книги из ГПНТБ / Рачинский, В. В. Курс основ атомной техники в сельском хозяйстве учебное пособие

нием геометрических размеров (мишени) молекулярного клубка ДНК при образовании ДНИ.

Выше отмечалось, что при облучении растворенных в воде веществ наблюдается и прямое и косвенное (через продукты радиолиза воды) действие излучения. Остановимся на этом не­ сколько подробнее.

Прямое действие и теория мишеней. Прямое действие иони­ зирующих излучений — непосредственные радиационнохимиче­ ские акты превращения молекул под действием проходящих че­ рез них ионизирующих частиц (акты прямого радиационного, «поражения» молекул). К таким актам можно применить стати­ стический подход, подобный тому, который используется для расчета выхода ядерных реакций или числа актов столкновений в теории прохождения излучений через вещества.

Пусть в данном растворе имеется N молекул растворенного вещества и раствор подвергается действию ионизирующего из­ лучения с плотностью потока /.

Число актов радиационнохимического превращения молекул за единицу времени пропорционально плотности потока излуче­

ская постоянная, имеющая физический смысл площади эффек­ тивного сечения радиационнохимической реакции как меры ее вероятности.

Плотность потока излучения пропорциональна мощности до­ зы излучения P = D/t, т. е. I=kP, где k — переходный коэффи­

Интегрируя (4.2), получаем формулу для расчета числа остав­ шихся неизменных молекул к моменту времени t

где N0— число молекул в начальный момент времени. Так как Pt=D, т. е. дозе излучения, из (4.3) получаем

откуда число измененных молекул (выход)

вначальный момент.

2.Число неизмененных и измененных молекул находится в экспоненциальной зависимости от дозы излучения.

111

ла исходных молекул A^</iVo = e_CTft-D= const.

Перечисленные основные следствия можно рассматривать в качестве признаков прямого действия радиации.

Приведенные выше положения получили название теории ми­ шеней.

Если радиационнохимические превращения осуществляются по механизму прямого действия, то по кривым относительного выхода [см. формулу (4.5)] можно рассчитать эффективное сече­ ние прямого радиационнохимического превращения. Определе­ ние этих эффективных сечений позволяет, в свою очередь, оце­ нить размеры молекул, подвергаемых радиационному воздейст­ вию. В более широком плане радиационнохимические превра­ щения дают довольно богатую информацию о строении вещест­ ва, прочности тех или иных связей и т. д.

Косвенное действие и эффект разведения. При облучении водных растворов веществ биологического происхождения уста­ новлено, что в некоторых пределах концентраций растворенного вещества при постоянной дозе излучения количество молекул, испытавших превращение, остается постоянным, т. е. при N0^ ^ const /Увы*= const. Следовательно, в этом случае не сохраня­ ется постоянным относительный выход NBblx/N0¥= const. Это яв­ ление объясняется тем, что в разбавленных водных растворах основной механизм радиационнохимического действия — косвен­ ное действие — вторичные реакции с продуктами радиолиза во­

воды постоянно. Таким образом, в данном случае лимитирую­ щим фактором, определяющим абсолютный выход превращен­ ных молекул растворенного вещества, является количество про­ дуктов радиолиза воды. При D = const yVBbIX = const, поэтому при N0¥=const относительный выход NBblJN0 = cBbTJco изменяется по гиперболической, обратно пропорциональной зависимости: с увеличением концентрации растворенного в воде вещества от­ носительный выход радиационнохимического превращения уменьшается обратно пропорционально концентрации. Это явле­ ние получило название в радиационной химии и биохимии эф­ фекта разведения. Эффект разведения — признак косвенного действия радиации. Он был, например, обнаружен в опытах с водными растворами фермента карбоксипептидазы. Действи­ тельно, оказалось, что в широком диапазоне изменений кон­ центрации фермента число инактивированных молекул его оста­ ется постоянным, а относительная доля инактивированных мо­ лекул фермента снижается. Отклонение от этой закономерно­ сти наблюдается только при очень малых (менее 10~5 г фермен­

112

та на 1 мл) и очень больших концентрациях фермента. Нижняя граница эффекта разведения обусловлена рекомбинацией и ис­ чезновением продуктов радиолиза воды прежде, чем они вступят в реакцию с растворенным веществом. Верхняя концентрацион­ ная граница эффекта обусловлена существенным относительным увеличением прямого действия радиации на растворенное веще­ ство.

Температурный эффект. Доказательством существенного зна­ чения косвенного действия радиации при облучении водных ра­ створов веществ является выяснение влияния температуры. Точ­ нее речь идет об агрегатном состоянии водного раствора. При облучении, например, раствора витаминов (С и РР) в одинако­ вой дозе, но в замороженном и незамороженном состояниях установлено, что относительная дезактивация витаминов больше в жидких водных растворах, чем в замороженных. Это объяс­ няется тем, что в замороженном водном растворе образующиеся продукты гидролиза имеют малую диффузионную подвижность и исчезают, не успев вступить в реакцию с растворенным веще­ ством. В этом случае, по-видимому, основную роль в превра­ щении молекул витамина будет играть прямое действие радиа­ ции, а в жидких водных растворах витаминов, наоборот, — кос­ венное действие.

Кислородный эффект. При облучении водных растворов раз­ личных веществ обнаружено существенное влияние на радиаци­ оннохимический выход присутствия кислорода — кислородный эффект. В присутствии кислорода окислительно-восстановитель­ ные реакции проходят с большим выходом.

Предполагается, что влияние кислорода в радиационнохими­ ческих реакциях обусловлено акцептированием кислородом сво­ бодных радикалов Н и образованием более долгоживущего, но химически активного продукта Н 0 2 (гидропероксида). Установ­ лено, например, что превращение двухвалентного железа в трех­ валентное происходит только в присутствии кислорода. Таким образом, кислород играет определенную роль в трансформации энергии радиационного действия при облучении водных раство­ ров. Кислородный эффект также является признаком косвенно­ го действия радиации.

Защитный эффект. Установлен еще один эффект, свидетель­ ствующий о возможности косвенного действия радиации. Он по­ лучил название защитного эффекта. Например, если облучать высокоочищенные ферменты в присутствии глюкозы, тиомочевины и цистина, то ферменты инактивируются в меньшей степени. Это объясняется тем, что примесные вещества могут быть актив­ ными акцепторами свободных радикалов и других продуктов радиолиза. Соответственно доля участия заданного вещества в радиационнохимических превращениях уменьшается.

Эффект последействия. При облучении ферментов пепсина и трипсина, ДНК и некоторых других биогенных веществ обнару-

113

жено, что радиационнохимические изменения продолжаются да­ же после прекращения облучения. Это явление получило назва­ ние эффекта последействия. Полного объяснения этому явле­ нию еще нет. Возможно, что последействие обусловлено акку­ муляцией, дрейфом энергии ионизации и возбуждения, переда­ ваемой от молекулы к молекуле, и соответственно запаздыва­ нием химической реакции, основанной на использовании этой энергии.

Отмеченные радиационнохимические явления, протекающие in vitro в той или иной степени проявляются в живых клетках и при радиобиологической реакции целого организма. Однако, хотя изучение радиационнохимических процессов in vitro и имеет определенное значение в исследовании первичных меха­ низмов радиобиологического действия, тем не менее радиаци­ оннохимические процессы с теми же веществами в условиях in vivo могут быть иными как в качественном, так и количест­ венном отношении. Дело в том, что условия среды in vivo со­ вершенно отличны от тех, которые создаются искусственно in vitro.

В живой клетке и в целом организме радиационные превра­ щения химических соединений происходят в условиях структур­ ной биологической организации со всеми ее взаимосвязями.

§ 2. ХАРАКТЕРИСТИКА БИОЛОГИЧЕСКОГО

ДЕЙСТВИЯ ИЗЛУЧЕНИЙ

Радиобиология — относительно молодая наука. Несмотря на обширные экспериментальные данные о биологическом действии ионизирующих излучений, имеющихся сведений еще недоста­ точно для построения сколь-нибудь законченной теории.

На основе обобщения имеющихся данных А. М. Кузин пред­ ложил общую схему развития радиобиологического действия из­ лучения, которая хотя и является гипотетической, но вместе с тем более всего отвечает известным в настоящее время фактам

(рис. 4.1).

Прежде всего подчеркнем, что радиобиологические эффек­ ты — это результат целого комплекса взаимосвязанных и взаи­ мообусловленных изменений, протекающих на молекулярном, надмолекулярном, биоструктурном, физиологическом и генети­ ческом уровнях живой клетки и целого организма. При этом причиной тех или иных изменений, связанных с действием излу­ чения, может быть как прямое действие радиации на различные компоненты биосубстрата, так и косвенное действие через реак­ ции с продуктами радиолиза. Тем не менее можно наметить не­

которую последовательность в развитии процесса биологическо­ го действия радиации.

Согласно схеме А. М. Кузина процесс развития биологиче­ ского действия радиации осуществляется в три стадии.

114

ных соединений субстрата клетки. Установлено, что при погло­ щенной дозе 1000 рад в клетке образуется порядка 106— 107

Рис. 4.1. Схема развития биологического действия ионизирующего из­ лучения по А. М. Кузину.

ионизованных и возбужденных молекул. Примерно 30% этих актов ионизации и возбуждения приходится на органические вещества клетки. На такие процессы расходуется около 80% по­

115

глощенной энергии излучения. В результате процессов иониза­ ции и возбуждения образуются ионы и свободные радикалы во­ ды, неорганических и органических соединений.

Предполагается, что поглощенная при возбуждении энергия может мигрировать по макромолекулам и локально реализовы­ ваться в наиболее «уязвимых» местах. Такими локальными ме­ стами в макромолекулах могут быть SH-группы, в ДНК — хро­ мофорные группы тимина, в липидах — ненасыщенные связи. Итак, физическая стадия — это прямые акты воздействия иони­ зирующих излучений на молекулы, ведущие к образованию ионов и возбужденных молекул, а также продуктов их деструк­ ции, в частности, приводящие к образованию свободных неорга­ нических и органических радикалов.

На второй стадии — химической происходят реакции взаимо­ действия первичных продуктов радиолиза с ненарушенными мо­ лекулами, включая макромолекулы различных биоетруктур. Об­ разуются, в частности, органические перекиси, и протекают ре­ акции окисления, приводящие к появлению множества новых химических соединений, в том числе токсического действия —

радиотоксинов.

Третья стадия развития действия радиации на живую клет­ ку— собственно биологическая стадия. Радиационнохимические превращения в биосубстрате клетки ведут к нарушениям в био­ логической организации клетки. Так, органические высокомоле­ кулярные радикалы, образующиеся в слоях упорядоченно распо­ ложенных белковых молекул в результате взаимодействия мо­ гут «сшиваться», что приводит к нарушению структур биологи­ ческих мембран. Липидные перекиси, образующиеся в мембра­ нах, также нарушают их структуру. Нарушения в биоструктурах приводят к высвобождению из связанного состояния некоторых ферментов. В результате может быть изменена активность фер­ ментов. Десорбция последних нарушает координацию в распо­ ложении и нормальном функционировании сопряженных фер­ ментативных систем. В конечном итоге нарушается нормальная гармония в цепных ферментативных реакциях. Образующиеся свободные гидролитические ферменты путем диффузии через нарушенные мембраны могут проникнуть в другие органеллы клетки и вызвать разложение макромолекул нуклеопротеидов и белков. Предполагается, что нарушение процессов окислительно­ го фосфорилирования происходит в результате выхода ряда фер­ ментов из митохондриальных структур. Следствием этого про­ цесса является, в частности, угнетение синтеза аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), что существенно влияет на большин­

ство биохимических превращений, в том числе и синтез бел­ ков.

В результате нарушений обмена веществ могут образоваться продукты обмена веществ токсического действия, которые так­ же относятся к категории радиотоксинов.

116

Радиационнохимические нарушения происходят во всех ча­ стях и биоструктурах клетки. В результате прямого и косвен­ ного действия ионизирующих излучений возникают изменения и в структурах ядер клеток: в хромосомном аппарате, в ДНК и ДНП. Повреждения ядерных структур можно обнаружить по изменению физико-химических свойств нуклеопротеидных ком­ плексов, что приводит к нарушению согласованного процесса синтеза ДНК— РНК — белок. Проникающие в ядра клеток че­ рез нарушенные мембраны гидролитические ферменты разру­ шают нуклеопротеидный комплекс, ДНК и белки. В результа­ те как прямого, так и косвенного действия ионизирующих излу­ чений происходит разрыв хромосом, появляются хромосомные аберрации и перестройки в ДНК. Следствием этих процессов может быть нарушение процесса клеточного деления, возникно­ вение таких изменений в хромосомном аппарате, которые пере­ даются по наследству — возникают мутации. Таким образом, действие радиации на клетки приводит к нарушениям не только метаболизма и физиологических функций живого организма, но и к генетическим последствиям.

При больших, так называемых летальных дозах ионизирую­ щих излучений нарушения в метаболизме, биоструктурах клетки могут быть настолько значительными, что клетка погибает.

Такова в общих чертах приближенная картина биологическо­ го действия радиации на клетки живого организма.

Еще более сложный характер имеет биологическое действие ионизирующих излучений на целостный многоклеточный живой организм, у которого имеются различные органы со специали­ зированными тканями и функциями. В результате межклеточно­ го обмена регуляторных механизмов радиационные поврежде­ ния в одних клетках или органах могут индуцировать повреж­ дения в других клетках или органах. Вследствие этого может произойти общее расстройство функциональной, физиологиче­ ской деятельности всего организма. Изменение в генеративных, половых органах могут вызвать мутации, появление наследст­ венных изменений в последующих поколениях.

Любые изменения в нормальной жизнедеятельности живого организма, возникающие под действием радиации, называются

радиобиологическими эффектами. К радиобиологическим эффек­ там относятся возникающие под действием радиации изменения в нормальном ходе процессов обмена веществ, функциональные физиологические изменения, наблюдаемые морфологические из­ менения в клетках, морфологические изменения тканей и орга­ нов, появление мутантных форм живых организмов, патологиче­ ские изменения, гибель живого организма и т. д. За тест биоло­ гического действия радиации можно выбрать любой признак, интересующий экспериментатора-радиобиолога. Каждый биоло­ гический признак может иметь количественную характеристику. Мерой, или величиной радиобиологического эффекта является

117

отклонение от нормы (контроля) количественной характеристи­ ки выбранного биологического признака.

Величина избранного радиобиологического эффекта зависит от множества факторов: биологических, видовых и даже инди­ видуальных особенностей живого организма, от вида излучения, дозы и мощности дозы излучения, от внешних условий облу­

чения.

Основная количественная характеристика радиобиологиче­ ского эффекта — дознал кривая—-зависимость радиобиологиче­ ского эффекта от дозы излучения при прочих постоянных усло­ виях облучения живого организма. Для более полного исследо­ вания радиобиологического действия радиации необходимо по­ лучить дозные кривые при вариации всех других факторов, влияющих на радиобиологический эффект. Такое исследование кроме теоретического имеет большое практическое значение, так как позволяет выяснить область доз и условия, при которых ра­ диобиологический эффект практически не проявляется или при которых он имеет заданную, необходимую для практических це­ лей величину.

Величина дозы, при которой радиобиологический эффект на­ чинает проявляться или имеет заданную величину, называется

радиоустойчивостью или радиочувствительностью живого орга­ низма по отношению к действию радиации на данный биологи­ ческий признак.

Развитие радиобиологии диктуется многими практическими причинами. Человечество все больше и больше соприкасается с ионизирующими излучениями, поэтому необходимо выяснить ха­ рактер и масштабы их биологического действия и выработать надежные методы защиты от возможных вредных последствий.

Этими задачами занимаются медицинская радиобиология и ра­ диационная гигиена. Важно также выяснить действие ионизи­ рующих излучений на сельскохозяйственных животных также в целях их защиты от вредного действия радиации. Этими зада­ чами занимается ветеринарная радиобиология. Оказалось, что биологическое действие ионизирующих излучений можно ис­ пользовать в производственной деятельности, и особенно в сель­ скохозяйственном производстве для повышения урожайности сельскохозяйственных культур и улучшения качества сельскохо­ зяйственной продукции, для хранения сельскохозяйственных про­ дуктов и предохранения их от порчи, а также удлинения сро­ ков их хранения, в генетике и селекции сельскохозяйственных культур для получения новых сортов растений с хозяйственно полезными признаками, для борьбы с сельскохозяйственными вредителями. Этими задачами занимается прикладная область радиобиологии — сельскохозяйственная радиобиология.

В дальнейшем изложении с точки зрения биологических по­ следствий мы будем условно различать два типа биологическо­ го1действия радиации: физиологическое и генетическое.

118

ществ, в физиологических функциях живого организма, но эти изменения не передаются по наследству, т. е. они не затраги­ вают генетический (наследственный) аппарат живого организ­ ма. Физиологическое действие радиации называют иногда со­ матическим. Генетическое действие радиации — такое действие, которое приводит к изменениям в генетическом аппарате живо­ го организма, в результате эти изменения передаются по нас­ ледству— появляются формы организмов с новыми признаками.

§ 3. ФИЗИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЙ

Нарушения обмен,а веществ. Шведские ученые Хевеши и Эйлер в 1942 г. с помощью метода меченых атомов установили факт торможения синтеза ДНК под действием рентгеновского излучения. В дальнейшем это явление было подтверждено в опы­ тах на животных, растениях и микроорганизмах. Установлено, что торможение синтеза ДНК в большей степени наблюдается у клеток, испытывающих интенсивное деление. Однако после облучения нормальных ход синтеза ДНК восстанавливается, а в некоторых случаях даже усиливается. Механизм этого явления еще не вскрыт. Предполагается, что нарушение синтеза ДНК связано с изменениями молекулярной структуры нуклеопротеидиого комплекса, причем, возможно, прежде всего с нарушением межмолекулярных связей макромолекулярных цепочек.

Под действием излучений наблюдается нарушение белкового обмена. Например, в опытах на животных установлено, что под действием излучений возникает отрицательный баланс азота: выделяется больше азота, чем поступает в организм с пищей. Это означает, что в организме идет усиленный распад белков, не компенсируемый синтезом. Например, М. Н. Мейсель и сотрудники при облучении дрожжей в дозе 50 000 рад обнару­ жили увеличение количества свободных аминогрупп, причем количество их возрастало с увеличением дозы.

На разных видах живых организмов обнаружено также из­ менение жирового обмена. В опытах на крысах, например, уста­ новлено, что при рентгеновском облучении их ускоряется синтез жирных кислот из уксусной. Под действием излучений у живот­ ных усиливается также синтез многоатомного спирта — холесте­ рина, а у дрожжей — эргостерина. Обнаружены также измене­ ния содержания фосфолипидов, играющих, как известно, важную роль в структуре клеточных мембран.

Действие ионизирующих излучений затрагивает и минераль­ ный обмен. Видимо, вследствие радиационного нарушения кле­ точных мембран изменяется их проницаемость, что ведет к изменению ионного баланса в клеточных структурах. Например,

119