Радиобиология

Радиобиоло́гия

(от Радио... и Биология)

наука о действии всех видов ионизирующих излучений (См. Ионизирующие излучения) на живые организмы, их сообщества и биосферу в целом. Р. граничит с научными дисциплинами, исследующими биологическое действие электромагнитных волн инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов (см. Фотобиология) и радиоволн миллиметрового и сантиметрового диапазонов. Специфика Р. обусловлена большой энергией квантов и частиц (α-частиц, электронов, позитронов, протонов, нейтронов и др.), значительно превосходящей энергию ионизации атомов, и способностью частиц проникать в глубь облучаемого объекта, воздействуя на все его структуры, составляющие их молекулы и атомы.

Исследование биологического действия ионизирующих излучений (См. Биологическое действие ионизирующих излучений) началось почти тотчас за открытием этих излучений В. К. Рентгеном (1895), А. Беккерелем (См. Беккерель) (1896) и открытием радия М. Склодовской-Кюри (См. Склодовская-Кюри) и П. Кюри (1898). В 1896 русский физиолог И. Р. Тарханов опубликовал работу о возможном влиянии рентгеновских лучей «на ход жизненных функций». В начале 20 в. в России влияние ионизирующих излучений на живые организмы изучал Е. С. Лондон, опубликовавший в 1911 монографию «Радий в биологии и медицине». В Германии в 1904 Г. Петерс обнаружил нарушение деления в облученных клетках, а П. Линзер и Э. Хельбер в 1905 — появление токсических веществ в крови облученных животных. В 1906 французские исследователи Ж. Бергонье и Л. Трибондо обратили внимание на зависимость радиочувствительности (См. Радиочувствительность) клеток от интенсивности и длительности их делений (Митозов), а также степени дифференцировки. К 20-м гг. накопилось много разрозненных наблюдений о действии рентгеновского и гамма-излучений на разные биологические объекты. Однако эти исследования проводились различными специалистами — физиологами, зоологами, ботаниками, медиками—в рамках своих наук.

20—30-е гг. принесли ряд крупных открытий и новых идей, ускоривших становление Р. как науки. В 1925 сов. учёные Г. А. Надсон и Г. С. Филиппов открыли на низших грибах мутагенное действие рентгеновских лучей; работы по радиационному Мутагенезу осуществили в США в 1927 Г. Меллер (См. Мёллер) (на дрозофиле) и в 1928 Л. Стедлер (на высших растениях). Эти открытия легли в основу радиационной генетики (См. Радиационная генетика). В 1920 Г. А. Надсон и в 1925 П. Анцель и П. Винтембергер (Франция) пришли к выводу, что наблюдаемые радиационные повреждения клетки — результат двух противоположных процессов: развития повреждения и одновременно идущего процесса восстановления. Работами Ф. Дессауэра в Германии (1922), Дж. Кроутера в Великобритании (1924, 1927), Ф. Хольвека во Франции (1928—38) и др. были развиты представления о дискретности ионизирующих излучений, о процессе поглощения энергии как сумме единичных актов взаимодействия фотона или частицы с отдельными молекулами или структурами клетки. Общий закон фотохимии (см. Гротгуса закон), согласно которому химическую реакцию в веществе может вызвать только поглощённая часть падающего на него света, распространяется и на ионизирующие излучения. В конце 20 — начале 30-х гг. Дж. Кроутер, а также Ф. Хольвек и А. Лакассань, анализируя кривые зависимости эффекта (гибель клеток) от дозы облучения, для объяснения его вероятностного характера вводят представление о наличии в клетке особого чувствительного объёма — «мишени»; попадание ионизирующей) частицы в «мишень» и вызывает наблюдаемый эффект. Мишени теория как формальное обобщение многих наблюдаемых явлений была окончательно сформулирована английским учёным Д. Ли (1946), Н. В. Тимофеевым-Ресовским и немецким учёным К. Циммером (1947).

В 40-е — начале 50-х гг. благодаря быстрому развитию ядерной физики и техники, а также в результате радиоактивного загрязнения (См. Радиоактивное загрязнение) окружающей среды вследствие испытаний ядерного оружия резко возрос интерес к последствиям биологического действия ионизирующих излучений. Именно в эти годы Р. формируется как самостоятельная область науки. Перед Р. возникают новые проблемы: всестороннее исследование радиационного поражения многоклеточных организмов при их тотальном облучении, познание причин различной радиочувствительности организмов, роли радиации в возникновении вредных мутаций, изучение закономерностей и причин возникновения отдалённых последствий облучения (сокращение продолжительности жизни, возникновение опухолей, снижение иммунитета). Актуальными для Р. становятся такие практические задачи, как изыскание различных средств защиты организма от излучений (См. Защита организма от излучений) и путей его пострадиационного восстановления от повреждений, прогнозирование опасности для человечества повышающегося уровня радиации окружающей среды, изыскание новых путей использования ионизирующих излучений в медицине, сельском хозяйстве, пищевой и микробиологической промышленности.

50—60-е гг. характеризуются глубоким проникновением в Р. биофизических и биохимических методов исследования. К этому времени становится ясно, что в поражении клеточных структур и макромолекул, помимо прямого попадания в них квантов и частиц, участвуют радикалы воды и др. низкомолекулярных веществ, перекиси, гидроперекиси, семихиноны, хиноны и др. вещества, образующиеся в клетке при облучении в присутствии кислорода (косвенное действие радиации; см. также Кислородный эффект).

Вслед за работами, показавшими ведущее значение для ряда радиационных эффектов поражения клеточного ядра (Р. Циркл, П. Хеншоу в США; Б. Л. Астауров в СССР, и др.), последовали многочисленные исследования возникающих в результате облучения нарушений структуры и метаболизма дезоксирибонуклеиновой кислоты (См. Дезоксирибонуклеиновая кислота), радиационное поражение которой (прямое и косвенное) лежит в основе генетического действия (См. Генетическое действие излучений) излучений (См. Излучение). В эти годы были открыты Радиозащитные средства (т. н. радиопротекторы) — вещества, защищающие животный организм от действия радиации, разработаны теоретические предпосылки для эффективных методов лечения лучевой болезни (См. Лучевая болезнь).

В связи с интенсивными испытаниями ядерного оружия и повсеместным загрязнением Земли радионуклидами, в первую очередь долгоживущими нуклидами ⁹⁰Sr и ¹³⁷Cs, перед Р. встают новые задачи изучения особенностей действия проникших внутрь организма (инкорпорированных) излучателей с их специфическим распределением по тканям, различной длительностью выведения из организма и хроническим облучением клеток. Проблемы хронического действия малых доз радиации приобретают большую актуальность и в связи со всё убыстряющимися темпами развития ядерной энергетики.

Строительство ускорителей ядерных частиц, применение в медицине плотноионизирующих излучений, проникновение человека в космос поставили перед Р. ряд новых проблем, в том числе исследование относительной биологической эффективности (См. Относительная биологическая эффективность) нейтронов и протонов больших энергий, многозарядных ионов, пи-мезонов; изучение одновременного действия радиации и др. факторов космического полёта (невесомости, вибрации и т.п.); исследование действия радиации на высшую нервную деятельность человека в условиях космоса и др. Интенсивно развивающаяся ветвь Р. — космическая Р. — решает эти вопросы как в земных условиях (эксперименты с использованием современных ускорителей, специальных стендов и т.д.), так и при полётах в космос.

Преимущества работы с микроорганизмами при проведении радиобиологических исследований способствовали быстрому развитию и оформлению др. самостоятельной ветви Р. — радиационной микробиологии, основы которой были заложены в 20-е гг. 20 в. работами Г. А. Надсона. Микроорганизмы широко используются для выяснения общих закономерностей воздействия ионизирующих излучений на клетки или различные внутриклеточные структуры — органоиды и др., для выяснения механизмов радиационного мутагенеза и многих др. проблем Р. Исследования по радиочувствительности микроорганизмов, показавшие поразительную устойчивость некоторых из них к облучению, значительно изменили наши представления о возможных границах существования жизни в экстремальных радиационных условиях.

Конец 50-х — 60-е гг. ознаменовались в Р. открытием явлений восстановления — Репарации — облученных клеток, осуществляемых специальными ферментными системами, которые быстро ликвидируют радиационные повреждения молекул ДНК. Эти открытия побудили пересмотреть прежние выводят о формировании радиационных эффектов, об опасностях поражения при хронических облучениях в малых дозах, а также по-новому оценить причины устойчивости генетического аппарата клетки. Значительно расширились представления о причинах различной радиочувствительности клеток, значении для радиочувствительности объёма хромосом, числа сульфгидрильных групп, активности репарирующих ферментов и др. факторов. формальные обобщения новых фактов и представлений нашли отражение в стохастической (вероятностной) концепции биологического действия излучений. Исследования биохимических сдвигов в облученных клетках и тканях, радиационных повреждений ядра, митохондрий, биологических мембран и др. органелл клетки позволили обосновать структурно-метаболическую гипотезу действия радиации. Согласно этой гипотезе, вероятностный характер радиационных эффектов является результатом взаимодействия процессов, возникающих в молекулярных и надмолекулярных структурах, обмене веществ в регуляторных системах облученного организма.

Многогранность задач, стоящих перед современной Р., привела к развитию радиоэкологии (См. Радиоэкология), радиационной генетики и др. разделов Р. Исследования в области Р. лежат в основе практического применения ионизирующих излучений в лучевой терапии злокачественных новообразований; на их базе разработаны эффективные методы лечения лучевой болезни, они послужили теоретическим фундаментом для использования ионизирующих излучений в борьбе с с.-х. вредителями, для выведения новых сортов с.-х. растений (радиационная селекция), повышения урожая путём предпосевного облучения семян, продления сроков хранения с.-х. сырья, для лучевой стерилизации медицинских препаратов. Данные космической Р. необходимы для прогнозирования и обеспечения безопасности полётов человека в космос. Многие открытия в Р. (например, открытия радиационного мутагенеза, а также ферментов, репарирующих радиационные повреждения ДНК и др.) способствовали существенному развитию знаний об общих законах жизни.

В СССР исследования по Р. проводятся в институте биологической физики АН СССР (г. Пущине), в Ленинградском институте ядерной физики АН СССР (г. Гатчина) и др. институтах АН СССР, а также в институтах министерства здравоохранения СССР и министерства сельского хозяйства СССР, на кафедрах многих вузов. За рубежом основные центры радиобиологических исследований: Брукхейвенская национальная лаборатория, Биологическое отделение атомного центра в Ок-Ридже и др. (США); Радиевый институт, Биологическое отделение атомного центра в Сакле (Франция); Лаборатория радиобиологии атомного центра в Харуэлле (Великобритания); институт биофизики Чехословацкой АН (Брно); институт биофизики во Франкфурте-на-Майне, Центр ядерных исследований в Карлсруэ, институт радиационной ботаники в Гамурге (ФРГ); Радиобиологическое отделение атомного центра в Тромбее (Индия); Радиобиологический институт (Сиба, Япония) и многие др. В 1955 Генеральная Ассамблея ООН учредила специальный Научный комитет по действию атомной радиации (участвуют 20 стран), который собирает всю информацию о радиационной обстановке на Земле и возможных биологических последствиях облучения человека и сообщает её в регулярно представляемых ООН докладах (1958—72).

Основные периодические издания по Р.: журналы «Радиобиология» (с 1961), «Radiation Research» (N. Y., с 1954), «International Journal of Radiation Biology ...» (L., с 1959), «Radiation Botany» (L. — N. Y., с 1961) и др. Международная ассоциация радиационных исследований, Европейское общество радиобиологов, Научный совет по проблемам радиобиологии АН СССР и др. регулярно созывают национальные и международные симпозиумы (первый в Дании, 1953), конференции, конгрессы (первый в США, 1958).

Лит.: Бак З., Александер П., Основы радиобиологии, пер. с англ., М., 1963; Основы радиационной биологии, М., 1964; Корогодин В. И., Проблемы пострадиационного восстановления, М., 1966; Свердлов А. Г., Опосредованное действие ионизирующего излучения, М., 1968; Тимофеев-Ресовский Н. В., Иванов В. И., Корогодин В. И., Применение принципа попадания в радиобиологии, М.. 1968; Хуг О., Келлерер А. М., Стохастическая радиобиология, пер. с нем., М., 1969; Кузин А. М., Структурно-метаболическая гипотеза в радиобиологии, М., 1970; его же, Молекулярная радиобиология клеточного ядра, М., 1973; Эйдус Л. Х., Физико-химические основы радиобиологических процессов и защиты от излучений, М., 1972; Первичные радиобиологические процессы, 2 изд., М., 1973; Radiation biology, ed. by A. Hollaender, V. I, N. Y. — Toronto — L., 1954.

А. М Кузин.