Предмет и задачи радиобиологии

Лекция № 1

Предмет и задачи радиобиологии

Содержание предмета радиобиологии. Цели, задачи, методы. Связь радиобиологии с другими науками. Открытие ИИ и явления радиоактивности. Открытие и изучение биологического действия ИИ. Основной радиобиологический парадокс. Этапы развития радиобиологии. Использование ИИ в разных сферах народного хозяйства, биологии и медицине. Клиническая радиобиология. Перспективы развития радиобиологии.

Современная радиобиология, представляющая собой самостоятельную, комплексную, фундаментальную науку, создавалась на стыке таких естественнонаучных дисциплин, как биохимия, биофизика, экология, генетика, цитология, медицина, путем их слияния, объединения усилий исследователей для решения специфических радиобиологических проблем.

Роль радиобиологии как фундаментальной науки в естествознании в настоящее время возросла. Все увеличивающееся техногенное использование радиации, последствия аварий на АЭС, продолжающиеся испытания ядерного оружия и все еще существующая опасность военного применения ядерной энергии постоянно ставят перед радиобиологией новые задачи.

Ионизирующее излучение – удобный инструмент изучения основ жизни. В природе не существует феномена, не подверженного модифицирующему воздействию ионизирующих излучений, так как энергия их всегда превосходит энергию внутримолекулярных и межмолекулярных связей.

Поэтому радиобиология неминуемо в той или иной степени отражает все области биологии. Соответственно, исключительно разнообразен набор объектов, являющихся предметом радиобиологических исследований – макромолекулы, фаги, вирусы, простейшие, клеточные, тканевые и органные культуры, многоклеточные растительные и животные организмы, человек, популяции, биоценозы.

Фундаментальной задачей, составляющей предмет радиобиологии, является вскрытие общих закономерностей биологического ответа на воздействие ионизирующих излучений, которые являются научной основой гигиенической регламентации радиационного фактора и овладения искусством управления лучевыми реакциями организма.

Задача эта невероятно трудна прежде всего потому, что для ее решения необходимо, по меткому выражению Н.В. Тимофеева-Ресовского, понять и преодолеть основной радиобиологический парадокс, состоящий в большом несоответствии между ничтожной величиной поглощенной энергии и крайней степенью выраженности реакций биологического объекта вплоть до летального эффекта.

Радиобиологический парадокс – несоответствие между ничтожным количеством поглощённой энергии ионизирующего излучения и крайней степенью реакции биологического объекта, вплоть до летального эффекта. Так, для человека летальная поглощённая доза при однократном облучении всего тела гамма-излучением равна 10 Гр (1000 рад). Вся эта доза, превратившись в конечном счёте в тепло, вызывает нагрев тела всего лишь на 0,0014 °C т. е. меньше, чем от стакана выпитого горячего чая.

Причина того, почему ничтожное количество поглощенной в организме энергии приводит к катастрофе, составляет загадку радиобиологического парадокса. При изучении многочисленных радиобиологических эффектов в модельных системах на молекулярном, клеточном и организменном уровнях потребовалось создание соответствующих собственных экспериментальных методов исследования.

Часто, по недоразумению, к радиобиологии относят радиоизотопные методы исследования, используемые в радиобиологическом эксперименте так же широко, как и в других научных дисциплинах. Это является примером неправильного отождествления предмета, его целей и задач с методами, способами и средствами их изучения. Научную дисциплину определяет сам предмет исследования, тогда как методы его изучения могут быть самыми разнообразными, но обязательно адекватными решению основной задачи.

Радиобиология является ярким примером экспериментальной дисциплины. Ни одно утверждение в радиобиологии не может быть серьезно воспринято, если оно не подтверждено экспериментально. При этом наиболее ценны экспериментальные результаты, позволяющие охарактеризовать изучаемое явление количественно.

Специфические, присущие только радиационному агенту свойства, определяемые его взаимодействием с любыми молекулами и структурами клетки, обусловливают другую особенность радиобиологи – необходимость проведения исследования на всех уровнях биологической организации – от молекулярного до популяционного. Неизбежные при этом экстраполяции результатов экспериментов на высшие уровни определяют и следующую особенность радиобиологии, связанную с большой практической значимостью получаемых экспериментальным путем выводов и их ответственностью, например, при оценке стохастических, в частности, радиационно-генетических последствий облучения.

Наконец, еще одна особенность радиобиологии, определяемая ее прикладными аспектами, – овладение способами искусственного управления лучевыми реакциями биологических объектов и человека с помощью различных модифицирующих средств.

Указанные особенности радиобиологии определяют специфику подходов к ее изучению как к предмету. Она состоит в том, чтобы из множества проявлений лучевого воздействия, обусловленного самой физической природой радиационного агента, каждый раз стремится выделить ведущие, критические звенья, ответственные за исход рассматриваемой реакции. Кроме того, важной чертой радиобиологических методов исследования является количественное сопоставление рассматриваемого эффекта с вызвавшей его дозой излучения, ее распределением во времени и в объеме реагирующего объекта.

В поле зрения радиобиолога должны находиться и опосредованные эффекты, особенно при анализе сложных интегральных лучевых реакций организма, где их влияние проявляется наиболее значительно, в связи с неизбежным вовлечением регулирующих систем и нейрогуморальных механизмов гомеостаза.

За сто с лишним лет, прошедших со времени открытия ионизирующих излучений, накоплен огромный фактический материал, прежде всего феноменологического плана, обобщение которого позволило построить стройную систему представлений, допускающих их широкую экспериментальную проверку.

Уже сегодня радиобиология прочно служит человеку в самых разнообразных областях народного хозяйства. В сельском хозяйстве используют предпосевное облучение семян как метод повышения всхожести и урожайности многих культур. Методы радиационной генетики применяют для получения и закрепления в потомстве полезных признаков, возникающих в результате мутационных изменений. Таким путем удается создавать новые ценные сорта растений, а также уничтожать вредителей направленной однополой стерилизацией насекомых. На основе радиобиологических предпосылок осуществляется лучевая стерилизация овощей, консервов, многих медицинских средств и реактивов.

Таким образом, современная радиобиология представляет не только самостоятельную комплексную дисциплину, но имеет четко выделенные отдельные направления, главные из которых – радиационная биохимия, цитология, генетика, экология, иммунология, космическая радиобиология, противолучевая защита и терапия, радиационная гигиена и радиобиология опухолей. Такие направления, как противолучевая защита и терапия радиационных поражений, космическая радиобиология, радиационная иммунология, радиационная гигиена и радиобиология опухолей могут быть объединены в одну крупную ветвь радиобиологии – медицинскую радиобиологию.

Каждое из перечисленных направлений имеет свои конкретные задачи, достаточно полно определенные их названием, для решения которых, однако, применяют специальные радиобиологические количественные методы исследования, что и объединяет их в одну общую дисциплину.

В последнее десятилетие активное развитие получило исследование биологического действия электромагнитных излучений неионизирующего диапазона в связи с бурным развитием радио- и электронной промышленности, сопровождающимся увеличением числа различных приборов и установок исследовательского, промышленного и бытового профилей. Это обстоятельство породило новую научную дисциплину, также тяготеющую к радиобиологии – радиобиологию неионизирующих излучений.

Возникновение радиобиологии обязано трем великим открытиям, увенчавшим окончание девятнадцатого века:

1895  г. – открытие Вильгельмом Конрадом Рентгеном Х-лучей;

1896  г. – открытие Антуаном Анри Беккерелем естественной радиоактивности урана;

1898 г. – выделением Марией Кюри-Склодовской и Пьером Кюри двух элементов с высочайшим уровнем радиоактивности – полония (в июле) и радия (в декабре).

Дорого оплатило человечество открытие тайн природы. Погибли почти все первые исследователи, в том числе многие медики, не знавшие «коварства» нового агента и работавшие с ним без каких-либо предосторожностей. В середине XX в. мир стал свидетелем массовой одномоментной гибели сотен тысяч людей в результате атомной бомбардировки японских городов.

Напротив госпиталя Святого Георга в Гамбурге, где много лет трудился один из пионеров медицинской рентгенологии Г. Альберс-Шонберг, погибший от лучевого рака, 4 апреля 1936 г. состоялось открытие памятника, воздвигнутого германским обществом рентгенологов. На передней стороне колонны, увенчанной лавровым венком, высечена надпись: «Памятник посвящается рентгенологам и радиологам всех наций, врачам, физикам, химикам, техникам, лаборантам и сестрам, пожертвовавшим своей жизнью в борьбе против болезней их ближних. Они героически прокладывали путь для эффективного и безопасного применения рентгеновских лучей и радия в медицине. Слава их бессмертна».

На памятнике в алфавитном порядке высечены имена 159 человек, умерших к тому времени от мучительных радиационных поражений, вызванных рентгеновскими лучами и радием. Годом спустя их биографии и портреты были помещены в специально выпущенной «Книге почета». Позже мемориал был дополнен четырьмя стеллами с именами жертв радиации, а в 1959 г. «Книга почета», вышедшая вторым изданием, содержала уже 360 фамилий, в том числе 13 наших соотечественников.

Знаменательно, однако, что за период с 1936 по 1959 гг., когда развитие ядерных исследований приобрело гигантские масштабы, а в сферу воздействия ионизирующих излучений было вовлечено гораздо больше людей, чем раньше, число жертв науки увеличилось лишь вдвое, причем многие из них погибли вследствие лучевых поражений, возникших еще в ранние годы, предшествовавшие этому периоду. Причины такого диссонанса между резким повышением контактов человека с ионизирующими излучениями и значительным снижением частоты лучевых поражения определялись успехами появившейся новой области знаний – радиобиологии.

Как ни парадоксально, бурному развитию радиобиологии в значительной степени способствовала угроза ядерной катастрофы, которая с 40-х годов прошлого века нависла над миром. Атомная бомбардировка Японии, повышение радиационного фона планеты, а также аварии на атомных производствах выдвинули глобальную проблему обеспечения радиационной безопасности, а также необходимости разработки способов противолучевой защиты и лечения радиационных поражений, что, в свою очередь, потребовало глубокого изучения механизмов биологического действия ионизирующих излучений.

Открытие рентгеновских лучей и радиоактивности

В 1995 г. научная общественность отмечала столетие открытия рентгеновских лучей, в связи с чем в Вюрцбурге состоялся Международный радиологический конгресс, озаривший прогресс мировой науки XX столетия, по праву названного атомным веком.

Вильгельму Конраду Рентгену ко времени его великого открытия было 50 лет. Он руководил физическим институтом и кафедрой физики Вюрцбургского университета. 8 ноября 1895 г. он как обычно поздно вечером закончил эксперименты в лаборатории, помещавшейся этажом ниже его квартиры. Погасив свет в комнате, заметил в темноте зеленоватое свечение, исходившее от флюоресцирующего экрана, покрытого платиносинеродистым барием. Оказалось, что находившаяся поблизости разрядная трубка, закрытая светонепроницаемым чехлом, была под высоким напряжением, которое Рентген забыл выключить перед уходом. Свечение немедленно прекращалось, как только отключался ток, и тотчас возникало при его включении. Катодные, как и видимые, лучи не проникали сквозь черный чехол, и Рентгена осенила гениальная догадка о том, что при прохождении тока через трубку в ней возникает новое излучение, которое он и назвал Х-лучами.

В эту ночь ученый не вернулся домой. Следующие пятьдесят суток были также поглощены напряженной работой. Венцом самозабвенного творчества была рукопись с семнадцатью тезисами о свойствах открытого излучения, которую Рентген вручил 28 декабря 1895 г. председателю вюрцбургского физико-медицинского общества вместе с первым рентгеновским снимком своей руки. В первых числах января 1896 г. брошюра Рентгена вышла из печати, а в последующие несколько недель появились ее переводы на русском, английском, французском и итальянском языках. Русский перевод под названием «Новый род лучей» был выпущен в Петербурге и содержал фотографию первой рентгенограммы, произведенной уже в России  16 января  1896 г.

6 января 1896 г. известие об открытии Рентгеном всепроницающих лучей было передано Лондонским телеграфом по всему миру, и все культурное человечество восприняло эту весть как величайшую сенсацию.

23 января состоялось триумфальное  выступление Рентгена на заседании  общества естествоиспытателей в Вюрцбурге, где ученый под овации аудитории произвел снимок руки председателя общества известного анатома Рудольфа Альберта ван Кёликера. Маститый ученый заявил, что за 48 лет работы общества он еще не присутствовал при столь значительном научном событии. Он провозгласил троекратное «ура» в честь великого Рентгена и предложил назвать новые лучи именем их первооткрывателя.

А в середине марта Рентген направил в печать материалы дальнейшего изучения свойств открытого излучения. Тезис под номером 18 особенно важен для будущей радиобиологии – в нем говорилось о том, что это излучение является ионизирующим, вызывающим разряд заряженных объектов (за счет ионизации газа вокруг них).