Рисунок 2. Комптонэффект.
3.2.3 Образование электронно-позитронных пар
Некоторые г -кванты с энергией не ниже 1,02 МэВ, проходя через вещество, превращаются под давлением сильного электрического поля вблизи ядра атома в пару «электрон-позитрон» (позитрон - элементарная частица подобная электрону, но с положительным зарядом). В данном случае происходит преобразование одной формы материи - г - излучения в другую - в частицы вещества. Образование такой пары возможна только при энергиях г -квантов, не меньших чем энергия, эквивалентная массе обеих частиц -- электрона и позитрона. Образовавшаяся электронно-позитронная пара в дальнейшем исчезает, превращаясь в два вторичных гамма - кванта с энергией, равной энергетическому эквиваленту массы покоя частиц [2,9]. Вторичные г-кванты способны вызвать лишь комптонэффект и в конечном счете фотоэффект, т.е. терять энергию только при соударениях с электронами. Вероятность процесса образования пар увеличивается с увеличением энергии гамма-квантов и плотности поглотителя. г-лучи высоких энергий (болеее 8 МэВ) могут взаимодействовать с ядрами атомов (ядерный эффект). Вероятность такого эффекта весьма мала, и этот вид взаимодействия практически не ослабляет излучений в веществе.
3.2.4. Закон ослабления гамма-излучений веществом существенно отличается от закона ослабления альфа и бета - частиц. Пучок г - лучей поглощается непрерывно, с увеличением толщины слоя поглотителя его интенсивность не обращается в ноль ни при каких толщинах слоя поглотителях. Это значит, что какой бы ни была толщина слоя вещества, нельзя полностью поглотить поток гамма-лучей, а можно только ослабить его интенсивность в любое заданное число раз. В этом существенное отличие характера ослабления гамма - лучей от ослабления альфа и бета - частиц, для которых всегда можно подобрать такой слой вещества, в котором полностью поглощается поток б и бета - частиц. Закон ослабления может быть выражен через слой половинного ослабления (?1/2). Толщина поглотителя, после прохождения которого интенсивность излучения ослабляется вдвое, называется слоем половинного ослабления, величина которого зависит от энергии излучения и плотности поглотителя. Между линейным коэффициентом ослабления (м) и слоем половинного ослабления существует следующее взаимосвязь: ?1/2 = 0,693/м или м = 0,693/ ?1/2. Зная слой половинного ослабления, можно довольно легко определить какой нужно взять слой поглотителя, чтобы ослабить излучение в данное число раз [2,5].
Основные эффекты взаимодействия нейтронов с веществом.
Быстрые с энергией порядка МэВ, нейтроны попадая в ткань замедляются за счет передачи энергии ядрам вещества при непосредственном столкновении с последними; чем больше передача энергии при таком столкновении, тем быстрее замедляются нейтроны. Ткани организма животных практически полностью замедляют нейтроны, так как они много содержат водородных атомов, и в среднем одно столкновение приходится на 1 см пробега нейтрона в ткани. К вторичным ионизирующим частицам следует отнести незаряженные частицы - фотон и нейтрон. Фотон выбивает электроны с оболочки атома, а нейтрон - протон из ядра. Нейтрон- элементарная частица, не имеющая электрического заряда, обладающая массой покоя 1, 67495 10-27 кг и средним времени жизни около 1000 сек [4].
4. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ
4.1 Особенности действия ионизирующего облучения на ткани
Ионизирующее излучение - одно из уникальных явлений окружающей среды, последствия от воздействия которого на организм на первый взгляд совершенно неадекватны величине поглощаемой энергии. Реакции организма на действие ионизирующих излучений многообразны. Характер проявления послелучевых изменений в организме зависит от многих причин: 1) физических параметров излучения (вид, энергия, мощность и доза облучения и т.д.); 2) биологических особенностей животного (состояния животного, возраста, массы, условия содержания и кормления и т.д.). Различные органы животных имеют неодинаковую радиочувствительность. По морфологическим признакам, выявляемым гистологическими методами, органы можно расположить по убывающей степени радиочувствительности в следующем порядке: лимфатические узлы и фолликулы, красный костный мозг, вилочковая железа, селезёнка, половые железы, кожа, глаза, печень, легкие, почки, головной мозг, сердце, кости, сухожилия, нервные стволы и др. В связи с этим для исхода лучевого воздействия на организм большое значение имеет какая часть тела животного облучена. Общее равномерное облучение вызывает наибольший радиобиологический эффект. Степень послелучевых реакций организма определяется дозой лучевого воздействия: малые дозы оказывают стимулирующее действие на биологические реакции (обмен веществ, секреторную, выделительную и другие функции), средние дозы затормаживают физиологические процессы, большие - вызывают глубокие патологические нарушения, сверхвысокие дозы полностью прекращают жизненные процессы. В зависимости от проникающей способности излучений ионизирующая радиация вызывает различные поражения. Так, внешнее облучение альфа- и бета-частицами, слабо проникающими в ткани, вызывает главным образом изменения в коже, а облучение рентгеновскими, гамма-лучами или нейтронами, обладающими большой проникающей способностью, чаще приводит к общему поражению в виде лучевой болезни [6,8].
4.2 Теории прямого и непрямого действия
Для объяснения механизма первичного действия ионизирующих излучений на живые клетки предложено большое число гипотез и теорий. Известны теории прямого и непрямого действия ионизирующих излучений. При прямом действии предполагается, что в основе повреждения клеток тканей лежит процесс ионизации. В результате прямого попадания ионизирующей частицы в биомолекулы могут наступить различные денатурационные изменения в них, например разрыв наименее прочных связей, отрыв радикалов, расщепление молекул, подавление действия ферментов, изменение проницаемости клеточных оболочек, кислородное голодание тканей, нарушение нервной трофики и др. Непрямым или косвенным действием ионизирующего излучения называют радиационно-химические изменения структур (молекул, клеток и т.д.), обусловленные продуктами радиолиза воды или растворенных в ней веществ (свободные радикалы, перекись водорода, органические перекиси).
Рисунок 3. Прямое и непрямое действие ионизирующего излучения на молекулу ДНК.
О различии прямого и косвенного действии радиации на биологические объекты и величину их влияния на развитие лучевого поражения можно судить по двум феноменам - эффекту разведения и кислородному эффекту. Эффект разведения - это состояние, при котором абсолютное число поврежденных молекул вещества в слабом растворе не зависит от его концентрации и остается для данной экспозиционной дозы постоянным, так как в этих конкретных условиях в растворе образуется постоянное количество активированных радикалов. Кислородный эффект предполагает, что в развитии первичных реакций при облучении биообъектов большое значение имеет концентрация кислорода в среде. С повышением его концентрации в окружающей среде и объекте облучения усиливается эффект лучевого поражения и, наоборот, при понижении концентрации кислорода наблюдается уменьшение степени лучевого поражения [4,5].
4.3 Теория «мишени»
Дальнейшим развитием теории прямого действия излучений является теория «мишени». Эта теория подразумевает, что в животной или растительной клетках имеются чувствительные к излучению участки - «мишени» и что только при попадании ионизирующей частицы в эти участки происходят в клетке изменения, которые можно оценить количественно [6].
4.4 Особенности патогенеза лучевых поражений
В механизме биологического действия ионизирующего излучения на живые объекты можно выделить следующие этапы: первичный физический, радиационно-химический и биологический (морфологический). На первичном физическом этапе действия излучения биологическая ткань поглощает энергию, образуются ионы, а также возбужденные атомы и молекулы. В простых веществах, молекулы которых состоят из атомов одного и того же элемента (газы, металлы и т.д.), процессу ионизации сопутствует процесс рекомбинации. Ионизированный атом присоединяет к себе один из свободных электронов, которые всегда имеются в среде, в результате вновь образуется нейтральный атом. Возбужденный атом возвращается в нормальное состояние путем перехода электрона с внешних оболочек на более близко расположенные к атомному ядру. При этом происходит испускание одного или нескольких фотонов характеристического излучения. Таким образом, ионизация и возбуждение атомов простых веществ не приводят к каким-либо изменениям физико-химической природы облучаемой среды. Иначе дело обстоит при ионизации и возбуждении сложных молекул, в данном случае происходит их диссоциация в результате разрыва химических связей. Это так называемое прямое действие излучения. Под косвенным действием излучения понимают радиационно-химические изменения в данном растворенном веществе, обусловленные продуктами радиолиза воды. Ионизированные и возбужденные атомы и молекулы обладают большой биохимической активностью. Накопление этих активных агентов приводит к резким нарушениям жизнедеятельности облученных клеток, тканей и организма в целом. Вследствие ионизации в биологических средах образуются свободные радикалы, которые обладают очень высокими химическими (окислительными и восстановительными) способностями, за счет наличия неспаренного электрона в одном из атомов ионизированной молекулы. Взаимодействие свободных радикалов с органическими и неорганическими веществами идет по типу окислительно-восстановительных реакций и составляет эффект косвенного действия [8]. При облучении примерно половина поглощенной энергии влияет на организм по типу прямого (45%), а остальная (55%) - косвенного действия. Так, в чистых сухих веществах будет преобладать прямое действие, в слабых растворах - косвенное. Итак, получающиеся в процессе радиолиза воды свободные радикалы и окислители вступают в химические реакции с молекулами белка, ферментами и другими структурными элементами биологической ткани, что приводит к изменению биохимических процессов в организме. В результате: 1) нарушаются обменные процессы; 2) подавляется активность ферментных систем; 3) замедляется и прекращается рост тканей; 4) возникают новые химические соединения, не свойственные организму, - токсины (радиотоксины). Об их наличии в облученных организмах свидетельствует тот факт, что при введении крови от облученных животных у необлученных реципиентов в ряде органов и систем возникают изменения, свойственные лучевому поражению. Индуцированные свободными радикалами химические реакции вовлекают в этот процесс многие сотни и тысячи молекул, не затронутых излучением.
4.5 Действие излучений на клетку
Наиболее чувствительными к облучению органеллами клеток организма являются ядро и митохондрии. Повреждения этих структур происходят при малых дозах и проявляются в самые короткие сроки. Под действием излучений в клетке и тканях нарушается структурно-метаболический процесс. Это происходит в три этапа. Первый - образование активных неорганических и органических радикалов. На втором этапе - нарушаются структуры биологических мембран, что приводит к высвобождению ряда ферментов. В результате повреждения лизосомных мембран наблюдается увеличение активности ДНКазы, РНКазы, катепсинов, фосфатазы и ряда других ферментов. На третьем этапе происходит нарушение процессов обмена, обусловливающее морфологические изменения, приводящие к нарушению дифференцирования клеток, их деления, изменению наследственных свойств [9].
4.6 Нарушение клеточного деления
При облучении в сравнительно малых дозах наблюдается временная остановка митоза. Большие дозы могут вызывать полное прекращение деления или гибель клеток. Нарушение нормального хода митоза сопровождается хромосомными перестройками, возникновением мутаций, ведущих к сдвигу в генетическом аппарате клетки, а, следовательно, к изменению наследственных свойств развивающихся из них организмов. При облучении в больших дозах происходит набухание ядра, затем структура ядра исчезает. В цитоплазме при облучении в дозах 10000-20000 Р наблюдается изменение вязкости, набухание цитоплазматических структур, образование вакуолей, повышение проницаемости. Всё это резко нарушает жизнедеятельность клетки. Наиболее уязвимыми являются клетки органов кроветворения (красный костный мозг, селезенка, лимфатические узлы), половых желез, эпителий кишечника и желудка, т.е. в основном клетки тех тканей, которые обладают высокой митотической активностью. Измененные свойства облученной клетки передаются по наследству. Если радиационные мутации развиваются в половых клетках (гаметические мутации), то результаты сказываются в последующих поколениях [6,8].
4.7 Действие излучений на обмен веществ
Нарушение обмена веществ, отмечающиеся в результате действия на организм ионизирующих излучений, в значительной степени связано с изменением активности ферментов. При тяжелом радиационном поражении быстро развивается нарушение белково-азотистого обмена. В тканях возрастает содержание свободных аминокислот, а в крови увеличивается количество остаточного азота и повышается содержание тирозина. Возрастает содержание азотистых веществ (мочевины, аминокислот и даже белков) в моче. В плазме крови отмечается нарушение соотношений между альбуминовой и глобулиновой фракциями, изменяется содержание общего белка и небелкового азота, ослабляется образование антител, изменяются антигенные свойства белков. Указанные нарушения азотистого обмена обусловливают снижение веса, отравление организма продуктами неполного белкового распада и изменение барьерных функций. Изменение углеводного обмена ведет к уменьшению содержания гликогена в печени, скелетных мышцах, миокарде, повышению содержания сахара в крови. Тормозится процесс образования лимонной кислоты, что задерживает распад глюкозы. Снижение гликогена объясняется голоданием животного вследствие плохого аппетита, а также замедлением всасывания глюкозы в результате поражения стенок тонкого кишечника. Изменения в жировом обмене приводят к снижению содержания холестерина в крови и тканях, отмечается жировое перерождение паренхиматозных органов, изменяется синтез триглицеридов и фосфатидов в органах и тканях. Нарушение витаминного обмена проявляется уменьшением содержания витаминов С, В1, В2, В6 в печени, селезенке, головном мозге, тканях тонкого кишечника и крови. После облучения отмечается общая тенденция обезвоживания организма. Уже в первые часы после облучения уменьшается поступление воды через кишечник, что в свою очередь оказывает влияние на минеральный обмен, обмен белков, жиров, углеводов, а также синтез витаминов и гормонов. Под действием излучения происходит перераспределение микроэлементов. В период разгара лучевых поражений развивается гипохлоремия. Уменьшается содержание в тканях фосфорных соединений и железа [5,6,9].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В 1899 году Эрнест Резерфорд обнаружил, что радиоактивное излучение в поперечном магнитном поле разделяется обычно на три пучка. Лучи, отклоняющиеся к отрицательно заряженной пластинке, условно были названы альфа - лучами, отклоняющиеся к положительно заряженной пластинке - бета- лучами, а лучи, которые совсем не отклонялись были названы гамма - лучами. Альфа-излучение представляет собой поток альфа-частиц, распространяющихся с начальной скоростью 20000 км/сек. Их ионизирующая способность огромна, а так как на каждый акт ионизации тратится определенная энергия, то их проникающая способность незначительна Поскольку альфа-излучение имеет наибольшую ионизирующую, но наименьшую проникающую способность, внешнее облучение альфа - частицами практически безвредно, но попадание их внутрь организма весьма опасно. Бета-излучение - поток электронов, которые в зависимости от энергии излучения могут распространяться со скоростью близкой к скорости света (300 тыс. км/с). Бета-излучение имеет достаточно большую проникающую способность. Однако внешнее бета-излучение представляет серьезную опасность лишь при попадании радиоактивных веществ непосредственно на кожу (особенно на глаза) или же внутрь организма.
Гамма-излучение - это электромагнитное излучение, испускаемое ядрами атомов при радиоактивных превращениях. Оно испускается отдельными порциями (квантами) и распространяется со скоростью света. Ионизирующая способность его значительно меньше, чем у бета-частиц и тем более у альфа-частиц. Из-за наибольшей проникающей способности гамма-излучение является важнейшим фактором поражающего действия радиоактивных излучений при внешнем облучении. Рентгеновские лучи также имеют электромагнитную природу. Энергии квантов рентгеновских лучей несколько меньше, чем гамма - излучения большинства радиоактивных изотопов; соответственно несколько ниже их проникающая способность. Нейтронное излучение -- это поток нейтронов, скорость распространения которых достигает 20000 км/сек. Так как нейтроны не имеют электрического заряда, они легко проникают в ядра атомов и захватываются ими, нанося при этом значительный вред.
Ионизирующие излучения оказывают сильнейшее воздействие на живые организмы, что в наибольшей степени и вред проявляется в тканях с большой митотической активностью. В зависимости от вида и количества излучения последствия облучения могут быть различными. Малые дозы могут оказывать стимулирующее действие на ткани [3]; большие же дозы облучения вызывают лучевую болезнь и другие лучевые поражения (нарушение роста, развития, обмена веществ и снижение продуктивности, воспроизводительных качеств, другие патологические процессы).