Лабораторная работа №3 Определение половинного слоя ослабления гамма-излучения в веществе

1. Исследование влияния радиоактивного излучения на живые организмы

Когда в 1896 году А. Беккерель впервые обнаружил наличие ионизирующих излучений у соединений урана, никто не предполагал, что они настолько опасны. Только через полстолетия, после взрывов первых атомных бомб, человечество полностью осознало разрушительную мощь ядерной энергии.

Естественная радиоактивность встречается у элементов с атомным номером более 83. Скопление положительных зарядов в атомном ядре делает ядро настолько неустойчивым, что оно испускает либо -частицы, т.е ядра гелия (два протона и два нейтрона), либо -частицы (электроны). При этом атомные ядра приходят в возбужденное состояние и при обратном переходе в нормальное состояние испускают рентгеновские или -лучи.

Ядерное излучение обладает большой энергией. Энергия - излучения лежит в пределах 4 - 9 МэВ, -излучения – 0,5 – 2 МэВ и -излучения – 0,1 – 2 МэВ.

Высокая энергия ядерного излучения постепенно расходуется при его прохождении через воздух, воду и другие среды при встрече с атомами среды. В воздухе длина пробега -излучения составляет в зависимости от энергии -лучей от нескольких метров до нескольких километров. Это излучение проходит через мягкие ткани организма, такая же картина наблюдается в случае нейтронов. Длина пробега -частиц в воздухе составляет 150 – 850см, в мягкие ткани растений и животных они проникают всего лишь на несколько миллиметров. Длина пробега ядер гелия в воздухе равна 2,5 – 9см, в ткани они проникают всего лишь на доли миллиметров. Поскольку - и -излучение отдают всю энергию в тканях организма на коротком отрезке пути, то очевидно, что они наносят тяжелейшие повреждения клеткам вблизи от места их проникновения.

Устойчивость различных организмов к действию излучения колеблется в широких пределах. При этом, чем крупнее и сложнее организм, тем сильнее он подвергается воздействию радиации. Так, например, бактерии в тысячи раз устойчивее к излучению, чем человек и высокоорганизованные животные. Установлено, что наиболее восприимчивы к лучевому воздействию быстро развивающиеся клетки: развивающиеся зародыши животных гораздо чувствительнее взрослых особей, а вегетативные формы бактерий несравненно чувствительнее бактериальных спор.

Присутствие радионуклида в тканях организма тем опаснее, чем чаще происходит ядерный распад. За единицу активности радионуклида был принят беккерель (Бк), эта единица соответствует 1 акту распада в секунду.

Облучение тканей организма при ядерном распаде в первую очередь вызывает процессы ионизации и образования радикалов. Мягкие ткани состоят главным образом из воды, и основные реакции, протекающие под действием облучения, связаны с ее распадом (радиолизом). В первую очередь молекулы воды дают сольватированные электроны (е ^-_водн. ), т.е. электроны, окруженные гидратной оболочкой. При этом образуются два радикала:

Н₂О  Н + ОН + е ^-_водн.

Продолжительность существования этих продуктов распада около 1 мс; в окислительных условиях в живых клетках в дальнейшем образуются новые радикалы и гидроксид водорода:

О₂ + Н  = НО₂

О₂ + е ^-_водн. = О₂^-

О₂^- + НО₂ ^Н+ Н₂О₂ + О₂

Н₂О₂ + О₂^-  ОН^- + ОН + О₂

Наряду с этими реакциями возможно взаимодействие первичных продуктов распада воды с образованием новых молекул воды, а также Н₂ и Н₂О₂. Вызванное облучением образование радикалов ведет к возникновению множества дальнейших реакций, которые отражаются на функциях пораженных тканей организма. Сильная склонность к кровотечению после получения больших доз облучения, например 400 рентген, позволяет сделать вывод о повреждении мембран клеток.

Особое значение приобретают реакции радикалов, образовавшихся при облучении, с нуклеиновыми кислотами. Радикалы Н и е ^-_водн. особенно часто реагируют с азотистыми основаниями нуклеиновых кислот, при этом в свою очередь образуются разнообразные радикалы. Частично измененные основания при синтезе нуклеиновых кислот вступают в реакции с новыми партнерами, что приводит к образованию ложных нуклеотидов и возникновению мутаций. При синтезе нуклеиновых кислот наряду с нарушением нормального образования пар оснований, происходят как утрата оснований, так и разрыв мостиков в структуре ДНК. В то время как разрыв отдельных мостиков может быть скомпенсирован их восстановлением, массовое разрушение мостиков может привести к выпадению целых сегментов в молекуле ДНК. После получения высоких доз облучения, как и после взаимодействия с определенными веществами мутагенного действия, можно с помощью микроскопа наблюдать полностью разрушенные хромосомы.

Рис.1 Наверху: Фрагмент генетического кода белка. Внизу: Результат воздействия -излучения на два ДНК-основания.

Химические превращения, происходящие в клетках после радиоактивного облучения, еще пока до конца не изучены. По-видимому, образуется ряд производных, обладающих мутагенным действием. Так, например, после облучения тимина образуются пероксидпроизводные этого основания, а после облучения 2-дезокси-D-рибозы образуются карбонильные соединения. Как показали опыты с микроорганизмами, эти соединения обладают мутагенным действием. При этом находящийся в клетках кислород, вероятно, играет роль катализатора. Считается, что в присутствии кислорода при облучении рентгеновскими или -лучами мутагенное воздействие усиливается в 2-3 раза, а при облучении нейтронов – в полтора раза.

Биологический эффект или степень лучевого поражения растет с увеличением поглощенной дозы излучения. В результате радиоактивного облучения в организме человека могут возникать следующие виды нарушений: раковые заболевания, острый лучевой синдром и генетические изменения у потомства.

Уже при небольших дозах облучения может проявляться канцерогенное действие, при котором скрытый период болезни может длиться годами или даже десятилетиями. Причинную связь между первичным облучением и злокачественным перерождением клеток не всегда удается полностью проследить. Однако бесспорна связь между изменениями ДНК и возникновением раковых заболеваний.

В то время как раковые заболевания следует рассматривать в качестве отдаленного последствия крайне малых доз облучения, большие дозы, порядка 0.25 Гр ( 1 Гр (грей)= 1Дж/кг), могут вызывать симптомы острого лучевого поражения, а также легкой формы лучевой болезни. Признаки поражения сходны с гриппом и организм быстро восстанавливается, но однако всегда существует опасность рецидивов и отдаленных последствий.

Острый же лучевой синдром, который является последствием действия больших доз радиации, проявляется в недомогании, тошноте, общей слабости, кровотечениях, упадке сил, выпадении волос, иногда в лихорадке. Чем раньше начинают проявляться эти симптомы, тем сильнее была доза облучения и тем более неблагоприятны прогнозы по восстановлению здоровья. Трагическим примером могут служить жертвы атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки.

Наиболее непредсказуем генетический ущерб, который может быть нанесен потомству людей, подвергшихся облучению. Это не в последнюю очередь связано с тем, что большинство мутаций носит рецессивный характер, т.е. они проявляются только в тех случаях, когда в организме встречаются две однородные мутации. Образование таких мутаций часто протекает в скрытой форме и остается незамеченным. Таким образом, у человечества в целом идет накопление мутаций, что представляет большую опасность, так как большинство мутаций отрицательно влияет на жизнеспособность биологического вида.