Взаимодействие ионизирующего излучения с биологическими объектами

Воздействие ионизирующих излучений на живые организмы можно условно разделить на нескольких уровнях: поражение всего организма в целом, действие радиации на его части и органы, на отдельные клетки, на молекулы.

Действие на организм. Ионизирующие излучения оказывают поражающее действие на все живые существа от бактерий до человека. При этом необходимая для поражения доза варьируется от нескольких десятков рентген до сотен тысяч. Для гибели млекопитающих, в том числе и человека достаточна сравнительно небольшая доза 10 Гр, которая приводит к поглощению энергии 10⁵ эрг/г. Если тканям сообщить такое количество энергии в виде инфракрасного излучения, то температура тела увеличилась бы всего на 0.002 ⁰С. Очевидно, что такое повышение температуры, не привело бы ни к каким последствиям для организма. Ионизирующее излучение приводит к разрушению связей между атомами и молекулами, из которых состоит организм. Поэтому для живых организмов облучение ионизирующими излучениями существенно опасней.

Различные виды ионизирующих излучений сопровождаются высвобождением разного количества энергии и обладают различной проникающей способностью, поэтому они оказывают неодинаковое воздействие на ткани живого организма. Альфа-излучение задерживается небольшими препятствиями (например, листом бумаги) и практически не способно проникнуть через наружный слой кожи. Этот вид излучения не представляет опасности до тех пор, пока радиоактивные вещества, испускающие альфа-частицы, не попадут внутрь организма. Пути проникновения могут быть разными: через открытую рану, с пищей, водой, вдыхаемым воздухом или паром. Бета-частица (электрон) обладает большей проникающей способностью: она проходит в ткани организма на глубину 1-2 см и более, в зависимости от величины энергии. Проникающая способность гамма-излучения, которое распространяется со скоростью света, очень велика: его может задержать лишь толстая свинцовая или бетонная плита. Действие на клетку. Воздействие ионизирующих излучений на клетку описываются числом актов ионизации, произошедших в клетке.

Если произошла одна ионизация - механизм называют одноударным, если две – двуударным, если более двух – многоударным. Некоторые клетки и одноклеточные организмы, например кишечная палочка, гибнут от одного акта ионизации внутри них. Большинство видов клеток являются двуударными или многоударными.

Эффект попадания связывают с некоторым критическим числом ионизаций в пределах мишени. При этом число попаданий в критическую область мишени должно быть не меньше одного, в результате которых минимальное количество энергии поглощается критической областью мишени. Клетка может погибнуть в результате одного, двух и множества попаданий.

На физической стадии частицы, пронизывающие структуру живой клетки, передают часть своей энергии отдельным молекулам, расположенным вдоль треков частиц. Молекулы переходят в различные возбужденные состояния, часть которых заканчивается ионизацией. В течение физико-химической стадии действия излучения на клетку (~ 10^-13 - 10^‑10 с), происходит внутримолекулярная миграция энергии, а также различные межмолекулярные перестройки клеточных структур. Например, при облучении молекул ДНК возникают однонитевые и двойные разрывы. В течение химической стадии (10^-7 - 10^‑6 с) возникают стойкие молекулярные изменения —разнообразные повреждения в структуре молекул, составляющих живую клетку. На биологической стадии действия ионизирующего излучения возникают функциональные нарушения в клетке, и формируется ее ответная реакция на облучение.

Действие на молекулы. На первой, физической стадии, ионизирующая частица воздействует на молекулу непосредственно, разрывая связи между атомами, выбивая из них электроны. Чем больше масса частицы, и выше ее энергия, тем больше происходит разрушений, в первую очередь в сложных молекулах, макромолекулах. К разрушению молекул приводят также вторичные электроны, фотоны, тяжелые частицы - продукты ядерных реакций и ядра отдачи.

На второй, физико-химической стадии, происходят различные реакции, приводящие к перераспределению поглощенной энергии между возбужденными молекулами. Эти реакции протекают за время порядка 10^‑14‑10^‑13с. Поглощенная энергия может переходить в энергию колебаний (растяжение, изгиб линейных молекул). В сложных молекулах, находящихся в возбужденных состояниях, энергия электронов вследствие наличия вращательных и колебательных уровней легко переходит в колебательную, вращательную форму. При этом атомы в молекуле колеблются с дискретными частотами, а сами молекулы вращаются, причем частота вращения вокруг каждой из трех осей координат также является квантованной.

На химической стадии поглощения энергии происходит структурная перестройка молекул, сопровождающихся изменением их размеров, разрывами и сшивками в результате присоединения обломков молекул, а также происходит миграция энергии по биологической структуре. Кроме того в результате разрушения молекул воды (их радиолиза) возникают активные радикалы, которые также могут перестраивать молекулы через какое-то время.

Для определения допустимых границ воздействия различных видов ионизирующих излучений на организм человека и его структуры физиками многих стран выработаны дозиметрические нормы и правила, позволяющие обеспечить человеку безопасность при работе радиоактивными излучениями.

Дата добавления: 2014-01-07