Свойства ионизирующих излучений

Размещено на http://allbest.ru

Содержание

Введение

1. Понятие ионизирующего излучения

2. Линейная передача ионного излучения

3. Воздействие ионизирующего излучения

4. Химическая защита организмов от ионизирующего излучения

Список использованных источников

Введение

В 1896 году французский ученый Анри Беккерель положил несколько фотографических пластинок в ящик стола, придавив их кусками минерала, содержащего уран. Когда он проявил пластинки, то, к своему удивлению, обнаружил на них следы каких-то излучений, которые он приписал урану. Вскоре этим явлением заинтересовалась Мария Кюри, молодой химик по образованию, которая и ввела в обиход слово «радиоактивность». В 1898 году она и ее муж Пьер Кюри обнаружили, что уран после излучения таинственным образом превращается в другие элементы. Один из этих элементов супруги назвали полонием в честь о родине Марии Кюри, а еще один -- радием, поскольку по-латыни это слово означает «испускающий лучи». И открытие Беккереля, и исследования супругов Кюри были подготовлены более ранним, очень важным событием в научном мире -- открытием в 1895 году рентгеновских лучей немецким физиком Вильгельмом Рентгеном.

Одним из первых, кто столкнулся с самым неприятным свойством ионизирующего излучения -- его воздействием на ткани живого организма, был Беккерель. Беккерель держал пробирку с радием в кармане костюма и получил в результате ожог кожи. Мария Кюри умерла, по всей видимости, тоже от последствий воздействия ионизирующего излучения -- злокачественного заболевания крови, поскольку слишком часто и в больших дозах подвергалась облучению. По крайней мере, 336 человек, работавших с радиоактивными материалами в то время, умерли в результате облучения.

1. Понятие ионизирующего излучения

Радиация повсюду: свет, радиоволны, радиационное тепло Солнца (таблица 1). Однако они не вызывают повреждений организма путем ионизации. Ионизирующей радиация будет в том случае, если она разрывает химические связи молекул, составляющих живые организмы, и тем самым вызывает биологические изменения.

Ионизирующее излучение объединяет разные по своей физической природе виды излучений. Это электромагнитные (рентгеновские, гамма-лучи), корпускулярные (ускоренные частицы и ядра и ядра различных элементов: альфа-, бета-частицы, поток протонов и нейтронов). Сходство между ними в том, что все они обладают высокой энергией, реализуют свое действие через эффекты ионизации и последующее развитие химических реакций на всех уровнях организации живой материи.

Гамма- и рентгеновские лучи характеризуются короткой длиной волны и высокой частотой колебаний. Рентгеновское излучение разделяют на мягкое (Е < 50 кэВ) и жесткое (Е > 50 кэВ). Энергии г-квантов лежат в диапазоне от десятков кэВ до нескольких МэВ. Гамма-излучение -- коротковолновое электромагнитное излучение, близкое к рентгеновскому. Оно сопровождает ядерные реакции и распад многих радиоактивных веществ. Чем короче длина волны, тем выше энергия излучения и больше проникающая способность.

Термин «корпускулярное излучение» применяют к любым частицам с ненулевой массой. К этому виду излучений относят электроны, позитроны, нейтроны, б-частицы, протоны, ускоренные ионы, ядерные фрагменты и осколки деления ядер, а также многие нестабильные частицы.

К электронному излучению относят в-частицы (электроны с энергией 0,002-2,3 МэВ, возникающие при распаде радиоактивных ядер) и ускоренные электроны, которые создаются ускорителями электронов (с энергией от кэВ до сотен МэВ).

Ядра атома He (гелия) называются б-частицами, когда они образуются при распаде некоторых радионуклидов и несут энергию до ~10 МэВ. Те же ядра, ионизированные и ускоренные, образуют пучки ионов гелия. Эти и другие пучки заряженных частиц -- протонов, нейтронов и вообще любых многозарядных тяжелых ионов (например, углерода) -- получают в протонных и ионных ускорителях. На них при облучении мишеней получают также пучки нейтральных частиц _ фотонов и нейтронов, и даже пучки радиоактивных ионов. Наиболее интенсивные потоки нейтронов получают при делении ядер урана и плутония в ядерном реакторе, а также в нейтронных генераторах. Нейтроны деления имеют широкий спектр энергий с максимумом при 1-2 МэВ.

2. Линейная передача ионного излучения

Когда отдельная частица или пучок частиц излучения воздействует на вещество, то их путь можно наблюдать по произведенным ими эффектам. Ионизационный след заряженной частицы в веществе, или ее путь, называется треком. Действие ионизирующих излучений на вещество связывают с величиной линейной передачи энергии -- ЛПЭ, которая определяет величину средних потерь энергии на единицу пути первичной заряженной частицы в пределах объема ее трека. По мере прохождения частиц вглубь среды их энергия изменяется как бы непрерывно, то есть часто теряется малыми порциями за счет ионизации атомов среды. Иначе происходит изменение энергии фотонов и нейтронов -- это более редкие события, обычно с большой передачей энергии сразу, без образования треков, и проследить, как меняется энергия частицы, становится трудно. Поэтому к ним вообще не применяется понятие ионизационных потерь энергии, только лишь ЛПЭ. Зная ЛПЭ, легко определить среднее число ионов, образованных на единицу пути частицы. Для этого достаточно разделить значение ЛПЭ на величину энергии, необходимой для образования одной пары ионов (W). Отношение L/W называют линейной плотностью ионизации (ЛПИ). Точное значение W тканей определить трудно. Для газов значение W оно составляет около 34 эВ. Для приблизительной оценки плотности ионизации в конденсированных системах обычно используют соотношение:

ЛПИ = ЛПЭ/34

(здесь ЛПЭ в эВ/мкм). Чем выше значение ЛПЭ, тем больше энергии теряет частица на единицу пути, тем плотнее распределены создаваемые ею ионы вдоль трека.

Разные типы ионизирующего излучения обладают разным разрушительным эффектом и разным способом воздействия на биологические ткани. Соответственно, одной и той же поглощённой дозе соответствует разная биологическая эффективность излучения. Поэтому для описания воздействия излучения на живые организмы вводят понятие относительной биологической эффективности излучения, которая измеряется с помощью коэффициента качества. Для рентгеновского, гамма- и бета-излучений коэффициент качества принят за 1. Для альфа-излучения и осколков ядер коэффициент качества от 10 до 20. Нейтроны -- 3-20 в зависимости от энергии. Для заряженных частиц биологическая эффективность прямо связана с линейной передачей энергии данного типа частиц.

3. Воздействие ионизирующего излучения

Повреждения, вызванные в организме излучением, зависят от энергии, переданной тканям, клеткам. При этом отдельные клетки и ткани подвергаются значительным изменениям. Смысл радиационного воздействия сводится к следующему: проникающие в ткани организма альфа- и бета-частицы теряют энергию вследствие электрических взаимодействий с электронами тех атомов, близ которых они проходят. За время порядка десяти триллионных доли секунды после того, как проникающее излучение достигнет соответствующего атома в ткани организма, от этого атома отрывается электрон. Последний заряжен отрицательно, поэтому остальная часть исходно нейтрального атома становится положительно заряженной. Этот процесс называется ионизацией. Оторвавшийся электрон может далее ионизировать другие атомы.

Этапы радиационного воздействия можно резюмировать логической схемой: поглощение энергии (физический этап) - образование свободных радикалов (химический этап) -- первичное действие излучений (прямое и косвенное) -- биомолекулярные повреждения (изменение белков, липидов ит.д.) -- биологические изменения (гибель клеток ит.д.) -- физиологические изменения (нарушение функций ит.д.). Эффект воздействия ионизирующего излучения может длиться от долей секунды до столетий. По характеру взаимодействия с веществом ионизирующие излучения делятся на прямо и косвенно ионизирующие. Первые представляют собой заряженные частицы (электроны, протоны, альфа-частицы), которые ионизируют атомы вещества, вторые -- рентгеновское, гамма-излучение. Ионизирующее излучение обладает высокой биологической активностью. Оно способно разрывать любые химические связи и индуцировать длительно протекающие реакции. Первичное действие ионизирующих излучений на организм бывает непосредственным и косвенным.

Непосредственное (прямое). Расщепление атомов и молекул вещества. Отрыв электронов от атомов, образование ионов, возникновение возбужденных атомов, появление радикалов. Активные молекулы и обломки молекул индуцируют различные реакции. Наблюдается повреждение комплексов клеток. Ранние физиологические эффекты, генетические и соматические мутации.

Косвенное (непрямое). Расщепление молекул воды с образованием свободного водорода и пероксидов. Последние вступают в реакции с белковыми и липидными молекулами. В результате происходят структурные изменения тканей и клеток. Биохимические повреждения. Гибель тканей, повреждение РНК, ДНК и пр. гибель клеток. Гибель организма. Считается, что эффект лучевого воздействия обусловлен такими радикалами, как Н^*, ОН*, НО₂*. Последний обладает высокой окислительной способностью, образуется при облучении воды в присутствии кислорода. Выход этого радикала уменьшается пропорционально падению парциального давления кислорода. Этим объясняется кислородный эффект при облучении, проявляющийся в том, что при снижении концентрации кислорода в период облучения уменьшается эффект лучевого воздействия.

Живая ткань содержит 65-70% воды, которая и подвергается ионизации в первую очередь. Она поглощает значительную часть энергии. Образующиеся свободные радикалы впоследствии оказывают действие на другие клетки организма. Они переносят энергию на важные биомолекулы, что ведет к изменениям на различных уровнях биологической организации (от молекул до целостного организма). Возникающие в результате взаимодействия излучений с водой радикалы взаимодействуют с растворенными молекулами различных соединений, давая начало вторично-радикальным продуктам. Время жизни этих продуктов значительно больше по сравнению с первичными радикалами. Дальнейшие этапы развития радиационного поражения сводятся к изменениям белков, липидов и углеводов. Это приводит к гибели тканевых элементов, разрушению надклеточных структур (нитей хроматина), разрыву углеродных связей, нарушению ферментативных систем, синтеза ДНК, белка. Нарушаются обменные процессы в организме. Замедляется рост тканей, гибнут клетки. Всасывание продуктов клеточного распада вызывает отравление организма, что, естественно, приводит к преждевременному старению.

Образующиеся при действии ионизирующих излучений на липиды пероксиды ведут к гибели клеток и развитию лучевого поражения. При облучении организма отмечается снижение содержания липидов и их перераспределение в различных тканях с повышением их уровня в печени и крови, что, по-видимому, связано с изменениями углеводного обмена.

Поврежденные белки и нуклеиновые кислоты нарушают физиологические процессы. В результате радиационного поражения уменьшается молекулярная масса белков, изменяется растворимость, нарушается структура. Состоящие из белков ферменты утрачивают способность выполнять специфические реакции.

Существенные изменения наблюдаются в ядре клетки. Особо чувствительными являются молекулы ДНК, отвечающие за рост и деление клеток. Отмечается торможение синтеза ДНК; однонитчатые и двунитчатые разрывы, приводящие к хромосомным аберрациям. Имеют место генные мутации. При однонитчатых разрывах и других незначительных повреждениях могут идти репаративные (восстановительные), процессы. Поражения ядра приводит к синтезу измененных белков (в результате поражения РНК), которые впоследствии приводят к образованию злокачественных опухолей, вторичных радиотоксинов, вызывающих старение и лучевую болезнь.

Наиболее опасными повреждениями клетки, возникающими при облучении, являются нарушения механизма митоза и хромосомного аппарата. Количество клеток с такими повреждениями находится в прямой зависимости от дозы облучения, блокирования процессов физиологической регенерации и пролиферации облученных тканей. Блокирование осуществляется лекарственными препаратами, которые принимаются до облучения и тем самым снижают действие излучения на клетки.

Функциональные повреждения клеток вызывают развитие большинства конечных эффектов воздействия ионизирующего облучения на организм. Изменения на клеточном уровне приводят к нарушению наследственных структур. Проявления этого поражения являются подавление органогенеза в эмбриональной стадии развития, угнетения гомопоэза во взрослом организме, подавление сперматогенеза и овогенеза, угнетение иммунореактивности.

Опасными являются и поражения цитоплазматических структур. С нарушением клеточной мембраны связаны изменения проницаемости клетки и поступление необходимых продуктов обмена. Радиационное поражение ЭПР приводит к уменьшению синтеза белков. Повреждение лизосом приводит к цитолизу, высвобождению ферментов, способных вызывать изменения нуклеиновых кислот, белков, полисахаридов. Нарушение структур и функций митохондрий снижает уровень энергетических процессов клетки. К числу наиболее радиочувствительных процессов в клетке относится окислительное фосфорилирование, которое ведет к нарушению системы генерирования АТР, что в дальнейшем ведет к нарушению энергетики клетки и лучевой болезни.

На процесс радиационного поражения влияет ряд факторов: доза облучения, вид излучения, время экспозиции, мощность поглощенной дозы и др. очень большие дозы вызывают гибель клеток в результате огромных нарушений всех субклеточных структур и невозможности их восстановления. При меньших дозах цитолиз не происходит, но снижается репродуктивная способность. Все процессы, происходящие на клеточном уровне, подчиняются биологическим законам жизни клеток как целостной, сложно функционирующей биосистемы.

Радиобиологический закон выделяет два типа клеток:

а) радиочувствительные (делящиеся клетки и малодифференцированные ткани). Это кроветворные клетки костного мозга, зародышевые клетки семенников, кишечный и кожный эпителий;

б) радиорезистентные (неделящиеся клетки и дифференцированные ткани) -- мозг, мышцы, печень, почки, хрящи, связки. Исключение в этом списке составляет лимфоциты, которые, обладают высокой чувствительностью к ионизирующему излучению. На клеточном уровне репарация (восстановление) длится до нескольких часов. Может наблюдаться остановка деления, приводящая к гибели клеток, трансформация клеток в злокачественные.

Оценивая биодействие ионизирующих излучений на организм, разграничивают соматические, соматико-стохастические и генетические последствия облучения. Первые касаются лишь облученного организма. Вторые (случайные, вероятностные эффекты) -- это сокращение продолжительности жизни, лейкоза (через 5-7 лет после облучения); катаракты (через 5-8 лет); развитие опухолей органов и тканей (через15-30 лет). Генетические эффекты в большинстве случаев не опасны для данного индивидуума, но могут проявиться в последующих поколениях.

Большинство тканей взрослого организма относительно мало чувствительны к действию радиации. Почки выдерживают суммарную дозу около 23 Гр, полученную в течение 5 недель, печень -- 40 Гр, мочевой пузырь -- 55 Гр, зрелая хрящевая ткань до 70 Гр за месяц. Однако некоторые ткани и органы очень чувствительны. Крайне чувствительны к действию радиации детский организм. Относительно небольшие дозы при облучении хрящевой ткани могут замедлить или вовсе остановить рост костей. Чем меньше возраст ребенка, тем сильнее подавляется рост костей. Доза в 10 Гр, полученная в течение нескольких недель, бывает достаточной, чтобы вызвать аномалии развития скелета. Облучение мозга ребенка может вызвать изменения в его характере, привести к потере памяти, а у маленьких детей даже к слабоумию и идиотию. Крайне чувствителен к действию радиации и мозг плода, облученного между 9 и 15 неделями беременности. В этот период формируется кора головного мозга, при облучении матери может родиться умственно отсталый ребенок.

4. Химическая защита организмов от ионизирующего излучения

Первые работы по противолучевой химической защите относятся к началу 40-х годов и связаны они с развиваемой в те годы идеей непрямого механизма действия ионизирующего излучения, изучением возможной роли перекисей водной среды в первичных лучевых процессах и лучевой инактивации сульфгидрильных групп. При изучении роли различных химических примесей в процессах радиолиза растворов было обнаружено, что некоторые из них способны снижать эффект радиации. Так возникло представление о «химической противолучевой защите». В 1948 г. Р. Латарже и Е. Ефрати описали радиозащитное действие цистеина, глутатиона, триптофана и других веществ в опытах с бактериофагом. На животных эффект химической противолучевой защиты был открыт в 1949 г., когда X. Патт и др. показали, что цистеин защищает крыс от лучевого поражения, а А. Эрве и 3. Бак установили на мышах радиозащитное действие цианида. В 1950 г. Г. Лимперс и В. Мошер получили данные о защите мышей тиомочевиной от действия ионизирующего излучения. В начале 50-х годов появляются работы 3. Бака и др. о высоком противолучевом действии на животных цистеамина, серотонина, гистамина, триптамина, норадреналина, тирамина. Все исследованные препараты были эффективными только при введении в организм незадолго (10-15 мин) до облучения, поэтому они получили название радиопротекторов, а противолучевая защита -- радиопрофилактической.

Последующие годы характеризуются интенсивным поиском радиопротекторов среди различных классов химических соединений. Так, уже к 1965 г. было изучено более трех тысяч различных противолучевых препаратов, однако наибольший радиопрофилактический эффект вызывали представители лишь двух классов: аминотиолов и индолилалкиламинов. В основу многочисленных представлений о механизмах защиты неизменно привлекалась идея о снижении радиопротекторами первичных биофизических процессов лучевого поражения, т. е. процесса радиолиза молекул в период, когда патологические изменения в организме еще не успевают развиться. Выяснение механизмов радиопрофилактического эффекта необходимо было для направленного поиска радиозащитных препаратов, однако обилие существовавших гипотез затрудняло выбор пути синтеза новых противолучевых соединений и свидетельствовало о множественности способов реализации химической защиты облучаемых биологических систем.

В последующие годы много внимания уделялось не только поиску новых радиопротекторов, но и модификации уже известных препаратов с целью повышения их противолучевой активности. Усилия радиобиологов и химиков направляются на увеличение эффективности действия препаратов, устранение вредных побочных эффектов (в первую очередь токсических), на изыскание путей пролонгированного противолучевого действия, изучение влияния протекторов при местном и фракционированном облучении и др. Интенсифицируются работы по комбинированному применению защитных препаратов с различным биологическим действием.

Современные представления о процессах лучевого поражения послужили основанием для появления различных гипотез об опосредованном механизме радиопрофилактического эффекта. Имеющийся фактический материал свидетельствует о том, что внутриклеточное содержание введенных радиопротекторов недостаточно для защиты систем от ионизирующего излучения, количество вводимых препаратов меньше, чем их эффективные концентрации в облучаемых растворах, а способность введенного протектора реагировать с внутриклеточными молекулами или их радикалами едва ли выше, чем у ряда эндогенных веществ.

К настоящему времени изучено огромное количество веществ природного происхождения в качестве возможных противолучевых средств. Часто исследовались различные вытяжки из растений, микроорганизмов и других биологических объектов без выделения активных веществ, а порой и без контроля за чистотой препаратов. Многие из них, химически не идентифицированные, обладали весьма слабым и плохо воспроизводимым на животных противолучевым эффектом.

Для радиопрофилактики применялись также сильнодействующие биологически активные вещества в малых концентрациях: яд змей, пчелиный яд, бактериальные эндотоксины, эстрогены.

Выраженным, статистически достоверным радиопрофилактическим действием как при кратковременном, так и при пролонгированном облучении (с малой мощностью дозы -- около 0,1 Гр/мин) обладает мелиттин (полипептид из пчелиного яда, состоящий из 26 аминокислотных остатков, М-2840). Эффект защиты проявляется при введении препарата за 10-60 мин до облучения, однако наилучший эффект наблюдается при подкожном введении его мышам в дозе 5 мг/кг за 24 ч до лучевого воздействия (выживаемость возрастает вдвое по сравнению с облученным контролем).

В качестве противолучевых средств и препаратов, применяемых в комбинациях с эффективными радиопротекторами, часто используют следующие продукты метаболизма: нуклеиновые кислоты и их производные, витамины и коферменты, углеводы, липиды, флавоноиды, аминокислоты, промежуточные продукты обмена.

К числу противолучевых препаратов природного происхождения относят также адаптогены; в отличие от радиопротекторов они обладают неспецифическим действием, повышая общую сопротивляемость организма к различным неблагоприятным факторам (физической, химической и биологической природы). В отличие от радиопротекторов, адаптогены проявляют раднозащитную способность, если вводятся многократно за много дней (или недель) до облучения в дозах, ниже абсолютно смертельных. Они эффективны при остром, пролонгированном и фракционированном облучениях. Отмечается также отсутствие побочных эффектов при использовании радиозащитных доз адаптогенов. Наиболее эффективными препаратами этой группы считаются экстракты женьшеня, элеутерококка, лимонника (китайского). Радиозащитная эффективность их невелика. Так, например, при действии элеутерококка (препарат давался за 15 дней до облучения) выживаемость повышалась по сравнению с облученным контролем (дозы 5-- 6Гр) на 30%.

Механизм радиозащитного действия этих веществ на организм пока не выяснен. Некоторые авторы к адаптогенам причисляют АТФ и АДФ, которые оказываются эффективными не только при кратковременном (мощность -- 1-2,7 Гр/мин), но и при пролонгированном -- с малой мощностью -- облучении (0,0096 Гр/мин); в последнем случае применение классических радопротекторов-- аминотиолов и индолилалкиламинов -- оказывается безрезультатным. Отмечается необходимость больших доз адениннуклеотидов (до 200-250 мг/кг) для условий пролонгированного облучения.

Противолучевой эффект адениннуклеотидов связывают с их нормализующим влиянием на энергетический и генетический аппараты клеток. Ряд веществ природного происхождения обладает умеренным терапевтическим действием.

ионизирующий излучение защита радиация

Список использованных источников

1. Кудряшов, Ю.Б., Радиационная биофизика (ионизирующие излучения)/ Под ред. В.К. Мазурика, М.Ф. Ломанова. -- М.: ФИЗМАТЛИТ, 2004. -- 448с.

2. Кудряшов Ю.Б., Беренфельд Б.С., Основы радиационной биофизики М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1982. _ 304 с.

Размещено на Allbest.ru