Біологічна дія іонізуючих випромінювань, зміни, що викликаються в життєдіяльності і структурі живих організмів при дії короткохвильових електромагнітних хвиль (рентгенівського випромінювання і гамма-випромінювання ) або потоків заряджених часток (альфа-часток, бета-випромінювання, протонів ) і нейтронів .
Дослідження Б. д. і. і. були початі відразу після відкриття рентгенівського випромінювання (1895) і радіоактивності (1896). У 1896 російський фізіолог І. Р. Тарханов показав, що рентгенівське випромінювання, проходя через живі організми, порушує їх життєдіяльність. Особливо інтенсивно стали розвиватися дослідження Б. д. і. і. з початком вживання атомної зброї (1945), а потім і мирного використання атомної енергії (див. Радіобіологія ).
Для Б. д. і. і. характерний ряд загальних закономірностей. 1) Глибокі порушення життєдіяльності викликаються нікчемно малими кількостями енергії, що поглинається. Так енергія, поглинена тілом ссавця тварини або людини при опроміненні смертельною дозою, при перетворенні на теплову привела б до нагріву тіла всього на 0,001°С. Спроба пояснити «невідповідність» кількості енергії результатам дії привела до створення теорії мішені (див. Мішені теорія ), згідно якої променеве пошкодження розвивається при попаданні енергії в особливо радіочутливу частину клітки — «мішень». 2) Би. д. і. і. не обмежується підданим опроміненню організмом, але може поширюватися і на подальші покоління, що пояснюється дією на спадковий апарат організму. Саме ця особливість дуже гостро ставить перед людством питання вивчення Б. д. і. і. і захисту організму від випромінювань. 3) Для Б. д. і. і. характерний прихований (латентний) період, тобто розвиток променевого ураження спостерігається не відразу. Тривалість латентного періоду може варіювати від декількох мін до десятків років залежно від дози опромінення, радіочутливості організму і спостережуваної функції ( мал. 1 , 3 ). Так, при опроміненні в дуже великих дозах (десятки тис. рад ) можна викликати «смерть під променем», тривале ж опромінення в малих дозах веде до зміни стану нервової і інших систем, до виникнення пухлин через роки після опромінення.
Радіочутливість різних видів організмів різна. Смерть половини опромінених тварин (при загальному опроміненні) протягом 30 сут після опромінення (летальна доза — ЛД 50 / 30 ) викликається наступними дозами рентгенівського випромінювання: морські свинки 250 р, собаки 335 р, мавпи 600 р, миші 550—650 р, карасі (при 18°С) 1800 р, змії 8000—20000 р. стійкіші одноклітинні організми: дріжджі гинуть при дозі 30000 р, амеби — 100000 р, а інфузорії витримують опромінення в дозі 300000 р. Радіочутливість вищих рослин теж різна: насіння лілії повністю втрачає схожість при дозі опромінення 2000 р, на насіння капусти не впливає доза в 64000 р.
Велике значення мають також вік ( мал. 2 ), фізіологічний стан, інтенсивність обмінних процесів організму, а також умови опромінення. При цьому, окрім дози опромінення організму, грають роль: потужність, ритм і характер опромінення (однократне, багатократне, переривисте, хронічне, зовнішнє, загальне або часткове, внутрішнє), його фізичні особливості, що визначають глибину проникнення енергії в організм (рентгенівське і гамма-випромінювання проникає на велику глибину, альфа-частки до 40 мкм, бета-частки — на декілька мм ) , щільність іонізації, що викликається випромінюванням (під впливом альфа-часток вона більша, ніж при дії інших видів випромінювання). Всі ці особливості впливаючого променевого агента визначають відносну біологічну ефективність випромінювання. Якщо джерелом випромінювання служать ті, що попали в організм радіоактивні ізотопи, те величезне значення для Б. д. і. і.. що випускається цими ізотопами, має їх хімічна характеристика, що визначає участь ізотопу в обміні речовин, концентрацію в тому або іншому органі, а отже, і характер опромінення організму.
Первинна дія радіації будь-якого вигляду на будь-який біологічний об'єкт починається з поглинання енергії випромінювання, що супроводиться збудженням молекул і їх іонізацією. При іонізації молекул води (побічна дія випромінювання) у присутності кисню виникають активні радикали (ОН- і ін.), гідратовані електрони, а також молекули перекиси водню, що включаються потім в ланцюг хімічних реакцій в клітці. При іонізації органічних молекул (пряма дія випромінювання) виникають вільні радикали (див. Радикали вільні ), які, включаючись в хімічні реакції, що протікають в організмі, порушують перебіг обміну речовин і, викликаючи появу невластивих організму з'єднань, порушують процеси життєдіяльності. При опроміненні в дозі 1000 р в клітці середньої величини (10 -9 г ) виникає близько 1 млн. таких радикалів, кожен з яких у присутності кисню повітря може дати початок ланцюговим реакціям окислення, що у багато разів збільшують кількість змінених молекул в клітці і викликають подальшу зміну надмолекулярних (субмікроскопічних) структур. З'ясування великої ролі вільного кисню в ланцюгових реакціях, ведучих до променевого ураження, т.з. кисневого ефекту, сприяло розробці ряду ефективних радіозахисних речовин, що викликають штучну гіпоксію в тканинах організму. Велике значення має і міграція енергії по молекулах біополімерів, в результаті якої поглинання енергії що сталося в будь-якому місці макромолекули, приводить до поразки її активного центру (наприклад, до інактівациі білка-ферменту). Фізичні і физико-хімічні процеси, лежачі в основі Б. д. і. і., тобто поглинання енергії і іонізація молекул, займають долі сік ( мал. 3 ).
Подальші біохімічні процеси променевого пошкодження розвиваються повільніше. Активні радикали, що утворилися, порушують нормальні ферментативні процеси в клітці, що веде до зменшення кількості багатих енергією (макроергічних) з'єднань. Особливо чутливий до опромінення синтез дезоксирибонуклеїнових кислот (ДНК) в клітках, що інтенсивно діляться. Т. о., в результаті ланцюгових реакцій, що виникають при поглинанні енергії випромінювання, змінюються багато компоненти клітки у тому числі макромолекули (ДНК, ферменти і ін.) і порівняно малі молекули (аденозинтрифосфорна кислота, коферменти і ін.). Це приводить до порушення ферментативних реакцій, фізіологічних процесів і клітинних структур.
Дію іонізуючого випромінювання викликає пошкодження кліток. Найбільш важливе порушення клітинного ділення — мітоза . При опроміненні в порівняно малих дозах спостерігається тимчасова зупинка мітоза. Великі дози можуть викликати повне припинення ділення або загибель кліток. Порушення нормального ходу мітоза супроводиться хромосомними перебудовами, виникненням мутацій, ведучими до зрушень в генетичному апараті клітки, а отже, до зміни подальших клітинних поколінь (цитогенетичний ефект.) При опроміненні статевих кліток багатоклітинних організмів порушення генетичного апарату веде до зміни спадкових властивостей організмів (див. Генетична дія випромінюванні ) , що розвиваються з них . При опроміненні у великих дозах відбувається набухання і пікноз ядра (ущільнення хроматину), потім структура ядра зникає. У цитоплазмі при опроміненні в дозах 10 000—20 000 р спостерігаються зміна в'язкості, набухання протоплазматічеських структур, утворення вакуолею, підвищення проникності. Все це різко порушує життєдіяльність клітки.
Порівняльне вивчення радіочутливості ядра і цитоплазми показало, що в більшості випадків чутливо до опромінення ядро (наприклад, опромінення ядер сердечного м'яза тритона в дозі декількох протонів на ядро викликало типові деструктивні зміни; доза в декілька тисяч разів велика не пошкодила цитоплазми). Багаточисельні дані показують, що клітки найбільш радіочутливі в період ділення і диференціювання: при опроміненні приголомшуються перш за все зростаючі тканини. Це робить опромінення найбільш небезпечним для дітей і вагітних жінок. На цьому ж заснована і радіотерапія пухлин — зростаюча тканина пухлини гине при опроміненні в дозах, які менше ушкоджують навколишні нормальні тканини.
зміни, що Виникають в опромінюваних клітках, ведуть до порушень в тканинах, органах і життєдіяльності всього організму. Особливо виражена реакція тканин, в яких окремі клітки живуть порівняно недовго. Це слизиста оболонка шлунку і кишечника, яка після опромінення запалюється, покривається виразками, що веде до порушення травлення і всмоктування, а потім до виснаженню організму, отруєнню його продуктами розпаду кліток (токсемія) і проникненню бактерій, що живуть в кишечнику, в кров (бактеріємія ) . Сильно ушкоджується кровотворна система, що веде до різкого зменшення числа лейкоцитів в периферичній крові і до зниження її захисних властивостей. Одночасно падає і вироблення антитіл, що ще більше ослабляє захисні сили організму. (Зменшення здатності опроміненого організму виробляти антитіла і тим самим протистояти впровадженню чужорідного білка використовується при пересадці органів і тканин — перед операцією пацієнта опромінюють.) Зменшується і кількість еритроцитів, з чим пов'язано порушення дихальної функції крові. Б. д. і. і. обумовлює порушення статевої функції і утворення статевих кліток аж до повного безпліддя (стерильності) опромінених організмів. Важливу роль в розвитку променевого ураження тварин і людини грає нервова система. Так, у кроликів смертельний результат при опроміненні в дозі 1000 р часто визначається порушеннями в центральній нервовій системі, що викликають зупинку сердечної діяльності і параліч дихання. Дослідження біоелектричних потенціалів мозку опромінених тварин і людей, що піддаються променевій терапії, показали, що нервова система раніше інших систем організму реагує на радіаційна дія. Опромінення собак в дозі 5—20 р і хронічне опромінення в дозі 0,05 р досягши дози в 3 р веде до зміни умовних рефлексів. Велику роль в розвитку променевій хворобі грають і порушення діяльності залоз внутрішньої секреції.
Для Б. д. і. і. характерна післядія, яка може бути дуже тривалим, т.к. по закінченні опромінення ланцюг біохімічних і фізіологічних реакцій, що почалися з поглинання енергії випромінювання, продовжується довгий час. До віддалених наслідків опромінення відносяться зміни крові (зменшення числа лейкоцитів і еритроцитів), нефросклероз, циррози печінки, зміни м'язових оболонок судин, раннє старіння, поява пухлин (див. Бластомогенноє дія випромінювань ) . Ці процеси пов'язані з порушенням обміну речовин і нейроендокрінной системи, а також пошкодженням генетичного апарату кліток тіла (соматичні мутації ) .
Рослини, в порівнянні з тваринами, більш радіостійкі. Опромінення в невеликих дозах може стимулювати життєдіяльність рослин ( мал. 4 ) — проростання насіння, інтенсивність зростання корінців, накопичення зеленої маси і ін. Великі дози (20 000—40 000 р ) викликають зниження виживаності рослин, появу потворності, мутацій, виникнення пухлин. Порушення зростання і розвитку рослин при опроміненні в значній мірі пов'язані із змінами обміну речовин і появою первинних радіотоксинів, які в малих кількостях стимулюють життєдіяльність, а у великих — пригнічують і порушують її. Так, промивання опроміненого насіння протягом доби після опромінення знижує пригноблюючий ефект на 50—70%.
Променеве пошкодження організму супроводиться одночасно поточним процесом відновлення, який пов'язаний з нормалізацією обміну речовин і регенерацією кліток. Тому опромінення дріб або з малою потужністю доз викликає менше пошкодження, чим масивне дія. Вивчення процесів відновлення важливе для пошуків радіозахисних речовин, а також засобів і методів захисту організму від випромінювань . В невеликих дозах всі мешканці Землі постійно схильні до дії іонізуючого випромінювання — космічних променів і радіоактивних ізотопів, що входять до складу самих організмів і довкілля (див. Радіоактивність атмосфери, Радіоактивне забруднення біосфери). Випробування атомної зброї і мирне вживання атомної енергії підвищують фон радіоактивний . Це робить вивчення Б. д. і. і. і пошуки захисних засобів усе більш важливими.
Би. д. і. і. користуються в біологічних дослідженнях, в медичною і з.-х.(сільськогосподарський) практиці. На Б. д. і. і. засновані променева терапія, рентгенодіагностика, радіоізотопна терапія.
В сільському господарстві радіаційні дії застосовуються з метою виведення нових форм рослин, для передпосівної обробки насіння, боротьби з шкідниками (шляхом виведення і випуску на приголомшувані плантації знепліднених опроміненням самців), для променевої консервації фруктів і овочів, оберігання продуктів рослинництва від шкідників (дози, згубні для комах, нешкідливі для зерна) і ін.
Літ.: Ліванов М. Н., Деякі проблеми дії іонізуючої радіації на нервову систему, М., 1962; Кузин А. М., Радіаційна біохімія, М., 1962; Бак З., Александер П. А., Основи радіобіології, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1963; Основи радіаційної біології, М., 1964; Первинні процеси променевого ураження. Сб. ст., М., 1957; Корогодін Ст І., Проблеми радіаційного для поста відновлення, М., 1966; Гродзенський Д. Е., Радіобіологія, М., 1966; Радіаційна медицина, М., 1968.
