Радиационная биофизика (ионизирующие излучения) - Кудряшов Ю.Б.
ISBN 5-9221-0388-1
Скачать (прямая ссылка):
В настоящем учебнике для описания динамической картины лучевого поражения использован в основном наиболее «устоявшийся» и вместе с тем не потерявший новизну фактический материал по эффектам внешнего однократного воздействия ионизирующих излучений на молекулярные системы, клетку и организм. Наряду с ним приводятся материалы новейших исследований радиационной биофизики, которые можно отнести к дискуссионным, но необходимым для современной оценки бурно развивающейся науки.
380
Заключение
Описание экспозиционных и поглощенных доз излучений, характера поглощения и передачи их энергии биомолекулам позволило изложить последовательную схему событий, развивающихся во времени и пространстве, начиная с момента эмиссии ионизирующих излучений и поглощения их энергии, радиолиза и инактивации молекул, усиления первичных повреждений, вплоть до поражения и гибели клетки и организма.
Однако, как стало очевидно, одного только формального описания общей логической схемы последовательности радиационных событий оказывается явно недостаточно для анализа ответной реакции сложной системы на облучение.
Уже на раннем этапе развития радиобиологии выяснилось, что ионизирующие излучения, в отличии от неионизирующих, обладают необычайно высокой биологической эффективностью, способностью не только повреждать молекулы, но и приводить к гибели клеток и организма. С привычных позиций тепловой энергетики вызывала недоумение ничтожность величины дозы ионизирующей радиации, способной оказывать биологический эффект.
Так, напомним, что минимальная доза общего однократного облучения, вызывающая гибель человека («минимальная абсолютно летальная доза»), составляет 7 Гр. Эта доза в пересчете на массу тела человека в 70 кг составляет 490 Дж или 117,6 калорий тепловой энергии. Такая ничтожно малая, но фатальная для жизни, тепловая энергия, равномерно распределившись в теле человека, «согреет» его всего лишь менее чем на две тысячные доли градуса. Аналогичные расчеты можно привести и для облучаемой клетки.
Уже этот хорошо известный в радиобиологии «энергетический парадокс» позволяет видеть, что рамки необратимой, неравновесной, нелинейной термодинамики («тепловой») оказываются тесными для объяснения столь значимого эффекта биологического действия ионизирующих излучений*). Необходимы новые представления энергодинамики открытых систем, учитывающие особенности природы ионизирующих излучений и характер ответа живой системы на облучение.
Вековой опыт радиобиологических исследований и недавние фундаментальные научные открытия молекулярной биологии легли в основу современной радиационной биофизики, развитие которой позволяет объединить в систему основные принципы радиобиологии, ка-, сающиеся особенностей природы излучений и характера ответа живой системы на облучение. Напомним исходные положения этих основополагающих принципов.
Речь пойдет прежде всего о принципе попаданий и принципе гетерогенности, постулированных на основе исследования количественной
*) Так, в известном каноническом уравнении Гиббса следовало бы внести слагаемым, по крайней мере, еще и энергию нетепловых (ионизирующих) излучений.
Заключение
381
зависимости биологических эффектов от дозы облучения, успешно развивавшихся в работах Д. Е. Ли, Н. В. Тимофеева-Ресовского и др. и ставших большим вкладом в теоретическую радиобиологию.
Первый принцип, как известно, исходит из физических свойств ионизирующих излучений — их дискретности, квантованности взаимодействия излучений с веществом, вероятностного процесса распределения энергии в пространстве.
1. Принцип попаданий (дискретности ионизирующих
излучений)
- Ионизирующие излучения обладают очень малой объемной плотностью по сравнению, например, с тепловым излучением, т. е. переносят энергию в дискретном виде, попадая в некий объект «концентрированными порциями».
- Фотоны рентгеновского или 7-излучения, ускоренные электроны или тяжелые заряженные частицы обладают огромной энергией, величина которой значительно превосходит энергию любой химической связи.
- За время первой, или физической, стадии действия ионизирующего излучения на биологические системы (10-16-10~13 с) происходят процессы поглощения, перераспределения и диссипиро-вания энергии.
- Энергия поглощенных живой системой фотонов или заряженных частиц полностью (прямо или косвенно) растрачивается на возбуждение и ионизацию атомов и молекул.
- Вероятность переноса энергии к молекуле не зависит от химической структуры последней, она определяется суммарной электронной плотностью, имеющей примерно равные значения для различных элементов клетки.
В основе другого принципа — принципа мишени — заложено понимание особенности живой системы — того, что структура ее элементов, а также и функции гетерогенны, неравноценны и проявляют различия в ответах на одно и то же попадание. Образно говоря, если радиация «одинаково безразлична» к облучаемым субстратам («не выбирает» их), то повреждения отдельных элементов биологических систем имеют неодинаковую значимость для судьбы клетки.
