Радиобиология с основами радиоэкологии

На стыке радиобиологии и экологии возник ее отдельный раздел, который иногда относят к экологии или рассматривают как самостоятельную науку – радиационная экология, или радиоэкология. В радиобиологической номенклатуре радиоэко­ логия – это область радиобиологии, изучающая концентрации и миграцию радиоактивных веществ в объектах окружающей среды и их действие на живые организмы.

Место радиобиологии среди смежных наук, ее связи с ними и соподчинение показаны на рис. 1.1.

1.2. Направления радиобиологии и ее задачи

Современная радиобиология представляет собой комплексную междисциплинарную область биологической науки, имеющую четко выделенные отдельные направления. Основными из них являются следующие: радиационная медицина и медицинская радиобиология, включающая противорадиационную защиту и терапию, радиационную гигиену, радиационную иммунологию и радиобиологию опухолей; радиационная экология; радиационная генетика; сельскохозяйственная радиобиология, в которую самостоятельной дисциплиной входит ветеринарная радиобиология; радиационная цитология; радиационная биохимия; радиационная биофизика; космическая радиобиология и некоторые другие.

Одни из этих направлений имеют конкретный объект изучения, другие – нет. Но у каждого направления есть свои определенные задачи.

Главной задачей радиобиологии, составляющей предмет ее исследований, является изучение закономерностей биологиче­ ского действия ионизирующих излучений на живой организм с целью овладения управлением его реакциями на облучение.

Исходя из этой общей задачи формулируются и конкретные задачи каждого направления радиобиологии с учетом спе­ цифики объектов исследований и других особенностей.

Так, радиационная медицина изучает действие ионизирующих излучений на организм человека, принципы профилактики и лечения радиационных поражений, возможных последствий облучения населения.

Радиационная экология исследует пути миграции радиоактивных веществ в компонентах биогеоценоза, дает оценку их количества и биологического действия инкорпорированных растениями, животными и другими организмами радиоактивных веществ.

Задачей сельскохозяйственной радиобиологии является изу­ чение радиочувствительности сельскохозяйственных растений и животных, изыскание возможностей ее модификации, разработка приемов минимизации накопления радиоактивных веществ в продукции растениеводства и животноводства.

Многие из этих задач являются производными главной цели радиобиологии и тесно связаны с вопросами других ее направлений. Самостоятельное значение имеет задача крупнейшего направления так называемой прикладной радиобиологии, которая служит практическому воплощению проблем всех направлений радиобиологии в медицину, сельское хозяйство, пищевую промышленность и другие сферы хозяйственно полезной деятельности человека.

На рис. 1.2. представлены перечисленные направления радиобиологии, а также основные связи, иллюстрирующие их взаимодействие и соподчиненность.

О Б Щ А Я Р А Д И О Б И О Л О Г И Я

Рис. 1.2. Основные направления радиобиологии.

1.3. История радиобиологии

Радиобиологию принято считать молодой наукой. Это справедливо, если ее сравнивать с такими биологическими науками, как ботаника, зоология, анатомия, физиология, история которых уходит вглубь столетий и даже тысячелетий. Но она гораздо старше таких биологических наук, как молекулярная биология, молекулярная генетика, клеточная биология, генетическая инженерия, возникших во второй половине ХХ столетия. В 1995 г. радиобиология вместе со 100-летием открытия рентгеновских лучей отметила свой вековой юбилей.

1.3.1.Роль достижений ядерной физики

ввозникновении и развитии радиобиологии

Своим рождением радиобиология как самостоятельная нау­ ка обязана трем великим открытиям в области физики, сделан-

физике, а в 1903 г. этой же премии были удостоены Беккерель и супруги Кюри.

Открыть новые лучи Рентгену помог случай. Однажды в ноябре 1895 г. окончив, как всегда, поздно вечером эксперименты в лаборатории физического института Вюрцбургского университета и погасив свет, он увидел в темноте зеленоватое свечение. Оно исходило от кристаллов платиносинеродистого бария, находившихся вблизи обернутой в плотную черную бумагу газоразрядной катодной трубки, которую Рентген забыл выключить. Свечение прекращалось при выключении трубки и возникало при ее включении. Катодные лучи не проникают через черную бумагу, и ученого осенила гениальная догадка о том, что при прохождении тока в трубке возникает неизвестное невидимое излучение, которое он назвал Х-лучами (рис. 1.3).

Догадка была именно гениальной, так как задолго до Рентгена многие физики работали с катодными лучами, наблюдали свечение, исходившее под их влиянием от некоторых веществ и предметов, но только Рентген «увидел» невидимые лучи.

В течение 1895–1897 гг. Рентген исследовал свойства открытых им лучей, создал первые «рентгеновские» трубки. Он

14 Радиобиология с основами радиоэкологии

ляют собой электромагнитное излучение, занимающее спектральную область между g- и ультрафиолетовым излучением в пределах длин волн от 10–11 до 10–7 м.

Открытие рентгеновских лучей привлекло внимание ученых всего мира, и уже в течение последующего 1896 г. было опубликовано свыше тысячи научных работ по исследованию их свойств и применению. Интересовался ими и профессор физики Парижского музея естественной истории А. Беккерель – всемирно признанный авторитет в области люминесценции. В то время он исследовал индуцируемое солнечным светом свечение различных минералов и обнаружил, что наиболее интенсивно оно возникает у солей урана – химического элемента, открытого еще в 1789 г. Он установил, что если положить соль урана на фотографическую пластинку, завернутую в плотную черную бумагу, и поместить на солнце, то пластинка засвечивается в том месте, где находилась соль. При очередном эксперименте день оказался пасмурным и опыт пришлось отложить. Завернутая в черную бумагу фотопластинка с помещенной на ней солью была оставлена в темном ящике. Через несколько дней то ли случайно, то ли по забывчивости, а может быть, движимый интуицией, А. Беккерель проявил пластинку. Каково же было удивление ученого, когда на ней он увидел очертания соли, насыпанной в форме креста. Так было установлено, что уран самопроизвольно испускает невидимые лучи. Это было открытие естественной радиоактивности.

Между этими двумя сделанными почти одновременно открытиями (практически их разделяет всего четыре месяца) сразу же были проведены параллели: в обоих случаях имело место совершенно новое явление – невидимые лучи, способные проникать через светонепроницаемый барьер.

Сотни исследователей в десятках лабораторий различных

1.3.2.Этапы развития радиобиологии

Обиологическом действии ионизирующих излучений стало известно практически сразу же после их открытия. Они оказались вредными для здоровья тех, кто работал с рентгеновскими трубками и радиоактивными веществами. И фактически одними из первых жертв радиационного поражения были сами первооткрыватели ионизирующих излучений. Исследуя способность Х-лучей проходить через ткани организма, Рентген использовал для этого самый «подручный» объект – собственную руку. Некоторое время спустя рука покраснела, отекла, с нее стала сползать кожа. Беккерель, демонстрируя на лекциях свойство урана засвечивать фотопластинку, носил ампулу с препаратом радиоактивной соли в жилетном кармане. Вскоре на коже напротив этого места появилась язва, лечение которой доставило ученому немало хлопот.

1. Введение в радиобиологию, предмет и задачи, история и перспективы 17

Вот как описал Беккерель действие излучений радиоактивных веществ на человека: «Они действуют на эпидермис и глубоко поражают кожу, подобно Х-лучам. Действие вначале не вызывает никакого ощущения и последействие его развивается лишь через несколько недель: образуются более или менее глубокие раны, которые требуют для заживления иногда несколько месяцев и после которых остаются шрамы... Лучи действуют на нервные центры и могут вызывать параличи и смерть».

История развития ядерной физики и радиобиологии полна драматизма. От лучевой болезни умерла М. Склодовская-Кюри, погибли ее дочь И. Кюри и зять Ф. Жолио-Кюри – выдающиеся французские физики, также удостоенные Нобелевской премии за открытие в 1934 г. явления искусственной радиоактивности элементов. Считается, что лишь ранняя смерть в транспортной катастрофе «спасла» Пьера Кюри от лучевой болезни.

В 1930-х гг. в Германии в г. Гамбург в Институте Макса Планка, названном в честь выдающегося немецкого физикатеоретика,­ сделавшего немало для развития основ ядерной физики, был воздвигнут памятник ученым-физикам, врачам-ра- диологам, радиобиологам – жертвам лучевой болезни. На нем были выбиты имена 103 исследователей. Через 10 лет этот своеобразный список увеличился в три раза. В нем значились многие имена крупнейших ученых, навечно вошедших в историю радиобиологии, таких как И. Бергонье, который неоднократно будет упоминаться в этой книге, Г. Холцкнехт, Х. АльберсШонберг, Д. Леви-Дорн, К. Розенблат и многие другие. Несмотря на предпринимаемые меры безопасности при работе с радиоактивными веществами и излучениями, к 1980-му г. было известно уже более чем о 500 исследователях, причиной гибели которых стала ионизирующая радиация.

Научные эксперименты по дейст­ вию ионизирующей радиации на живые организмы были проведены практически сразу же вслед за открытием рентгеновских лучей и явления радиоактивности. Среди самых первых испытателей стоит имя известного русского физиолога, ученика И.М. Сеченова Ивана Рамазовича Тарханова из рода грузинских князей. Будучи при- ват-доцентом Петербургского университета, он уже в 1896 г. провел эксперименты по действию рентгеновских лучей на лягушек и насекомых, опубликовал работу по исследованию их влияния на «ход жизненных

функций». В ней он показал повреж- И.Р. Тарханов (1846–1908)

дающую способность рентгеновских лучей и первым высказал предположение о возможности их применения в медицине, что вскоре и подтвердилось.

По-видимому, первыми исследователями, попытавшимися использовать рентгеновские лучи для терапии рака, были американский врач Г. Джиллман и физик Д. Груббе. 29 января 1896 г., всего лишь через 23 дня после официального известия об открытии Рентгеном Х-лучей, они использовали их для облучения больной с неоперабельным раком молочной железы. По всей вероятности, эффект лечения оказался положительным, так как Груббе и в дальнейшем продолжал практику рентгенотерапии опухолей. Но и сам он стал жертвой рентгеновских лучей. В начале ХХ в. фундаментальные исследования по действию рентгеновских лучей и лучей радия на животных

ирастения были проведены известным русским патофизиологом и биохимиком Ефимом Семеновичем Лондоном, работавшим с 1895 г. до конца своей жизни в Институте экспериментальной медицины в Петербурге. Он одним из первых показал повреждающее действие ионизирующей радиации на многие жизненно важные системы организма и, в частности, на кроветворение, обнаружил их летальное действие на мышей, описал торможение роста облученных растений. Е.С. Лондон является основоположником отечественной радиобиологии, его книга «Радий в биологии и медицине», опубликованная в 1911 г., по сути первая в мире монография по радиобиологии.

В1904 г. немецкий исследователь Г. Петерс обнаружил нарушение клеточного деления под влиянием ионизирующей радиации. Сейчас данный факт кажется совершенно очевидным

исамо собой разумеющимся, так как на многочисленных и самых разнообразных живых объектах была четко показана связь между торможением роста с подавлением процессов деления клеток. Но в то время это было открытием.

Ученик Петерса М. Кернике, работавший с растительными объектами, в 1905 г. установил, что наиболее повреждаемой частью клетки является ядро. Он первым описал различные типы нарушений деления ядра и хромосом и заслуженно считается основоположником радиационной цитологии.

К такому же выводу – необычайно высокой радиочувствительности клеточного ядра – приходят французский исследователь Г. Боне, который работал с икрой и спермиями морско-

Е.С. Лондон (1869–1939) го ежа, и немецкий зоолог О. Гетрвиг,

облучавший рентгеновскими лучами половые клетки и развивающиеся зародыши различных земноводных.

Еще дальше в своих исследованиях пошли французские естествоиспытатели И. Бергонье и Л. Трибондо, обнаружившие неодинаковую чувствительность к ионизирующей радиации отдельных типов семяродных клеток. Они показали, что наиболее радиочувствительными являются сперматогонии, а самыми радиоустойчивыми – сперматозоиды. На основании своих экспериментов ученые в 1906 г. сформулировали положение о том, что чувствительность клеток к ионизирующему излуче­ нию прямо пропорциональна их способности к делению и об­ ратно пропорциональна степени дифференциации. Эта зависимость, получившая название положения, или закона Бергонье и Трибондо (иногда пишут Бергонье-Трибондо), не утратила своего значения до настоящего времени, являясь одной из фундаментальнейших закономерностей в радиобиологии.

На заре развития радиобиологии сделано еще одно важное и интересное открытие – явление радиационной стимуляции. Оно было сделано М. Мальдинеем и К. Тувиненом в 1898 г., показавшими ускорение прорастания семян различных видов растений, облученных невысокими дозами рентгеновских лучей. В последующем была доказана универсальность этого явления – ускорение роста и развития организмов при облучении любого вида растений, животных, микроорганизмов. Более ста лет причины стимулирующего действия малых доз ионизирующей радиации интригуют радиобиологов.

Последние годы XIX и первые два десятилетия ХХ в. можно считать первым этапом развития радиобиологии. В этот период накопилось множество разрозненных фактов о действии рентгеновских излучений радиоактивных элементов на различные биологические объекты. Подобные исследования проводились физиологами, зоологами, ботаниками, врачами, микробиологами, микологами в рамках своих наук и хотя, бесспорно, имели фундаментальное значение для развития радиобиологии, носили в основном описательный характер.

Итог указанному периоду подвел в 1920 г. российский мик­ робиолог и ботаник Георгий Адамович Надсон, работавший в Государственном рентгено­логическом­ и радиологическом ин­ ституте­ в Петрограде и обобщивший результаты собственных исследований и более 100 научных источников о действии ионизирующих излучений на растения, животных, бактерии, грибы в классической работе «О действии радия на дрожжевые грибки в связи с общей проблемой влияния радия на живое вещество», опубликованной в журнале «Вестник рентгенологии и радиологии». Он впервые детально проанализировал общее и отличное в реакциях клеток различных организмов на радиацию, описал явление гибели клеток после нескольких де-

ничтожной величиной поглощенной при облучении энергии ионизирующего излучения и степенью проявления реакций биологического объекта, приводящих нередко к его гибели. Выраженная в форме теплоты эта энергия совершенно неощутима – неизмеримо мала.

1920–1930-е гг. принесли крупные открытия и новые идеи, ускорившие становление радиобиологии. Был открыт так называемый «кислородный эффект», состоящий в том, что при снижении в среде концентрации кислорода степень радиационного поражения падает. Одним из первооткрывателей кислородного эффекта был немецкий физиолог растений Е. Петри, сообщивший в 1923 г., что при облучении семян проростков пшеницы в атмосфере углекислого газа радиационное повреждение уменьшается по сравнению с облучением в воздухе. Проведенные в последующем на самых различных объектах исследования позволили однозначно сформулировать положение об общебиологическом проявлении этого явления. Трудно переоценить значение открытия кислородного эффекта для развития теоретических основ радиобиологии. Более того, оно впервые количественно показало, что действие ионизирующих излучений на организм поддается модификации. Многими же исследователями в тот период возможность последнего категорически отвергалась.

В упомянутой выше работе Г.А. Надсон приходит к выводу, что наблюдаемый конечный радиобиологический эффект является результирующей двух противоположных процессов развития: с одной стороны – лучевого поражения, с другой – идущих одновременно с ним процессов восстановления. Несколько позднее в 1925 г. к такому же заключению пришли французские исследователи П. Анцель и П. Винтембергер. Так пока еще чисто интуитивно было высказано предположение о возможности пострадиационного­ восстановления клетки и организма в