Биологическое действие излучений

Такие границы диапазонов приняты международной классификацией согласно решению SPIE (International Society for Optical Engineering) и привязаны к поглощению электромагнитного излучения тканями живых организмов.

Основным природным источником оптического излучения является Солнце. Приближаясь к оптическому диапазону с длинноволновой стороны, можно считать энергию кванта пренебрежимо малой по сравнению с энергией связи атомов и молекул, составляющих биообъект. Поэтому никаких превращений на микроуровне под непосредственным воздействием излучений вплоть до микроволнового диапазона не происходит. Всё, что при этом наблюдается, — вторичные эффекты. В оптическом диапазоне картина качественно меняется, потому что именно здесь сосредоточены полосы поглощения молекул и атомов, входящих в состав биообъекта.

В ближней и средней ИК-области энергия фотона лежит в пределах от 0,4 до 1,5 эВ, её достаточно для возбуждения электронов в атомах на более высокие уровни, но не хватает для фотохимических превращений веществ. В результате энергия излучения почти полностью превращается в тепловую, активизируя процессы в цитоплазме, клеточной и внутриклеточных мембранах.

Длина волны 100 нм (вакуумный УФ), близкая к границе оптического диапазона, соответствует энергии фотона 12,4 эВ, верхняя граница диапазона видимого излучения — 1,63 эВ. В этот интервал укладываются энергии связи большинства сложных органических молекул, так что с точки зрения возможностей химических превращений (как обратимых, так и необратимых) эта область длин волн является идеальной.

Видимое и УФ-излучение вызывают вынужденные колебания внешних, наиболее слабо связанных электронов в атомах и молекулах. Электроны и ионы, совершая вынужденные колебания, излучают вторичные волны той же частоты. Среднее расстояние между молекулами среды обычно во много раз меньше длины когерентности колебаний, поэтому вторичные волны, излучаемые ансамблем соседних частиц, интерферируют. Если среда однородна и изотропна, то в результате интерференции вторичных волн в соответствии с принципом Гюйгенса-Френеля образуется проходящая волна, направление распространения которой совпадает с направлением распространения первичной волны.

В случае оптически неоднородной среды эти направления, вообще говоря, не совпадают — имеет место рассеяние. При падении первичной волны на границу раздела двух сред возникают как проходящая, так и отражённая волны.

Поглощение излучения видимого и УФ-диапазонов молекулами происходит главным образом с участием p и n -электронов (p ® p* и n ® p*- переходы). Чем длиннее система сопряжённых двойных связей в молекуле, тем сильнее делокализованы по молекулам p-электроны, и, следовательно, самый длинноволновый максимум поглощения данной молекулы будет находиться при большей длине волны λ. Прежде, чем показать это, сделаем некоторое отступление.

Углерод в молекулах органических соединений способен к образованию связей двух типов:

1. одиночной s-связи, которая возникает во всех соединениях углерода; здесь s- электроны локализованы между атомами, которые они связывают;

2. p- связи, которая проявляется только в непредельных соединениях; здесь помимо s-связи между атомами возникает дополнительная связь, при которой электронные облака, осуществляющие дополнительную связь (p-электроны), перекрываются не вдоль линии, соединяющей ядра атомов, а в перпендикулярной ей плоскости. Таким образом, двойная связь в непредельных соединениях состоит из одной s-связи и одной p-связи. Если в углеродной цепочке двойные связи чередуются с одиночными, возникает эффект сопряжения связей, заключающийся в том, что облака p-электронов всех атомов, образующих в молекуле двойные связи, взаимно перекрываются. При этом p-электроны уже не локализованы на двойных связях, а принадлежат всей взаимодействующей (сопряжённой) системе в целом (делокализованы).

Делокализация p-электронов в цепочке сопряжённых связей может быть представлена как движение их вдоль цепочки. Движение электронов в квантовой механике описывается уравнением волнового типа, в котором квадрат амплитуды характеризует вероятность нахождения электрона в данной точке пространства, а дебройлевская длина волны l связана со скоростью электрона v и его массой m_e:

В линейной цепочке конечных размеров а электроны не могут выйти за пределы цепочки, и вероятность нахождения электронов на самих границах равна нулю. Это соответствует ситуации, описываемой стоячими волнами де Бройля, причём на концах цепочки располагаются узлы стоячих волн. Значит, от границы до границы должно укладываться целое число полуволн:

, где n = 1,2,3,… Следовательно,

, и значения энергии, которые может при этом иметь электрон, равны

Если система содержит N атомов и длина связи l, то а= (N -1) l. Можно показать, что энергия оптического перехода

. Следовательно, чем больше протяжённость системы сопряжения (чем больше N), тем меньше энергия оптического перехода и, следовательно, оптическое поглощение смещается в более длинноволновую область.

При действии вакуумного УФ-С-излучения (энергия кванта больше 12 эВ) происходит образование свободных радикалов ароматических и серосодер-жащих белков и пиримидиновых оснований нуклеиновых кислот; появляются циклобутановые димеры оснований ДНК; в белках происходит деструкция полипептидной цепи, образование сшивок, разрушение тирозина и триптофана; разрушение ковалентных связей в молекулах (например, между С и О).

Излучение с длиной волны меньше 100 нм (энергия кванта более 12,4 эВ) представляет собой ионизирующее излучение, т.е. излучение, энергия кванта которого достаточна для разрушения молекул и образования заряженных частиц.

Рентгеновское излучение возникает при взаимодействии заряженных частиц и фотонов с атомами вещества, при этом квантовые переходы происходят между внутренними электронными состояниями атома. Рентгеновское излучение подразделяется на тормозное (с квазисплошным спектром) и характеристическое (с линейчатым спектром). Принято считать рентгеновским излучение в диапазоне длин волн l = 0,1…10 нм.

Гамма-излучение ( g -излучение) — излучение с длиной волны l менее 0,1 нм. Оно представляет собой жёсткое электромагнитное излучение, которое испускается при переходах ядер из возбуждённых энергетических состояний в состояния с меньшей энергией, а также при ядерных реакциях. g-излучение обычно сопровождает процессы радиоактивного a- и b- распада.

Природными источниками рентгеновского и g-излучения на Земле являются Солнце, межзвёздные и галактические события.

При g - и рентгеновском облучении происходит разрушение полипептидной цепи белков, образование сшивок, разрушение серосодержащих групп. При действии ионизирующего излучения на ДНК происходят двойные разрывы цепей ДНК.

Лазерное излучение возникает в результате индуцированных переходов между уровнями энергии частиц среды, обладающей инверсной населённостью этих уровней (т. е. при бóльшей концентрации частиц на верхнем уровне по сравнению с нижним). Излучение, создаваемое обычными источниками света (тепловыми, люминесцентными и т. п.), отличается от лазерного тем, что основной вклад в это излучение дают спонтанные переходы с возбуждённого уровня, тогда как в лазерном случае преобладает индуцированное излучение. Этим объясняются уникальные особенности лазерного излучения по сравнению с излучением традиционных источников.

Именно лазерные источники обладают высокой степенью когерентности (индуцированное излучение по самому смыслу своего существования состоит из идентичных фотонов). Это означает, что лазерное излучение характеризуется исключительно высокой степенью монохроматичности (следующей из временной когерентности), позволяющей реализовывать рекордные значения спектральной плотности (до 10¹²Вт/Гц, что в 10⁶раз превышает аналогичную величину при термоядерном взрыве). Возможность получения высоких уровней мощности лазерного излучения (до 10¹² Вт) и сосредоточения значительной энергии в импульсе (до 10⁴ Дж) позволяет вызвать многофотонные и другие нелинейные процессы в биосреде, локальный тепловой нагрев, быстрое испарение, гидродинамический удар и т. д. Однако интерес представляют не только уникальные возможности в плане деструкции среды. Высокая монохроматичность позволяет

1) проводить спектральный анализ с разрешением на много порядков выше, чем разрешение обычных спектрометров;

2) осуществлять возбуждение определенных молекул в смеси веществ;

3) применять голографические и интерференционные методы когерентной диагностики биообъектов.

В свою очередь, высокая пространственная когерентность позволяет добиться уникальной пространственной сосредоточенности излучения в малых телесных углах и тем самым обеспечить немыслимую для обычных источников направленность, позволившую уже в первые годы после создания лазеров провести локацию Луны с измерением деталей профиля лунной поверхности, недоступных для других способов локации. С помощью такого локатора можно без труда фиксировать присутствие на поверхности Луны космонавта, шествующего с чёрным зонтом радиусом в 1 метр. Для большинства лазеров расходимость лазерного пучка составляет несколько тысячных радиана, что позволяет получить размер пятна в фокусе порядка длины волны l излучения с глубиной резкости порядка l. За счёт этого становится возможной лазерная микроскопия. В некоторых случаях возможно сосредоточение энергии пучка в слое до 0,01 мкм, что позволяет проводить «внутриклеточную хирургию». Малая расходимость лазерного пучка необходима также для обеспечения локальности исследований и эффективной транспортировки излучения по гибким световодам, чего традиционные (некогерентные) источники обеспечить не могут.

Кроме того, возможность управления фазовыми соотношениями в лазерном излучении позволяет создавать сверхкороткие импульсы длительностью до отдельных периодов световой волны (~ 10^-14 с). Это особенно важно для биомедицинских применений, поскольку даёт возможность изучать очень быстрые первичные фотопроцессы прямыми, а не косвенными методами, а также многоступенчато возбуждать высокие энергетические состояния молекул за время много меньшее, чем время релаксации любого промежуточного состояния.

Наличие перестраиваемых лазеров во всей области от УФ до ИК позволяет селективно возбуждать практически любые состояния биомолекулы и отдельных её фрагментов.

Акустические волны являются механическими колебаниями, распространяющимися в среде. Термин «акустика» охватывает диапазон частот, включающий слышимый звук (от 20 до 20000 Гц), инфразвук (менее 20 Гц) и ультразвук (более 20000 Гц).

Волновое уравнение для амплитуды, описывающее процесс распространения возбуждения в среде со скоростью с_з, имеет вид:

¶ ² S/ ¶ x² +¶² S /¶y²+¶² S /¶z² = (1 / с_з ²)· ¶ ² S/ ¶ t² (1.3)

Здесь S _max – амплитуда колебаний, w =2pn ― циклическая частота колебаний вектора S; n ― частота этих колебаний, с_з ― скорость звука, k_з= 2p/l ― волновой вектор; l =с_з/ n — длина волны.

Как легко видеть, формально распространение акустических волн описывается уравнением, аналогичным уравнению, описывающему распространение электромагнитных волн (cм. §1.1). Поэтому, хотя воздействие акустических волн на биообъекты и не представляет собой специального вида поля (подобно электромагнитному или гравитационному, являющимися особой формой существования материи), эта формальная аналогия оказывается весьма плодотворной для описания взаимодействия акустических волн с биообъектами и позволяет говорить об акустических полях.

Принято различать следующие акустические воздействия: тоны, шум, звуковой удар.

Тоны, или музыкальные звуки, подразделяются на простые (чистые) — процесс гармонический, и сложные – полигармонический процесс. Сложный тон может быть разложен на простой (основной) тон с частотой n₀ и гармоники (обертоны) с частотами 2n₀, 3n₀ и т.д. Сложный тон образует линейчатый акустический спектр.

Шум — звук, отличающийся сложной негармонической временной зависимостью. Если среднюю интенсивность звука при шумовом воздействии можно считать постоянной, то такой шум называется стационарным и представляется в виде континуума гармонических составляющих. Если же никакой постоянной во времени характеристики шума выделить не удается, то такой шум называется нестационарным. Всякий шум имеет сложный частотный спектр (как правило, достаточно широкий и квазисплошной).

Акустический удар — кратковременное звуковое воздействие: хлопок, взрыв и т.д. (не следует путать с ударной волной, характерным признаком которой является распространение источника возмущения со сверхзвуковой скоростью).

Средняя энергия, переносимая волной в единицу времени через единицу площади, называется плотностью потока энергии волн или интенсивностью волн:

где E_з — объёмная плотность энергии акустической волны, с_з — скорость звука,

тогда, если r – плотность среды, в которой распространяется волна, то

При прохождении акустических волн в жидкой или газообразной среде возникает дополнительное давление. Оно связано с интенсивностью волны следующей зависимостью:

Нормальное человеческое ухо воспринимает диапазон интенсивностей звука в 13 порядков. Так, для частоты 1 кГц воспринимается звук от интенсивности I ₀ = 10^-12 Вт/м² и соответственно давления p ₀ = 2·10^-5 Па (порог слышимости) до интенсивности I _max = 10 Вт/м² и давления p _max = 60 Па (порог болевого ощущения).

Для оценки уровня интенсивности или акустического давления используется логарифмическая шкала, при этом уровень измеряют в белах или децибелах:

Отметим, что белы и децибелы как универсальные единицы для измерения уровня интенсивности акустического воздействия не годятся, поскольку их введение корректно только для слышимого звука, да и то с учетом усреднения порога слышимости для некоего обобщенного органа слуха, причем для фиксированной частоты 1 кГц. За пределами же диапазона слышимых звуков эти единицы вообще теряют смысл, поскольку уровень интенсивности не с чем сравнивать. Тем не менее, поскольку воздействие инфразвука и ультразвука на биообъекты сомнений не вызывает, метрологическое обеспечение биомедицинской акустики настоятельно требует дальнейшего совершенствования.

1.4^бис Взаимодействие гравитационных полей с биообъектами

Как и электромагнитные, гравитационные поля сопровождают жизнь на протяжении всей ее эволюции. Однако взаимодействие гравитационных полей с биообъектами изучено значительно хуже, чем электромагнитных. Это можно объяснить прежде всего тем, что, несмотря на стойкий интерес к проблеме гравитации, люди научились управлять процессом воздействия гравитационных полей на живые системы только с начала XX века, причём целенаправленное исследование воздействия на живые организмы гипергравитации (перегрузок) началось с 20...30 гг. XX в. (с развитием авиации), а невесомости — с развитием космонавтики. Одновременно с космонавтикой, как неотъемлемые ее части, появились космическая биология и космическая медицина, центральным вопросом которых является влияние невесомости на процессы в живом организме. Развитие космической медицины идет «от противного», т.е. космонавты в процессе усложнения программ полетов сталкиваются со всё новыми проявлениями воздействия космоса на человеческий организм, и это служит главным двигателем прогресса, поскольку лабораторные исследования ведутся на основании данных, «прилетевших» с космонавтами.

Функциональные отклонения в организме в условиях невесомости обусловлены следующими основными причинами:

— изменение импульсации с рецепторов, воспринимающих влияние силы тяжести (неврологический фактор);

— снятие весовой нагрузки на костно-мышечную систему (биомеханический фактор);

— исчезновение гидростатической компоненты в кровяном давлении (реологический фактор);

— изменение гуморальных циклов и функционирования органов внутренней секреции (эндокринный фактор).

Снижение импульсации с рецепторов нарушает слаженность в работе органов чувств, осуществляющих ориентировку в пространстве и выработку адекватной реакции на внешнее воздействие.

При исчезновении гидростатического давления кровь и другие биожидкости перестают скапливаться в нижней половине тела и перемещаются к голове и грудной клетке, что приводит к увеличению объема циркулирующей крови и растяжению вен, подходящих к сердцу. Сердце начинает испытывать значительную перегрузку, что включает рефлекторные механизмы, выводящие избыток жидкости из организма через почки.

Исчезновение вертикальной нагрузки на костно-мышечную систему приводит к перестройке деятельности нервно-мышечного аппарата. Эта перестройка выражается, прежде всего, в снижении активности энергетических процессов и обмена веществ в мышцах и уменьшении роли мышечной системы в движении крови. Тем самым мышечная система не только перестает «отзываться» на постоянную вертикальную нагрузку, но и значительно слабее, чем в земных условиях, помогает кровообращению и пищеварению (ослабевает пульсовая волна в артериях и перистальтика в желудочно-кишечном тракте). Вкупе со снижением рецепторной импульсации это резко меняет гомеостаз организма, приводя в действие многочисленные механизмы адаптации и саморегуляции, препятствующие возрастанию отклонений от земной нормы.

Во время космических полетов проводились комплексные исследования поведения и различных микроорганизмов, в ходе которых было показано, что все жизненно важные процессы (выживаемость, мутации, деление клеток, всхожесть и прорастание семян, эмбриональные процессы и т.п.) происходят в условиях невесомости так же, как и на Земле. Под словами «так же» здесь подразумеваются прежде всего частота, скорость и вероятность осуществления соответствующих микрособытий. В течение всей «космической эры» ни разу не была отмечена ситуация, при которой ресурсы, необходимые для жизнедеятельности организмов на Земле, не могли быть использованы в космическом полете. Это в определенной мере явилось сенсационным открытием.

Для объяснения этого явления «ненормальной нормальности» протекания элементарных биологических процессов была предложена гипотеза, в соответствии с которой живые организмы адаптированы вовсе не к воздействию гравитационного поля, а к средам, сформированным под воздействием силы тяжести. Это значит, что биообъекты чувствуют не гравитацию, а «верх и низ».

С этой точки зрения то, что многие живые организмы явно приспособлены к земным условиям существования, но при этом невесомость не влияет на элементарные биопроцессы, является мнимым противоречием. Оно порождено недостаточностью физиологического подхода к проблемам адаптации. В самом деле, с позиций «гравитационной индифферентности» основное различие между крупными и мелкими животными заключается в том, что у первых форма создается естественным отбором по жёстким «техническим условиям», предъявляемым силой тяжести к крупным объектам. С уменьшением размеров биообъектов отбор по влиянию силы тяжести имеет тем меньшее значение, чем мельче объект. В отличие от одноклеточных, верхний предел размеров которых определяется законами термодинамики и не зависит в первом приближении от места и времени, верхний предел многоклеточных сухопутных организмов определяется массой конкретной планеты и длительностью эволюционной истории. Поэтому для них фактор силы тяжести выходит на первый план.

Измененная сила тяжести в физиологических опытах вызывает заметные изменения у крупных наземных организмов. От данных по «гравитационной физиологии» зависит повседневная практика пилотируемых космических полетов. У людей к тому же «перцептивный», или адаптационный, фактор существенно поддерживается сознанием — ни один пилотируемый космический полет не явился точным повторением предыдущего, все рабочие гипотезы, относящиеся к «гравитационной физиологии» быстрее и проще проверить экспериментально при существенном участии сознательного фактора.

Люди избавились бы от половины своих неприятностей, если бы договорились о значении слов. © Рене Декарт
==> читать все изречения...

1720 -

| 1537 -