Влияние ионизирующих излучений на органы выделения животных

СОДЕРЖАНИЕ

ПРОЦЕССЫ, СВЯЗАННЫЕ С ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ ЭЛЕКТРОНА В АТОМЕ: ИОНИЗАЦИЯ, ИЗЛУЧЕНИЕ, ВОЗБУЖДЕНИЕ И РЕКОМБИНАЦИЯ 3

ТЕОРИИ, ОБЪЯСНЯЮЩИЕ ПРЯМОЕ И КОСВЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ РАДИАЦИИ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ. ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕМПЕРАТУРНОГО И КИСЛОРОДНОГО ЭФФЕКТОВ. ПРАВИЛО БЕРГОНЬЕ И ТРИБОДНО И ИСКЛЮЧЕНИЯ ИЗ НЕГО.. 6

ВЛИЯНИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОРГАНЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ЖИВОТНЫХ.. 10

65. АКТИВНОСТЬ УГЛЕРОДА-14 НА 1 ЯНВАРЯ 2002 Г. СОСТАВЛЯЛА 10 МКИ. Т1/2 = 55,68 ГОДА. ОПРЕДЕЛИТЬ ЕГО АКТИВНОСТЬ НА 1 ЯНВАРЯ 2012 Г. 12

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ... 13

 

 

ПРОЦЕССЫ, СВЯЗАННЫЕ С ПЕРЕМЕЩЕНИЕМ ЭЛЕКТРОНА В АТОМЕ: ИОНИЗАЦИЯ, ИЗЛУЧЕНИЕ, ВОЗБУЖДЕНИЕ И РЕКОМБИНАЦИЯ

Атом любого вещества можно разбить на элементарные частицы (электроны, протоны, нейтроны, мезоны, нейтрино и ряд др.), каждая из которых также многообразна как атом. Нас интересуют прежде всего только относительно стабильные частицы входящие в состав ядра (протоны и нейтроны) и электроны.

Электронная оболочка состоит из одного или нескольких энергетических слоев. Число электронов в каждом слое строго определенное. Электрон – это стабильная элементарная частица, обладающая электрическим зарядом (–) – это наименьшее количество электричества, встречающееся в природе. Поэтому заряд электрона принят за единицу. Суммарное количество электронов в атоме всегда равно количеству протонов в ядре, вследствие чего атом всегда нейтрален.

Для того, чтобы понять механизм трансформации возникновения энергии при перемещениях электрона необходимо знать постулаты Бора. Постулаты Бора заключаются в следующем: электрон может двигаться вокруг не по любым орбитам, а только по таким, которые удовлетворяют определенными условиям, вытекающим из теории квантов. Эти орбиты получили название устойчивых, стационарных или квантовых орбит. Когда электрон движется по одной из возможных для него устойчивых орбит, то он не излучает электромагнитной энергии. Переход электрона с удаленной орбиты на более близкую сопровождается потерей энергии. Потерянная атомом при каждом переходе энергия превращается в один квант лучистой энергии. Чем больше расстояние от орбиты, на которой находится электрон, до той, на которую он переходит, тем больше частота излучения.

Число электронов, вращающихся вокруг ядра атома, соответствует порядковому номеру элемента в периодической системе. Электроны расположены по слоям, т.е. каждому слою принадлежит определенное заполняющее или как бы насыщающее его число электронов. Электроны одного и того же слоя характеризуются почти одинаковым запасом энергии, т.е. находятся примерно на одинаковом энергетическом уровне. Вся оболочка атома распадается на несколько энергетических уровней. Электроны наружного слоя, как наиболее удаленные от ядра и, следовательно, наименее прочно связанные с ядром, могут отрываться от атома и присоединяться к другим атомам, входя в состав наружного слоя последних. Атомы, лишившиеся одного или нескольких электронов, становятся положительно заряженными ионами, так как заряд ядра атома превышает сумму зарядов оставшихся электронов.

Под воздействием дополнительной внешней энергии (ионизирующего излучения) электроны могут переходить из одного слоя в другой или покидать пределы атома. Так если внешнее воздействие будет слабее энергии связи электрона с ядром атома, то электрон лишь перейдет с одного уровня на другой. Атом останется нейтральным, но будет обладать избытком энергии. Такие атомы называются возбужденными, а переход электронов на другой слой, более отдаленный от ядра процессом возбуждения. Поскольку в природе любая система стремится перейти в состояние с наименьшим уровнем энергии и все стремится к равновесию, то атом из возбужденного состояния возвращается в первичное, при этом выделяется энергия в виде рентгеновского электромагнитного излучения с длинной волны, зависящей от того с какого уровня перешел электрон. Так при переходе электрона во внешних слоях мы будем наблюдать излучение фотонов видимого и УФ диапазона, выделение энергии в оптическом спектре (фотоэффект). Переходы электронов на ближайшую к ядру орбиталь, во внутренних слоях сопровождаются характеристическим рентгеновским излучением, при этом, чем выше энергия связи вышедшего электрона с ядром, тем более жестким будет рентгеновское излучение.

При сильных внешних воздействиях атом теряет или присоединяет электрон, при этом образуется пара ионов. В радиобиологии отрицательный ион — это почти всегда электрон. Процесс образования пар ионов называют ионизацией. Как правило, атом покидает один из электронов внешнего внутреннего слоя. На его место перемещаются электроны с внешних энергетических слоев. 

Ионы взаимодействуют преимущественно с ионами противоположного заряда. Так, свободное место на орбите положительного иона заполняется электроном, и атом вновь становится нейтральной системой. Этот процесс называется рекомбинацией ионов, при этом происходит выделение энергии примерно равное количеству энергии, затраченному на процесс ионизации.

 

ТЕОРИИ, ОБЪЯСНЯЮЩИЕ ПРЯМОЕ И КОСВЕННОЕ ДЕЙСТВИЕ РАДИАЦИИ НА БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОБЪЕКТЫ. ХАРАКТЕРИСТИКА ТЕМПЕРАТУРНОГО И КИСЛОРОДНОГО ЭФФЕКТОВ. ПРАВИЛО БЕРГОНЬЕ И ТРИБОДНО И ИСКЛЮЧЕНИЯ ИЗ НЕГО

Первичные радиобиологические процессы включают в себя прямое и косвенное действие излучения, а также действие радиотоксинов.

Прямое действие – это непосредственное действие излучения на биологический объект, обусловленное ионизацией и возбуждением входящих в него атомов.

Косвенное действие осуществляется продуктами радиолиза воды, входящей во все живые системы. Косвенное действие ионизирующего излучения связано с образованием свободных радикалов.

Прямое действие излучения в широком смысле слова - возникновение повреждения в той же молекуле, на которой произошла адсорбция энергии излучения. Это сложная последовательность событий, происходящих в макромолекуле от момента передачи энергии излучения до появления стойких структурных и функциональных изменений. Прямое действие включает в себя поглощение энергии (ионизацию, возбуждение и сверхвозбуждение), процессы переноса энергии и образование стабильных пораженных молекул.

При косвенном (непрямом) действии излучения поглощение энергии и ответная реакция наблюдаются в разных молекулах. Непрямое действие считают обусловленным влиянием свободных радикалов, индуцируемых излучением в непосредственной близости от рассматриваемой молекулы.

Теория мишени и попаданий (Дессауэр, Кроутер, Циммер, Ли и другие) объясняла наличие в клетке жизненно важного центра (гена или нескольких генов) – мишени, попадания в которую одной или нескольких высокоэнергетических частиц атомной радиации достаточно для разрушения и гибели клетки. Попадание в мишень – вероятностное событие и чем больше доза, тем оно вероятнее, а чем меньше доза, тем оно менее вероятно, но по закону случайности попадания оно всегда возможно. В основе теории лежат два положения: принцип попадания (особенность действующего агента – излучения) и принцип мишени (особенность облучаемого агента – клетки). Однако эта теория не объясняет зависимости радиобиологического эффекта от температуры и наличия в облучаемой среде кислорода – при понижении температуры и снижении концентрации кислорода в среде уменьшается гибель клеток. Теория мишени и попаданий может быть справедлива только в отдельных случаях – при инактивации бактерий, вирусов и одноклеточных организмов и при мутации.

Стохастическая (вероятностная) теория (конец 60-х годов О. Хут и А. Келлер) учитывает вероятностный характер попадания излучения в чувствительный объем клетки и состояние клетки как биологического объекта, лабильной динамической системы. Клетка постоянно находится в стадии перехода из одного состояния в другое посредством митоза и на каждой стадии деления существует вероятность повреждения клетки радиационным фактором. Излучение влияет на все фазы и стадии клеточного цикла, однако радиочувствительность клетки в различные стадии митоза неодинакова: наибольшую чувствительность к ионизирующему излучению клетка имеет в стадии профазы, т.е. в начале деления – облучение тормозит завершение деления, при этом легко наступает нарушение структуры хроматинового вещества, и клетка может погибнуть. Облучение в период интерфазы делает невозможным наступление нового деления. В клетке наибольшая поражаемость принадлежит ядру. Стохастическая теория является более биологической по сравнению с теорией мишени и попадания, но не объясняет некоторые эффекты, в частности эффект разведения – с увеличением концентрации вещества количество инактивированных под действием облучения молекул не возрастает согласно принципу мишени, значит существует косвенное действие радиации.

Кислородный эффект в радиобиологии – это явление усиления повреждающего действия ионизирующего излучения при наличии в среде кислорода во время облучения. В 1912 г. в Германии H. Swartz обратил внимание на то, что реакция кожи на облучение уменьшается, если тубус рентгеновской трубки или радиевый аппликатор плотно прижаты к коже. Позднее выяснилось, что это уменьшение лучевой реакции кожи обусловлено прекращением кровотока и, следовательно, пониженным содержанием кислорода в этих участках кожи.

Кислородный эффект – это защитное действие пониженного содержания кислорода (гипоксии) при облучении живых организмов ионизирующей радиацией. Он проявляется у всех биологических объектов (микроорганизмы, растения, животные) и на всех уровнях их организации (субклеточном, клеточном, тканевом, органном и организменном), значительно ослабляя все радиобиологические реакции (биохимические нарушения, мутации, угнетение роста и развития) и повышая выживаемость облученных организмов. Механизм защитного действия гипоксии объясняется тем, что при облучении в присутствии кислорода образуются перекисные радикалы, усиливающие действие излучений на жизненно важные макромолекулы и структуры клеток и (или) ослабляющие эффективность внутриклеточных защитных веществ. Величина К. э. зависит главным образом от вида радиации и условий облучения. Наибольший кислородный эффект наблюдается при действии рентгеновских лучей и гамма-лучей; с ростом плотности ионизации он уменьшается, а при действии наиболее плотно ионизирующих излучений (например, альфа-лучей) практически отсутствует.

В нормально обводненных активно жизнедеятельных биологических объектах ослабление лучевого поражения имеет место только при применении гипоксии во время облучения, в сухих объектах (покоящиеся семена растений, споры бактерий) — и при гипоксии после облучения, во время перехода облученных объектов к активной жизнедеятельности (например, при проращивании семян). К. э. находит применение в лучевой терапии: повышая содержание кислорода в опухоли и создавая гипоксические условия в окружающих тканях, можно усиливать лучевое поражение опухолевых клеток, одновременно уменьшая повреждение здоровых тканей.

Температурный эффект состоит в том, что при понижении температуры тела повышается сопротивляемость организма к действию ионизирующего излучения, а повышение температуры тканей повышает их радиочувствительность. В некоторых случаях понижение температуры ведёт лишь к отсрочке наступления радиационного воздействия. Определённую роль в температурном эффекте играет кислород и зависимость митоза от температуры.

Правило Бергонье и Трибондо – это закон согласно которому, клетки являются радиочувствительными в том случае, если они обладают высокой митотической активностью, способные в норме к большому количеству делений, морфологические и функциональные не дифференцированны. Следовательно, радиочувствительность ткани прямо пропорциональна пролиферативной активности и обратно пропорциональна степени дифференцированности составляющих клеток, из которых она состоит. Из этого закона следует, что активно делящиеся ткани являются радио чувствительными, а не делящиеся радиорезистентными. Эта закономерность была впервые сформулирована об И. Бергонье и Л. Трибондо на основе изучения реакции клеток семенников крыс на облучение. Исключение из закона – это ооциты и лимфоциты, которые не делятся, но являются тем не менее весьма радиочувствительными клетками.

 

ВЛИЯНИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОРГАНЫ ВЫДЕЛЕНИЯ ЖИВОТНЫХ

Особенностью радиационного воздействия является то, что на организм действует особый вид энергии (гамма-лучи, альфа, бета- частицы, нейтроны), способной ионизировать и возбуждать атомы и молекулы организма вследствие чего они приобретают большую биохимическую активность.

Итак, при воздействии на организм ИИ происходит:

- поглощение энергии ИИ атомами и молекулами биообъекта, в результате они претерпевают возбуждение или ионизацию;

- в клетках организма происходят радиационно-химические процессы, при которых образуются свободные радикалы, взаимодействующие с органическими и неорганическими веществами по типу окислительных и восстановительных реакций;

- в результате биохимических реакций происходят изменения функций и структур органов и систем организма.

Почки относят к радиочувствительным органам. Пороговая доза при локальном облучении почек составляет 3–5 кР. При острой лучевой болезни во всех случаях отмечается поражение почек и мочевыводящих путей – кровоизлияния различной интенсивности, застойные явления и дегенеративно-дистрофические изменения. Наиболее показательным признаком поражения при острой лучевой болезни является изменение функции канальцев, в результате чего изменяется диурез. Последствием лучевого поражения почек может быть нефросклероз, морфологические и функциональные нарушения мочевого пузыря.

Эксперименты Т. Филлипса на мышах показали, что при локальном облучении в области почек, LD_50/180 составила 24 Гр. Через 16 месяцев этот показатель снизился до 13 Гр. При этом в канальцах и клубочках выявляются дегенеративные изменения, приводящие к почечной недостаточности. Поэтому, при лучевой терапии опухолей брюшной полости, поражение почек является лимитирующим фактором.

По некоторым данным, облучение обеих почек в течение 5 недель в дозах выше 30 Гр, может вызвать необратимый хронический нефрит, приводящий к летальному исходу.

По чувствительности к ИИ различают два типа клеток и тканей: а) радиочувствительные /делящиеся клетки и малодифференцированные ткани/ - кроветворные клетки костного мозга, зародышевые клетки семенников, кишечный и кожный эпителий; б) радиорезистентные /неделящиеся клетки и дифференцированные ткани/ - мозг, мышцы, печень, почки, хрящи, связки. Исключение составляют лимфоциты, которые несмотря на их дифференцированность и неспособность к делению, обладают высокой чувствительностью к ИИ. В тоже время ткани радиорезистентные к непосредственному действию ИИ оказываются весьма уязвимыми в отношении отдаленных последствий.

По степени чувствительности к ИИ (в убывающем порядке) ткани располагаются в следующей очерёдности: лимфоидная ткань, кроветворная ткань, эпителиальная ткань /гонады, ЖКТ/, покровный эпителий кожи, эндотелий сосудов, хрящ, кость, нервная ткань. Наиболее радиочувствительными клетки оказываются во время митоза. Жизненно важные органы или системы с высокой радиочувствительностью, которые первыми выходят из строя в исследуемом диапазоне доз, что обуславливает гибель организма в определённые сроки после облучения, называются критическими. К ним относятся: красный костный мозг, гонады, хрусталик, эпителий слизистых оболочек и кожи.

 

65. АКТИВНОСТЬ УГЛЕРОДА-14 НА 1 ЯНВАРЯ 2002 Г. СОСТАВЛЯЛА 10 МКИ. Т1/2 = 55,68 ГОДА. ОПРЕДЕЛИТЬ ЕГО АКТИВНОСТЬ НА 1 ЯНВАРЯ 2012 Г

Дано: А₀ (С¹⁴) = 10мКи

Т_1/2 = 55,68 лет

t = 10лет

Аt= А₀ е ^{-0,693t: Т}

At = 10 · 2,72^{-0,693х 10: 55,8} = 10 · 2,72 ^–0,124 = 0,88 мКи

Ответ: Активность С¹⁴ на 1 января 2012 года составляет 0,88 мКи.