитные волны, в безбрежном океане которых находится Земля, межзвездное и галактическое пространство, и ионизирующие излучения.

Естественные источники электромагнитных излучений

Совокупность ЭМ волн различных длин от тысяч метров до 10^-12 м и короче, распространяющихся во Вселенной (в том числе и в условиях Земли), можно представить в виде шкалы ЭМ волн. Самый длинноволновый диапазон составляют радиоволны, затем по мере укорочения длины волны следуют: инфракрасное, видимое, ультрафиолетовое, рентгеновское и гамма-излучения.

Рис. Шкала электромагнттных волн.

Необходимо иметь в виду, что границы диапазонов указанные по длинам волн, частотам или энергиям фотонов, приняты условно. Указанные диапазоны перекрываются друг с другом и в природе не имеют четких границ. Физическая природа всех излучений, составляющих шкалу, едина: все эти излучения - электромагнитные волны. В зависимости от частоты н, а следовательно, и энергии фотона hн, существенно меняются свойства распространения и характер взаимодействия ЭМ волн с биологическими объектами.

Основным источником естественного (природного) фона радиоволн на Земле являются атмосферные электрические явления (грозы, зарницы, шаровые молнии), радиоизлучение Солнца и звезд. Интенсивность фона составляет в среднем примерно 10 ⁷ Вт/м² .

Основным естественным источником излучения в ИК, видимом и УФ-диапазонах является Солнце, а в рентгеновском и гамма-диапазонах также межзвездные и галактические события (образование сверхновых звезд, квазары, пульсары и др.). Фоновая интенсивность в этих диапазонах зависит от многих факторов, в частности от состояния атмосферы и ионосферы, магнитного поля Земли, солнечной активности и т.д. и может изменяться в довольно широких пределах.

ЭМ волны, идущие от Солнца, человек ощущает в виде солнечного тепла (ИК-диапазон), дневного света (видимый диапазон ). УФ-диапазон солнечного излучения проявляется в виде пигментации кожного покрова (загар). Рентгеновское и гамма-излучения человек непосредственно не ощущает.

Плотность потока энергии ЭМ излучения от Солнца на границе атмосферы составляет 1350 Вт/м². Эту величину называют солнечной постоянной. Атмосфера поглощает солнечную энергию, поэтому у поверхности Земли на широте Москвы интенсивность падает до 930 Вт/м².

Максимум энергии излучения приходится на л = 470 нм, а на поверхности Земли - на длину волны около 555 нм. УФ-излучение короче 290 нм поглощается озоновым слоем около верхней границы атмосферы, а часть длинноволнового ИК-излучения - водяным паром.

Биосфера Земли, в том числе и человек, развивались в условиях относительного постоянства солнечной радиации. Поэтому изменение энергии, падающей на Землю в диапазонах ИК, видимом и УФ, определяемое состоянием атмосферы и ионосферы (например, появлением озоновых дыр), может отрицательно влиять на существование жизни.

Наряду с указанными естественными объектами, излучавшими ЭМ волны, существуют и другие природные источники. В частности, источником ЭМ излучения является организм человека. Понимание физических механизмов возникновения ЭМ волн открывает возможности изучать процессы рецепции, электрогенеза, распространение нервных импульсов в активных средах и целый ряд других жизненно важных функций.

Современная наука рассматривает два подхода к объяснению механизмов ЭМ излучения. Первый базируется на законе: классической электродинамики в основе которой лежит теория Максвелла. Второй использует законы квантовой механики. Оба подхода объясняют возникновение ЭМ волн в различных диапазонах и взаимно дополняют друг друга.

Взаимодействие электромагнитных излучений с веществом

При прохождении ЭМ волны через слой вещества толщиной х интенсивность волны I уменьшается вследствие взаимодействия ЭМ поля с атомами и молекулами вещества. Эффекты взаимодействия могут быть различными в разных веществах и для разных длин волн. Но общий закон ослабления интенсивности волны будет одинаковым:

где I₀ - интенсивность падающего излучения.

Это выражение носит название закон Бугера, м называется коэффициентом ослабления. В общем виде ослабление определяется поглощением и рассеянием энергии ЭМ волны веществом. Величина зависит от природы вещества и длины; волны.

Радиоволны. К радио диапазону относятся самые длинные ЭМ волны : л == 3 • 10³ до 1 м (частота 10⁵ до 3 * 10⁸ Гц) - длинные, средние, короткие и УКВ-диапазоны, и л от 1 до 10'³ м (частота 3 • 10⁸ - 3 • 10¹¹ Гц) - микроволновый диапазон. Радиоволны, взаимодействуя с биологическими структурами, могут терять часть энергии переменного электрического поля, превращающейся в теплоту, за счет генерации токов проводимости в электролитах (крови, лимфе, цитоплазме клеток) и за счет поляризации диэлектриков тканей организма.

Особенности распространения электромагнитных волн в живых тканях:

1. Характерной особенностью живых тканей является сильная зависимость их электрических свойств: диэлектрической проницаемости е и проводимости у от частоты радиоволн н.

С ростом частоты н длина волны л- электромагнитных волн становится соизмеримой с размерами тела. Как известно, длина волны л, в веществе с диэлектрической проницаемостью е определяется выражением:

,

где с = 3 * 10⁸ м/с - скорость света. Например, на частоте 460 МГц, применяемой в физиотерапии, длина волны в свободном пространстве (е ~ 1) составляет около 0,7 м, а в мягких тканях тела человека только около 0,1 м.

3. На высоких и сверхвысоких частотах вследствие высокой проводимости тканей энергия электромагнитной волны быстро диссипирует в тепло и волны очень быстро затухают по мере прохождения по тканям тела: затухание по мощности в е = 2,72 раза происходит на пути в 1,525 см. Это важно знать при анализе медицинских приложений.

Радиоволны от искусственных источников могут иметь большую интенсивность и оказывать отрицательное влияние на жизненно важные процессы.

Искусственными источниками радиоволн являются радиовещательные и телевизионные станции, радиолокаторы и спутниковые системы связи. Они могут давать до 30 • 10⁹ Вт в импульсе на частотах около 10¹⁰ Гц. Для человека, находящегося в постоянном поле, интенсивность радиоволн 0,1 Вт/м² считается безопасной. На расстояниях более 0,5 км от радиовещательных станций радиоволны длинного, среднего, короткого и УКВ-диапазонов не вызывают в биологических объектах значительных биофизических эффектов. В зонах, где интенсивность радиоволн достигает 100 Вт/м², пребывание человека запрещено нормами Всемирной организации здравоохранения (ВОЗ). Эффекты нагрева биологических тканей радиоволнами используются в медицине при проведении физиотерапевтических процедур с помощью аппаратов УВЧ, СВЧ-терапии, a также индуктотермии.

ИК, видимое и УФ-излучения могут вызывать фотобиолоческие процессы в биоструктурах.

Видимый свет вызывает в растениях реакции фотосинтеза. При действии дальнего УФ-излучения е > 12 эВ может происходить образование свободных радикалов ароматических серосодержащих белков и пиримидиновых оснований нукленовых кислот.

ИК и видимые волны активируют термо- и зрительные рецепторы соответственно. Действие ИК-излучения на организм, связано, прежде всего, с тепловым эффектом в поверхностных тканях. Для прогрева используют коротковолновую часть диапазона.

УФ-излучение проникает в ткани организма на глубину 1 мм. Поглощение УФ-излучения связано с фотохимическими реакциями и может привести к появлению эритемы (покрасниение и загар). Выделяют три зоны действия УФ на органы:

А - антирахитная (400-315 нм) - идет синтез витамина Д;

В - эритемная (315-280 нм) возникает эритема, ожоги;

С - бактерицидная (280-200 нм) - может вызывать канцерогенез, мутации, бактерицидный эффект. Последний используется в опeрационных и перевязочных отделениях клиник для дезинфекции помещений.

Рентгеновское и гамма-излучения обладают высокими энергиями квантов, что определяет их специфическое взаимодствие с веществом, - эти излучения являются ионизирующими.

Рентгеновское излучение при взаимодействии с веществом может когерентно рассеиваться (при взаимодействии фотонов невысоких энергий с электронами внутренних оболочек). Рентгеновское и гамма-излучения могут вызывать фотоэффект, а при больших энергиях фотонов - комптон-эффект.

Образующееся вторичное излучение при комптон-эффекте лежит всегда в более длинноволновой области, чем первичное излучение. Это объясняется тем, что часть энергии исходного рентгеновского или гамма-фотонов расходуется на совершение работы выхода и сообщение электрону кинетической энергии.

Вторичное излучение также может быть ионизирующим, так пример, при взаимодействии гамма-фотона с веществом может возникать вторичное излучение в рентгеновском диапазоне. При взаимодействии гамма-фотонов высокой энергии с веществом могут образовываться пары: электрон-позитрон.

Рассмотренные эффекты взаимодействия рентгеновского и гаммa-излучений с веществом могут идти независимо и одновременно. Доля того или иного эффекта в общей картине взаимодействия зависит от энергии фотона (длины волны излучения) и порядкового номера вещества.

Особенно сложным является проявление этих свойств при взаимодействии рентгеновского и г-излучения с биологическими объектами. Это связано с тем, что поглощение различных тканей организма может сильно отличаться.

Одной из важных характеристик ЭМ-излучения, определяющей характер его взаимодействия с биологическими объектами, является энергия фотона е. Мы говорили ранее, что ЭМ-излучение обладает одновременно как свойствами волны, так и свойствами частицы (проявление корпускулярно-волнового дуализма). Выраженность каждого из этих свойств зависит от длины волны. Так, в радиодиапазоне и в ИК-излучении проявляются волновые свойства (дифракция волн, интерференция). В видимом диапазоне и те и другие свойства выражены примерно одинаково (дифракция - волновые, фотоэффект -корпускулярные). С уменьшением длины волны сильнее проявляются корпускулярные свойства ЭМ-излучения, Начиная с энергии кванта, примерно равной 12 эВ (1 эВ = 1,6 • 10^-19 Дж), что соответствует дальнему УФ, и далее в диапазоне рентгеновского и тем более гамма-излучения, ЭМ волна ведет себя как поток частиц. С этой условной границы ЭМ-излучения могут ионизировать вещество, и поэтому, начиная с дальнего УФ, рентгеновское и гамма-излучения относят к ионизирующим.

Виды и свойства радиоактивных излучений

По современным представлениям ядро атома состоит из нуклонов: протонов и нейтронов . Размер ядра приблизительно в 10⁵ раз меньше размера атома, но почти вся масса атома содержится именно в ядре.

В природе наблюдается явление радиоактивного распада - самопроизвольное (без внешних воздействий) превращение ядер определенных элементов в ядра других элементов с испусканием радиоактивных излучений. Радиоактивные излучения исторически были названы альфа-, бета- и гамма-излучениями. Потоки альфа-частиц, электронов и позитронов, а также гамма- излучение возникают при радиоактивном распаде:

б-частицы образуются в результате б распада тяжелых ядер:

,

б-частица состоит из 4-х нуклонов: двух нейтронов и двух протонов;

потоки электронов и позитронов возникают в результате в-распада:

,

,

где - электрон, - позитрон, и - нейтрино и антинейтрино соответственно;

3) б- и в- распады могут сопровождаться г-излучением (кванты электромагнитного поля с высокой энергией). Возможны и другие процессы, приводящие к гамма-излучению.

К основным свойствам радиоактивных излучений относятся их проникающая и ионизирующая способности.

Ионизирующая способность излучения оценивается линейной плотностью ионизации i:

где dn - число ионов одного знака, образованных ионизирующей частицей на элементарном пути dl. На практике эта величина оценивается количеством пар ионов, образованных частицей на 1 см пробега. Проникающая способность излучения оценивается длиной свободного пробега или средним линейным пробегом -- среднее расстояние, которое проходит частица в данном веществе, пока она способна ионизировать. Ионизирующая и проникающая способности частиц зависят от их заряда и массы, а также от плотности вещества, в котором идет процесс ионизации. Чем больше заряд и масса частицы, тем больше ее способность ионизировать вещество и тем меньше ее средний линейный пробег. Выбитые при ионизации электроны могут выбивать вторичные электроны, обладающие энергией, достаточной для последующей ионизации веществ. Возникающее в результате комтон-эффекта рентгеновское излучение, в свою очередь, также может вызывать ионизацию.

Рентгеновское излучение и гамма-фотоны, вызывая незначительную первичную ионизацию, порождают вторичную, в результате которой полный ионизационный эффект может быть весьма значительным.

Вследствие различных ионизирующих и проникающих способностей радиоактивных излучений способы защиты от них различны. Для защиты от б-частиц достаточно слоя бумаги, одежды и т.п.; от в-излучения можно защититься сантиметровым слоем дерева, стекла или любого легкого металла; для защиты от г-излучения применяются толстые (до метров) слои воды, бетона, кирпичные стены, а также пластины из свинца толщиной до 10 см.

Дозиметрия ионизирующих излучений

К ионизирующим излучениям относятся рентгеновское и г-излучение, потоки б-частиц, электронов, позитронов, а также потоки нейтронов и протонов.

Действие ионизирующих излучений на вещество оценивают дозой D. Ниже приведены единицы измерения употребляемых на практике доз. В основном на практике используют внесистемные единицы. Для мягких тканей и воды для рентгеновского и г-излучений численные значения разных доз равны:

экспозиционная доза 1P соответствует

поглощенной дозе 1рад и им соответствует

биологическая доза 1бэр.

При облучении организма ионизирующими излучениями, например при процедурах лучевой терапии, в участках тканей, находящихся на разных глубинах, поглощается разная величина энергии, а следовательно, и поглощенная доза для этих глубин будет разная. Для излучений с малой энергией фотона распределение D_n по глубине будет определяться экспоненциальным законом ослабления интенсивности излучения.

Доза Система единиц	Поглощенная Dn	Экспозиционная Dn	Биологическая (эквивалентная) Dn
СИ внесистемные	Дж/кг Грей (Гр) 1 рад=10-2Гр	Кл/кг Рентген (Р)	Зиверт (Зв) Бэр (биологический эквивалент рада) 1 бэр = 10-2 Зв

Жесткое излучение вызывает эффекты вторичной ионизации, а это в свою очередь, повышает локальное выделение энергии на глубинах, где возникает вторичная ионизация. Такие эффекты могут приводить к появлений на некоторых характерных глубинах максимума поглощенной дозы D_n. Чем выше энергия фотона, тем глубже сдвигается максимум.

Биологическая доза (эквивалентная) зависит от вида излучения и связана с поглощенной соотношением:

D_б = KЧD_п

где К -- коэффициент качества, зависящий от вида излучения:

вид излучения К

рентгеновское и гамма-излучение 1

нейтроны, протоны 10

альфа-излучение 20

Эффект действия на организм человека радиоактивных излучений существенно зависит не только от величины поглощенной энергии D_n на 1 кг, но и вида действующего излучения.

При действии на организм потока нейтронов могут происходить: упругое соударение с ядром и вторичная ионизация; неупругое соударение с ядром с испусканием г-кванта; захват нейтрона ядром с образованием радиоактивного изотопа. Последний эффект может быть причиной образования в организме радиоактивных изотопов:

а также может идти ряд других реакций.

При взаимодействии ионизирующих излучений с водой происходит радиолиз воды, в результате которого возможно образование возбужденных молекул (Н₂О*), ионов (например, Н₂О⁺), радикалов (например яН, яОН), перекиси водорода (Н₂О₂). Эти высокоактивные в химическом отношении соединения могут взаимодействовать с остальными молекулами биологической системы, что может привести к нарушению нормального функционирования мембран, клеток и органов.

Кроме того, действие радиоактивных излучений может вызывать в организме образование свободных радикалов нуклеиновых кислот, липидов и др.

Мощность дозы определяется по формуле:

Для внесистемных единиц измеряется в рад / с, Р / час, бэр / год и др.

Естественный радиоактивный фон Земли

На биосферу Земли непрерывно действует космическое излучение, а также потоки б- и в-частиц, г-квантов в результате излучения различных радионуклидов, рассеянных в земной коре, воде подземных источников, реках, морях и океанах, в воздухе. Кроме того, радионуклиды входят в состав живых организмов. Совокупность излучений этих радиоактивных источников называется природным или естественным радиоактивным фоном.

Наиболее распространенные на Земле радионуклиды - это -²⁰Rn, ²²²Rn и ⁴⁰К, а также радионуклиды, составляющие ряды урана.

Радиационный фон Земли определяется в основном следующими природными источниками (в % указан вклад соответствующего источника в общий фон):

²²⁰Rn и ²²²Rn 50%

15%

космические лучи 15%

нуклиды ряда урана 20%

Изотоп радона ²²²Rn дает б-излучение 5,5 МэВ на нуклон, сопровождающееся испусканием г-фотонов 0,5 МэВ. В массе стабильного ⁴⁰К содержится 0,01% изотопа ⁴⁰К, ядра которого распадаются с образованием ⁴⁰Са, бета-излучения и гамма-квантов. Этот изотоп калия содержится в почве, удобрениях, а также в головном мозге, мышцах, селезенке и костном мозге.

Каково содержание изотопа ⁴⁰К в организме человека? В организме человека содержится около 0,3 % К по отношению к его массе. Так у человека массой 70 кг содержится в организме около 210 г К и 0,021 г радионуклида ⁴⁰К. Период полураспада ⁴⁰К составляет 1,3 · 10⁹ лет! Можно рассчитать, что в каждую секунду в нашем организме распадается 5 · 10³ атомов ⁴⁰К, а в сутки 430 · 10⁶! Но это не представляет для нас не только никакой опасности, но и, по-видимому, является необходимым для развития организма, так как зарождение и развитие жизни на Земле в целом всегда сопровождалось этим

процессом.

Космические лучи возникают в результате межзвездных и галактических событий и активности Солнца. Космическое излучение состоит из потоков протонов высоких энергий, альфа-частиц, ядер некоторых элементов, потоков электронов, фотонов и нейтронов. Магнитное поле Земли отклоняет низкоэнергетические заряженные частицы. Частицы высоких энергий, взаимодействуя с атмосферой, образуют в результате ядерных реакций целую серию радионуклидов ³Н, ⁷Ве, ²²Na и др. и потоки нейтронов и протонов. Образуются космические ливни, составляющие вторичное космическое излучение, проникающее в нижние слои атмосферы. На биосферу воздействует ионизирующий компонент вторичного космического излучения. Оно дает 1,9-2,5 ионизации / см³ за 1 с на уровне моря; в горах в 2-3 раза выше.

Диапазон эквивалентных доз для человека от природных источников, создающих радиактивный фон, мкЗв за год:

внешнее облучение; внутреннее облучение;

космические лучи - 300 ⁴⁰К - 180

⁴⁰К -120 ²²²Rn - 800

ряды²³⁸U и ²³²Th - 230 ²¹⁰Rn - 130.

Средняя мощность дозы облучения от всех источников природной радиации на гонады, гаверсовы костные каналы и костный мозг человека как наиболее чувствительные ткани к действию радиации составляет около 200 мбэр в год (2 мЗв в год).

Однако радиационный фон в зависимости от местоположения, времени года, наличия промышленных предприятий и др. может меняться в значительных пределах. Так, в городах мощность дозы фонового излучения составляет в среднем около 20 мкР/ час и может меняться в 2 и более раза в различных районах города.

Важно отметить, что природный радиоактивный фон, оказывая влияние на развитие жизни на Земле, является неотъемлемой частью сферы обитания человека. В условиях радиоактивного фона происходят такие процессы, как деление одноклеточных организмов и клеток, развитие эмбрионов насекомых, рост и развитие высших растений и животных.

Нарушения естественного радиоактивного фона

Нарушения радиоактивного фона в локальных условиях и тем более глобальные опасны для существования биосферы и могут привести к непоправимым последствиям. Причиной увеличения радиоактивного фона является активная деятельность человека. Создание крупной промышленности, научных установок, энергетических источников, военной техники и др. может приводить к локальным изменениям фона. Но наиболее опасными причинами нарушений естественного радиоактивного фона являются выбросы радиоактивных частиц, которые могут возникнуть при ядерных взрывах или при эксплуатации атомных электростанций (АЭС).

В основе ядерных взрывов и работы АЭС лежит явление деления ядер радиоактивных элементов, например ядер урана. (Термин «деление ядра» был введен в обращение по аналогии с термином «деление клетки» в биологии.)

Это явление заключается в том, что при бомбардировке нейтронами ядер изотопа урана ²³⁵U его ядра распадаются на две примерно равные части. Процесс деления ядра сопровождается испусканием двух или трех нейтронов, например:

.

Эта реакция одна из типичных, хотя в природе существуют еще многие другие реакции деления урана.

Важно, что при делении урана высвобождается огромное количество энергии, так как масса ядра ²³⁵U больше суммарной массы осколков деления (в приведенной реакции ¹⁴¹Ва и ⁹²Zr). Разность энергий между исходным ядром урана и осколками деления составляет примерно 0,9 МэВ на нуклон.

В каждом процессе деления участвуют 235 нуклонов и энергия, выделяющаяся при делении одного ядра, составляет примерно 0,9 * 235, то есть около 200 МэВ. Но при этом, как указано выше, выделяется 2 или 3 нейтрона, способных вызвать дальнейшее деление ядер, таким образом осуществлять цепную реакцию деления урана. При указанных процессах возникают различные реакции, течение которых определяет многими условиями их протекания. Важным показателем является коэффициент размножения нейтронов f: среднее число нейтронов в каждом акте деления, вызывающих деление других ядер. Если f=1, то идет цепная самоподдерживающаяся реакция. Если f>l, то процесс называется надкритическим, способным вызывать атомный взрыв. Именно это условие (f >1) выполняется в атомных бомбах. Минимальная масса делящегося вещества, например урана или плутония, необходимая для выполнения условия f >1, то есть для возникновения цепной реакции, называется критической массой М_кр. (Термин "критическая масса", обозначающий переход процесса в новое качество, используется в биологии и медицине, например «критическая масса миокарда» при возникновении особо опасных аритмий сердца.) Разница между ядерным реактором и атомной бомбой заключается в скорости высвобождения энергии: в реакторе поддерживается f<l, но близко к ней, а в атомной бомбе f >1, отчего цепная реакция развивается с высокой скоростью и происходит взрыв. При этом масса ядерного топлива должна превысить М_кр. Для ²³⁵U критическая масса М_кр ~ 50 кг, а для ²³³Рu - М_кр = 11 кг.

В эпицентре взрыва развивается огромная температура 10⁸ К и давление 10¹² атм. Это вызывает совокупность сложных физических явлений. Вещество превращается в плазму, разлетается и теряет надкритичность. Образуется мощный поток нейтронов и гамма-излучения (1% от выделившейся энергии). Эти потоки опасны для человека находящегося на расстоянии нескольких сот метров. В воздухе образуется ударная волна, то есть фронт высокого давления и плотности, которая вызывает разрушения в радиусе 1 км. В центре взрыва на несколько секунд возникает ярко светящийся шар радиусом около 150 м (для бомбы 20 килотонн тротилового эквивалента). За время свечения примерно 10-20% энергии взрыва переходит в свет, возникают пожары и ожоги. Кроме того, возникает интенсивное радиационное излучение, его источником являются осколки деления ядерного топлива - нестабильные изотопы с Z от 30 до 60.

Разряженный нагретый воздух поднимает вверх продукты распада на высоту до 50 км, после чего это облако может расплываться на сотни и даже тысячи километров. Радиоактивные частицы выпадают на поверхность земли, образуя радиоактивный след. Радионуклиды, находящиеся в виде аэрозолей в воздухе, а также осевшие на земную поверхность, могут представлять для человека опасность. Оценку степени опасности можно получить по активности препарата А:

А=-(dN / dt),

где N - количество распадающихся ядер. Активность данного препарата измеряется в кюри (Ки): 1 Ки = 3,7 * 10¹⁰ распад/с. Активность уменьшается со временем по экспоненциальному закону:

А =

где А. - постоянная распада, N₀ - начальное количество ядер. Для точечных источников излучений мощность экспозиционной дозы уменьшается с расстоянием по закону:

где r - расстояние от источника излучения , K_г - гамма-постоянная, зависящая от природы радиоактивного источника. Значения K_г для некоторых радиоактивных источников:

¹³¹I - 2,6 ²⁴Na -18,6

⁶⁰Со - 13,5 ²²⁰Ra - 8,4 .

Таким образом, при выпадении радионуклидов на почву степень опасности их влияния на организм зависит от природы радиоактивного изотопа (Кг), его активности и расстояния r от человека до источника, а экспозиционную дозу можно оценить из соотношения

где ?t - время облучения.

Изотопы могут накапливаться в организме, вызывая нем нарушение деятельности как отдельных органов, так и организма в целом.

Так, ¹³¹Й накапливается в щитовидной железе, и уже 0,35 мг радиоактивного иода опасны для человека (при ежесуточной потребности около 150 мг). Изотоп ⁹⁰Sr накапливается в костной ткани, а изотоп ¹³⁷Cs равномерно распределяется в клетках организма.

Особую опасность представляют повышенные дозы радиоактивных излучений для кроветворной системы, пищеварительного тракта и желез внутренней секреции человека. Люди, работающие с излучением; в больницах, на АЭС, в лабораториях могут получать дозу до 0,5 бэр в год.

Предельно допустимой биологической дозой для человека при профессиональном облучении считается 5 бэр в год. Минимальная летальная доза от «прямого г-луча» условно принята 600 бэр при облучении всего тела.

Электромагнитные и радиоактивные излучения в медицине

Электромагнитные волны и радиоактивные излучения сегодня широко используются в медицинской практике для диагностики и терапии.

Радиоволны применяются в аппаратах УВЧ и СВЧ-физиотерапии. Действие УВЧ и СВЧ-радиоволн на ткани организма сопровождается их нагревом за счет теплоты, выделяемой при поляризации и протекании электрического тока.

Мощность, рассеиваемая в единице объема электролита - удельная мощность:

.

В случае нагрева диэлектриков:

.

Радиоволны также наряду с ИК-излучением используются для картирования тепловых полей организма при диагностике заболеваний. ИК-излучение используется в терапии для нагрева участков тканей.

Видимый диапазон ЭМ волн используется в светолечении, лазерной терапии, а также в люминесцентных методах диагностики - регистрации сверхслабого свечения поверхностей организма при кожных и некоторых других заболеваниях.

УФ-излучение применяется также при проведении процедур светолечения, искусственного загара и в люминесцентных методах диагностики.

Рентгеновское излучение используется весьма широко в практической медицине (в рентгенографии, рентгеноскопии и флюорографии) как один из мощнейших и широко доступных методов диагностики. Одним из перспективных и высоко эффективных методов диагностики опухолей является рентгеновская компьютерная томография. Кроме того, рентгеновское излучение используется в терапии для подавления опухолей. Радиоактивные излучения широко используются в диагностике и в терапии заболеваний. Радионуклидная диагностика или, как его называют, метод меченых атомов используется для определения заболеваний щитовидной железы (с использованием радиоизотопа ¹³¹I). Этот метод также позволяет изучать распределения крови и других биологических жидкостей, диагностировать заболевания сердца и ряда других органов.

Гамма-терапия -- это метод лечения онкологических заболеваний с помощью г-излучения. Для этого применяют чаще всего специальные установки, называемые кобальтовыми пушками, в которых в качестве излучающего изотопа используют ⁶⁶Co. Применяется также радоновая терапия: минеральные воды, содержащие ²²²Rn и его продукты, используются для воздействия на кожу (родоновые ванны), органы пищеварения (питье), органы дыхания (ингаляция).

Для лечения онкологических заболеваний применяются б-частицы в комбинации с потоками нейтронов. В опухоль вводят элементы, ядра которых под воздействием потока нейтронов вызывают ядерную реакцию с образованием б-излучения:

,

.

Таким образом, б-частицы и ядра отдачи образуются в том месте органа, которое необходимо подвергать воздействию.

Кроме того, в современной медицине используют жесткое тормозное рентгеновское излучение, получаемое на ускорителях частиц, имеющее высокую энергию квантов: до нескольких десятков МэВ.

Излучение, полученное на ускорителях (синхротронное излучение), используют в диагностических целях.

В настоящее время поток научных исследований в области влияния физических полей на организм человека лавинно растет. Показано, что изменение радиоактивного фона, состояние магнитосферы и ионосферы Земли непосредственно влияют на экологию и состояние биосферы. Техногенные источники электромагнитных излучений, все шире используемые человеком, вносят свой отрицательный вклад в экологическое состояние нашей планеты. Изучение этих влияний - одно из перспективных направлений науки, способствующее сохранению нашей биосферы.

Лекция 7. Собственные физические поля организма человека

Вокруг любого тела существуют различные физические поля, определяемые процессами, происходящими внутри его. Не составляет в этом смысле исключения и человек. Физические поля, которые генерирует организм в процессе функционирования, называют собственными физическими полями организма человека.

Многочисленные физические методы исследования организма человека, использующие регистрацию собственных физических полей человека, позволяют получить информацию о процессах в организме, которую нельзя получить иными способами. Электрокардиография - типичный тому пример.

В последние годы интерес к этим полям был стимулирован феноменом «экстрасенсов» - людей, которые могли проявлять способности к диагностике скрытых заболеваний больных и их лечению, не прикасаясь к ним, то есть обладая как бы сверхчувствительностью по отношению к процессам в глубине тела человека.

В режиме «диагностики» получить какую-либо информацию из глубины человеческого тела можно только вследствие следующей цепочки событий: 1) имеются какие-то отличия параметров больного органа от здорового; 2) существует способ передачи информации об этих отличиях из глубины на поверхность тела; 3) есть какой-то способ передачи информации за пределы тела к «экстрасенсу».

В режиме «лечения», кроме того, следует ожидать, что от «экстрасенса» исходят какое-то излучение либо какие-то возмущения окружающей среды, которые доходят до пациента, воспринимаются им и оказывают то самое воздействие, которое нужно.

Ключевая проблема с точки зрения физики - это передача информации за пределы организма. Наиболее общеупотребительна гипотеза о существовании неких неизвестных науке биополей, с помощью которых, ввиду полной неопределенности этого термина, можно объяснить что угодно и как угодно. В то же время научный путь познания состоит в том, что сначала анализируются все существующие рациональные гипотезы, и только лишь если они не подтверждаются, необходимо изобретать что-то новое. В этом смысле естественной альтернативой биополям являются физические поля биообъектов.

Виды физических полей тела человека. Их источники

Вокруг человека существуют электромагнитные и акустические поля. Можно выделить основные 4 диапазона электромагнитного излучения и 3 диапазона акустического излучения, в которых ныне ведутся исследования.

Электромагнитные поля.

Диапазон собственного электромагнитного излучения ограничен со стороны коротких волн оптическим излучением, более коротковолновое излучение - включая рентгеновское и г-кванты - не зарегистрировано. Со стороны длинных волн диапазон можно ограничить радиоволнами длиной около 60 см. В порядке возрастания частоты четыре диапазона электромагнитного поля, включают в себя:

1) низкочастотное электрическое (Е) и магнитное (В) поле (частоты ниже 10³ Гц);

2) радиоволны сверхвысоких частот (СВЧ)(частоты 10^Э -10¹⁰ Гц и длина волны вне тела 3-60 см);

3) инфракрасное (ИК) излучение (частота 10¹⁴ Гц, длина волны 3-10 мкм);

4) оптическое излучение (частота 10¹⁵ Гц, длина волны порядка 0,5 мкм).

Такой выбор диапазонов обусловлен не техническими возможностями современной электроники, а особенностями биологических объектов и оценками информативности различных диапазонов для медицины.

Источники электромагнитных полей разные в различных диапазонах частот. Низкочастотные поля создаются главным образом при протекании физиологических процессов, сопровождающихся электрической активностью органов: кишечником (~1 мин), сердцем (характерное время процессов порядка 1 с), мозгом (~0,1 с), нервными волокнами (~10 мс). Спектр частот, соответствующих этим процессам, ограничен сверху значениями, не превосходящими ~1кГц.

В СВЧ и ИК-диапазонах источником физических полей является тепловое электромагнитное излучение.

Чтобы оценить интенсивность электромагнитного излучения на разных длинах волн, тело человека, как излучатель, можно с достаточной точностью моделировать абсолютно черным телом, которое, как известно, поглощает все падающее на него излучение и поэтому обладает максимальной излучающей способностью.

Излучательная способность тела - количество энергии, испускаемой единицей поверхности тела в единицу времени в единичном интервале длин волн по всем направлениям - зависит от длины волны л, и абсолютной температуры тела Т.

Эта функция имеет максимум на длине волны л_т = hс / (5kT), что при температуре человеческого тела Т ~ 310 К составляет около 10 мкм. Поэтому ИК-излучение тела человека измеряют тепловизорами в диапазоне 3--10 мкм, где оно максимально.

Измерение теплового излучения позволяет определить температуру тела человека из-за того, что спектральная зависимость теплового излучения меняется с ростом температуры.

Акустические поля.

Диапазон собственного акустического излучения ограничен со стороны длинных волн механическими колебаниями поверхности тела человека ( 0,01 Гц), со стороны коротких волн ультразвуковым излучением, в частности, от тела человека регистрировали сигналы с частотой порядка

Источники акустических полей в различных диапазонах частот имеют разную природу. Низкочастотное излучение создается физиологическими процессами: дыхательными движениями, биением сердца, током крови в кровеносных сосудах и некоторыми другими процессами, сопровождающимися колбаниями поверхности человеческого тела в диапазоне приблизительно 0,01 - 10³ Гц. Это излучение в виде колебаний поверхности можно зарегистрировать контактными, либо безконтактными методами, однако его практически невозможно измерить дистанционно с помощью микрофонов. Это связано с тем, что идущие из глубины тела акустические волны практически полностью отражаются обратно от границы раздела «воздух-тело человека» и не выходят наружу в воздух из тела человека. Коэффициент отражения звуковых волн близок к единице из-за того, что плотность тканей тела человека близка к плотности воды, которая на три порядка выше плотности воздуха.

У всех наземных позвоночных существует, однако, специальный орган, в котором осуществляется хорошее акустическое согласование между воздухом и жидкой средой, - это ухо. Среднее и внутреннее ухо обеспечивают передачу почти без потерь звуковых волн из воздуха к рецепторным клеткам внутреннего уха. Соответственно, в принципе, возможен и обратный процесс - передача из уха в окружающую среду - и он обнаружен экспериментально с помощью микрофона, вставленного в ушной канал.

...