Безопасность производственной деятельности

8. Каковы современные представления о биологическом действии ионизирующих излучений?

Если проанализировать основные вехи формирования взглядов на природу радиобиологического эффекта, то, как и для развития других научных дисциплин, здесь легко установить традиционную зависимость возникновения и судьбы гипотез от возможности интерпретации новых экспериментальных фактов.Смена представлений в радиобиологии происходила и происходит особенно быстро, так как они в значительной степени связаны с бурным прогрессом ядерной физики и молекулярной биологии. Можно четко наметить два направления в развитии теоретических построений. Одно из них выражает стремление установить общие, в основном феноменологические, но обязательно количественные закономерности, характеризующие начальные звенья лучевого поражения клетки. Другое - объединяет представления, стремящиеся объяснить все многообразие конкретных лучевых реакций биологических объектов; отсюда преимущественно качественный, описательный характер гипотез этого направления. Наиболее ранние и известные представления, относящиеся к первому направлению, принято обозначать термином количественная радиобиология, хотя, конечно, в радиобиологии есть много и других количественных закономерностей.Указанным теоретическим направлениям присущи преимущества и свои ограничения. В ряде случаев они могли бы хорошо дополнять друг друга. Между тем, к сожалению, в пылу научной полемики авторы отдельных гипотез, отстаивая свою точку зрения, отвергают другие представления, не имея для этого достаточных оснований, в результате даже искушенному читателю нелегко разобраться в состоянии вопроса. В настоящем учебнике кратко рассмотрены основные гипотезы и ограничен круг явлений, на объяснение которых каждая из них может претендовать.Камень преткновения на пути разгадки основного радиобиологического парадокса состоит в необходимости правильного истолкования несоответствия между ничтожным количеством поглощенной клеткой энергии излучения и вызываемым экстремальным биологическим эффектом. При объяснении этого парадокса в количественной радиобиологии были сформулированы два положения, лежащие в основе так называемой теории мишени.Первое из них -- принцип попаданий - характеризует особенности действующего агента -- дискретность поглощения энергии. Второе -- принцип мишени -- учитывает особенность облучаемого объекта -- клетки -- ее высокую гетерогенность в морфологическом и функциональном отношениях, а, следовательно, различие в ответе на одно и то же попадание. История количественной радиобиологии восходит к началу 20-х годов, когда Ф. Дессауэр сделал весьма важное обобщение, распространив известные к тому времени физические закономерности взаимодействия излучения с веществом на биологические объекты. Он предположил, что большой биологический эффект при ничтожном суммарном поглощении энергии объясняется тем, что она концентрируется в малых объемах, приводя их к микролокальному разогреву; отсюда и ее название -- гипотеза точечного тепла.Учитывая наличие в клетке более важных для жизни и менее существенных структур и микрообъемов, а также случайное распределение «точечного тепла», Ф. Дессауэр пришел к выводу о том, что исход клеточной реакции зависит от вероятности случайных попаданий дискретных порций энергии именно в эти жизненно важные микрообъемы-мишени. Наблюдая за количественными закономерностями радиобиологических реакций, он предположил, что они осуществляются лишь в том случае, если в клетке произошло определенное число «попаданий» в мишень.Действительно, если при анализе зависимости эффекта от дозы принять в качестве регистрируемой реакции долю пораженных объектов, то легко обнаружить две специфические черты действия ионизирующих излучений.

1. Большинство клеточных реакций протекает практически при отсутствии порога, с нарастанием эффекта при увеличении дозы, что трудно объяснить изменением индивидуальной чувствительности, так как требует допущения ее невероятно высокой вариабельности.

2. Кривые выживания, как упоминалось ранее, отражают не столько степень проявления эффекта у отдельных особей (клеток) с повышением дозы, сколько увеличение количества (доли) пораженных единиц, т. е. возрастание вероятности проявления регистрируемой реакции.

Иными словами, летальный эффект ионизирующих излучений имеет вероятностный характер вследствие случайного распределения элементарных актов первичного взаимодействия частиц с чувствительными объемами облученных объектов. В этом и состоит принципиальное значение первоначальных взглядов, хотя само понятие «точечного тепла» потеряло значение.Принцип попадания и принцип мишени и основанная на них теория мишени получили свое развитие в трудах Д. Кроузера, Н. В. Тимофеева-Рессовского, К. Циммера, Д. Ли и др.Использование основных положений теории мишени ограничивается строго определенной областью -- анализом самых первичных элементарных радиационных событий. Это становится понятным хотя бы из интерпретации самих терминов -- мишень и попадание. При рассмотрении радиобиологических эффектов на молекулярном и (или) клеточном уровне термин мишень удобно использовать для формального обозначения того микрообъема, в котором должны произойти одна или несколько ионизаций, приводящих к изучаемой реакции. В зависимости от числа попаданий, необходимых для поражения, различают одно-, двух- или многоударные объекты или реакции, причем учитываются попадания в одну или разные мишени, которые функционально связаны. Отсюда ясно, что попытки применения теории мишени для объяснения природы и этапов формирования конечных лучевых реакций клеток и тем более организмов неправомочны. Так как при формулировании самих понятий «попадания» или «мишеней» не имеются в виду какие-то конкретные физико-химические или биохимические процессы, происходящие в микрообъеме.Достоинством описываемых теоретических представлений о механизме летального действия ионизирующих излучений является простота объяснения основных экспериментальных данных.В первую очередь это относится к количественному описанию кривых выживания.Весьма очевидно, что исходя из принципов классической теории мишени, количество попаданий должно быть прямо пропорциональным дозе облучения. Поэтому в определенном диапазоне доз число пораженных мишеней строго пропорционально дозе, или числу попаданий, так как поражается лишь небольшая их часть из общего количества; в связи с этим зависимость эффекта от дозы имеет вид прямой линии (рис. III.35, А). С повышением дозы облучения вероятность попадания в одну и ту же мишень увеличивается, и хотя общее число попаданий остается пропорциональным дозе, их эффективность уменьшается, и количество пораженных мишеней возрастает медленнее, асимптотически приближаясь к 100 % (рис. III.35, Б). Иначе говоря, количество жизнеспособных единиц с увеличением дозы уменьшается в экспоненциальной зависимости от дозы (см. рис. III.11).Наиболее простой способ проверки экспоненциальности кривой, получаемой в эксперименте, состоит в логарифмировании числа выживающих объектов. Тогда при представлении экспериментальных данных в полулогарифмическом масштабе зависимость будет выражена прямой линией (см. рис III.11, Б).Интерпретация основных количественных параметров кривых выживания поначалу исходила непосредственно из теории мишени. Чтобы лучше разобраться в этом вопросе, необходимо вернуться к анализу кривых доза -- эффект и провести его с позиций теории мишени.

Рис. III.35. Зависимость изменения эффекта от дозы облучения. А и Б -- при малых и больших дозах соответственно. Рассмотрим определение основного параметра радиочувствительности - величину d₀ или d₃₇, которую в теории мишени принято называть инактивирующей, или среднелетальной (не путать с ЛД₅₀) дозой, на примере анализа одноударного поражения. В качестве такового подразумевают гибель облучаемого объекта от эффективного единичного попадания в мишень.Тогда если N₀ -- исходное число объектов, а N -- число объектов, не пораженных излучением при дозе d, то выход из строя определенной доли объектов dn/n при приращении дозы dd выражается уравнением dN/N = -dD/d₀, где d₀ - доза, при которой на каждый объект в среднем приходится одно попадание (отсюда и наименование d₀ - среднелетальная доза).

Рис. III.36. Дозовые кривые выживания для объектов с различной ударностью мишени. А - в обычном масштабе (S-образные, или сигмоидные, кривые; число ударов обозначено на кривых); Б--в полулогарифмическом масштабе

При интегрировании данного уравнения получаем

,

где е -- основание натуральных логарифмов.В природе чаще встречается другой тип кривых, характерный для большинства клеток растительного и животного происхождения; примеры таких кривых были уже приведены ранее. В линейных координатах они имеют S-образную форму (рис. III.36, А). В этих случаях говорят о многоударном процессе, имея в виду, что для инактивации объекта необходимо не одно, а два и более попаданий в единственную мишень или поражение двух мишеней и более, каждая из которых должна быть поражена.При изображении таких кривых в полулогарифмическом масштабе (рис. III.36, Б) они приобретают плечо, переходящее в прямолинейный участок, наклон которого совпадает с наклоном соответствующей одноударной кривой. Экстраполированием прямолинейного участка кривой к нулевой дозе на оси ординат отсекаются отрезки, соответствующие «ударности» мишеней (или их числу). Изображение многоударных кривых в полулогарифмическом масштабе позволяет достаточно точно оценить выживаемость при ее малых значениях (больших дозах) и легко определить экстраполяционное число, характеризующее число мишеней (ударов), поражение которых необходимо для инактивации клеток.Нужно иметь в виду, что возможность строгого применения теории мишени уже в самом начале была ограничена ее основоположниками (Д. Ли, 1946) областью анализа одноударных эффектов. Интерпретация конкретных многоударных кривых с тех же позиций затруднительна. Прежде всего, это связано с многочисленными экспериментальными фактами изменения экстраполяционного числа при применении самых различных модифицирующих агентов или изменении условий жизнедеятельности объектов, что само по себе не должно сказываться на числе мишеней. Кроме того, экстраполяционное число в ряде случаев достигает десятков и сотен единиц, что не позволяет их отождествить с числом мишеней в клетке.По мере развития экспериментального изучения репарации потенциальных повреждений размер плеча на кривой выживания стали связывать со способностью клеток к пострадиационному восстановлению, а величиной плеча характеризовать их репарационную способность. Однако и в этом случае возникают большие трудности при попытках интерпретации, с позиций классической теории мишени, многих клеточных радиационных эффектов, обусловленных, например, изменением химизма клетки в результате радиолиза ее жидких компонентов или метаболического взаимодействия различных клеточных органелл. Эта теория не касается природы мишеней, ответственных за гибель клетки. Такими мишенями могут быть уникальные макромолекулы, определенные участки мембран и другие структуры, попадание в которые приводит к поражению. Поэтому для определения природы мишени следует привлекать данные, получаемые при использовании специальных методов исследования. Именно эти обстоятельства уже в 40-ых годах сделали очевидным необходимость строгого ограничения применения теории мишени только для анализа поражения одноударных эффектов.В частности, потребовалось расширить само понятие попадания, так как стало известно, что первичные повреждения элементарных клеточных структур могут вызываться не только непосредственной их ионизацией, но и опосредованной: химически активными продуктами радиолиза окружающей среды. Кроме того, вследствие обнаружения миграции энергии по макромолекулам даже при непосредственных формах взаимодействия, реализация повреждения может происходить далеко от места первоначального «попадания».Таким образом, классическая теория попаданий, плодотворная при анализе количественных закономерностей радиационного поражения отдельных мишеней, не ставит своей задачей решения вопроса о том, какими процессами связано поражение мишеней с проявлением конечного эффекта.В основе теории мишени лежало предположение о том, что характерные зависимости доза--эффект могут быть отражением квантованного характера взаимодействия излучения с веществом и наличия в клетках высокочувствительных объемов -- мишеней.В случае очень массивных повреждений конечный эффект действительно детерминирован уже на начальной стадии, но в подавляющем большинстве других ситуаций все случайные факторы затрагивают более поздние звенья причинно-следственной цепи, ведущей к конечному эффекту. При этом каждому лабильному состоянию объекта соответствует определенная повышенная вероятность наступления регистрируемой реакции, возрастающая с увеличением предварительного повреждения. Таким образом, при формировании радиобиологического эффекта всегда существует суперпозиция множества случайных событий, что и учитывает стохастическое рассмотрение.При таком подходе любой биологический объект, в частности клетку, представляют в качестве лабильной динамической системы, которая постоянно находится в стадии перехода из одного состояния в другое. Вследствие крайней сложности системы любой такой переход сопровождается и связан с множеством комплексных и элементарных сопряженных реакций отдельных клеточных органелл и макромолекул. Естественно, что в процессе жизнедеятельности, благодаря влиянию самых разнообразных, не подлежащих учету факторов и малейших сдвигов в исходном состоянии, возникает вероятность «отказов» в элементарных звеньях, а вследствие этого -- «крушения» всей системы. Поэтому любое критическое событие, например митоз или гибель клетки, можно предсказать лишь с известной вероятностью.На биологическую стохастичность при облучении объекта накладывается стохастичность вследствие случайного характера взаимодействия излучения с веществом, что резко увеличивает вероятность «крушений» системы, происходящих со значительно меньшей частотой и в необлученном контроле.Стохастическая теория рассматривает различные возмущения биологической системы, возникающие в процессе жизнедеятельности или под влиянием облучения, с позиций теории вероятностей, стремясь описать их моделями, максимально соответствующими представлениям динамической биохимии и молекулярной радиобиологии. В этом случае мишенями являются все компоненты живой системы, а регистрируемая реакция обусловлена суперпозицией самых разных событий.Существенно, что стохастическая гипотеза учитывает как физиологические, так и индуцированные излучением процессы в их динамике, в то время как классическая теория мишени рассматривает эффекты, вызванные облучением, как строго детерминированные первичными актами абсорбции энергии.Используя аппарат стохастической гипотезы, можно учесть реальное взаимодействие ряда последовательных попаданий, а также влияние фактора времени, репарационных процессов, роль ЛПЭ и т.д. Все это может быть выражено системой дифференциальных уравнений, описывающих переход биологического объекта под влиянием облучения из одного состояния в другое. В принципе можно учесть количественно влияние любого модифицирующего фактора на соответствующие дозовые зависимости.Более того, этот аппарат может быть использован для анализа не только кинетических процессов на молекулярном уровне, но и морфологических процессов, образования новой клетки, ее дифференцировки и др.Таким образом, «... дискретное изображение непрерывных физиологичесих процессов не является приближением, которое принимают только ради удобств, а становится необходимым при изучении различного поведения отдельных единиц популяции... Действие излучения на клетку свободно укладывается в эту общую схему, что также выражается в дискретных событиях. При этом не существенно, происходят ли соответствующие критические события в результате дискретных актов абсорбции энергии или в результате усиленной облучением лабильности, органически свойственной биологической системе... В этой схеме можно учесть даже такие сложные явления, как феномены обратной связи и механизмы регуляции, т. е. жизненные процессы, которые выявляются в результате нарушений, если экспериментальные данные указывают на необходимость и возможность такого учета» Эффект, обусловленный попаданием в одну из уникальных структур клетки, приводящим ее к гибели, формально может быть описан как с классических позиций теории мишени, так и с позиций стохастической теории. Иными словами, выводы теории мишени являются частным случаем стохастического подхода.Проведенные обсчеты некоторых экспериментальных результатов с помощь аппарата стохастической теории показали, что для инактивации клеток млекопитающих редко ионизирующим излучением в среднем необходимо совместное действие не менее четырех событий абсорбции.Итак, в соответствии с основными исходными позициями стохастическая концепция предлагает как бы более «биологическую» интерпретацию кривых доза -- эффект по сравнению с их объяснением с позиций теории мишени, хотя основное положение последней о том, что эти кривые определяются в основном случайной природой абсорбции энергии, остается незыблемым.Для обозначения клеточных повреждений, которые нельзя отождествлять с локальными изменениями клеточных структур, прежде всего генетических, стохастическая теория вводит понятие «дисперсного начального повреждения». Природа такого повреждения весьма разнообразна: изменение клеточных мембран и других множественных структур, инактивация какой-либо жизненно важной системы и др.Репаративные процессы, сказывающиеся на конечном эффекте, учитываются понятием компенсационной способности объекта. При анализе дозовых кривых с учетом функциональной лабильности биологических объектов стохастическая гипотеза приводит к пониманию того, что экспоненциальная кривая указывает на систему без компенсаторных механизмов, а сигмоидная -- соответствует системам, обладающим такими механизмами, эффективность которых снижается при возрастании дозы облучения. Экстраполяционное число же следует рассматривать как количественное выражение компенсационной способности облучаемого объекта, а не как «число мишеней».Таким образом, сама по себе экспоненциальная зависимость эффекта от дозы далеко не предопределяет решение о наличии первичных одно- или многоударных реакций, а с полным основанием делает логичной другую интерпретацию.Подводя итоги изложения обеих концепций -- классической теории мишени и стохастической теории, необходимо, прежде всего, подчеркнуть их основное общее свойство -- строго количественный подход. Более того, стохастическая теория представляет собой логическое дополнение классических представлений, которые не могли объяснить многообразие радиобиологических феноменов, да и не претендовали на это.Вполне естественно, что первоначальные гипотезы исходили из упрощенных представлений о механизме первичных радиобиологических процессов на основе чисто физических, а позднее радиационно-химических закономерностей, установленных при облучении простых систем. Однако именно эти простые, общие и формальные схемы впервые перевели радиобиологию с описательных позиций на прочную количественную основу. Круг возможного применения первоначальных представлений был очерчен еще при их формировании, и в этом плане были получены наиболее значительные результаты. Дальнейшее накопление новых фактов потребовало развития более широких подходов.Нельзя не заметить, что при этом остались незыблемыми оба определяющих фактора классической теории мишеней -- дискретность радиационного агента и функциональная негомогенность биологического объекта. Существенно, однако, что если в теории мишеней последняя определяется наличием фиксированных мишеней, поражение которых уже определяет конечный эффект, то в системе новых представлений показана несостоятельность такой точки зрения, взамен которой развита идея определяющей роли стохастической природы физиологических процессов и их радиационных нарушений.Стохастическая гипотеза учитывает современные данные о микрораспределении энергии, вариабельности радиочувствительности логических объектов, а также роль репарационных процессов. Тем самым она значительно расширяет круг явлений, которые можно интерпретировать с новых позиций. Она более «биологична» по своей природе, так как устанавливает связи с конкретными морфологическими и функциональными разделами цитологии и физиологии. Однако ее математический аппарат достаточно сложен и это затрудняет ее широкое применение.Анализ количественных закономерностей различных реакций дрожжевых клеток на облучение показал, что ни классические модели, основанные на принципе попадания, ни концепция биологической стохастичности не способны объяснить всю совокупность полученных экспериментальных данных. Дополнив принцип попадания предположением о вероятностном характере проявления повреждений,)предложил вероятностную модель радиационного поражения клетки.Согласно этой модели разные клетки, подвергнутые облучению в одной и той же дозе, поражаются в разной степени в соответствии с принципом попадания, но в отличие от классических представлений и потенциальные, и реализованные повреждения проявляются с вероятностью меньше единицы. Реализованные повреждения (или индуцированные ими изменения) наследуются при делении клеток и с некоторой вероятностью, зависящей от числа этих повреждений, приводят к неосуществлению клеточного деления. При этом вероятность проявления повреждения может зависеть как от биологических (генетических) особенностей клеток, так и от условий их культивирования, увеличиваясь при ухудшении этих условий.Вегетативное размножение облученных клеток согласно этой модели - случайный процесс «рождения и гибели», приводящий к появлению нежизнеспособных клеток в отдельных размножающихся клонах (т. е. к наблюдающейся в эксперименте частичной инактивации); дело случая, образует ли данная облученная клетка макроколонию или погибнет после того или иного числа делений.Таким образом, формально вероятностная модель, являясь как бы синтезом принципа попадания и стохастической концепции, используя сохранившие значение основные положения первого, дополняет последнюю, расширяя диапазон явлений, которые могут быть интерпретированы с позиций биологической стохастичности. Описывая не только качественно, но и количественно (с помощью специальной системы уравнений) различные проявления нарушений репродуктивной способности клеток, вероятностная модель выгодно отличается от классических схем тем, что позволяет предсказать наблюдаемое многообразие радиобиологических эффектов на основе минимума исходных предположений.Тем не менее, вероятностная модель, в значительной степени основанная на принципе попадания, имеет много общего с классическими моделями. В тех случаях, когда вероятность проявления повреждения равна единице, вероятностная модель переходит в классическую одноударную модель. При качественном анализе экспериментальных данных, который ограничивается средними характеристиками популяции облученных клеток, вероятностная модель зачастую приводит к таким же результатам, как и многоударная.Главное отличие вероятностной модели от классических состоит в том, что согласно последним радиочувствительность клетки определяется лишь объемом мишени и критическим числом попаданий. С позиций же вероятностной модели проблема радиочувствительности представляется более сложной. Процесс радиационного поражения клетки Ю. Г. Капульцевич формально делит на три этапа.Первый этап радиационного поражения - осуществление событий попадания, в результате которых формируются первичные потенциальные повреждения. Вероятность образования первичного повреждения на единицу дозы облучения зависит от величины эффективного объема и от величины энергии, необходимой для образования первичного повреждения. Поскольку отнюдь не всякое выделение энергии в эффективном объеме может привести к образованию первичного повреждения, клетка, по-видимому, способна восстанавливаться еще на стадии формирования потенциальных повреждений. На этой стадии радиочувствительность определяется величиной эффективного объема (V) и вероятностью (р) образования потенциального повреждения (при локальном выделении энергии в эффективном объеме). Параметры V и р могут зависеть как от биологических особенностей объекта, так и от условий облучения, например от температуры, влажности, концентрации кислорода и др.Второй этап радиационного поражения -- реализация потенциальных повреждений. Так как клетки способны восстанавливаться от лучевых повреждений, то реализованными оказываются не все возникшие потенциальные повреждения, а лишь часть их (r). Следовательно, радиочувствительность клетки определяется и вероятностью реализации потенциального повреждения. Все три параметра (V, р и r) определяют частоту (b) реализованных повреждений на единицу дозы облучения (b = Vpr) и среднее число б реализованных повреждений при дозе D, т. е. б = bD. С помощью параметра b вероятностная модель учитывает зависимость радиобиологических эффектов от дозы облучения, ЛПЭ и продолжительности восстановления.Третий этап радиационного поражения -- различные вторичные нарушения нормального протекания внутриклеточных процессов, вызываемые реализацией повреждений. По-видимому, и на этом этапе возможно восстановление клеток от последствий реализованных повреждений или их компенсация, поэтому вероятность проявления реализованного повреждения не равна единице, а характеризуется величиной б, которая зависит от биологических особенностей клетки и от условий культивирования. Чем больше надежность системы, определяемая способностью клетки устранять всякие отклонения от нормы в работе внутриклеточных структур, тем меньше величина б. С помощью параметра б вероятностная модель позволяет анализировать пострадиационные модификации эффектов, не связанные с восстановлением.Таким образом, радиочувствительность клетки, о которой судят по кривой выживания, определяется четырьмя параметрами: V, р, r, б. Эти параметры достаточны не только для описания формы кривой, но и всего многообразия проявления действия излучений на репродуктивную способность клеток, зависимость радиобиологических эффектов от условий культивирования клеток и физических характеристик излучения.Таковы основные качества вероятностной модели, которую можно считать логическим звеном в развитии количественной радиобиологии.Однако ни сама модель, ни производимый с ее помощью анализ реакций клеток на облучение не позволяют выявить природу повреждений, лежащих в основе этих реакций. Кроме того, нельзя забывать, что сделанные выводы справедливы только для дрожжевых клеток, что затрудняет проверку применимости вероятностной модели к описанию лучевой реакции клеток млекопитающих.Ниже будут рассмотрены качественные концепции, характерная черта которых заключается в попытке указать конкретные биохимические процессы, определяющие биологическое действие радиации. Основная роль при этом отводится высокореакционноспособным продуктам -- радиотоксинам,образующимся в биосубстрате вслед за поглощением энергии излучения и инициирующим множественные повреждения различных клеточных органелл.Радиобиологический парадокс несоответствия малых количеств поглощенной энергии с разительным биологическим эффектом с позиций качественных гипотез объясняется наличием различных биологических механизмов усиления первичных поражений.Еще А. С. Мочалиной и Ю. Б. Кудряшовым в лаборатории Б. Н. Тарусова было обнаружено, что водно-солевые вытяжки из облученной печени при введении интактным животным вызывают гемолиз. В связи с этим было высказано предположение, что под влиянием облучения в печени образуется «гемолитический фактор». В результате его идентификации была установлена липидная природа образующегося цитотоксического агента, названного липидным радиотоксином (ЛРТ). Оказалось, что ЛРТ обнаруживается уже в первые часы после облучения не только в печени, но и в крови, тонком кишечнике, семенниках, почках, желудке и других органах животных, также этот эффект был получен на растениях и микроорганизмах.ЛРТ представляет собой лабильный комплекс продуктов окисления жирных ненасыщенных кислот, гидропероксидов, эпоксидов, альдегидов и кетонов. Показано, что ЛРТ вызывает не только гемолиз, но и другие реакции, характерные для лучевого поражения: торможение клеточного деления, нарушение кроветворения, повреждение хромосомного аппарата некоторых объектов и др. В связи с этим ЛРТ был назван «естественным радиомиметиком», т. е. агентом, имитирующим биологическое действие ионизирующих излучений. Радиомиметическое действие токсических веществ липидной природы показано также в серии работ японских исследователей На рис. III.37 представлено содержание различных токсических продуктов в печени облученных крыс; видно, что в разные сроки после облучения наблюдается чаще увеличение, но иногда и уменьшение количества исследованных веществ: холина, хинонов, гистамина, продуктов автолиза, ЛРТ. Выясняя роль каждого из них, Ю. Б. Кудряшов показал, что введение ЛРТ интактным животным вызывало у них фазные изменения других «радиотоксинов», в том числе хинонов. Инъекция же хинонов или других «радиотоксинов» не приводила к образованию ЛРТ. На этом основании ЛРТ были отнесены к первичным радиотоксинам, а все остальные -- к вторичным.Позднее к первичным радиотоксинам были отнесены авторами и хиноны на том основании, что и они «...способны накапливаться в клетках сразу после начала облучения как продукты первичных лучевых процессов окисления биосубстратов» Гипотеза липидных радиотоксинов базируется на выдвинутой Б. Н. Тарусовым и Н. М. Эмануэлем концепции о решающей роли в начальных процессах лучевого поражения цепных окислительных реакций свободнорадикального типа, наиболее подходящим субстратом для которых являются липиды. Так как последние представляют собой структурные элементы клеточных мембран, их поражение приводит к нарушению регуляции химизма живой клетки вплоть до уровня, приводящего ее к гибели. Возникновению цепных реакций согласно этой концепции, способствует вызываемое облучением разрушение или ингибирование природных антиокислительных (антиоксидантных) систем; в клетках, необлученных организмов они предохраняют липиды от самопроизвольного окисления.

Рис. III.37. Содержание различных веществ, которым приписывают роль «радиотоксинов» в печени крыс в разные сроки после общего облучения в дозе 7 Гр

1 -- холин, 2--хиноны, 3 -- гистамин, 4 -- белок (автолиз), 5 -- ЛРТ

Легко заметить, что концепция ЛРТ и цепных реакций постулирует наличие в клетке мишеней в виде определенных фракций липидов, ибо именно их первичное поражение якобы способствует развитию всех последующих событий, включая и поражение генетического аппарата.Анализ современных, экспериментальных данных не дает, однако, оснований для признания концепции ЛРТ и цепных реакций в качестве универсальной теории летального действия ионизирующих излучений на клетку.Во-первых, аналогия в действии ЛРТ и ионизирующих излучений ограничена лишь определенным кругом явлений, но установлены и принципиальные различия: различаются структурные повреждения хромосомного аппарата, отсутствует мутагенное действие ЛРТ. Во-вторых, цепные разветвленные реакции in vivo пока еще не зарегистрированы, а возможность их развития и длительного протекания без обрыва в живой метаболизирующей многокомпонентной структурированной системе вообще маловероятна. В-третьих, накопление ЛРТ количественно не связано с ЛПЭ, а последняя в основном определяет ОБЭ ионизирующих излучений. В-четвертых, отсутствуют четкие количественные временные характеристики зависимости эффекта поражения биосистем от интенсивности образования ЛРТ при различных дозах облучения, не говоря уже о других «радиотоксинах».В этой связи гипотезу липидных радиотоксинов и цепных реакций следует рассматривать лишь как попытку объяснить одно звено в сложном патогенетическом комплексе лучевых реакций, удельную роль которого в лучевой гибели клетки еще предстоит оценить.В основе теории, активно разрабатываемой А. М. Кузиным., лежит идея о том, что под действием ионизирующего излучения в клетке возникают не только чисто радиационно-химические повреждения, но благодаря биохимическим механизмам усиления в организме синтезируются и высокореакционные продукты, приводящие к дополнительному повреждению биологически важных макромолекул и образованию низкомолекулярных токсических метаболитов.В рассматриваемой теории решающее значение отводится не только радиационному поражению ядерных макромолекул, но и нарушениям цитоплазматических структур и их нормального функционирования, осуществляемого благодаря присущей им упорядоченности.Повреждение такой строго скоординированной системы в одном или нескольких звеньях приводит к нарушениям мембран и сопряжения важных метаболических процессов: инактивации ферментов, расстройству управляющих систем и другим тяжелым последствиям.В качестве токсических метаболитов особая роль, как и в предыдущей гипотезе, придается опять же первичным радиотоксинам (ПРТ), которыми теперь «... называют вещества, образующиеся в клетках облученных организмов тотчас или в ближайшие часы после облучения и обладающие свойством вызывать основные радиобиологические эффекты при действии на клетки или организмы». Множество «радиотоксинов», образующихся на поздних стадиях лучевого поражения, в отличие от ПРТ имеют в рамках этой гипотезы вторичное происхождение. Хотя им и отводится важная роль в исходе поражения организма, они не существенны для понимания первичных процессов.Полагают, что ПРТ -- комплекс веществ, которые обладают близкими свойствами, хотя и относятся к различным классам химических соединений. Одни из них всегда существуют и в нормальной клетке, но в меньшем количестве, чем после облучения.Работами А. М. Кузина и его сотрудников показано, что в водных или спиртово-водных вытяжках из облученных растительных объектов увеличивается содержание веществ, которые идентифицированы как хиноны или ортохиноны. По данным этих авторов, введение экстрактов из облученных объектов (например, картофеля) приводит к снижению массы животных, угнетению клеточного деления и возникновению хромосомных аберраций в клетках корешков растений, подавлению роста клеточных культур, увеличению числа уродств личинок вьюна и частоты мутаций у Е. coli. Те же изменения, но значительно менее выраженные, появляются при введении экстрактов из необлученных растений.Нарастание концентрации хинонов в клетках после облучения носит экспоненциальный характер, что в совокупности с данными токсикологических исследований, где также наблюдается линейная зависимость между временем воздействия яда и логарифмом выживаемости (например, гибель микроорганизмов в растворе фенола), используется А. М. Кузиным для критики классической теории мишени, отвергающей роль ядов в радиобиологическом эффекте. В монографии «Структурно-метаболическая теория в радиологии» сделана попытка анализа многочисленных фактов, накопленных радиобиологией за текущие десятилетия. В этой книге автор приходит к заключению, что «структурно-метаболическая теория является общей теорией действия радиации на биологические объекты, начиная с клеточного уровня и кончая высокоорганизованными многоклеточными организмами». Эта теория «рассматривает механизмы как поражающего действия сублетальных и летальных доз радиации, так и стимулирующего действия малых доз радиации. Она применима и при исследовании синергизма действия ионизирующей радиации с другими физическими и химическими факторами».Объективно оценивая предпринятый гигантский труд, нельзя не отметить, что, несмотря на солидный объем монографии, в ней так и не удалось сформулировать смысл теории или хотя бы изложить ее конкретные принципы. ионизирующих излучений молекулам и структурам клетки, возможного неравномерного распределения поглощенной энергии в облучаемой клетке или популяции клеток и использует «принцип попадания» только в его строго физическом смысле». Опустив весьма сомнительную правомерность объединения неравномерности распределения энергии в отдельной клетке и популяциях, легко видеть, что здесь по существу изложено первое положение теории мишени -- принцип попадания, четко сформулированное шестьюдесятью годами ранее.Ее второе положение -- принцип мишени, учитывающий высокую гетерогенность клетки в морфологическом и функциональном отношениях, «затерялось» в следующем тексте: «Структурно-метаболическая теория, исходя из гетерогенности и неоднозначности субклеточных структур и учитывая внутриклеточные связи и зависимости, отмечает ведущую роль в формировании радиобиологическихэффектов -- нарушений, возникающих в клеточном ядре (геноме) и биомембранах, в генерации энергии и изменении уровня низкомолекулярных биологически активных веществ (радиотоксинов)». Структурно-метаболическая теория не может быть признана универсальной теорией биологического действия излучения по ряду причин. Прежде всего, не определены количественные соотношения между накоплением ПРТ в клетке и степенью ее поражения, а сам по себе факт экспоненциального роста содержания ПРТ с увеличением дозы и во времени, наблюдавшийся на отдельных объектах, не может претендовать на какую-либо однозначную интерпретацию. Вряд ли в свете современных данных можно согласиться с ведущей ролью ПРТ в первичных процессах радиационного поражения клетки, если время образования токсинов, согласно определению, смещается от момента облучения к ближайшим часам и даже нескольким суткам после облучения. К сожалению, даже в упоминаемой монографии автора теории, обобщающей многолетний путь формирования его предъявлений о механизме лучевых повреждений, стохастические теории лишь упоминаются, а классические положения теории мишени по-прежнему критикуются без достаточных оснований, не учитывая того, что они адресованы определенному и совершенно другому классу явлений.Более того, «в вину» теории мишени ставится и концепция «потенциальных повреждений». Между тем, как было изложено выше, понятие потенциальных повреждений привело к открытию таких фундаментальных радиобиологических феноменов, как потенциальные летальные и сублетальные повреждения, а главное, к открытию наиболее важного радиобиологического явления -- репарации клеток. Открытие репарации - феномена, который не был известен создателям теории мишени, наполнило конкретным молекулярно-радиобиологическим содержанием такие вынужденные формальные понятия, как «эффективный объем», что лишь продемонстрировало эвристический характер классического формализма. И всё же, подводя итог современному состоянию радиобиологической теории, следует признать, что классические представления принципа попаданий претерпели серьезную модификацию. Стала очевидной наряду с ролью повреждения и репарации ДНК важность повреждений и в других звеньях многокомпонентной строго упорядоченной в структурном и функциональном отношении системы, каковой является живая клетка. Отсюда создание единой теории радиобиологического эффекта -- дело будущего, ибо оно непосредственно связано с познанием молекулярных основ жизни. В этом отношении не существует мелочей; количественное накопление самых незначительных, на первый взгляд, фактов в конечном итоге неизбежно приводит к качественному скачку. Разумеется, бездумное накопление фактов не должно быть самоцелью. Эксперимент должен базироваться на определенных принципах, знание которых, как говорили древние, иногда даже компенсирует незнание некоторых фактов. Отсюда, с одной стороны, -- роль теоретических построений, с другой, напротив, -- значение кардинальных фактов, либо не укладывающихся в прокрустово ложе устоявшихся представлений, либо их ниспровергающих, порождая тем самым новые плодотворные идеи.

9. Понятие производственной травмы и производственного травматизма

Производственная травма -- это внезапное повреждение организма человека (ранение, ушиб, ожог, острое отравление), происшедшее в производственной обстановке. Повреждение или нарушение нормальной деятельности человеческого организма, происшедшие в течение длительного времени работы во вредных условиях производства, называют профессиональными заболеваниями. К ним, например, относятся заболевание легких (силикоз), от воздействия пыли кремния, притупление слуха (глухота) при работе в шумных цехах, заболевание глаз от воздействия ультрафиолетовых лучей и т. д.

Провести четкую грань между профессиональными заболеваниями и производственными травмами очень трудно, так как одни и те же производственные опасности или вредности могут приводить и к заболеваниям, и к травмам. Например, ионизирующие излучения при медленном воздействии могут привести к лейкоцитозу (заболевание крови), а при кратковременном облучении мощным источником--к внезапному лучевому поражению, т. е. к производственной травме.

Производственная травма (трудовое увечье) - это следствие действия на организм различных внешних, опасных производственных факторов. Чаще производственная травма - это результат механического воздействия при наездах, падениях или контакте с механический оборудованием.

Травмирование возможно вследствие воздействий:

o химических факторов, например, ядохимикатов, в виде отравлений или ожогов;

o электрического тока - ожоги, электрические удары и др.;

o высокой или низкой температуры (ожоги или обморожения);

o сочетания различных факторов.

Производственный травматизм - это совокупность несчастных случаев на производстве (предприятии).

Различают несколько причин производственного травматизма

Технические, возникающие вследствие конструкторских недостатков, неисправностей машин, механизмов, несовершенства технологического процесса, недостаточной механизации и автоматизации тяжёлых и вредных работ.

Санитарно - гигиенические, связанные с нарушением требований санитарных норм (например, по влажности, температуре), отсутствием санитарно-бытовых помещений и устройств, недостатками в организации рабочего места и др.

Организационные, связанные с нарушением правил эксплуатации транспорта и оборудования, плохой организацией погрузочно-разгрузочных работ, нарушением режима труда и отдыха (сверхурочные работы, простои и т.п.), нарушением правил техники безопасности, несвоевременным инструктажем, отсутствием предупредительных надписей а др.

Психофизиологические, связанные с нарушением работниками трудовой дисциплины, опьянением на рабочем месте, умышленным самотравмированием, переутомлением, плохим здоровьем и др.

10. Роль и состав атмосферы

Атмосфера - это наиболее легкая оболочка нашей планеты, граничащая с космическим пространством.

Без этой оболочки на Земле было бы невозможно жить. Всякое живое существо всю сою жизнь на Земле и в воде дышит, питая кровь кислородом. Дышат также и растения, поглощая углекислый газ и выделяя кислород. Газовая оболочка предохраняет Землю от чрезмерного нагревания и охлаждения, т.к. воздух (в виду наличия в нем углекислого газа) легко пропускает солнечные лучи, нагревающие землю, и не пропускает тепловые излучение. Поэтому на Земле не бывает резких переходов от жары к холоду. Если бы не было воздушной оболочки Земли, то в течение суток температура менялась бы до 200°С. Благодаря атмосфере средняя температура у поверхности земли составляет 15°С.

Атмосфера является надежным щитом, спасающим живые организмы земли от губительных ультрафиолетовых, рентгеновских и космических излучений, частично поглощая, частично рассеивая в верхних слоях все вредные излучения.

Велико значение атмосферы в распространении влаги в виду присутствия туманов и переноса дождевых облаков. В среде атмосферы хорошо распространяется звук. Не будь этого, на Земле царила бы мертвая тишина, была бы невозможна человеческая речь.

Атмосфера - газовая оболочка Земли. Ее масса около 5,9*1015 т. Она имеет слоистое строение и состоит из нескольких сфер, между которыми располагаются переходные слои - паузы. В сферах изменяется количество воздуха и его температура.

Наиболее плотный слой воздуха, прилегающий к земной поверхности, носит название тропосферы. Протяженность ее по высоте в средних широтах составляет 10-12 км над уровнем моря, на полюсах - 7-10, над экватором 16-18 км. В тропосфере сосредоточено более 4/5 массы земной атмосферы. Из-за неравномерности нагрева земной поверхности в ней образуются мощные вертикальные токи воздуха, отмечаются неустойчивость температуры, относительной влажности, давления и т.д. Температура воздуха в тропосфере по высоте уменьшается на 0,6° на каждые 100 м и колеблется от +40 до -50°С.

Выше тропосферы находится стратосфера. Между ними расположена тропопауза. Стратосфера имеет протяженность около 40 км. Воздух в ней разрежен, влажность невысокая. Температура воздуха от границы тропосферы до высоты 30 км постоянная (около -50°С), а затем начинает повышаться и на высоте 50 км достигает 10°С. В стратосфере под воздействием космического излучения и коротковолновой части ультрафиолетового излучения Солнца молекулы воздуха ионизируются, в результате чего образуется озон. Озоновый слой находится на высоте 25-40 км.

Стратопауза отделяет стратосферу от лежащей выше мезосферы. Выше мезосферы расположена термосфера (или ионосфера), между которыми имеется мезопауза. Для термосферы характерно непрерывное повышение температуры с увеличением высоты. На высоте 150 км температура достигает 200-240 °С, на уровне 200 км - 500°С, а на высоте 500-600 км превышает 1500°С. В термосфере газы очень разрежены. Молекулы их движутся с большой скоростью, но редко сталкиваются между собой и поэтому не могут вызвать даже небольшого нагревания находящегося здесь тела.

Атмосфера состоит в основном из кислорода и азота.

Газовый состав атмосферы (объемная доля в %) следующий:

- азот - 78,09 %;

- кислород - 20,94 %;

- аргон - 0,93 %;

- диоксид углерода - 0,033 %;

- неон - 1,8*10-3 %;

- гелий - 5,2*10-4 %

- водород - 5*10-5 %

- озон - 2*10-6 %

- криптон - 1*10-4 %

- ксенон - 8*10-6 %

- оксид азота - 2,5*10-4 %

- метан - 1,5*10-4 %

- диоксид азота - 1,5*10-4 %

- диоксид серы - 2*10-8 %

- оксид углерода - 1*10-5 %

- аммиак - 1*10-6 %

На высоте 110-120 км кислород почти весь становится атомарным. Предполагается, что выше 400-500 км и азот находится в атомарном состоянии. Кислородно-азотный состав сохраняется примерно до высоты 400-600 км. Выше 600 км в атмосфере начинает преобладать гелий. Гелиевая корона Земли простирается примерно до высоты 1600 км, а выше 2000-3000 км преобладает водород.

11. Значения почвы для населения планеты

Важным этапом в развитии биосферы явилось возникновение такой ее части, как почвенный покров. С образованием достаточно развитого почвенного покрова биосфера - становится целостной завершенной системой, все части которой тесно взаимосвязаны и зависят друг от друга. Значение почвы: Почвенный покров является важнейшим природным образованием. Его роль в жизни общества определяется тем, что почва представляет собой основной источник продовольствия, обеспечивающий 95-97% продовольственных ресурсов для населения планеты. Площадь земельных ресурсов мира составляет 129 млн. км² или 86,5% площади суши. Пашня и многолетние насаждения в составе сельскохозяйственных угодий занимают около 15 млн. км² (10% суши), сенокосы и пастбища-- 37,4 млн. км² (25% суши). Общая пахотно - пригодность земель оценивается различными исследователями по-разному: от 25 до 32 млн. км².Представления о почве, как о самостоятельном природном теле с особыми свойствами появились лишь в конце XIX в., благодаря В. В. Докучаеву, -- основоположнику современного почвоведения. Он создал учение о зонах природы, почвенных зонах, факторах почвообразования. Структура почвы: Почва -- это особое природное образование, обладающее рядом свойств, присущих живой и неживой природе. Почва -- это та среда, где взаимодействует большая часть элементов биосферы: вода, воздух, живые организмы. По-чву можно определить как продукт выветривания, реорганизации и формирования верхних слоев земной коры под влиянием живых организмов, атмосферы и обменных процессов. Почва состоит из нескольких горизонтов (слоев с одинаковыми признаками), возникающих в результате сложного взаимодействия материнских горных пород, климата, растительных и животных организмов (особенно бактерий), рельефа местности. Для всех почв характерно умень-шение содержания органических веществ и живых организмов от верхних горизонтов почв к нижним. Горизонт A l -- темно-окрашенный, содержащий гумус, обогащен минеральными веществами и имеет для биогенных процессов наибольшее значение. Горизонт А 2 -- элювиальный слой, имеет обычно пепельный, светло-серый или желтовато-серый цвет. Горизонт В -- элювиальный слой, обычно плотный, бурый или коричневой окраски, обогащенный коллоидно-дисперсными минералами. Горизонт С -- измененная почвообразующими процессами материнская порода Горизонт В -- исходная порода. Поверхностный горизонт состоит из остатков растительности, составляющих основу гумуса, из-быток или недостаток которого определяет плодородие почвы. Гумус -- органическое вещество, наиболее устойчивое к разложению и поэтому сохраняющееся после того, как основной процесс разложения уже завершен. Постепенно гумус также минерализуется до неорганического вещества. Перемешивание гумуса с почвой придает ей структуру. Обогащенный гумусом слой называется пахотным, а нижележащий слой -- подпахотным. Основные функции гумуса' сводятся к серии сложных обменных процессов, в которых участвуют не только азот, кислород, углерод и вода, но и различные минеральные соли, присутствующие в почве. Под гумусовым горизонтом располагается подпочвенный слой, соответствующий выщелоченной части почвы, и горизонт, отвечающий материнской породе. Почва состоит из трех фаз: твердой, жидкой и газообразной. В твердой фазе преобладают минеральные образования и различные органические вещества, в том числе гумус, или перегной, а также почвенные коллоиды, имеющие органическое, минеральное или органоминеральное происхождение. Жидкую фазу почвы, или почвенный раствор, составляет вода с растворенными в ней органическими и минеральными соединениями, а также газами. Газовую фазу почвы составляет "почвенный воздух", включающий газы, заполняющие свободные от воды поры. Важным компонентом почвы, способствующим изменению ее физико-химических свойств, является ее биомасса, включающая кроме микроорганизмов (бактерии, водоросли, грибы, одноклеточные) еще и червей и членистоногих. Образование почв происходит на Земле с момента возникновения жизни и зависит от многих факторов: Субстрат, на котором образуются почвы. От характера материнских пород зависят физические свойства почв (пористость, водоудерживающая способность, рыхлость и т. д.). Они определяют водный и тепловой режим, интенсивность перемешивания веществ, минералогический и химический составы, первоначальное содержание элементов питания, тип почвы Растительность -- зеленые растения (основные создатели первичных органических веществ). Поглощая из атмосферы углекислоту, из почвы воду и минеральные вещества, используя энергию света, они создают органические соединения, пригодные для питания животных. С помощью животных, бактерий, физических и химических воздействий органическое вещество разлагается, превращаясь в почвенный гумус. Зольные вещества наполняют минеральную часть почвы. Неразложившийся растительный материал создает благоприятные условия для действия почвенной фауны и микроорганизмов (устойчивый газообмен, тепловой режим, влажность). Животные организмы, выполняющие функцию преобразования органического вещества в почву. Сапрофаги (земляные черви и Др.), питающиеся мертвыми органическими веществами, влияют на содержание гумуса, мощность этого горизонта и структуру почвы. Из наземного животного мира на почвообразование наиболее интенсивно влияют все виды грызунов и травоядные животные.