Биологический каталог




Радиационная биофизика

Автор А.Б.Рубин, О.Р.Кольс, Т.Е.Кренделева и др.

Радиационная биофизика — научная дисциплина, изучающая молекулярные механизмы биологического действия ионизирующих и неионизирующих излучений, выясняющая последовательность явлений, начиная от поглощения энергии радиации отдельными молекулами до сложных биологических нарушений в клетке и организме. Радиационная биофизика исследует фактически весь спектр электромагнитных излучений (ЭМИ) — от гамма-лучей до низкочастотных радиоволн.

Известно, что в зависимости от энергии, ЭМИ подразделяются на ионизирующие и неионизирующие излучения, а условной границей между ними принята энергия кванта в 12 эВ («потенциал ионизации» или «энергия ионизации»), соответствующая длине волны около 100 нм — вблизи границы рентгеновского и ультрафиолетового излучений. Таким образом, к ионизирующим ЭМИ относят гамма- и рентгеновское излучения, а к неионизирующим — более низкочастотные (и, соответственно, более длинноволновые): ультрафиолетовое, видимый свет, инфракрасное и радиочастотные излучения. В зависимости от длины волны (частоты) излучения, а, следовательно, и энергии кванта, существенно меняется проникающая способность и характер взаимодействия ЭМИ с веществом (биологическими структурами, молекулами).

Ионизирующие электромагнитные излучения — это наиболее проникающие, коротковолновые, высокочастотные излучения, кванты которого несут огромную энергию, достигающую многих тысяч и миллионов электрон-вольт. В более широком понятии ионизирующие излучения — это не только электромагнитные рентгеновские и гамма-излучения, но и корпускулярные излучения высоких энергий. К ним относят заряженные частицы — β-частицы (электроны и позитроны), ядра атомов водорода (протоны), дейтерия (дейтроны), гелия (α-частицы) и других элементов и ядерные частицы, не имеющие зарядов — нейтроны, а также многие нестабильные частицы, например, π + , π — и π 0 мезоны и др. Все эти виды излучения при действии на молекулы могут прямо или косвенно вызывать ионизацию и образование активных радикалов, способных инициировать окислительные свободнорадикальные процессы в клетках и организме.

Неионизирующие излучения (оптический спектр и радиочастотные излучения) из-за присущей им низкой энергии не способны к ионизации молекул; они также лишены высокой проникающей способности. При взаимодействии с живыми объектами неионизирующие излучения способны к тепловому и так называемым нетепловым механизмам передачи энергии веществу.

Конечный эффект облучения живых объектов проявляется как в разрушении молекулярных и клеточных структур под действием больших доз радиации, так и в разнонаправленных (повреждающих и стимулирующих) структурно-функциональных изменениях при хронических и низкоинтенсивных воздействиях.

Исходя из специфики общего биологического действия разных типов излучений оформились научные дисциплины, тесно связанные с радиационной биофизикой. Это радиационная биология, исследующая эффекты ионизирующих излучений; фотобиология, предметом изучения которой являются исследования действия излучений оптического диапазона; радиобиология радиочастотных ЭМИ (часто в исследованиях радиочастот выделяют еще и микроволновое электромагнитное излучение). С биофизикой фотобиологических процессов вы уже познакомились в предыдущем разделе.

Различные виды электромагнитных и корпускулярных излучений — важнейший инструмент познания живой материи. Современная биология немыслима без методов радиационной биофизики: рентгеноструктурного анализа, ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной спектроскопии, радиоспектроскопии, лучевой ультрамикрометрии, световой, а также сканирующей атомной, электронной и протонной микроскопии, широкого использования радиоактивных изотопов.

Исключительно важное значение приобретает сегодня использование нанобиотехнологии для изучения характера воздействия излучений с биологическими структурами на атомном уровне. Хорошо известно, что многие наиболее впечатляющие успехи в познании структуры и свойств живой материи достигнуты благодаря широкому внедрению методов исследований радиационной биофизики. Такие исследования требуют комплексного подхода, основанного, с одной стороны, на учете физических принципов передачи энергии излучений, их дискретной природы и характера взаимодействия с атомами и молекулами биологических структур, а с другой — на знании уникальных особенностей структурной и функциональной организации живого.

Актуальность исследований биологического действия излучений продиктована многими научными и социальными задачами. Известно, например, что все живое постоянно подвергается действию природных излучений — естественного электромагнитного фона. Так, природный фон ионизирующих излучений, состоящий из космической радиации и излучений радиоактивных элементов, залегающих в поверхностных слоях земной коры и входящих в состав самих живых организмов и их продуктов питания, не представляет опасности для жизнедеятельности. Однако, в связи с техногенной деятельностью человека, например, ядерными взрывами и авариями на АЭС и атомных промышленных предприятиях, радиационный фон во многих регионах нашей планеты значительно возрос. Если учитывать возможное внешнее действие возрастающего техногенного фона ионизирующих излучений и радионуклидов, в сочетании с другими загрязнениями среды, например, химическими, то такие условия могут существенно влиять на экологию биоты и состояние здоровья и жизни человека. Все это привело к необходимости углубленных исследований в области радиоэкологии.

В исследованиях неионизирующих излучений весьма актуальной является оценка электромагнитного загрязнения среды, которая, в связи с появлением искусственных источников ЭМИ, возросла в последние десятилетия во много тысяч раз (!) и может оказаться вредной для жизнедеятельности организмов. Установление норм безопасных уровней облучений — важнейшая задача радиоэкологии.

Наряду с отрицательным влиянием ЭМИ, хорошо известно их применение и на пользу человека — широкое использование ионизирующих и неионизирующих ЭМИ в медицинской практике в качестве диагностических и терапевтических средств при многочисленных заболеваниях. Применение и дальнейшие разработки радиационной терапии невозможны без глубоких знаний в области радиационной биофизики всего спектра ЭМИ — механизмов взаимодействия излучений с веществом и последующих изменений в клетках, тканях и организме в целом.

Современное состояние радиационной биофизики показывает, что это — комплексная фундаментальная наука. Она требует объединенных усилий не только радиобиологов и биофизиков, но также физиков, химиков, математиков, представителей буквально всех классических биологических и медицинских направлений. В связи с этим в настоящее время развиваются такие прикладные направления, как радиационная экология и генетика, радиационная биохимия и цитология, радиационная медицина и гигиена и др. В их ряду радиационная биофизика заняла ведущее место, т.к. ее основная задача — выяснение фундаментальных физико-химических и молекулярных механизмов первичных процессов лучевых изменений, протекающих с момента возникновения поглотивших энергию электромагнитных излучений атомов и молекул до появления видимых структурных и функциональных изменений в живой системе на разных уровнях ее организации. Для решения такой задачи необходим углубленный анализ процессов, происходящих на каждом этапе «размена энергии» исследуемого излучения в живой системе, описание этих этапов в терминах молекулярных изменений и создание единой картины, отражающей всю последовательность реакций, приводящих, в зависимости от типа воздействующего излучения и дозы облучения, к закономерным изменениям: повреждениям при остром облучении, нарушениям и стимуляции (т.н. эффект гормезиса) биологических процессов при малых дозах и хронических облучениях.

Следует отметить, что, несмотря на вековой опыт радиационных исследований и, безусловно, большие достижения в этой области науки, все еще недостаточно изучена проблема химической профилактики и защиты от поражающего (повреждающего) и вредного действия ЭМИ. Пожалуй, это самая главная проблема исследований в перспективе, и ее предстоит решать при дальнейшем изучении механизмов действия ЭМИ на разных уровнях организации живого.


[каталог]  [статьи]  [доска объявлений]  [обратная связь]

п»ї
Rambler's Top100 Химический каталог

Copyright © 2009
(25.05.2017)