Дві методології радіобіології

Розділи радіобіології

Виділяють дві групи розділів радіобіології.

Перша група об’єднує напрями, що вивчають процеси, індуковані під впливом іонізуючих випромінювань на різних рівнях організації біологічних систем. Це радіаційна біофізика, радіаційна хімія, радіаційна біохімія, радіаційна молекулярна біологія, радіаційна мембранологія, клітинна радіобіологія, радіаційна генетика, радіаційна популяційна генетика.

До другої групи належать розділи, що досліджують радіобіологічні реакції організмів – представників великих таксонів.

Радіаційно-фізичні й радіаційно-хімічні процеси, що відбуваються в будь-яких живих клітинах, дуже подібні одні до одних, бо речовинний склад клітин різних організмів істотно не відрізняється. Тому в момент дії іонізуючого випромінювання в усякій клітині внаслідок поглинання енергії радіації відбуваються близькі за своєю природою радіаційно-хімічні перетворення – переходи молекул у вільно радикальні стани, розриви макромолекул, хімічна модифікація молекул різних речовин. На цьому етапі розвитку радіаційного ураження відмінності радіобіологічного процесу в клітинах різних організмів зумовлені лише неоднаковістю речовинного складу клітин.

Щодо реакції окремих видів на дію іонізуючих випромінювань (спочатку ці реакції за характером близькі до молекулярних ушкоджень), то їх кінцевий прояв істотно залежить від біологічних особливостей структурно-функціональних систем даного виду. Тому реакції організму, що виникають унаслідок променевого ураження й первинна природа яких – молекулярні ушкодження, є тотожними в усіх живих істот. Із переходом на вищі рівні організації процесів ці реакції набувають видоспецифічності. Тому й дістали розвиток розділи радіобіології, що вивчають радіобіологічні реакції представників різних царств живої природи. Так, є радіаційна вірусологія, радіаційна мікробіологія, радіобіологія рослин, радіобіологія тварин.

Радіобіологія межує з науками, які досліджують дію електромагнітних хвиль, інфрачервоних, видимих і ультрафіолетових променів і радіохвиль міліметрового і сантиметрового діапазонів.

Специфіка радіобіології обумовлена великою енергією квантів і частинок (альфа-частинок, електронів, протонів, позитронів, нейтронів тощо), які значно перевищують енергію молекул органічних речовин, а також здатністю частинок проникати в глибину (всередину) об’єкту, діючи на всі його структури.

Радіобіологія досліджує механізми впливу іонізуючого випромінювання на біополімери (нуклеїнові кислоти й білки), надмолекулярні структури (хроматин, біологічні мембрани), віруси, бактеріофаги, клітинні органели, клітини, тканини, органи та цілі організми, а також на угрупування організмів (біоценози) і на всю біосферу.

Радіаційна біофізика розглядає первинні процеси передавання енергії іонізуючого випромінювання атомам і молекулам речовини.

Радіаційна хімія досліджує властивості хімічних форм, що виникають унаслідок взаємодії іонізуючих випромінювань із речовинами, та особливості їх хімічних перетворень

Радіаційна біохімія вивчає зміни в обміні речовин, які спричиняються появою в метаболічних системах клітини продуктів радіаційно-хімічних перетворень.

Радіаційна молекулярна біологія досліджує вплив іонізуючих випромінювань на процеси, в яких беруть участь біологічні макромолекули, передусім ДНК.

Радіаційна мембранологія досліджує механізми впливу іонізуючих випромінювань на стан хімічних компонентів мембран, їхню структурну організацію та виконувані ними функції: транспорт речовин і води, сприймання сигналів, підтримання мембранного біоелектричного потенціалу, біоенергетичні й регуляторні процеси тощо.

Клітинна радіобіологія вивчає вплив іонізуючих випромінювань на клітинні процеси: мітотичні й мейотичні поділи, проходження етапів клітинного циклу, регуляцію онтогенезу клітини та її диференціацію, міжклітинні взаємодії, трансдукцію сигналів, біогенез субклітинних структур, генерацію клітинних потоків.

Радіаційна генетика розглядає механізми радіаційно-індукованих перетворень цитогенетичних структур, досліджує механізми виникнення генетичних, спадкових змін, мутацій унаслідок опромінення клітин, механізми їх збереження або елімінації, припинення, поширення в геномі популяції, роль у формотворенні тощо.

Радіобіологія клітинних популяцій. У будь-якій клітинній популяції окремі клітини тісно взаємодіють, виконуючи притаманні популяції функції. Тому індуковані ушкодження якоїсь клітини можуть спричинити зміни поведінки всієї популяції та її реакцію у відповідь на це порушення. Закономірності проявів таких реакцій і досліджує радіобіологія клітинних популяцій, яка на цьому рівні визначає причини радіаційного ураження багатоклітинних організмів у разі опромінення.

Радіаційна популяційна генетика вивчає механізми реалізації спадкових змін, індукованих опроміненням, у популяціях.

Радіаційна вірусологія досліджує вплив радіації на структуру бактеріофагів і вірусів та їхні властивості.

Радіобіологія мікроорганізмів вивчає фундаментальні механізми дії іонізуючих випромінювань на живі клітини.

Радіобіологія рослин, або радіаційна ботаніка досліджує механізми біологічної дії іонізуючих випромінювань на будь-які молекулярні, клітинні й багатоклітинні структури та притаманні їм метаболічні й фізіологічні процеси.

Радіобіологія тваринних організмів досліджує радіобіологічні реакції в різних видів тварин – представників різних класів.

Врахування кількісних характеристик різних радіобіологічних ефектів дає змогу скласти уявлення про міру небезпеки для людини та інших організмів опромінення в підвищених дозах. Отже, можна визначати дози опромінення, які не справлятимуть негативного впливу на здоров’я людини або стан біоти в екосистемах. Нормування дозових рівнів ґрунтується на аналізі радіобіологічних реакцій організмів.

Радіоекологія досліджує розподіл, міграцію та кругообіг радіоактивних речовин в екосистемах та в біосфері в цілому, а також вплив іонізуючого випромінювання, зумовленого наявністю радіоактивних речовин у довкіллі, на біогеоценози. Радіоекологію розглядають і як розділ радіобіології, і як цілком самостійну науку, що сформувалася на стику екології й радіобіології.

Дві методології радіобіології

Одна з цих методологій полягає в тому, що аналітичними виразами дозових залежностей виживаності клітин або дозових залежностей інактивації макромолекул, бактеріофагів чи вірусів формуються уявлення про можливі механізми променевого ураження клітини.

Інша методологія базувалася на врахуванні конкретних даних спостережень за фізіологічним станом, біохімічними й біофізичними змінами в експериментально опромінених організмів – тварин, рослин, мікроорганізмів. Такий методологічний підхід зумовив формування тлумачень механізмів дії опромінення на підставі знань про біохімічні й фізіологічні явища.

 

Дослідження в радіобіології спочатку зводились до постановки гіпотез і логічного (а не експериментального) їх обґрунтування. Цей метод у науці одержав назву “чорного ящика”. Потім він переростав у метод “проб і помилок”. Хоча паралельно з цим методом вже на початку ХХ століття зароджується і експериментальний метод. Так, у 1906 році французькі вчені досліджують репродуктивну функцію опромінених щурів.

Основні методи дослідження в радіобіології пов’язані з кількісним співставленням дози, часу і площі опромінення.

У радіобіології широко застосовується метод безперервного моніторингу за навколишнім середовищем, біосферою, світом рослин і тварин, ґрунтом і водоймами тощо. Широко застосовуються фізичні, хімічні, біологічні та комплексні методи дослідження. Окрім того, постійно використовуються такі методи, як ізотопних індикаторів, груп (контрольної-дослідної), радіометрії (абсолютний, розрахунковий, відносний, експрес-метод), авторадіографії, експрес-аналіз, телеметрії, комп’ютерної обробки, біометрії, індукованого мутагенезу. Досить часто застосовують логічно-віртуально-символічний та метод моделювання, тобто створюються логічні імітаційні схеми та моделі, які є дуже близькі до реальних. За певних умов і поставленої задачі дослідження застосовують цитологічні, гістологічні, фізіологічні і морфологічні та інші методи. Для визначення механізмів радіаційно-хімічних реакцій застосовують методи досліджень, які дозволяють виявлення первинних хімічних форм, що виникають внаслідок поглинання енергії іонізуючих випромінювань, а також дають змогу вивчати природу вільно радикальних станів молекул, реєструвати проміжні продукти радіаційно-хімічних перетворень із дуже коротким періодом існування, кількісно оцінювати кінетику швидкоплинних реакцій. Найчастіше використовують методи спектроскопії, імпульсного фотолізу (радіолізу) тощо.

У рабіобіології і інших галузях науки широко застосовується метод ізотопних індикаторів (мічених атомів). Ізотопні індикатори – це ізотопи, які за масою відрізняються від атомів елементу, можуть бути використані в якості індикатора при вивченні різноманітних процесів його розподілу, переміщення і перетворення у складі різних речовин у різноманітних складних системах, у тому числі живих організмах. Серед ізотопних індикаторів розрізняють стабільні і радіоактивні природні та штучні ізотопи. Чутливість методу ізотопних індикаторів дуже висока і значно перевищує чутливість інших фізичних і хімічних методів. У біологічних, фізіологічних, агротехнічних дослідженнях рослин і тварин частіше використовують стабільні ізотопи 2Н, C, 15N, 18O та радіоактивні –3Н, 14С, 32P, 35S, 45Са.

Методом ізотопних індикаторів вивчають переміщення, трофічні ланцюги і розподіл в організмі, роль у метаболічних процесах тих чи інших речовин й елементів. 

Метод ізотопних індикаторів базується на двох основних положеннях:

а) хімічні властивості різних ізотопів одного елементу практично однакові, тому їх поведінка в процесах, що вивчаються, не відрізняється від поведінки інших атомів того ж елементу;

б) радіоактивні ізотопи повинні використовуватись у таких дозах, котрі не повинні здійснювати біологічної дії на організми, які вивчають.

Використання в дослідженнях радіоактивних ізотопів вимагає дотримання техніки безпеки, постійно здійснювати контроль рівня радіаційного забруднення в лабораторіях, де проводяться такі дослідження.

Дослідження надходження до рослини радіаційного ізотопу проводять за такою схемою:

1) вирощування рослини;

2) приготування поживного розчину з міченою сполукою;

3) введення міченої сполуки до організму рослини;

4) відбір проб рослинного матеріалу і підготовка їх до радіометричного аналізу;

5) аналіз результатів вимірювання.

Важливою властивістю і перевагою радіоактивних ізотопів у порівнянні зі стабільними є їх здатність залишати слід на фотоматеріалах. Ця властивість широко використовується для вивчення локалізації в окремих органах, тканинах, клітинах мічених сполук і покладена в основу авторадіографії.  

Авторадіографія – це метод вивчення розподілу радіоактивних речовин у об’єкті, що досліджують. Більш темні плями на фотоматеріалі (плівці, папері, склі) свідчать про вищий рівень іонізації, менш темні – менший рівень іонізації, а світлі – вказують на відсутність іонізації. Це одержало назву авторадіограми (радіоавтографу), тобто, фотографічного зображення розподілу радіоактивних речовин у об’єкті, що досліджується. А слід, полосу, що залишає іонізація на фотоматеріалі називають “трек”. Розрізняють макроавторадіографію та мікроавторадіографію. Мікроавторадіографія вимагає готувати фіксовані препарати окремих органів.

У біології, медицині і ветеринарній медицині використовуються методи in vitro застосування радіоізотопів, коли вони не вводяться в організм. Зокрема, метод in vitro застосовують в ендокринології, і імунології, ікробіології, фармакології.

Так радіоімунологічний аналіз дозволяє швидко і надійно визначати в біологічних рідинах і екстрактах з тканин вміст гормонів, ферментів, рецепторних білків, а також лікарські препарати. З його допомогою можна визначати нанограмові, а іноді пікограмові кількості речовини. 

Застосування радіоактивних ізотопів у якості індикаторів (мічених атомів) дозволяє досліджувати речовини в дуже малих кількостях, які не здійснюють впливу на нормальне протікання процесів життєдіяльності. Радіоактивні ізотопи дозволили вивчати переміщення окремих атомів і молекул, іонів серед собі подібних, без порушення нормальної життєдіяльності організму. Цей метод дозволяє вивчати динамічний стан процесів обміну в живому організмі, взаємоперетворення багатьох речовин, розпад і синтез, оновлення хімічних сполук живих клітин., оновлення складових частин тканин і органів. Метод мічених атомів відіграв особливе значення у розвитку молекулярної біології.

У радіобіології використовують сцинтиляційний метод, наприклад, β-спектрометр сцинтиляційний застосовують для визначення 90Sr. Цей метод виключає трудомісткі операції хімічного виділення 90Sr, не потребує використання будь-яких хімічних реактивів та тривалої підготовки перед вимірюванням. Методи дослідження, що застосовуються в радіобіології дозволяють одержувати вірогідні дані про радіобіологічні ефекти, фізичну, хімічну і біологічну дію радіації на живі системи.

 

Контрольні запитання до теми

1. Визначення радіобіології як науки.

2. Місце радіобіології серед суміжних наук.

3. Основні напрями радіобіології.

4. Головна задача радіобіології.

5. Відкриття в області фізики, що дали початок розвитку радіобіології.

6. Етапи розвитку радіобіології.

7. Внесок вітчизняних вчених у розвиток радіобіології.

8. Сучасні проблеми радіобіології.

9. Теоретичне і практичне значення радіобіології.

10. Необхідність широкої пропаганди радіобіологічних знань.

11. Перспективи розвитку радіобіології.

 

 

 

 

Рекомендована література

 

1. Белов А.Д., Косенко А.С., Пак В.В., Лысенко Н.П., Рогожина Л.В. Практикум по ветеринарной радиобиологии. - М.: Агропромиздат, 1988. – 240 с.

2. Гудков І.М., Віннічук М.М. Сільськогосподарська радіобіологія. - Житомир: ДАУ, 2003. – 472 с.

3. Гудков І.М., Ткаченко Г.М. Основи сільськогосподарської радіобіології та радіоекології. – К.: Вища школа, 1993. – 257 с.

4. Гудков И.Н., Ткаченко Г.М., Кицно В.Е., Практикум по сельскохозяйственной радиобиологии. - К.: УСХА, 1992. - 207 с.

5. Довідник для радіологічних служб Мінсільгосппроду України. – К.: Вид-во “Нора-прінт”, 1997. – 200 с.

6. Ильин Л.А., Кириллов В.Ф., Коренков И.П. Радиационная гигиена. – М.: Медицина, 1999. – 380 с. или Кириллов В.Ф., В.А.Книжников, И.П.Куренков. Радиационная гигиена. - М.: Медицина, 1988. - 336 с.

7. Козлов В.Ф. Справочник по радиационной безопасности. - М.: Энергоатомиздат, 1987. – 192 с.