Экзамен по радиобиологии

Радиобиология — это комплексная наука о действии всех видов ионизирующего излучения на живые организмы, их сообщества и биосферу в целом.
Ветеринарная радиобиология — дисциплина, которая изучает эффекты биологического действия ионизирующих излучений и выясняет особенности развития возникающих при этом патологических процессов у сельскохозяйственных животных.
Задачи ветеринарной радиобиологии:
1.Разработка методов и средств защиты животных от ионизирующих излучений и радиоактивных веществ, профилактики и лечения поражений животных.
2.Изучение закономерностей миграции радиоактивных веществ в биосфере и организме с/х животных и токсикологии радиоактивных веществ.
3.Изучение возможности широкого использования ионизирующих излучений и радиоактивных веществ в животноводстве, ветеринарии, растениеводстве и связанных с ними отраслях сельскохозяйственной науки и практики.
Фундаментальной задачей, составляющей предмет радиобиологии, является вскрытие закономерностей биологического ответа живых организмов на воздействие ионизирующих излучений.
История развития радиобиологии.
Радиобиологию принято считать молодой наукой, своим рождением она обязана трем великим открытиям, сделанным в конце 19 века.
в 1895г. — Вильгельм Конрад Рентген открыл Х-лучи;
в 1896г. — Анри Беккерель открыл естественную радиоактивность урана;
в 1898г. — супруги Мария и Пьер Кюри открыли полоний и радий
Этапы развития радиобиологии:
Первый этап — с 1895 по 1922 гг. — первоначальный он длился около двух десятилетий и имел в основном описательный характер. Первые работы об изменениях в организме животных и человека появилось в конце 19 века. Иван Т0арханова в 1896 году привел эксперименты по действию рентгеновских лучей на лягушек и насекомых и установил реакцию на облучения во многих системах организма. Н.П. Крылов и С.В. Гольберг первыми в России применили лучи радия в 1903 году для лечения злокачественных опухолей.
В 1904 году Е.С. Лондон разработал и применил метод ауторадиографии, позволяющий определять наличие радиоактивных веществ в отдельных органах и тканях растений, животных и человека.
М. Кёрнике (1905) описал различные типы нарушений деления ядра и хромосом и заслуженно считается основателем радиационной цитологии. Закон Бергонье и Трибондо — о которому наиболее чувствительный те клетки, которые имеют резерв активного размножения (кроветворные органы и гонады), а менее чувствительны к ИИ те клетки, которые малообновимы (кости мышцы и нервы)
Второй этап — с 1922 по 1945 гг. — в развитии радиобиологии связан с изучением и установлением количественных зависимостей между дозой облучения и биологическим действием — «доза-эффект». Так называемый «радиобиологический парадокс», состоящий в колоссальном несоответствии между ничтожной величиной поглощенной при облучении энергии излучения и степенью проявления реакции биологического объекта, приводящие нередко к его гибели. В этот период обнаружено действие ионизирующих излучений на генетический аппарат клетки. В 1928г. была введена единица экспозиционной дозы — Рентген. В 1932г. английским физиком Дж. Чедвиком открыт нейтрон. После событий на Хиросиме активный поиск защиты и лечения от ИИ.
Третий этап — с 1945 по настоящее время — в радиобиологии большой удельный вес занимают исследования по изучению миграции радиоактивных продуктов ядерного деления урана и плутония по биологическим и пищевым цепям. В этот период окончательно формируются теории прямого и непрямого действия излучений; утверждается положение о том, что основной мишенью для ионизирующей радиации является ДНК; дальнейшее развитие количественной радиобиологии на всех уровнях биологической организации молекулярная и клеточная радиобиология, разработка биологических способов противолучевой защиты, лечения лучевых поражений

Атом — это наименьшая часть химического элемента, которая является носителем его свойств. Атомы состоят из элементарных частиц: протонов, нейтронов, электронов, мезонов и ряда других. Элементарные частицы различаются между собой по множеству параметров, важнейшим из которых являются: масса покоя; энергия; электрический заряд; продолжительность жизни и др. Характерным свойством элементарных частиц является способность превращаться из одной в другою, рождаться одна в другой. Атом любого химического вещества состоит из положительно заряженного ядра (в центре) которое состоит из протонов и нейтронов, которые в сумме дают число нуклонов. И отрицательно заряженных электронов, вращающихся по орбитам (уровням, слоям, спинам). Но сам атом электрически нейтрален.
-Протон (Р) — элементарная частицы находящаяся в ядре и имеющая положительный электрический заряд, равный заряду электрона.
-Нейтрон (n) — электрически нейтральная частица, является второй составной частью ядра. Нейтрона нет только в ядре атома протия (изотоп Н). Сумма протонов и нейтронов определяют атомную массу.
-Электрон (е) — устойчивая отрицательно заряженная элементарная частица. Отрицательный т.е. наименьшее количество электричества, встречающееся в природе. Отрицательно заряженные электроны вращаются вокруг положительно заряженного ядра и образуют оболочку атома. количество электронов в атоме равно числу протон в ядре. Электроны атома движутся вокруг ядра в определенном порядке, послойно. Количество слоев (орбит) может быть от 1 до 7. Переход электрона с более удаленной от ядра орбиты на орбиту, расположенную ближе к ядру, сопровождается излучением световой энергии. Переход электрона с ближней орбиты на дальнюю сопровождается поглощением энергии.
На электроны действуют две равные, но противоположно направленные силы: кулоновская сила — притягивает электроны друг к другу; центробежная — стремится вырвать электрон из атома +эффект экранировки т.е. отталкивание электронов друг от друга.
В следствие равенства отрицательных и положительных частиц заряд атома нейтрален. Атом, лишившийся одного или нескольких электронов, превращается в положительный ион, а присоединивший к себе один или несколько электронов — в отрицательный.
Дефект массы — разница между массой ядра расчетной и массой ядра фактической. Дефект массы показывает, насколько прочно связаны частицы в ядре, а также сколько выделилось энергии при образовании ядра из отдельных нуклонов.

Явление радиоактивности было открыто в 1896 году Беккерелем.
Радиоактивность — способность ядер атомов некоторых химических элементов самопроизвольно распадаться или превращаться в ядра других химических элементов с выделением в окружающую среду энергии в виде излучения (α — лучей, β — лучей, γ — лучей). Естественная радиоактивность не зависит от внешних условий, происходит в естественно встречающихся элементах вещества.
Искусственная радиоактивность — это радиоактивность элементов веществ, созданных человеком, независимо от того, существуют они в природе или нет.
Радиоактивные вещества распадаются с определенной скоростью т.е. имеется период полураспада — время в течении которого распадается половина всех имеющихся в наличии ядер атомов. При этом подчиняясь закону радиоактивного распада — за единицу времени распадается всегда одна и та же часть имеющихся ядер радиоактивного вещества. Так несистемной единицей измерения распадов в единицу времени т.е. активности радионуклиды является Кюри, а в качестве Си выбрали Беккерель.
Изотопы — разновидности атомов какого-либо химического элемента, которые имеют одинаковый пордковый номер, но при этом разные массовые числа т.е. одинаковое количество протонов, но разное — нейтронов в ядре. Для обозначения изотопов около символа элемента слева вверху указывается показатель массы, а слева внизу количество протонов в ядре, т.е. порядковый номер.
Различие в составе и структуре атомных ядер изотопов одного и того же химического элемента (разное число нейтронов) определяет и различие их ядерно-физических свойств, в частности то, что одни его изотопы могут быть стабильными, а другие радиоактивными.
Радиоактивные изотопы — неустойчивые изотопы химических элементов, превращающиеся в другие нуклиды.
Искуственные радиоизотопы изготавливают на ядерных реакторах и в ускорителях заряженных частиц. В настоящее время получены радиоактивные изотопы всех химических элементов, встречающихся в природе. Они активно используются в науке и технике.
Естественные радиоизотопы. Встречающиеся в природе (образуются в основном под действием космических лучей) Радиоактивное семейство — это цепочка радиоактивных распадов, следствие распада одного материнского вещества,
В настоящее время известны три естественных радиоактивных семейства:
-Семейство урана — радия.
-Семейство актиния — урана.
-Семейство тория.
Родоначальники каждого семейства характеризуются очень большими периодами полураспада, которые сопоставимы с временем жизни Земли и всей Солнечной системы.

Ионизирующие излучения (ИИ) — потоки элементарных частиц (электронов, позитронов, протонов, нейтронов) и квантов, прохождение которых через вещество приводит к ионизации (образованию зарядов противоположных знаков) и возбуждению его атомов и молекул. Подразделяются на естественные (космические лучи, гамма-излучение от земных пород, продукты распада радона и тория) и искусственные (рентгеновское излучение, применяемой в медицине, радиоактивные осадки, выброс радионуклидов с отходами атомной станции в окружающую среду, а также гамма-облучение используемые в промышленности)
Виды ионизирующих излучений:
-корпускулярное, (α-, β- и нейтронное излучения) — потоки невидимых элементарных частиц, имеющих массу и диаметр (размер)
-электромагнитное (γ- и рентгеновское излучение) — с очень малой длиной волны. имеют квантовую природу

1.Альфа-излучение представляет собой поток альфа-частиц. Большая ионизирующая способность (ОПАСНЫ ВНУТРИ ОРГАНИЗМА), но малая проникающая способность: лист плотной бумаги полностью задерживает их. Надежной защитой от альфа-частиц также является одежда человека, шерстный и волосяной покров животных.
2.Бета-излучение — поток бета-частиц, распространяются со скоростью близкой к скорости света. Они имеют меньшую ионизирующую способность чем у альфа частиц, но большую проникающую способность. На практике бета-частицы почти полностью поглощают оконные или автомобильные стекла и металлические экраны толщиной в несколько миллиметров. Одежда поглощает до 50% бета-частиц.
3.Гамма-излучение — это электромагнитное излучение, испускаемое ядрами атомов при радиоактивных превращениях. Оно, как правило, сопровождает бета-распад. По своей природе гамма-излучение представляет собой электромагнитное поле. Оно испускается отдельными порциями (квантами) и распространяется со скоростью света. Обладает большой проникающей способностью, но низкой ионизацией
4.Рентгеновское излучение первыми открыты из всех ионизирующих излучений и наиболее хорошо изучены. У них та же физическая природа (электромагнитное излучение) и те же свойства, что и у гамма-излучений, но они имеют внеядерное происхождение.
5.Нейтронное излучение представляет собой поток нейтронов, так как нейтроны не имеют электрического заряда, они легко проникают живую ткань и захватываются ядрами ее атомов. Поэтому нейтронное излучение оказывает сильное поражающее действие при внешнем облучении. Лучшими защитными материалами от них являются легкие водородосодержащие материалы: полиэтилен, парафин, вода и др.

Радиоактивный распад — спонтанное изменение состава или внутреннего строения нестабильных атомных ядер путём испускания элементарных частиц, гамма-квантов и/или ядерных фрагментов.
Радиоактивный распад внешне проявляется корпускулярным (бетта альфа и нейтронное излучение т.е. поток элементраных частиц) или электромагнитным излучением (гамма и рентген т.е. поток фотонов).
Типы радиоактивного распада:
α-распад — из ядра вылетает альфа-частица, которая представляет собой ядра атома гелия (Не) и состоит из 2-х протонов и 2-х нейтронов, она имеет положительный заряд, равный 2+. Благодаря большой массе, в любой среде двигается прямолинейно и вызывает большую плотность ионизации (на пути образует несколько десятков тысяч пар ионов) Альфа-частицы используются для осуществления ряда ядерных реакций, в частности для получения нейтронов и некоторых радиоактивных изотопов.

β-электронный — самопроизвольное превращение атомного ядра путем испускания электрона. В основе этого явления лежит способность протонов и нейтронов к взаимным превращениям. Электронному бета-распаду подвержены радиоактивные изотопы, имеющие ядра с избытком нейтронов. Это преимущественно искусственные и некоторые естественные радиоактивные изотопы. Проникающая способность бета-частиц выше, чем у альфа-частиц. Они могут проникать через одежду, шерстяной и волосяной покров, поэтому при внешнем облучении возникают ожоги кожи, а при попадании внутрь организма бета-ионизирующих изотопов возникают ожоги, язвы и другие поражения. Радиоактивные изотопы, излучающие бета-частицы широко применяются в опытах на животных и растениях (метод меченых атомов) при излучении различных сторон жизнедеятельности организма.
β-позитронный распад — радиоактивный распад атомного ядра, сопровождающиеся вылетом позитрона. Позитрон (β+) имеет массу равную электрону. Бета-позитронный распад испытывают ядра с избытком протонов. Позитрон возникает в атомном ядре в результате превращения одного из протонов в нейтрон. В результате, заряд ядра становится на единицу меньше, а массовое число сохраняется, поэтому новый химический элемент перемещается на одну клетку влево. Радионуклиды, испускающие позитроны используются в клинике для диагностики и лечения некоторых заболеваний.
Электронный захват (вид бета), вид радиоактивного превращения, при котором ядро атома захватывает электрон из своей электронной оболочки, в результате чего один из протонов ядра соединившись с этим электроном, превращается в нейтрон.
Все виды радиоактивного распада осуществляются самопроизвольно. При этом из ядра очень часто испускаются гамма-излучения, которые возникают внутри ядра атома за счет потери части его материи. Гамма-излучение обычно сопровождает другие виды радиоактивного распада.
ГАММА-РАСПАДА НЕТ!!!

В зависимости от энергии гамма-излучения, взаимодействие с веществом происходит различными путями:
1.мягкое гамма-излучение вызывает фотоэффект; гамма-квант (далее г-к) влетает в атом, сталкиваясь с одним из электронов-отдаёт ему энергию. Сам г-к исчезает, а электрон с его энергией вылетает из атома, и оставшиеся электроны смещаются на позицию. Фотоэффект не возможен для свободных и слабосвязанных электронов, так как те не способны забрать энергию г-к.
2.со средней энергией — эффект Комптона; г-к сталкивается с электроном, но передаёт ему лишь часть энергии, сами г-к отскакивают от электрона и рассеиваются в окружающей среде. Электроны при этом приобретают значительную энергию и тратят её на ионизацию вещества (в котором они находятся). При этом взаимодействии г-к наоборот действует на слабосвязанные электроны
3.жесткое гамма-излучение вызывает образование пар (образуется электронно-позитронная пара). суть в том, что г-к попадая в атом, под действием очень сильных электромагнитных сил около ядра превращается в пару: электрон-позитрон (один квант = две частицы) эта пара в свою очередь преобразуется в два новых г-к, но они уже способны вызвать либо комптоноэффект, либо фотоэффект.

Ядерная реакция — взаимодействие частицы с атомным ядром, приводящее к превращению этого ядра в новое ядро с выделением вторичных частиц или гамма-квантов. В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях.
Типы ядерных реакций:
-реакция активации, возникают при столкновении потока медленных нейтронов с ядрами любых стабильных изотопов. В результате такого взаимодействия ядро стабильного элемента захватывает нейтрон и превращается в радиоактивный изотоп. Поэтому это реакция называется реакцией активации, а явление образования искусственных радиоактивных изотопов — наведенной радиоактивностью. Она возникает при взрыве атомной, водородной и особенно нейтронной бомбы.
Создание ускорителей, а также использование нейтронов в ядерных реакторах расширили возможности получения искусственных радиоактивных изотопов, которые нашли широкое применение в биологии, медицине, ветеринарии, а также в других отраслях науки и практики.
-реакция деления тяжелых ядер- подразумевает распад собственно ядра атома на две и более части. Нейтрон, влетев в ядро облучаемого элемента, повышает его массу на единицу, например, уран-235 превращается в уран-236. Вновь образовавшееся ядро энергетически неустойчиво, и оно мгновенно делится на два ассиметричных осколка. Образовавшиеся радиоактивные изотопы имеют большой избыток нейтронов и подвергается радиоактивному распаду до тех пор, пока не образуются стабильный изотоп. Реакция деления тяжелых ядер управляема. Ее можно ускорить, замедлить и прекратить, что используется в ядерных реакторах, например, на АЭС.
-реакция синтеза легких ядер — столкновении двух легких и слиянии их в одно тяжелое ядро. Чтобы сблизить ядра, ядрам необходимо преодолеть кулоновский барьер, что достигается нагреванием их до очень высоких температур, порядка нескольких миллионов градусов Цельсия. Термоядерная реакция синтеза возможна только между легкими ядрами и невозможна между тяжелыми, обладающими слишком высоким кулоновским барьером, для преодоления которого заряженной частице не хватает тепловой энергии. Эта реакция пока считается неуправляемой и в народном хозяйстве она не используется. Если удастся осуществить такую управляемую реакцию, то человечество получит практически неисчерпаемый источник энергии

Реакция деления тяжелых ядер — подразумевает распад собственно ядра атома на две и более части. Нейтрон, влетев в ядро облучаемого элемента, повышает его массу на единицу, например, уран-235 превращается в уран-236. Вновь образовавшееся ядро энергетически неустойчиво, и оно мгновенно делится на два ассиметричных осколка. Образовавшиеся радиоактивные изотопы имеют большой избыток нейтронов и подвергается радиоактивному распаду до тех пор, пока не образуются стабильный изотоп. Реакция деления тяжелых ядер управляема. Ее можно ускорить, замедлить и прекратить, что используется в ядерных реакторах, например, на АЭС.
Для практического применения реакции важное значение имеет не только выделение энергии при каждом акте деления, но и появление при этом двух — трех нейтронов. Если каждый из этих нейтронов, взаимодействуя с ядрами делящегося вещества, вызовет в них процесс деления, то число актов деления со временем будет лавинообразно нарастать, а реакция превратится в цепную. Однако часть нейтронов захватывается неделящимися ядрами, часть вылетает из зоны реакции, не успев вступить в процесс деления, и т.д. Поэтому непременным условием возникновения цепной реакции является наличие массы делящегося вещества, превышающей некоторую минимальную, или критическую массу. Если масса вещества меньше критической, большая часть нейтронов покидает активную зону, не успев вступить в реакцию. Для уменьшения потерь нейтронов делящееся вещество окружают отражателем, который возвращает нейтроны в активную зону. В качестве отражателя чаще всего использую графит или тяжелую воду, в которой обычный водород заменен дейтерием.
Использование
Деление ядер — мощный источник энергии, которое человечество использует в больших масштабах уже более 50 лет. Применение свойства деления, которое заключается в том, что при определённых условиях реакция деления может быть цепной, привело к созданию ядерных реакторов, использующих управляемую цепную реакцию для различных целей, и ядерного оружия, использующего неуправляемую цепную реакцию.
Ядерный реактор — это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии.
Ядерное оружие — оружие массового поражения взрывного действия, основанного на использовании ядерной энергии, освобождающейся при цепной ядерной реакции деления тяжёлых ядер.

Реакция синтеза легких ядер — столкновении двух легких и слиянии их в одно тяжелое ядро. Чтобы сблизить ядра, ядрам необходимо преодолеть кулоновский барьер, что достигается нагреванием их до очень высоких температур, порядка нескольких миллионов градусов Цельсия. Термоядерная реакция синтеза возможна только между легкими ядрами и невозможна между тяжелыми, обладающими слишком высоким кулоновским барьером, для преодоления которого заряженной частице не хватает тепловой энергии.
Данная реакция называется термоядерной, так как для ее протекания необходима температура порядка 109 К. В результате термоядерных реакций выделяется колоссальное количество энергии. Источником энергии звезд и в частности Солнца является термоядерный синтез. Синтез легких ядер представляет интерес в качестве метода получения энергии, «используется» сейчас в качестве термоядерного оружия.

I. Естественные источники ИИ
Природный радиационный фон — это ионизирующие излучения, которые действуют на все живые организмы на Земле, за счет естественных источников ионизирующих излучений. Он слагается, в основном, из 3-х компонентов:
1.Космические излучения — это поток заряженных ядерных частиц непрерывно поступающих на поверхность Земли из мирового пространства (первичное космическое излучение) и образующихся в земной атмосфере в результате взаимодействия первичного космического излучения с атомами воздуха (вторичное космическое излучение). Первичное космическое излучение — образуется вследствие извержения и испарения материи с поверхности звезд, солнца и других объектов галактического пространства. Вторичное космическое излучение очень сложно и состоит из всех известных в настоящее время элементарных частиц и излучений.
2.Излучения внешних земных источников — обусловлена естественной радиоактивностью земной коры, воды и атмосферы. По происхождению природные радионуклиды делятся на две группы:
-Космические радионуклиды, они образуются в основном в атмосфере при воздействии космического излучения с ядрами азота, кислорода, водорода и других. К ним относятся 3Н (тритий), 14С (углерод), 7Ве (бериллий), 22Nа (натрий), 26Al (алюминий), 32Р (фосфор), 36Сl (хлор) и другие.

-Естественныек радионуклиды. Сюда входят радиоактивные изотопы, входящие в состав радиоактивных семейств, родоначальниками которых являются: 238U (уран), 235U или его часто называют АсU235 (актиноуран) и 232Th (торий), и продукты их распада 226Ra (радий), 222Rn (родон), 220Po (полоний и другие.
Главным источником поступлений во внешнюю среду естественных радиоактивных веществ являются горные породы, происхождение которых неразрывно связано с включением в свой состав всех радиоактивных элементов, возникших в период формирования и развития планеты.
3.Излучения внутренних источников — Наиболее высокий вклад во внутреннее облучение вносят калий-40, углерод-14, рубидий-87, полоний-210, радий-226, а также радон-220, и радион-222. Поступают в организм с пищей, водой, воздухом и т.д.
II.Искусственные источники ИИ
Относят источники, созданные человеком.
1.Радиационные излучения в медицине: 1) диагностические исследования; 2) терапевтические воздействия; 3) научные исследования.
2.Ядерные взрывы, как дополнительный источник облучения населения земного шара, представляют ядерные взрывы (1996 не проводятся). Масштабы и уровни радиоактивных загрязнений после ядерных взрывов зависят от многих факторов: типа ядерного заряда, вида взрыва, мощности, топографических и метеорологических условий.
3.Атомная энергетика. АЭС являются лишь частью ядерного топливного цикла, который начинается с добычи и обогащения урановой руды, затем производства ядерного топлива. Отработанное ядерное топливо подвергают вторичной обработке с целью извлечения урана и плутония. Заканчивается цикл захоронением радиоактивных отходов. Загрязнение окружающей среды возможно на каждом из этапов технологического процесса производства ядерного топлива. Наиболее опасные последствия могут возникнуть при аварии ядерных реакторов.
4.Профессиональное облучение. Ему подвергаются люди, работающие с источниками ионизирующих излучений: работники АЭС, ядерной промышленности, научных учреждений, врачи-рентгенологи и др., а также отдельные категории людей, подвергающихся воздействию более высоких доз естественной радиации — летчики, шахтеры, работники курортов и др.
5.Другие источники облучения. Источниками облучения являются: — часы, которые дают годовую дозу в 4 раза превышающую, чем в среднем от АЭС; электроприборы — пожарные датчики, цветные телевизоры, электронные микроскопы, компьютеры и т.д.
Воздействие: биологический эффект зависит от дозы и времени излучения, размеров облучаемой поверхности и особенностей организма. Степень чувствительности различных тканей к облучению неодинакова.
Если рассматривать ткани органов в порядке уменьшения их чувствительности к действию излучения, то получим следующую последовательность:
— лимфатическая ткань
— лимфатические узлы
— селезенка
— костный мозг
— зародышевые клетки.
В результате ИИ нарушаются обменные процессы, подавляется активность ферментных систем, замедляется и прекращается рост тканей, возникают новые химические соединения, не свойственные организму, — токсины. Это приводит к нарушению жизнедеятельности отдельных функций или систем организма в целом. Различают два вида эффекта воздействия на организм ионизирующих излучений соматический — последствия проявляются непосредственно у облучаемого (лучевая болезнь, изменения кожи, злокачественные опухоли, снижение иммунитет, сокращение жизни и тд) и генетический — у его потомства (мутации, генетические болезни и т.д.).