БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХИЗЛУЧЕНИЙ

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ, изменения, вызываемые в жизнедеятельности и структуре живых организмов при воздействии коротковолновых электромагнитных волн (рентгеновского излучения и гамма-излучения) или потоков заряжённых частиц (альфа-частиц, бета-излучения, протонов) и нейтронов.

Исследования Б. д. и. и. были начаты сразу после открытия рентгеновского излучения (1895) и радиоактивности (1896). В 1896 рус. физиолог И. Р. Тарханов показал, что рентгеновское излучение, проходя через живые организмы, нарушает их жизнедеятельность. Особенно интенсивно стали развиваться исследования Б. д. и. и. с началом применения атомного оружия (1945), а затем и мирного использования атомной энергии (см. Радиобиология ).

Для Б. д. и. и. характерен ряд общих закономерностей. 1) Глубокие нарушения жизнедеятельности вызываются ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии. Так, энергия, поглощённая телом млекопитающего животного или человека при облучении смертельной дозой, при превращении в тепловую привела бы к нагреву тела всего на 0,001 °С. Попытка объяснить "несоответствие" количества энергии результатам воздействия привела к созданию теории мишени (см. Мишени теория), согласно к-рой лучевое повреждение развивается при попадании энергии в особенно радиочувствит. часть клетки - "мишень". 2) Б. д. и. и. не ограничивается подвергнутым облучению организмом, но может распространяться и на последующие поколения, что объясняется действием на наследственный аппарат организма. Именно эта особенность очень остро ставит перед человечеством вопросы изучения Б. д. и. и. и защиты организма от излучений. 3) Для Б. д. и. и. характерен скрытый (латентный) период, т. е. развитие лучевого поражения наблюдается не сразу. Продолжительность латентного периода может варьировать от неск. мин до десятков лет в зависимости от дозы облучения, радиочувствительности организма и наблюдаемой функции (рис. 1, 3). Так, при облучении в очень больших дозах (десятки тыс. рад) можно вызвать "смерть под лучом", длительное же облучение в малых дозах ведёт к изменению состояния нервной и др. систем, к возникновению опухолей спустя годы после облучения.

Рис. 1. Влияние дозы облучения на число (%) и сроки выживания клеток костного мозга крыс.

Радиочувствительность разных видов организмов различна. Смерть половины облучённых животных (при общем облучении) в течение 30 суш после облучения (летальная доза - ЛД 50/30) вызывается следующими дозами рентгеновского излучения: морские свинки 250 р, собаки 335 р, обезьяны 600 р, мыши 550 - 650 р, караси (при 18°С) 1800 р, змеи 8 000-20000 р. Более устойчивы одноклеточные организмы: дрожжи погибают при дозе 30 000 р, амёбы - 100 000 р, а инфузории выдерживают облучение в дозе 300 000 р. Радиочувствительность высших растений тоже различна: семена лилии полностью теряют всхожесть при дозе облучения 2000 р, на семена капусты не влияет доза в 64 000 р.

Большое значение имеют также возраст (рис. 2), физиол. состояние, интенсивность обменных процессов организма, а также условия облучения. При этом, помимо дозы облучения организма, играют роль: мощность, ритм и характер облучения (однократное, многократное, прерывистое, хроническое, внешнее, общее или частичное, внутреннее), его фи-зич. особенности, определяющие глубину проникновения энергии в организм (рентгеновское и гамма-излучение проникает на большую глубину, альфа-частицы до 40 мкм, бета-частицы - на неск. мм), плотность вызываемой излучением ионизации (под влиянием альфа-частиц она больше, чем при действии др. видов излучения). Все эти особенности воздействующего лучевого агента определяют относительную биологическую эффективность излучения. Если источником излучения служат попавшие в организм радиоактивные изотопы, то огромное значение для Б. д. и. и., испускаемого этими изотопами, имеет их химич. характеристика, определяющая участие изотопа в обмене веществ, концентрацию в том или ином органе, а следовательно, и характер облучения организма.

Рис. 2. Выживаемость облучённых мышей (ЛД 50/30) в зависимости or возраста.

Первичное действие радиации любого вида на любой биол. объект начинается с поглощения энергии излучения, что сопровождается возбуждением молекул и их ионизацией. При ионизации молекул воды (косвенное действие излучения) в присутствии кислорода возникают активные радикалы (ОН- и др.), гидратарованные электроны, а также молекулы перекиси водорода, включающиеся затем в цепь химических реакций в клетке. При ионизации органич. молекул (прямое действие излучения) возникают свободные радикалы (см. Радикалы свободные), к-рые, включаясь в протекающие в организме химич. реакции, нарушают течение обмена веществ и, вызывая появление несвойственных организму соединений, нарушают процессы жизнедеятельности. При облучении в дозе 1000 р в клетке средней величины (10~9 г) возникает ок. 1 млн. таких радикалов, каждый из к-рых в присутствии кислорода воздуха может дать начало цепным реакциям окисления, во много раз увеличивающим количество изменённых молекул в клетке и вызывающим дальнейшее изменение надмолекулярных (субмикроскопич.) структур. Выяснение большой роли свободного кислорода в цепных реакциях, ведущих к лучевому поражению, т. н. кислородного эффекта, способствовало разработке ряда эффективных радиозащитных веществ, вызывающих искусственную гипоксию в тканях организма. Большое значение имеет и миграция энергии по молекулам биополимеров, в результате к-рой поглощение энергии, происшедшее в любом месте макромолекулы, приводит к поражению её активного центра (напр., к инактивации белка-фермента). Физич. и физико-химич. процессы, лежащие в основе Б. д. и. и., т. е. поглощение энергии и ионизация молекул, занимают доли сек (рис. 3).

Последующие биохимич. процессы лучевого повреждения развиваются медленнее. Образовавшиеся активные радикалы нарушают нормальные ферментативные процессы в клетке, что ведёт к уменьшению кол-ва богатых энергией (ма-кроэргических) соединений. Особенно чувствителен к облучению синтез дезоксирибонуклеиновых кислот (ДНК) в интенсивно делящихся клетках. Т. о., в результате цепных реакций, возникающих при поглощении энергии излучения, изменяются мн. компоненты клетки, в т. ч. макромолекулы (ДНК, ферменты и др.) и сравнительно малые молекулы (аденозинтрифосфорная к-та, коферменты и др.). Это приводит к нарушению ферментативных реакций, физиологич. процессов и клеточных структур.

Рис. 3. Схема развития лучевого повреждения (в центре) и методы воздействия на него (справа).

Воздействие ионизирующего излучения вызывает повреждение клеток. Наиболее важно нарушение клеточного деления - митоза. При облучении в сравнительно малых дозах наблюдается временная остановка митоза. Большие дозы могут вызвать полное прекращение деления или гибель клеток. Нарушение нормального хода митоза сопровождается хромосомными перестройками, возникновением мутаций, ведущими к сдвигам в генетич. аппарате клетки, а следовательно, к изменению последующих клеточных поколений (цитогенетич. эффект.) При облучении половых клеток многоклеточных организмов нарушение генетич. аппарата ведёт к изменению наследств, свойств развивающихся из них организмов (см. Генетическое действие излучений). При облучении в больших дозах происходит набухание и пикноз ядра (уплотнение хроматина), затем структура ядра исчезает. В цитоплазме при облучении в дозах 10 000-20 000 р наблюдаются изменение вязкости, набухание протоплазматич. структур, образование вакуолей, повышение проницаемости. Всё это резко нарушает жизнедеятельность клетки.

Сравнит, изучение радиочувствительности ядра и цитоплазмы показало, что в большинстве случаев чувствительно к облучению ядро (напр., облучение ядер сердечной мышцы тритона в дозе неск. протонов на ядро вызвало типичные деструктивные изменения; доза в неск. тысяч раз большая не повредила цитоплазмы). Многочисл. данные показывают, что клетки наиболее радиочувствительны в период деления и дифференцировки: при облучении поражаются прежде всего растущие ткани. Это делает облучение наиболее опасным для детей и беременных женщин. На этом же основана и радиотерапия опухолей - растущая ткань опухоли погибает при облучении в дозах, которые меньше повреждают окружающие нормальные ткани.

Возникающие в облучаемых клетках изменения ведут к нарушениям в тканях, органах и жизнедеятельности всего организма. Особенно выражена реакция тканей, в к-рых отд. клетки живут сравнит, недолго. Это слизистая оболочка желудка и кишечника, к-рая после облучения воспаляется, покрывается язвами, что ведёт к нарушению пищеварения и всасывания, а затем к истощению организма, отравлению его продуктами распада клеток (токсемия) и проникновению бактерий, живущих в кишечнике, в кровь (бактериемия). Сильно повреждается кроветворная система, что ведёт к резкому уменьшению числа лейкоцитов в периферич. крови и к снижению её защитных свойств. Одновременно падает и выработка антител, что ещё больше ослабляет защитные силы организма. (Уменьшение способности облучённого организма вырабатывать антитела и тем самым противостоять внедрению чужеродного белка используется при пересадке органов и тканей - перед операцией пациента облучают.) Уменьшается и количество эритроцитов, с чем связано нарушение дыхат. функции крови. Б. д. п. и. обусловливает нарушение половой функции и образования половых клеток вплоть до полного бесплодия (стерильности) облучённых организмов. Важную роль в развитии лучевого поражения животных и человека играет нервная система. Так, у кроликов смертельный исход при облучении в дозе 1000 р часто определяется нарушениями в центр, нервной системе, вызывающими остановку сердечной деятельности и паралич дыхания. Исследования биоэлектрич. потенциалов мозга облучённых животных и людей, подвергающихся лучевой терапии, показали, что нервная система раньше др. систем организма реагирует на радиационное воздействие. Облучение собак в дозе 5-20 р и хронич. облучение в дозе 0,05 р при достижении дозы в 3 р ведёт к изменению условных рефлексов. Большую роль в развитии лучевой болезни играют и нарушения деятельности желез внутренней секреции.

Для Б. д. и. и. характерно последействие, к-рое может быть очень длительным, т. к. по окончании облучения цепь биохимич. и физиологич. реакций, начавшихся с поглощения энергии излучения, продолжается долгое время. К отдалённым последствиям облучения относятся изменения крови (уменьшение числа лейкоцитов и эритроцитов), нефросклероз, циррозы печени, изменения мышечных оболочек сосудов, раннее старение, появление опухолей (см. Бластомогенное действие излучений). Эти процессы связаны с нарушением обмена веществ и нейроэндокринной системы, а также повреждением генетич. аппарата клеток тела (соматические мутации).

Растения, по сравнению с животными, более радиоустойчивы. Облучение в небольших дозах может стимулировать жизнедеятельность растений (рис. 4) - прорастание семян, интенсивность роста корешков, накопление зелёной массы и др. Большие дозы (20 000-40 000 р) вызывают снижение выживаемости растений, появление уродств, мутаций, возникновение опухолей. Нарушения роста и развития растений при облучении в значит, степени связаны с изменениями обмена веществ и появлением первичных радиотоксинов, к-рые в малых количествах стимулируют жизнедеятельность, а в больших - подавляют и нарушают её. Так, промывка облучённых семян в течение суток после облучения снижает угнетающий эффект на 50-70%.

Рис. 4. Зависимость числа проросших глазков картофеля сорта Лорх от дозы облучения.

Лучевое повреждение организма сопровождается одновременно текущим процессом восстановления, к-рый связан с нормализацией обмена веществ регенерацией клеток. Поэтому облучени дробное или с малой мощностью доз вы зывает меньшее повреждение, чем массивное воздействие. Изучение процессе восстановления важно для поисков радиозащитных веществ, а также средств и методов защиты организма от излучений В небольших дозах . все обитатели Земли постоянно подвержены действию ионизирующего излучения - космич. лучей и радиоактивных изотопов, входящих в состав самих организмов и окружающей среды (см. Радиоактивность атмосферы, Радиоактивное загрязнение биосферы). Испытания атомного оружия и мирное применение атомной энергии повышают фон радиоактивный. Это делает изучение Б. д. и. и. и поиски защитных средств всё более важными.

Б. д. и. и. пользуются в биол. исследованиях, в мед. и с.-х. практике. На Б. д. и. и. основаны лучевая терапия рентгенодиагностика, радиоизотопная терапия.

В с. х-ве радиационные воздействия применяются с целью выведения новых форм растений, для предпосевной обработки семян, борьбы с вредителями (путём выведения и выпуска на поражаемых плантации обеспложенных облучением самцов), для лучевой консервации фруктов и овощей, предохранении продуктов растениеводства от вредителей (дозы, губительные для насекомых, безвредны для зерна) и др.




Смотреть больше слов в «Большой советской энциклопедии»

БИОЛОГИЧЕСКОЕ НАПРАВЛЕНИЕ В СОЦИОЛОГИИ →← БИОЛОГИЧЕСКИЙ МУЗЕЙ

T: 165