textarchive.ru

Главная > Учебное пособие


МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Кафедра физиологии сельскохозяйственных животных

Баюров Л.И.

РАДИОБИОЛОГИЯ

Учебное пособие

Краснодар 2008

УДК 577.34

Рецензенты:

кафедра терапии и фармакологии Ставропольского государственного аграрного университета (проф., д.в.н. В.А.Оробец); кафедра паразитологии и ветсанэкспертизы Донского государственного аграрного университета (зав. кафедрой, проф., к.в.н. Н.Ф.Фирсов), кафедра физиологии и этологии с.-х. животных и клинической диагностики (зав. кафедрой, проф., д.б.н. С.В. Буров).

Баюров Л.И.

Радиобиология:Учебное пособие. – Краснодар: КубГАУ, 2008. – 331 с.

Учебное пособие включает основные разделы радиобиологии: понятие об ионизирующем излучении, строение атома, типы ядерных распадов, взаимодействие ионизирующего излучения с биологической тканью, понятие доз излучения и единицы, используемые в радиобиологии. Дано описание путей миграции, депонирования и выведения радионуклидов по пищевым цепочкам. Дана характеристика медицинских и экологических последствий аварии на Чернобыльской АЭС.

Пособие предназначено для студентов специальностей 110401 – «Зоотехния», 111201 - «Ветеринария», 020801 - «Экология», 110305 - «Технология производства и переработки сельскохозяйственной продукции» и 110202 – «Плодоовощеводство и виноградарство».

© Л.И. Баюров

СОДЕРЖАНИЕ

с.

Введение…………………………………………………………………..……....6

Глава 1. Предмет и задачи радиобиологии.…………………………………..8

1.1. Радиобиология как наука. Ее предмет и задачи.…………………………..8

1.2. Понятие об ионизирующем излучении (ИИ).………………………..……22

1.3. Характеристика ионизирующих излучений……………………………....25

Глава 2. Физические основы радиобиологии…………….………………...50

2.1. Строение атома и ядра. Ядерные силы сцепления.……………………….50

2.2. Эффект насыщения и дефект массы ядра………………………………....69

2.3. Понятие о стабильных и нестабильных изотопах………………………...71

2.4. Явление радиоактивности………………………………………………….75

Глава 3. Ядерные превращения………………………………………......….78

3.1. Типы ядерных превращений…………………………………………….....78

3.2. Радиоактивные семейства.………………………………………………….82

3.3. Сущность ядерной реакции.………………………………………………..92

3.4. Закон радиоактивного распада и единицы радиоактивности……………98

Глава 4. Источники ионизирующего излучения………………………….102

4.1. Радиационный фон и его компоненты…….……………………….…….102

4.2. Искусственные источники излучения……………………………………120

4.3. Миграция радионуклидов в биосфере……………………………….…...153

Глава 5. Механизм взаимодействия ионизирующего излучения с биологической тканью………………………………………....................................195

5.1. Этапы развития радиационного поражения……………………..…….…195

5.2. Теории косвенного и прямого действия………………………………….197

5.3. Радиохимические процессы в облученном организме………………….202

5.4. Механизм гибели клетки………………………………..……………...…209

5.5. Радиочувствительность растений и факторы ее определяющие…….…210

5.6. Влияние облучения растений на качество продукции растениеводства………………………………………………………………………………...215

5.7. Прогнозирование снижения урожая……………………………………...216

Глава 6. Закономерности загрязнения радионуклидами почвы и растений..............……………………………………………………………………..218

6.1. Осаждение радиоактивных аэрозолей на поверхность земли.………….218

6.2. Радиоактивное загрязнение растений при некорневом поступлении….220

6.3. Растениеводство и животноводство в зонах с различной степенью загрязнения почвы радионуклидами……………………………………………........228

Глава 7. Действие ионизирующих излучений на людей и животных.....237

7.1. Зависимость радиобиологического эффекта от дозы и вида излучения……………………………………………………………………………….237

7.2. Репарационные (восстановительные) процессы в облученных организмах.........................................................................................................................239

7.3. Клиника острой лучевой болезни…………………………………...……246

7.4. Влияние ионизирующей радиации на иммунитет и продуктивность животных.…………………..……………………………………………………....253

Глава 8. Закономерности загрязнения радионуклидами почвы и растений……………………………………………………………………………....257

8.1. Агротехнические и агрохимические мероприятия по снижению поступления радионуклидов из почвы в растения и продукты питания……….…..257

8.2. Дезактивация растениеводческой и животноводческой продукции…...270

Глава 9. Использование ионизирующего излучения в растениеводстве и животноводстве…………………………………………….......…...................276

9.1. Радиационные методы в растениеводстве………………………….……276

9.2. Радиационный мутагенез как основа селекции……………………….…279

9.3. Радиоактивные индикаторы в физиологии и биохимии растений и животных...…………………………………………………………………………283

9.4. Использование радиационно-биологических способов в биотехнологии……...………………………………………………………………………..288

Словарь радиологических терминов……………………………………….292

Список использованных источников……………………………….......….315

Введение

«Из невидимых излучений нам известны лишь немногие... Мы едва начинаем понимать их разнообразие, сознавать отрывочность и неполноту наших представлений об окружающем и проникающем в биосфере мире излучений, об их (с трудом постижимом уму, привыкшему к иным картинам мироздания) значении в окружающих нас процессах»

академик В.И. Вернадский

В данном учебном пособии автор попытался рассмотреть основные проблемы, стоящие перед радиобиологией. Хотя на сегодняшний день перед этой наукой встают новые задачи в связи с дальнейшим развитием атомной энергетики и расширяющимся использованием радиации в промышленности, сельском хозяйстве, медицине, биотехнологии, космонавтике и т.д.

В наш атомный век исключительно актуальной становится проблема радиационного фона, влияющего не только на состояние человека, но сложные биоценозы, объединяющие разнообразных представителей флоры и фауны. Уже хорошо известно, что индивидуальная чувствительность разных живых организмов, начиная с одноклеточных форм, различается в десятки, сотни и даже тысячи раз. Поэтому облучение биоценозов повышенными дозами может привести к серьезному нарушению существующего равновесия, что неизбежно приведет к значительным переменам в их видовом составе и существующих взаимосвязях.

Исключительный интерес и внимание привлекают работы, связанные с различными приемами и способами применения ионизирующей радиации в различных отраслях народного хозяйства, начиная с простейших медицинских процедур (флюорография, томография) и заканчивая развитием биотехнологий.

Перед радиационной экологией также встают ответственные задачи по тщательному мониторингу экологических последствий на территориях с повышенным в той или иной степени радиационным фоном в результате различных аварий, подобных чернобыльской.

На новый, более глубокий, уровень дальнейших исследований переходят и сравнительно старые проблемы радиобиологии, связанные с изучением сложных процессов, возникающих в облученном организме на молекулярном, клеточном и тканевом уровнях. Продвижение научных исследований в этом направлении позволит увеличить наши возможности по предупреждению повышенного облучения организмов, а также снизить тяжесть лучевых поражений и отдаленных последствий воздействия радиации.

Поскольку автором ставилась цель написания цельного учебного пособия, достаточно глубоко раскрывающего содержание программы курса, им были использованы многочисленные данные, таблицы и рисунки из различных источников, включая сайты Интернета. Их полный список приведен в конце пособия.

Глава 1. Предмет и задачи радиобиологии

1.1. Радиобиология как наука. Ее предмет и задачи

Радиоактивность и сопутствующие ей ионизирующие излучения существовали на Земле задолго до зарождения на ней жизни и присутствовали в космосе до возникновения нашей планеты. Ионизирующие излучения сопровождали и Большой взрыв, с которого, как мы сейчас полагаем, началось существование нашей Вселенной около 20 млрд. лет назад. С того времени радиация постоянно наполняет космическое пространство, а радиоактивные материалы вошли в состав Земли с самого ее появления. Даже человек слегка радиоактивен, так как во всякой живой ткани присутствуют в следовых количествах радиоактивные вещества. Да и само зарождение жизни на Земле происходило в присутствии радиационного фона окружающей среды.

Ученые часто дискутируют о том, шло ли развитие жизни наперекор постоянному скрытому патогенному воздействию радиации или же способность ионизирующих излучений вызывать мутации и послужила основной причиной непрерывной эволюции биологических видов в сторону повышения их организации. Однако в настоящее время никто не сможет с уверенностью сказать, как в действительности обстоит дело. И новое, что создал человек в этом отношении, это лишь дополнительная радиационная нагрузка, которой мы подвергаемся, например, во время рентгеновского исследования, во время полета на реактивном самолете, при выпадении радиоактивных осадков после испытания ядерного оружия или в результате работы атомных электростанций, созданных человеком для получения электрической энергии.

В результате этого, в настоящее время миллионы людей контактируют с источниками ионизирующих излучений. Что же помешало огромному росту числа жертв радиации, которого можно было бы ожидать, исходя из многократного увеличения массы контактирующих с нею людей? Таким фактором стало знание свойств ионизирующих излучений, позволившее разработать методы противорадиационной защиты и прогнозирования последствий воздействия радиации на организм человека.

«Предвидеть - значит управлять», - писал великий французский философ, математик и физик Блез Паскаль. Приступая к изучению явления радиоактивности и свойств ионизирующих излучений, знание которых необходимо для прогнозирования и снижения тяжести последствий их воздействия на организм, разработки способов и средств противорадиационной защиты, вначале мы познакомимся с предметом радиобиологии и проделаем краткий экскурс в историю ее становления и развития как науки.

Как и всякое явление, в условиях которого проходит жизнь человека,

радиация (будь это естественное или техногенное воздействие на живой организм) заслуживает соответствующего внимания. Именно этим и занимается наука и учебная дисциплина «Радиобиология».

Радиобиология (сельскохозяйственная радиология) – это наука, изучающая действие ионизирующей радиации на живые организмы, их сообщества и биоценозы в целом. Она является своеобразным фундаментом, на котором строится использование ядерных излучений в различных отраслях народного хозяйства.

Основной задачей, составляющей предмет радиобиологии, является вскрытие закономерностей ответа биологических объектов на радиационное воздействие, на основе которых можно овладеть искусством управления лучевыми реакциями организма. Для решения этой задачи необходимо обладать знаниями из ряда смежных фундаментальных дисциплин, таких как физика, химия, биология, биофизика, биохимия,цитология, гистология, нормальная и патологическая физиология.

Одной из особенностей радиобиологии является то, что это экспериментальная дисциплина. Ни одно утверждение в ней не принимается на веру, если оно не имеет четкого экспериментального подтверждения. А способность радиации взаимодействовать с любыми молекулами и структурами клеток обусловливает другую особенность радиобиологии – необходимость проведения исследований на всех уровнях биологической организации: от молекулярного до популяционного. Неизбежные при этом экстраполяции получаемых результатов на высшие уровни биологической организации определяют эту особенность радиобиологии, связанную с практической значимостью получаемых экспериментальных выводов и большой их ответственностью (например, при оценке радиационно-генетических последствий действия радиации).

И, наконец, еще одна особенность, определяемая прикладными задачами радиобиологии - овладение способами и методами управления реакций биологических объектов при лучевых повреждениях(например, с помощью фармакологических и радиопротекторных препаратов).

Решение стоящих перед радиобиологией задач позволило ей занять достойное место среди наук, служащих интересам человечества. Уже сегодня в сельском хозяйстве используют предпосевное облучение семян как метод повышения урожайности, методы радиационной генетики используются не только для выведения новых видов животных и растений, но и для борьбы с вредителями путем стерилизации насекомых. На основе радиобиологических знаний организована лучевая стерилизация овощей, пищевых консервов, а также медицинских средств и реактивов.

Отдельными направлениями радиобиологии являются также радиационная экология, космическая радиобиология, военная радиобиология, а такие направления как противолучевая защита, лучевая терапия, радиационная гигиена, радиационная иммунология и другие можно объединить в одну крупную ветвь радиобиологии – медицинскую радиобиологию.

За более чем 100 лет со времени открытия ионизирующих излучений накоплен огромный теоретический и практический материал, обобщение которого позволило построить стройную систему представлений о радиации и ее воздействии на живые организмы.

Современная радиобиология представляет собой самостоятельную комплексную дисциплину, имеющей четко выделенные отдельные направления: радиационная цитология, общая радиобиология, радиационная биохимия, радиационная генетика, радиационная экология, противолучевая защита и терапия радиационных поражений, космическая радиобиология, радиационная гигиена и, наконец, получившая активное развитие в настоящее время - радиобиология опухолей.

Такова сложная структура современной радиобиологии, относительно короткая история которой как столь интересна, так и столь драматична.

Зарождение радиологии связано с тремя важнейшими событиями конца XIX века:

1). открытие Вильгельмом КонрадомРентгеном (первая Нобелевская премия по физике, 1901) новых невидимых для глаза лучей, получивших название рентгеновских или Х-лучей.

Сообщение об открытии датировано 28 декабря 1895 г. Более полутора месяцев ученый тщательно исследовал неведомые лучи. Ему удалось установить, что они В.Рентген (1845-1923) сильно флюоресцируют под ударами катодных лучей.

В начале 1896 г. петербургский физиолог И. Р. Тарханов провел первые исследования на лягушках и насекомых, облученных лучами Рентгена, и пришел к выводу, что «Х-лучами можно не только фотографировать, но и влиять на ход жизненных функций».

Другим пионером в радиобиологии был российский патофизиолог, биохимик и радиобиолог, профессор Е. С. Лондон, который начал в 1896 г. многолетние широкие исследования по рентгенорадиологии и экспериментальной радиобиологии. Еще в 1901 г. в работе П. Кюри и А. Беккереля, появилась первая официальная информация о патологическом влиянии радиации на кожу, в которой авторы сообщали, что неосторожное обращение с радием вызывало у них ожоги кожи. Понимая необходимость элементарных дозиметрических знаний, Е.С. Лондон и его сотрудник врач-хирург С.В. Гольдберг проводили экспериментальные исследования действия радия на себе. Работа Е.С. Лондона «Радий в биологии и медицине» (1911) стала первой в мире монографией по радиобиологии.

Основной и очень важной задачей радиобиологии в то время была необходимость точной количественной оценки дозы радиации. Дозиметрия, как раздел физики, количественно оценивающая испускаемую (экспозиционную) и поглощенную энергию излучений, а также активность радиоизотопов, появилась значительно позднее.

2). весной 1896 г. французский физик Антуан АнриБеккерель (Нобелевская премия по физике, 1903) сделал ряд сообщений об обнаружении им нового вида излуче-

ния, которое испускалось солями урана. Подобно откры-

тым за несколько месяцев до этого рентгеновским лучам, оно обладало проникающей способностью, засвечивало экранированную черной бумагой фотопластинку и иони-

А.Беккерель (1852-1908)

зировало воздух.

Гипотеза, которая привела к открытию радиоактивности, возникла у Беккереля под влиянием исследований В.Рентгена.

В 1896 г. французский математик и физик Анри Пуанкаре высказал предположение, что Х-лучи, открытые Рентгеном, могут самопроизвольно испускаться некоторыми природными фосфоресцирующими веществами. Рассуждения Пуанкаре были логичны и просты: рентгеновское излучение, по-видимому, возникает на том конце вакуумной трубки, куда попадают катодные лучи и где светится стекло трубки. Но тогда, может быть, светящиеся (люминесцирующие) вещества могут и сами испускать лучи, наподобие рентгеновских? Доклад Пуанкаре произвел большое впечатление наБеккереля.

Поскольку при генерации Х-лучей наблюдалась фосфоресценция стеклян-

ных стенок рентгеновской трубки, Беккерель предположил, что любое фос-

форесцентное свечение сопровождается испусканием рентгеновского излуче-

ния. Он поместил на пакет фотографических пластинок, завернутых в плот-

ную черную бумагу, люминесцентный материал (сульфат-уранил калия), имевшийся у него под рукой, и в течение нескольких часов подвергал этот сверток облучению солнечным светом.

После этого Беккерель обнаружил, что излучение прошло сквозь бумагу и воздействовало на фотографическую пластинку, что, очевидно, указывало на то, что соль урана испускала рентгеновские лучи, а также и свет после того, как была облучена солнечным светом. Однако, к удивлению Беккереля, оказалось, что то же самое происходило и тогда, когда такой пакет с фотопластинками помещали в темное место без облучения солнечным светом.

Анри Беккерель, по-видимому, наблюдал результат воздействия не рентгеновских лучей, а нового видапроникающей радиации, испускаемой без внешнего облучения источника.

На протяжении нескольких последующих месяцев Беккерель повторял свой опыт с другими известными люминесцентными веществами и обнаружил, что одни лишь соединения урана испускают открытое им самопроизвольное излучение. Кроме того, нелюминесцентные соединения урана испускали аналогичное излучение, и, следовательно, оно не было связано с люминесценцией.

В мае 1896 г. Беккерель, проведя опыты с чистым ураном, обнаружил, что фотографические пластинки показывали такую степень облучения, которая в три-четыре раза превышала излучение первоначально использовавшейся соли урана. Загадочное излучение, которое, совершенно очевидно, являлось свойством, присущим урану, стало известно как лучи Беккереля.

Многочисленные контрольные опыты показали, что причиной засветки явилась не фосфоресценция, а именно уран, в каком бы химическом соединении он ни находился. Свойство радиоактивного излучения вызывать ионизацию воздуха позволило наряду с фотографическим методом регистра-

ции применять более удобный электрический метод, что значительно ускори-

ло процесс исследований. Это явление самопроизвольного испускания соля-

ми урана лучей особой природы было названо радиоактивностью (от лат. radio - «излучаю»;radius-«луч» и activus - «действенный»).

Своим открытием Беккерель поделился с Пьером Кюри и Марией Скло-довской-Кюри. Однажды для публичной лекции он взял у супругов Кюри пробирку с радиоактивным препаратом и положил ее в жилетный карман. На следующий день он обнаружил на теле покраснение кожи в виде пробирки. Беккерель рассказал об этом П.Кюри, который ставит на себе опыт: в течение десяти часов носит привязанную к предплечью пробирку с радием. Через несколько дней у него развивается покраснение, перешедшее затем в тяже-лейшую язву, от которой Кюри страдал два месяца. Так впервые опытным путем, было открыто биологическое действие радиации.

3). открытие в 1898 г. супругами Кюри радиоактивных элементов - полония и радия, испускающих три вида лучей: α, β и γ. Радий заставлял фосфоресцировать мно-

гие вещества, неспособные сами по себе излучать свет.

П. Кюри М. Склодовская-Кюри

(1859-1906) (1867-1934)

Увидев свечение радия, Пьер Кюри сказал друзьям: «Вот свет будущего!» Ученый оказался прав - открытие радиоактивности изменило не только наши представления об устройстве материального мира, но и наши возможности обеспечивать процесс его познания и реализации гуманитарных планов человеческой цивилизации. Проще говоря, у человека появилась возможность добывать энергию из атомных глубин и использовать ее во благо.

Как-то известный английский химик Фредерик Содди взял стеклянную трубочку с радием и фотопластинку в светонепроницаемой кассете и стал водить трубочкой, как карандашом, по кассете. Лучи радия прошли сквозь кассету и на фотопластинке отпечатались слова «Writingradium» («Написано радием»).

За свои исследования Пьер Кюри и Мария Склодовская-Кюри в 1903 г. были удостоены Нобелевской премии по физике. Спустя 8 лет последовала вторая Нобелевская премия по химии, присужденная Марии Кюри «за откры-

тие элементов радия и полония, за выяснение природы радия и выделение его в металлическом виде».

Так М. Склодовская-Кюри стала первой женщиной, удостоенной высшей награды, и первым ученым, удостоенным ею дважды. Многие академии и научные общества мира избрали ее почетным членом, в том числе и Академия наук России. Вся жизнь Марии Склодовской-Кюри – подвиг, беззаветный труд во имя науки. Девизом служили слова ее мужа Пьера: «Что бы ни случилось, хотя бы расставалась душа с телом, надо работать». Работа по изучению радиоактивных веществ началась в темной, плохо оборудованной лаборатории, где супруги Кюри в течение почти 4 лет перерабатывали тонны урансодержащих отходов.

В июле и декабре 1898 года соответственно им удалось выделить ничтожно малые количества неизвестных до сих пор элементов – полонияирадия. Только в 1902 г. они получили около 0,1 г чистого хлорида радия, что позволило им определить его атомный вес, установить физические и химические свойства и его место в периодической системе элементов. Научный мир с нетерпением ожидал каждую новую статью о радиоактивности, подписанную супругами Кюри: каждая из них несла крупицу новых знаний.

19 апреля 1906 г. произошло трагическое событие: в результате несчастного случая погиб Пьер Кюри. Но горе не сломило Марию: «Что бы ни случилось - надо работать!». И упорная работа принесла новые плоды. В 1910 г. она совместно с французским физиком А. Дебьерном (первооткрывателем актиния) впервые выделила небольшие количества чистого металлического радия и вторично, с большей точностью, определила его атомный вес. В 1911 г. она впервые изготовила эталон радия, который в течение 24 лет оставался единственным в мире.

М.Склодовской-Кюри принадлежат работы в области радиологии и рентгенологии. Позднее это событие включили в число семи наиболее крупных научных достижений – «семи чудес света» – первой четверти 20-го века.

В 1914 г. она организовала рентгенологическое обследование раненых в госпиталях, а в 1922 г. стала первой женщиной, избранной членом Парижской медицинской академии.

М.Склодовская-Кюри стала первой женщиной - профессором. Курс лек-

ций по радиоактивности, прочитанный ею, лег в основу фундаментального труда «Радиоактивность» (1910 г.), который много раз переиздавался на иностранных языках, в том числе и на русском.

По ее инициативе и непосредственном участии в Париже был создан Институт радия. Он был построен накануне первой мировой войны, и Мария вплоть до пос-

ледних дней жизни возглавляла его физи-

ко-химический отдел. Человек большой и щедрой души – такой она была всю жизнь. Мария первой организовала ши-

рокое применение излучений в медицин-

ских целях, обучила во время войны бо-



Скачать документ

Похожие документы:

  1. Б колесников и истина нальчик 2010 оглавление

    Документ
    ... учебные программы. Наиболее демонст­ративный пример-учебноепособие " ... времен его основателя Баюр-Хасана (Хасанов ... Гунделене в сентябре 2008 г., для откровенно провокационного ... Петербурга, Тбилиси, Ставрополя, Краснодара, Владикавказа, Стамбула, Берлина ...
  2. Книги поступившие в библиотеку в октябре-декабре 2011 года

    Учебное пособие
    ... [А. Ю. Александрова, Е. В. Аигина, В. Н. Баюра и др.] ; под ред. А. Ю. Александровой. ... Краснодар; М.; СПб.: Лань, 2010. - 377, [1] с. - (Учебники для вузов. Специальная литература). В учебномпособии ... ноосферного образования" (2008). Однако, независимо ...
  3. Книги поступившие в библиотеку в октябре-декабре 2011 года

    Документ
    ... [А. Ю. Александрова, Е. В. Аигина, В. Н. Баюра и др.] ; под ред. А. Ю. Александровой. ... Краснодар; М.; СПб.: Лань, 2010. - 377, [1] с. - (Учебники для вузов. Специальная литература). В учебномпособии ... ноосферного образования" (2008). Однако, независимо ...

Другие похожие документы..