Биологическое действие ионизирующего излучения

В органах и тканях биологических объектов, как и в любой среде, при облучении в результате поглощения энергии идут процессы ионизации и возбуждения атомов. Эти процессы лежат в основе биологического действия излучения. Его мерой служит количество поглощенной в организме энергии [9].

Действие ИИ проявляется на всех уровнях биологической организации (макромолекулы, клетки, ткани, органы, целый организм), вызывает формирование у них ряда специфичных ответных реакций. На клеточном уровне ИИ вызывает различные реакции: от временной задержки деления клеток до их гибели. Повреждения в ядре приводят к инактивации ферментов, синтезу измененных белков, что в свою очередь, может привести к развитию лучевой болезни и преждевременному старению. В результате опосредованного действия ИИ в клетке могут образовываться свободные радикалы (активные формы кислорода и азота), наиболее серьезными эффектами которых являются повреждения генома клетки и хромосомного аппарата [3, 6].

Вскрытие общих закономерностей биологического ответа на воздействие ионизирующих излучений – задача невероятно трудная и прежде всего потому, что, по меткому выражению Н.В. Тимофеева-Ресовского, необходимо понять и преодолеть основной радиобиологический парадокс, состоящий в крайнем несоответствии между ничтожной величиной поглощенной энергии и крайней степенью выраженности реакций биологического объекта, вплоть до летального эффекта. Например, при гамма облучении дозой 9...10 Гр, смертельной для большинства млекопитающих, ткани поглощают ничтожно малую энергию – около 170 кал, т. е. такое количество тепловой энергии, которое передается человеку от выпитого стакана горячего чая, вызывая повышение его температуры тела всего на 0,001 °С.

Оказывается, что если облучать непрерывно какое либо вещество, по плотности соответствующее живым тканям, с интенсивностью, создающей смертельную дозу, в течение часа, то половина его атомов превратится в ионы примерно через 1000 лет [21].

Ионизирующее соединение является типом энергии, соединенной с атомами в виде электромагнитных волн (гамма или рентгеновских лучей) или частиц (нейтроны, бета или альфа). Спонтанное отражение атомов называется радиоактивностью, избыток возникающей при этом энергии является формой ионизирующего излучения. Несколько элементов, созданных при остановке и проведение ионизирующих лучей, называются радионуклидами.

При облучении водных растворов даже чистых химических веществ могут наблюдаться чрезвычайно сложные процессы. Более того, это относится и следующим сложным молекулам – белкам или нуклеиновым кислотам, результатом облучения которых являются различные химические или физико-химические изменения. Так, результатом физического взаимодействия ионизирующего излучения с живыми тканями, в ходе преобразования такового излучения в химическую энергию, в организме наблюдается зарождение активных центров радиационно-химических реакций. В качестве основного прямого результата поглощения энергии излучения любым веществом, в частности биообъектом, выступает ионизация и возбуждение его атомов и молекул. Результатом такового процесса является образование «горячих» (высокоэнергетических) и исключительно реакционных частиц – фрагментов молекул: ионов и свободных радикалов. Впоследствии осуществляется миграция поглощенной энергии посредством макромолекулярных структур и между отдельными молекулами, посредством разрыва химических связей, образования свободных радикалов и реакций между ними и другими, как поврежденными, так и исходными молекулами. В случае этого происходит возникновение молекул нового, зачастую чуждого для организма строения. Причиной таковых эффектов может быть поглощение энергии излучения макромолекулами белков, нуклеопротеидов и внутриклеточных структур.

Процесс образования высокореактивных продуктов из молекул воды, составляющей до 90% клетки, называется радиолизом. Продукты радиолиза воды вступают в реакцию друг с другом и с органическими компонентами клетки, приводя к разрушению их молекул. Таким образом, прямым действием ионизирующего излучения называются изменения в молекулах, происходящие в результате потери или приобретения электрона. Косвенное (непрямое) действие ионизирующего излучения – это изменения в молекулах, которые были вызваны продуктами радиолиза окружающей воды и растворенными низкомолекулярными соединениями.

Результатом облучения ионизирующим излучением в живой ткани происходит поглощение энергии и ионизация молекул облучаемого вещества. В итоге ионизации живых тканей наблюдается возбуждение клеточных молекул, что ведет к разрыву молекулярных связей и изменению химической структуры различных соединений. Это, в свою очередь, приводит к нарушению нормальных биохимических обменных процессов в живых клетках. Воздействие большой дозы ионизирующего излучения может привести к гибели отдельных клеток, органов, а впоследствии и всего организма.