Первичные механизмы действия физических факторов на клетки

В настоящее время в связи с развитием науки и техники большое значение имеет изучение действия различных физических факторов на клетки. В данной главе рассматривается действие ионизирующей радиации и ультразвука на клетки.

Изучение действия ультразвука вызвано тем, что он все шире применяется в медицине для диагностики и терапии.

Изучение действия ионизирующей радиации на организмы обусловлено рядом причин: созданием ядерного оружия, одним из поражающих факторов которого является ионизирующая радиация; использованием ядерной энергии в промышленности; выходом человека в космос, где радиоактивное излучение более интенсивно, чем фоновое излучение на Земле. Наличие указанных факторов обусловливает необходимость разработки методов защиты организмов от поражающего действия радиоактивных излучений, что в свою очередь требует выяснения механизмов действия излучений на организмы. С другой стороны, изучение действия ионизирующих излучений на организмы необходимо для дальнейшего развития методов рентгено- и радиотерапии, а также применения ионизирующих излучений в генетике и селекции.

ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩЕЙ РАДИАЦИИ НА КЛЕТКИ

Виды ионизирующей радиации •

Ионизирующее излучение по своей природе делится на электромагнитное и корпускулярное излучение. К электромагнитному ионизирующему излучению относятся рентгеновские и γ-лучи. Они занимают крайнее место в спектре электромагнитных волн вслед за радиоволнами, инфракрасными лучами, видимым светом и ультрафиолетовыми лучами.*Длина волны рентгеновских и γ-лучей меньше 1 нм и значительно меньше длины вол-

231

ны видимого света. Так, длина волны рентгеновских лучей, испускаемых диагностическим рентгеновским аппаратом, в 10 000 раз, а γ-лучей, испускаемых ⁶⁰СО, примерно в 450 000 раз меньше длины волны фиолетового света.

Энергия фотонов Е рентгеновского излучения и γ-излучения определяется по формуле:

где h — постоянная Планка; γ— частота излучения; с — скорость света; λ— длина волны излучения.

Так как длина волны рентгеновских лучей и γ-лучей меньше длины волны видимого света, то энергия их фотонов больше энергии фотонов видимого света. Так, энергия фотонов фиолетового света равна 3 эВ, энергия фотонов рентгеновских лучей для диагностики — 30 кэВ, а энергия γ-квантов ⁶⁰СО равна 1,16 и 1,33 МэВ.

1 эВ — это энергия, которую приобретает электрон, проходя электрическое поле с разностью потенциалов в 1 В. 1 эВ=1,6^-12 эрг; 1 кэВ = 10³ эВ; 1 МэВ=10⁶ эВ. Энергия рентгеновских квантов и γ-квантов может изменяться от десятков кэВ до нескольких МэВ в зависимости от длины волны.

Рентгеновские лучи возникают при радиоактивном распаде веществ. Для искусственного получения рентгеновских лучей используются рентгеновские трубки. В них электроны, испускаемые при разогреве катода, ускоряются в электрическом поле, создаваемом приложенным к аноду высоким напряжением. Электроны приближаются к атомам металла, из которого изготовлен анод, и испытывают резкое торможение. Кинетическая энергия электронов при этом превращается в энергию излучения атомов анода. В соответствии с законом сохранения энергии максимальное значение энергии фотонов не превышает приложенного напряжения, но может иметь любое значение ниже его. Фотоны рентгеновских лучей очень высокой энергии получают при помощи ускорителей ядерных частиц — бетатронов.

γ-Кванты испускаются возбужденными атомными ядрами в ходе ядерных реакций. Ядро, так же как и атом, представляет собой квантово-механическую систему с дискретным набором энергетических уровней. При переходе ядра из одного энергетического состояния в

232

другое испускается γ-квант, энергия которого равна разности энергетических уровней ядра до и после превращения.

К корпускулярным ионизирующим излучениям относятся α-частицы, β-частицы, нейтроны, протоны, дейтроны, ядра элементов. Основным источником корпускулярных излучений является распад радиоактивных изотопов. Искусственно корпускулярные излучения получают с помощью ускорителей частиц.

β-Частицами называются электроны и позитроны, которые излучаются при внутриядерных превращениях. Позитроны отличаются от электронов тем, что несут положительный элементарный заряд. При β-распаде атомного ядра испускается электрон (или позитрон) и антинейтрино (или нейтрино). Поскольку при этом заряд ядра изменяется на единицу, то атом превращается в изотоп предшествующего элемента, когда испускается позитрон, и в изотоп следующего в периодической системе элемента, когда испускается электрон.

α-Частицы по своей физической природе являются ядрами атома гелия с атомной массой 4,003 и зарядом в две элементарные единицы. Источником α-частиц является распад радиоактивных изотопов, например:

Протоны и дейтроны представляют собой ядра легкого и тяжелого водорода с единичным положительным зарядом. Масса протона равна приблизительно одной атомной единице, а масса дейтрона — двум единицам. Протоны и дейтроны выбрасываются из ядер при некоторых ядерных реакциях, возникающих, например, при бомбардировке некоторых ядер α-частицами.

Нейтроны — электрически нейтральные частицы с массой, близкой к одной атомной единице.

Энергия Е частиц любого вида корпускулярного излучения определяется их скоростью движения:

(2)

где т — масса частицы; v — ее скорость.

При взаимодействии ионизирующего излучения с веществом происходит возбуждение и ионизация атомов вещества. Возбуждение атома заключается в том, что при его столкновении с частицей или квантом излуче-

233

ния происходит перемещение электронов атома на более высокие энергетические уровни. При обратном переходе электронов с возбужденных уровней на основные ранее поглощенная энергия излучается в виде квантов видимого, ультрафиолетового или рентгеновского излучения. Кроме того, возбужденные атомы могут вступать в химическое взаимодействие.

Возбуждение атома происходит, если он поглощает энергию не больше 10 эВ, что равняется примерно энергии связи электрона с ядром. Электрон при этом остается в пределах атома. Если атом поглощает энергию больше энергии связи электрона с ядром, то электрон покидает пределы атома (молекулы) — происходит ионизация. Атомы и молекулы, потерявшие электроны, становятся положительными ионами. Освободившиеся электроны, присоединяясь к нейтральным атомам и молекулам, образуют отрицательные ионы. Электроны, выбитые из атомов, могут обладать большой энергией. В таком случае эти электроны сами способны ионизировать атомы и молекулы и создавать вторичные электроны. Так как энергия возбуждения атомов меньше энергии ионизации, то вероятность процесса возбуждения больше, чем вероятность ионизации, и на каждую пару ионов образуются возбужденные атомы и молекулы.

Действие ионизирующей радиации на организм зависит от количества излучения, поглощенного организмом. Для определения количества поглощенного излучения применяют понятие дозы, под которой имеется в виду количество поглощенной энергии. За единицу дозы рентгеновского излучения и γ-излучения принимается рентген. Один рентген (1 Р) — такая доза рентгеновского излучения или γ-излучения, при которой 1 г воздуха при 0°С и 760 мм рт. ст. поглощает 84 эрг энергии. Для измерения дозы любого ионизирующего излучения применяется единица — физический эквивалент рентгена (фэр). Фэр — это доза любого ионизирующего излучения, при которой 1 г вещества поглощает 84 эрг — столько же, сколько поглощает 1 г воздуха при 1 Р электромагнитного излучения.

Однако различные виды ионизирующего излучения в одной и той же дозе дают различный биологический эффект. Биологический эффект при действии излучения зависит от плотности ионизации, которая измеряется числом пар ионов, образуемых на 1 мкм пути частицы.

234

Плотность ионизации пропорциональна квадрату заряда и обратно пропорционально скорости частицы. Так как при равных энергиях скорость частицы обратно пропорциональна массе, то плотность ионизации будет прямо пропорциональна массе частицы. Поэтому при одинаковых энергиях наибольшую плотность ионизации дают α-частицы, имеющие наибольший заряд и наибольшую массу. Наименьшую плотность ионизации дают электроны, рентгеновские лучи и γ-лучи. Протоны, нейтроны и дейтроны занимают промежуточное положение между первой и второй группами излучения.

Для сравнения различных видов излучения нужна была единая мера. С этой целью в дозиметрию была введена единица — биологический эквивалент рентгена (бэр) — доза любого вида ионизирующего излучения, поглощение которого в биологическом отношении эквивалентно поглощению 1 Р электромагнитного излучения. Поскольку для различных видов изучения биологический эквивалент рентгена различен, понадобилось введение такого понятия, как относительная биологическая эффективность (ОБЭ). ОБЭ зависит от величины плотности ионизации в ткани живого объекта. За единицу ОБЭ принята эффективность рентгеновских лучей с энергией 200 кэВ. Корпускулярные излучения обладают большей плотностью ионизации при одинаковой энергии по сравнению с рентгеновскими лучами, поэтому при одинаковой физической дозе биологическая эффективность их действия будет больше. ОБЭ показывает, во сколько раз биологический эффект данного излучения больше эффекта, вызываемого равной физической дозой рентгеновского излучения:

Дбэр = Дфэр-ОБЭ,

где Д — доза поглощенного излучения.

Ниже приведены величины ОБЭ для различных видов излучения.

Вид излучения ОБЭ

Гамма-лучи и рентгенов- 1

ские лучи

Бета-частицы и электроны 1

Альфа-частицы и протоны 10

Тепловые нейтроны 3

Быстрые нейтроны (до 10

20 МэВ)

Многозарядные ионы и яд- 20

ра отдачи

235