Фотосинтез у зеленых растений

Энергия фотонов преобразуется в энергию химических связей синтезируемых органических веществ.

Скорость фотосинтеза измеряется количеством кислорода, выделенного за единицу времени. Она зависит от интенсивности поглощенного света. Максимальная скорость фотосинтеза при постоянном сильном освещении достигает одной молекулы 0₂ (на одну молекулу хлорофилла) за 50 с. Источ­ником всего атмосферного кислорода служит вода, участвующая в реакциях фотосинтеза.

При восстановлении углекислого газа до углевода осуществляется перенос 4 атомов водорода с Н₂0 на С0₂. Изменение свободной энергии в реакциях фотосинтеза при образовании одной молекулы 0₂ составляет около 500 кДжмоль¹, на что затрачивается 8 квантов света с суммарной энергией примерно 1470 кДж моль¹. Следовательно, коэффициент использования сол­нечной энергии при фотосинтезе достигает 34%. Примерно к такому же КПД можно прийти путем другого расчета — при сопоставлении энергии, заклю­ченной в 8 фотонах, с энергией, затрачиваемой на синтез углеводов.

Свободная энергия, затрачиваемая на транспорт электронов против разности потенциалов при переносе атомов водорода с Н₂0 на С0₂ черпается из фотохимических процессов, в которых участвует хлорофилл. Каждая моле­кула хлорофилла тесно связана с донором (Д) и акцептором (А) электронов. Поэтому при ее фотовозбуждении происходят следующие превращения. Акцептор принимает электрон от возбужденного хлорофилла и превращается в А^-. Место этого электрона в хлорофилле занимает другой, принимаемый им от донора. Электрон не может перейти с донора на акцептор непосредственно, так как они пространственно разобщены и не взаимодействуют между собой. Пространственное разобщение их обеспечивается тем, что донор и акцептор являются компонентами биологической мембраны и фиксированы в ее определенных точках. Не взаимодействуя между собой, А' и Д⁺, образо­вавшиеся под действием света при участии хлорофилла, могут участвовать в других окислительно-восстановительных реакциях с теми мембранными компонентами, которые тесно контактируют с ними. Вне биомембраны фо­тосинтез не осуществляется.

Местом фотосинтеза в зеленых растениях являются мембранные системы хлоропластов. В этом специализированном органоиде, кроме двойной наружной мембраны, содержится сложно организованная сеть внутренних мембран, образующих многослойные структуры, упакованные в пачки (граны). Внутренние мембраны ограничивают замкнутые объемы в виде уплощенных пузырьков — тилакоидов. В каждом хлоропласте примерно 1000 ти- лакоидов, а в одной клетке - от 50 до 200 хлоропластов. В мембранах тилакоидов протекают светозависимые фотосинтетические реакции, так как там сосредоточены хромофоры — молекулы, поглощающие световую энергию. К ним относятся хлорофилл а, хлорофилл Ь, каротиноиды и другие пигменты. Хлорофилл поглощает свет наиболее интенсивно в синей и красной, но отражает в зеленой и желтой областях. Этим определяется зеленый цвет растений. На один хлоропласт приходится примерно 10⁹ молекул хлорофилла.

Две разновидности хлорофилла (а и Ь), имея незначительные различия в химическом строении, существенно отличаются по физическим свойствам и биологической активности. О коренных отличиях в механизмах переносаэнергии свидетельствует наличие флуоресценции у хлорофилла а (с квантовым выходом около 0,2) при ее отсутствии у хлорофилла. Последний сам по себе непосредственно не участвует в фотосинтетических превращениях, но он входит в состав светособирающей пигментной матрицы, помогающей улавливать солнечную энергию. После фотовозбуждения хлорофилл b быстро передает свою избыточную энергию хлорофиллу а, который при этом возбуждается и принимает непосредственное участие в фотосинтезе. Хлорофилл а может возбуждаться светом и без посредника, но участие хлорофилла b повышает коэффициент использования солнечной энергии. Он повышается также благодаря присутствию в светособирающей матрице других пигментов (каротиноидов и фикобилинов). Сопоставив спектры поглощения хлорофилла и каротиноидов, нетрудно убедиться, что хлорофилл поглощает энергию ограниченного участка солнечного спектра. Однако фотосинтез идет под действием почти всей видимой области электромагнитного спектра, поскольку зеленый свет хорошо поглощают каротиноиды, входящие в светособирающую матрицу. Кроме того, каротиноиды защищают хлорофилл от фотоокисления при избыточном освещении.

Перенос энергии от различных пигментов этой матрицы на хлорофилл а осуществляется по резонансному механизму. В конце концов, энергия фотовозбуждения достигает реакционного центра, в котором сосредоточено несколько молекул хлорофилла а, ориентированных определенным образом в тилакоидной мембране. Здесь начинается первая стадия фотохимического процесса. Совокупность реакционного центра и светособирающей матрицы называется фотосинтетической единицей. Каждая из них включает прибли­зительно 300 молекул хлорофилла.

Фотосинтетическая единица входит в состав фотосистемы (ФС), компонентами которой являются также интегральные белки тилакоидной мембраны. Мембранные протеины фиксируют многие молекулы хлорофилла на одной полипептидной цепи, создавая тем самым необходимую ориентировку пигмента. Комплекс «хлорофилл а — мембранный белок» служит главным узлом фотогенератора, как иногда называют фотосистему. Функциональным элементом тилакоидной мембраны считается квантосома, в состав которой входят две фотосистемы, не одинаковые по свойствам. В каждой ФС есть собственная фотосинтетическая единица, причем относительное содержание хлорофилла а в ФС I много выше, чем в ФС II. Обе фотосистемы поглощают свет с длинами волн короче 680 нм, но только ФС I способна возбуждаться и более длинноволновым светом, причем ее максимум поглощения приходит­ся на 700 нм. Поэтому хлорофилл а, входящий в разные фотосистемы, имеет различное наименование: в ФС I его называют пигментом Р₇₀₀, а в ФС II—пигментом Р₆₈₀. Различия определяются не особенностями молекулярной структуры пигментов (она одинакова), а специфическим мембранным окружением хлорофилла а в ФС I и ФС II (вероятно, составом мембранных белков, фиксирующих молекулы пигмента). В целом молекулярная масса квантосомы достигает 210⁶ дальтон. Между молекулами хлорофилла, принадлежащими разным ФС в одной квантосоме, расположены молекулы других веществ, входящих в ее состав и выполняющих функцию переноса электронов. Поэтому говорят, что ФС I и ФС II разобщены в пространстве тилакоидной мембраны, но сопряжены между собой системой переноса электронов, которые переносятся с ФС II на ФС I, и обратный переход невозможен.

В темноте молекула хлорофилла а пребывает на нижнем синглетном уровне. Световая энергия по резонансному механизму переводит его электроны на более высокий энергетический уровень. Полосы поглощения хлорофилла соответствуют переходам S —►Sj* (в красной области спектра) и S_q—>S₂* (в синей области). Раствор хлорофилла ainvitro флуоресцирует за счет обрат­ного перехода электронов с S* на S₀ (заметим, что обратный переход с S₂* на S , — безызлучательный). С уровня S₂* возможен также безызлучательный пе­реход на метастабильный триплетный уровень Т. Находясь на нем, электроны хлорофилла могут перейти под действием света на уровень Т*, что означает возбужденное триплетное состояние хлорофилла. Именно такой переход присущ хлорофиллу invivo, когда он встроен в тилакоидную мембрану. С уровня Т электроны могут возвратиться и на уровень S₀, что сопровождается фотолюминесценцией. Поэтому хлорофилл а люминесцирует не только в пробирке, но и в хлоропластах. Однако его квантовый выход invivo только 0,03-0,06, тогда как invitro — 0,2. Из сопоставления этих чисел ясно, что львиная доля энергии, выделяющейся при электронных переходах в облученной молекуле хлорофилла а, находящейся в тилакоидной мембране, идет на фотосинтез.

Фотосинтез осуществляется за счет перехода возбужденных электронов с Т на Т*, при котором изменяется их спин. Появление же неспаренных электронов приводит к образованию свободных радикалов. Возникновение свободных радикалов при фотосинтезе доказано методом ЭПР.

Полный цикл фотосинтетических превращений начинается с фотовозбуждения хлорофилла а в ФС II (Р₆₈₀). Возбужденный электрон переносится с Р₆₈₀ на акцептор, тесно контактирующий с хлорофиллом в тилакоидной мембране. По-видимому, акцептором служит цитохром 555 (Q). На переход затрачивается энергия возбуждения электрона, так как он преодолевает вос­становительный потенциал в 1,24 В (идет «в гору»). Приняв электрон, акцептор восстанавливается, а в молекуле хлорофилла, отдавшей его, возникает дырка. Она заполняется электроном воды, которая расщепляется в процессе фотосинтеза с образованием кислорода, протонов и электронов. По-видимому, расщепление воды (точнее, ее окисление до 0₂) производит не самвозбужденный хлорофилл, а некое промежуточное окисленное соединение, образующееся при возбуждении Р₆₈₀. Окисление воды, приводящее к выделению кислорода, катализируется ферментной системой, содержащей трехвалентный ион марганца.

Присоединив электрон, хлорофилл (Р₆₈₀) восстанавливается, и к нему возвращается способность возбуждаться новыми квантами света. Кислород выделяется в атмосферу. Протоны закисляют содержимое тилакоидов, под­держивая там более высокую концентрацию Н⁺ по сравнению с цитозолем. Такова судьба всех продуктов расщепления воды при фотосинтезе.

Теперь следует обратиться к электронам, покинувшим молекулы хло­рофилла (Р₆₈₀) и восстановившим вещество Q. Проследим их миграцию по цепи переноса ФС II. С вещества Q они последовательно переходят от одного компонента транспортной цепи к другому в направлении более высокого положительного восстановительного потенциала («с горы») — к пластохинону и далее к пластоцианину. Свободная энергия, выделяющаяся при этом ступенчато (дискретно), запасается тилакоидной мембраной и обеспечивает синтез АТФ из АДФ и ортофосфата. Так как скорость переноса электронов по транспортной цепи ФС II не зависит от температуры, то возникло предположение о туннельном механизме миграции электронов между окислитель­но-восстановительными компонентами этого каскада. Последним из них в ФС II является Р₇₀₀, т. е. хлорофилл а, принадлежащий другой фотосистеме (ФС I) в данной квантосоме.

Однако Р_?00 приобретает способность принять электроны из ФС II только после того, как сам поглотит свет, возбудится и потеряет свой электрон, который поступит в транспортную цепь ФС I. При потере электрона в молекуле Р₇₀₀ возникает дырка, которую и занимает электрон, пришедший сюда из ФС II (с пластохинона). Следовательно, возбужденный хлорофилл, входящий в состав ФС II, восстанавливает пластохинон (до гидрохинона), а возбужденный хлорофилл, принадлежащий ФС I, окисляет гидрохинон до пластохинона, возвращая ему способность принимать новые электроны от Р₆₈₀. Такое сопря­жение в работе двух фотосистем осуществляется в пределах одной квантосомы. В ней между молекулами хлорофилла, принадлежащими разным фото­системам, иными словами, между Р₆₈₀ и Р₇₀₀, расположено примерно 5 молекул пластохинона. Пигмент Р_?00, приняв электроны от компонентов ФС II, восстанавливается, и к нему возвращается способность возбуждаться светом.

В ФС I пока не идентифицировано вещество с наибольшим (по модулю) отрицательным восстановительным потенциалом, на которое переходят возбужденные электроны с Р₇₀₀. Обозначим его буквой X. Приняв электрон от возбужденного хлорофилла, X становится сильным восстановителем (X), с которого начинается второй каскад переноса электрона в сторону более высокого положительного восстановительного потенциала. Последним компонентом цепи транспорта электронов в ФС I является НАДФ⁺, восстанавливаемый до НАДФН. Донором водорода служит вода, расщепившаяся под действием света при участии хлорофилла (Р₆₈₀) еще на первой стадии фотосинтеза.

Конечным акцептором электронов, прошедших последовательно ФС II и ФС I, является С0₂. Перенос на него электронов с редокс-пары НАДФ⁺/ НАДФН (восстановительный потенциал равен -0,324 В) осуществляется сложной ферментной системой, входящей в так называемый цикл Кальвина — последовательность химических реакций, протекающих в 13 стадий. Энергия, выделяемая при транспорте электронов с названной редокс-пары на С0₂, недостаточна для его восстановления до углеводов. Дополнительная энергия, необходимая для синтеза углеводов, поступает в цикл Кальвина в форме АТФ. Так, образование одной молекулы гексозы из 6 молекул С0₂ обеспечивается не только переносом электронов с НАДФН на С0₂, но еще и 18 молекулами АТФ. Этот макроэрг образуется также в реакциях фотосинте­за посредством преобразования солнечной энергии, поглощенной хлорофиллом. Синтезу АТФ служит транспорт в квантосоме (в ФС II и ФС I) до этапа восстановления НАДФ⁺.

За счет поглощения двух квантов света двумя молекулами хлорофилла (Р₆₈₀ и Р₇₀₀), принадлежащими одной квантосоме, происходит перенос одного электрона на С0₂. Кроме того, энергия этих двух фотонов обеспечивает перенос одного электрона с воды на Р₆₈₀. Рассматривая процессы электронного транспорта в ФС II и ФС I в совокупности, можно заключить, что поглоще­ние двух квантов света двумя молекулами хлорофилла приводит к переносу одного электрона с Н₂0 на С0₂, из которого синтезируются углеводы.

В ходе двухтактного (в ФС II и ФС I) фотоэлектронного преобразования возникают молекулярный кислород, НАДФН (восстановленный НАДФ), а также АТФ. Это единственная, хотя и сложная (многоступенчатая) световая реакция в процессе фотосинтеза. Дальнейшие аутотрофные биосинтетические реакции не нуждаются в свете. Они происходят в зеленых растениях за счет энергии, заключенной в электронах, принадлежащих НАДФН и АТФ.

Лучше других реакций фотосинтеза изучен процесс образования шестиуглеродной молекулы глюкозы из 6 молекул С0₂ и 6 молекул Н₂0 (реакция фиксации углекислого газа). 12 пар возбужденных электронов, необходимых для осуществления этой реакции, поступают от НАДФН. Дополнительным поставщиком свободной энергии служат 18 молекул АТФ. Вклад НАДФН и АТФ в фотосинтез одного моля глюкозы составляет соответственно 660 и 252 ккал.

Аналогично углеводам происходит фотосинтез всех биологически важных макромолекул. И здесь нужно подчеркнуть, что для созидания углеводов,белков, жиров, нуклеиновых кислот и других высокомолекулярных органических соединений из двуокиси углерода, воды, нитратов, сульфатов и прочих сравнительно простых веществ необходим колоссальный приток электронов к ним.

Углеводы, белки, жиры служат основными питательными веществами для гетеротрофов. В ходе катаболических процессов, также обеспечиваемых электрон-транспортными системами, освобождаются электроны примерно в таком же количестве, в каком они захватывались органическими веществами при их фотосинтезе. Электроны, освобождающиеся при катаболизме, пере­носятся на молекулярный кислород дыхательной цепью митохондрий. Здесь окисление сопряжено с фосфорилированием — синтезом АТФ посредством присоединения к АДФ остатка фосфорной кислоты (т. е. фосфорилирования АДФ). Этим обеспечивается энергоснабжение всех процессов жизнедеятельности

Лекция №7

Электромагнитные излучения и поля в природе, технике и жизни человека

На современном уровне развития науки известны два вида материи: вещество и поле. К веществу относятся формы материи, состоящие из элементарных частиц (протонов, электронов, нейтронов и др.), из которых состоят атомы и молекулы и, в конечном счете, все окружающие тела. Веществу свойственно наличие массы покоя. Поле — форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между частицами вещества или телами. Полю свойственны непрерывность в пространстве и отсутствие массы покоя. Поле и вещество неразрывно связаны, образуя единую материю нашего мира.

Важнейшим универсальным свойством материи является корпускулярно-волновой дуализм. Всем микрообъектам присущи одновременно и корпускулярные, и волновые свойства. Впервые корпускулярно-волновой дуализм был установлен для света. Опыты по интерференции, дифракции света свидетельствовали о его волновой природе и подтверждали теорию Максвелла, установившую, что свет представляет собой электромагнитные волны.

Электромагнитной (ЭМ) волной называется процесс распространения в пространстве взаимоиндуцирующих друг друга переменных электрических и магнитных полей.

Основные положения об ЭМ поле были сформулированы английским физиком Максвеллом, объединившим в рамках единой теории электрические и магнитные явления. Им было показано, что ЭМ волны распространяются в среде с конечной скоростью, векторы напряженности электрического поля Е и магнитного поля H взаимно-перпендикулярны и фазы их колебаний одина­ковы. Для плоской гармонической ЭМ волны, распространяющейся в изотропной среде без затухания:

Длиной волны называется расстояние между двумя ближайшими точками, колебания величин Е и Н в которых происходят в одинаковой фазе. Скорость распространения ЭМ волны в вакууме (с) есть величина постоянная.

Важнейшей характеристикой волны является интенсивность / — среднее количество энергии W , переносимое волной за единицу времени через единичную площадку, расположенную перпендикулярно направлению распространения волны.

Вместе с тем Планк показал, что для объяснения закона равновесного теплового излучения необходимо принять гипотезу о дискретном характере излучения, полагая, что энергия излучения кратна некоторой величине е, названная им квантом энергии.

В дальнейшем трудами Эйнштейна и ряда ученых было показано, что ЭМ-излучение не только испускается, но и распространяется квантами. Так возникло представление о частицах света фотонах, несущих квант энергии Е и движущихся со скоростью света.

Таким образом, было разрешено противоречие, возникшее еще в 17 столетии и содержащееся в утверждениях, что свет, с одной стороны, — это волна (Гюйгенс), а с другой - поток «корпускул» (Ньютон). ЭМ излучение обладает дуализмом, то есть одновременно и свойствами волны, и свойствами потока частиц. Корпускулярно-волновой дуализм присущ и другим микрочастицам, например электронам, нейтронам.

Один вид материи может превращаться в другой и обратно. Так известна реакция аннигиляции (уничтожения) двух античастиц: электрона и позитро­на. В этой реакции вещество — электрон е^- и позитрон е⁺ — превращаются в два кванта электромагнитного поля. В результате этой реакции могут образовываться два гамма-кванта, имеющие энергию не менее 0,51 МэВ каждый.

Известно и обратное превращение — реакция рождения пары. При этой реакции гамма-фотон высокой энергии (более 1,2 МэВ) при взаимодействии с электрическим полем ядра атома превращается в две частицы: электрон и позитрон. Таким образом, кванты электромагнитного поля превращаются в вещество. Реакции аннигиляции и рождения пар являются примером перехода одного вида материи в другой и обратно.

Понятие «физические поля окружающего мира», очевидно, является широким и может включать в себя многие явления в зависимости от целей и контекста рассмотрения. Если употреблять его в строго физическом смысле, то есть как вид материи, то следует иметь в виду, прежде всего электрическое, магнитное, электромагнитное, гравитационное поля и поле внутриядерных сил. В экологическом контексте в это понятие могут быть включены потоки ионизирующих частиц, акустические и вибрационные поля, атмосферные изменения и ряд других.

Вся биосфера Земли: простейшие, обширные царства растений и животных и человек — находится в окружении единого материального мира, составляющего ее среду обитания. Сфера обитания является неотъемлемым условием развития жизни и одновременно суммой факторов, влияющих на живые организмы и определяющих эволюцию живой природы. Одним из существенных факторов сферы обитания являются потоки излучений, действию которых подвергается все живое на Земле. Это электромагнитные волны, в безбрежном океане которых находится Земля, межзвездное и галактическое пространство, и ионизирующие излучения.

При авариях на АЭС или при ядерных взрывах в атмосферу могут выбрасываться различные радионуклиды. Эти изотопы могут накапливаться ворганизме, вызывая в нем нарушение деятельности, как отдельных органов, так и организма в целом.

Так, ¹³¹I накапливается в щитовидной железе, и уже 0,35 мг радиоактивного иода опасны для человека (при ежесуточной потребности около 150 мг). Изотоп ⁹⁰Sr накапливается в костной ткани, а изотоп ¹³⁷Cs равномерно распределяется в клетках организма.

Особую опасность представляют повышенные дозы радиоактивных излучений для кроветворной системы, пищеварительного тракта и желез внут­ренней секреции человека. Люди, работающие с излучением: в больницах, на АЭС, в лабораториях - могут получать дозу до 0,5 бэр в год.

Предельно допустимой биологической дозой для человека при професси­ональном облучении считается 5 бэр в год. Минимальная летальная доза от «прямого у-луча» условно принята 600 бэр при облучении всего тела.

Ионизирующее излучение вызывает в биологических объектах различные патологические изменения, крайним проявлением которых является гибель облученных организмов. Степень и характер проявления радиобиологических эффектов зависят от различных радиационных факторов, характеризующих условия облучения, и от биологических факторов, характеризующих объект облучения.

К радиационным факторам относятся:

— место расположения источника излучения по отношению к облучаемому организму;

— вид ионизирующего излучения;

— пространственное распределение дозы ионизирующего излучения в организме;

— временное распределение дозы ионизирующего излучения;

— доза облучения.

К биологическим факторам относятся: вид живого организма, возраст, пол, физиологическое состояние, используемая пища и т.д.

В зависимости от места расположения источника излучения по отношению к облучаемому биологическому объекту облучение может быть:

1) внешним — когда источник излучения находится во внешней среде вне облучаемого организма;

2) внутренним — когда облучение происходит в результате воздействия из­лучения от попавших в организм радиоактивных веществ (радионуклидов);

3) комбинированным — в реальной экологической обстановке встречается наиболее часто.

Проникновение (инкорпорирование) в организм радиоактивных веществ может осуществляться различными путями:

— алиментарным, или пероральным путем (т.е. е продуктами питания и водой);

— перкутанным путем (т.е. через кожные покровы);

— через слизистые оболочки (глаза);

— через раны.

Инкорпорированные в организм радионуклиды в зависимости от своих химических и физико-химических свойств могут распределяться в организме либо равномерно, либо неравномерно - органотропно, т.е. преимущественно в определенных органах и тканях. Для большинства радионуклидов характерна неравномерность распределения в организме, т.е. органотропность. Соответственно органы и ткани, в которых накапливается тот или иной радионуклид, подвергаются большему радиационному поражению при поступлении в организм этих радионуклидов.

Нужно отметить, что в некоторых случаях тип распределения радионуклида может меняться. В частности распределение кислорода, азота, водорода и углерода зависит от тех химических соединений, в составе которых они поступают в организм.

Снижение содержания попавших в организм радионуклидов происходит главным образом через желудочно-кишечный тракт (т.е. с калом) и почки (т.е. с мочой), в меньшей степени - через легкие (с выдыхаемым воздухом) и кожу (с потом), а также с молоком и плодом (например, яйца). Скорость выделения радионуклидов связана е их физико-химическими свойствами. Основ­ное количество радионуклидов выводится в первые дни после поступления в организм. Быстрее всего выводятся из организма благородные газообразные радионуклиды, например радон (несколько часов). Из мягких тканей радио­нуклиды обычно выводятся быстрее, чем из костной ткани. Остеотропные радионуклиды наиболее долго удерживаются в организме.

Уменьшение количества радионуклидов в организме осуществляется по экспоненциальному закону в результате двух процессов: биологического выведения и радиоактивного распада.

Константа называетсяконстантой эффективного выведения и представляет собой сумму константы биологического выведения А и константы радиоактивного распада А . Вместо константы эффективного выведения часто пользуются величиной эффективного периода полувыведения. Эффективный период полувыведения представляет собой время, в течение которого содержание радионуклида в организме (или в органе) снижается вдвое. Константа эффективного выведения и эффективный период полувыведения связаны следующим соотношением:

Эффективный период полувыведения существенно зависит от вида, возраста, функционального состояния организма.

Радиобиологические эффекты в значительной степени зависят от вида ионизирующего излучения, воздействующего на биологический объект. Наибольшее практическое значение имеют: рентгеновское излучение, гамма-излучение, бета-излучение, альфа-излучение, нейтронное излучение.

При внешнем облучении наибольшую опасность представляют те виды ионизирующих излучений, которые обладают наиболее высокой проникающей способностью, т.е. нейтронное, гамма- и рентгеновское излучения.

Альфа-излучение из-за низкой проникающей способности (в живой ткани - до 130 мкм) практически не представляет опасности при внешнем облучении организмов, размеры которых значительно превышают проникающей способности а-излучения. Наружный слой кожи, образованный отмершими клетками, ткань одежды практически полностью задерживают а-из лучение. Однако при внешнем облучении организмов, сравнимых по размерам с величиной проникающей способности a-излучения (например, одноклеточных организмов), а также при внутреннем облучении более крупных биологических объектов (т.е., когда процесс а-распада радионуклидов, попавших в организм, осуществляется в непосредственной близости от жизненно важных клеток организма) a-излучение является чрезвычайно опасным. В этих случаях a-излучение при одинаковой поглощенной дозе гораздо опас­нее у-излучения - в среднем способность a-излучения повреждать клетки в 20 раз выше, чем у у-излучения.

Проникающая способность -излучения занимает промежуточное положение между а- и -излучениями: пробег в живой ткани составляет 1-1,5 см. Поэтому при внешнем облучении относительно крупных организмов (например, человека) поражающему действию -излучения подвержены в основномтолько внешние ткани — кожа и глаза. Наибольшую опасность -излучение представляет (как и a-излучение) при внутреннем облучении. Способность -излучения повреждать биологические клетки такая же, как у -излучения (при одинаковой поглощенной дозе).

Пространственное и временное распределение дозы ионизирующего излучения в организме

Важным фактором, в значительной степени определяющим радиобиоло­гический эффект, является пространственное распределение поглощенной дозы ионизирующего излучения в облучаемом организме. В зависимости от того, подвергается ли воздействию излучения весь организм или только ка­кая-либо его часть, облучение разделяют на следующие типы:

— общее (или тотальное) облучение — воздействию излучения подвергается все тело;

— субтотальное облучение — воздействию излучения подвергается большая часть тела при защитном экранировании (например, свинцовыми пластинами) отдельных его областей или органов (например, головы, области живота, грудной клетки, конечностей, половых органов, и т.д.);

— парциальное облучение — воздействию излучения подвергается отдельная область тела (например, голова, живот, грудная клетка и т.д.);

— локальное облучение — воздействию узких пучков излучения подвергается отдельный орган или небольшой участок тела.

Все перечисленные типы облучения применяют в экспериментальной радиобиологии. В частности субтотальное, парциальное и локальное облучения в экспериментальной радиобиологии применяют для оценки значения нарушения функционирования отдельных органов и тканей в развитии лучевого поражения организма. При аварийных ситуациях происходит обычно либо общее, либо парциальное облучение. Локальное и парциальное облучения используют в лучевой терапии для лечения различных заболеваний, главным образом злокачественных опухолей.

Летальный исход для организма при общем облучении наблюдается обычно при более низких дозах, чем при других типах облучения. Поэтому локальное или парциальное облучение (особенно тех областей тела, которые не играют определяющего значения для выживания организма) даже в таких высоких дозах, которые значительно превышают смертельную дозу, характерную для общего облучения, могут не привести к летальному исходу.

Следует отметить, что общее облучение не подразумевает наличия равномерности облучения всего организма. Даже в условиях помещения облучаемого организма в равномерное поле глубокопроникающего - или рентгеновского излучения более удаленные от источника излучения области тела получают меньшую поглощенную дозу излучения вследствие экранирования их менее удаленными областями тела. Степень неравномерности облучения в первом приближении можно оценить учитывая, что живая ткань на 90% состоит из воды, а слой половинного ослабления для наиболее часто исполь­зуемых в радиобиологических экспериментах жестких рентгеновских лучей е энергией 250 кэВ составляет для воды 5,5 см. Для достижения большей рав­номерности облучения внутри крупных биологических объектов вместо рен­тгеновских лучей используют у-излучение ^Со (обладающее энергией 1,17 и 1,33 МэВ); слой половинного ослабления в воде в этом случае составляет несколько более 10 см. Большую равномерность облучения крупных биологи­ческих объектов достигают также путем использования двустороннего, четы­рехстороннего или многостороннего облучения. Принято считать, что облуче­ние является равномерным, если различия в распределении поглощенной дозы в облучаемом организме не превышает ±10%. Равномерное облучение встречается практически исключительно только в экспериментальных условиях. В большинстве аварийных ситуаций наблюдается неравномерное облучение.

Для большинства радиобиологических эффектов исключительно важное значение имеет временное распределение поглощенной дозы, т.е. длительность облучения, а также наличие или отсутствие перерывов в облучении. Основным показателем, характеризующим распределение поглощенной дозы во времени, является мощность поглощенной дозы (часто говорят мощность дозы облучения). Мощность поглощенной дозы - это отношение приращения поглощенной дозы излучения dD за интервал времени dt к это­му интервалу времени. Единица мощности поглощенной дозы Dв системе СИ - грей в секунду (Гр/с). На практике единицу поглощенной дозы часто применяют с кратными или дольными приставками (обычно - кило, санти, милли и микро), а в качестве единицы времени используют также минуту, час, сутки, неделя, год. Поэтому в качестве внесистемных единиц мощности поглощенной дозы часто используют Гр/мин, еГр/еут, кГр/чае и т.п. В качестве единицы поглощенной дозы ранее использовали внесистемную единицу рад, а в качестве единицы мощности поглощенной дозы - рад/мин, рад/час, крад/год и т.п. (эти внесистемные единицы можно встретить иногда и в современной литературе).

В зависимости от длительности облучения, величины используемой мощности поглощенной дозы, наличия или отсутствия перерывов между облучениями условно можно выделить следующие 4 основные типа облучения:

— 1) острое (или кратковремееное) облучение - лучевое воздействие при пролонгированное (или протяженное) облучение — лучевое воздействие при сравнительно небольшой мощности дозы (от 0,1 Гр/час и ниже) длительностью от 2 часов до нескольких недель;

— дробное (или фракционированное) облучение - многократное лучевое воздействие с любой мощностью дозы (чаще при высокой мощности дозы в каждой фракции) с временными интервалами между фракциями облучения;

— хроническое облучение — лучевое воздействие длительностью от нескольких месяцев до нескольких лет, осуществляемое либо постоянно (т.е. без перерывов) при низкой мощности дозы (порядка 0,01 Гр/сут и ниже), либо фракционирование (т.е. с некоторыми перерывами) в небольших разо­вых дозах при любой мощности дозы.

Разумеется, что эти 4 типа облучения не перекрывают всего многообразия возможных вариантов временного распределения поглощенной дозы и лишь условно обозначают наиболее характерные из них.

Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют, что фракционирование дозы и снижение мощности дозы (в диапазоне обычно используемых или встречающихся мощностей дозы) приводит обычно к ослаблению большинства биологических эффектов (при одной и той же поглощенной дозе), причем эффект может снижаться весьма существенно — в несколько раз. Наиболее сильное ослабление радиобиологических реакций наблюдается при снижении мощности дозы в диапазоне от нескольких еди­ниц до долей рад/мин. В диапазоне от сотен до десятков рад/мин ослабление менее выражено. Однако, в области сверхвысоких мощностей дозы (выше нескольких тысяч рад/мин) возможна противоположная зависимость величины радиобиологического эффекта от мощности дозы, т.е. наблюдается снижение эффекта с увеличением мощности дозы. Таким образом, в целом зависимость величины радиобиологического эффекта от величины мощности дозы не является линейной, а имеет куполообразный характер.

Ослабление эффекта облучения при снижении мощности дозы или при фракционировании дозы связано с осуществлением в организме восстановительных (репарационных) процессов, в результате которых часть радиа­ционных повреждений клеточных структур к моменту следующего взаимо­действия с ними кванта излучения успевает репарироваться. Эта репарация, однако, не успевает произойти при более высокой мощности дозы, т.е., когда попадание квантов излучения в клеточную структуру происходит более часто. В результате этого чаще возникают невосстанавливаемые (нерепарируемые, нерепарабельные) повреждения клеточных структур (пример — двунитиевые повреждения ДНК). По этой же причине ослабление эффекта облучения при снижении мощности дозы выраженодаже полностью отсутствовать при действии плотноионизирующих излуче­ний, вызывающих значительно более тяжелые, невосстанавливаемые пов­реждения.

Эффект ослабления более характерен также для тех тканей организма, которые обладают высокой пролиферативной активностью и соответствен­но более высоким уровнем восстановительных (репарационных) процессов. Особенно отчетливо этот эффект наблюдается при лучевом поражении слизистой тонкой кишки.

При лучевом воздействии на ткани с низким уровнем пролиферативной активности и восстановительных процессов (например, на нервную ткань, печень, мышцы) феномен ослабления эффекта облучения при снижении мощности дозы менее выражен или даже отсутствует при воздействии любых видов ионизирующих излучений.

Наиболее важным фактором, определяющим в конечном итоге степень радиационного поражения биологического объекта, является доза облучения. Поэтому в радиобиологических экспериментах наиболее распространенным является исследование дозовой (или дозной) зависимости какого-либо радиационного эффекта, отражающего ту или иную сторону лучевого поражения организма. Наиболее четкие радиационные эффекты любых физиоло­гических, биохимических, генетических или других параметров могут быть использованы в качестве критериев для оценки степени лучевого поражения организма.

Одним из наиболее часто применяемых критериев оценки действия излучения на биологические объекты является такой четко регистрируемый интегральный показатель как гибель организма, являющаяся конечным итогом многочисленных нарушений, происходящих при лучевом поражении.

Оценку летального действия излучения на биологические объекты проводят на основе изучения зависимости гибели или выживаемости организмов от дозы облучения (т.е. от поглощенной дозы). Срок наблюдения, в течение которого обычно регистрируется гибель (или выживаемость) зависит, в частности от вида используемого объекта. При исследовании летального действия излучения на большинство видов позвоночных животных срок наблюдения составляет обычно 30 суток (однако, для некоторых видов позво­ночных этот срок составляет 60 суток).

Полулегальная доза — это доза облучения, при действии которой погибает 50% облученных организмов. Эту дозу обозначают как ЛД₅₀ или ДЦ_50/30 (ЛД_50/60), где в знаменателе подстрочного индекса указывают срок (в сутках), в течение которого наблюдают за гибелью. Величина полулегальной дозы очень широко используется в радиобиологии.

Минимальная абсолютно летальная доза (МАЛД ) — минимальная доза, вызывающую гибель всех облученных организмов.

Минимальная летальная доза (МЛД) — практически та максимальная доза, которая не вызывает гибели ни одного из облученных организмов.

Строго говоря, термины «минимальная абсолютно летальная доза» и «минимальная летальная доза» не совсем правомерны. Поэтому обычно за мини­мальную абсолютно летальную дозу принимают дозу, вызывающую гибель 99% объектов (ЛД₉₉), а за минимальную летальную дозу - дозу, вызывающую гибель 1% объектов .

Дозы облучения, лежащие в диапазоне от минимальной летальной дозы до минимальной абсолютно летальной дозы, называют летальными дозами.

Дозы, превышающие минимальную абсолютно летальную дозу, определяют как сверхлетальные.

Дозы, лежащие ниже минимальной летальной дозы — как сублетальные.

Биологические факторы, определяющие радиобиологические эффекты

Величина радиобиологического эффекта (при одной и той же дозе облучения) существенно зависит от вида облучаемого биологического эффекта. Иными словами биологические объекты обладают различной радиочувствительностью.

Термин радиочувствительность широко используется в радиобиологии и означает поражаемость биологических объектов (клеток, тканей, органов или организма в целом) ионизирующим излучением. Синоним — радиопора- жаемость, антоним — радиоустойчивость, или радиорезистентность.

Радиочувствительность живых организмов широко варьирует в зависимости от их видовой принадлежности. Сравнение радиочувствительности обычно проводят по величине полулегальной дозы ЛД₅₀. Чем выше значение ЛД₅₀, тем ниже радиочувствительность; чем ниже значение ЛД₅₀, тем выше радиочувствительность.

Наиболее радиочувствительными являются млекопитающие, для которых полулегальные дозы варьируют для разных видов в основном от 1,5 до 15 Гр. Напротив, наиболее высокой радиоустойчивостью (радиорезистентностью) обладают простейшие, бактерии и вирусы, для которых ЛД₅₀ может достигать нескольких тысяч грей. Таким образом, в целом по мере усложнения биологической организации радиочувствительность существенно повышается. Однако встречаются и исключения, когда среди низших филогенетических групп обнаруживаются отдельные виды, радиочувствительность которых очень высока и сравнима с таковой для млекопитающих (или даже превыша­ет ее). В целом для низших филогенетических групп характерна значительно большая вариабельность радиочувствительности, чем для высших.

Следует отметить, что значительные колебания радиочувствительности могут наблюдаться даже для различных штаммов, линий, сортов одного и того же вида биологического объекта.

Приведенные данные о радиочувствительности различных биологических объектов относятся к взрослым организмам. Однако многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют, что в процессе онтогенетического развития радиочувствительность организмов может существенно изменяться. Наиболее четкие данные в этом отношении получены для насекомых, радиочувствительность которых резко снижается в ходе онтогенеза.

Четкие сведения о возрастной зависимости радиочувствительности крупных животных в литературе практически отсутствуют. В целом, однако, принято считать, что у млекопитающих взрослые половозрелые особи относительно радиоустойчивы, а молодые и стареющие животные более радиочувствительны. У новорожденных радиочувствительность может быть либо относительно высокой, либо низкой, в зависимости от видовой принадлежности животных.

Однако, наиболее чувствительным к действию ионизирующих излучений (т.е. наиболее радиопоражаемым) у млекопитающих является период внутриутробного (пренатального) развития.

На основании экстраполяции данных, полученных на животных, считают, что наиболее радиочувствительным периодом внутриутробного развития человека является интервал от оплодотворения до примерно 38-х суток (5,5 недель). Наибольшую встречаемость уродств и гибели новорожденных следует ожидать при облучении в период между 18 и 38 сутками эмбриональ­ного развития, т.е. в период, когда интенсивно осуществляется обособление зачатков и формирование основных органов и тканей.

Эти данные, однако, не означают, что при облучении в более поздние сроки (в плодный период) не могут происходить более тонкие функциональные нарушения, индуцированные облучением.

Обследование лиц, подвергшихся облучению во время атомных бомбардировок в Японии, показало, что наиболее критическим периодом в отношении умственного развития человека (а именно, появления умственной отсталости) является период от 8 до 15 недели внутриутробного развития. Показано, что облучение в этот период внутриутробного развития даже в дозах 0,1-0,2 Гр может вызвать заметное увеличение встречаемостиоблучении в период от 8 до 15 недели. При облучении в период до 8 недели или после 25 недели появление умственной отсталости не было отмечено.

Дозы порядка 0,1 Гр достоверно повышают также встречаемость злокачественных новообразований у лиц, подвергшихся облучению на стадии внутриутробного развития (особенно в течение последних трех месяцев внутриутробного развития).

Доза 0,1 Гр (10 рад) рассматривается радиологами как предельная доза для наиболее чувствительного периода внутриутробного развития (от 10 дней до 26 недель), выше которой беременным пациенткам можно рекомендовать осуществление аборта, чтобы избежать возможности рождения ребенка с заметными дефектами.

Общей закономерности относительно половых различий в радиочувствительности живых организмов не существует. Даже разные линии животных одного вида (например, мышей) могут иметь противоположные половые различия в радиочувствительности: у одних линий более радиочувствительными являются самки, у других — самцы. Но все же обычно самки более устойчивы к действию облучения. Однако обычно половые различия в радиочувствительности не превышают 10-15%.

Физиологическое состояние животных может вносить определенные изменения в степень и время проявления радиационного поражения.

Так, широко известны эксперименты, в которых при облучении животных, находящихся в состоянии естественной спячки (например, у сусликов), развитие лучевого поражения существенно замедлялось. Однако после пробуждения лучевое поражение в большинстве случаев развивалось также, как и у бодрствующих животных, т.е. выживаемость не изменялась, увеличивалось лишь время жизни животных.

Тем не менее, известны также эксперименты, в которых животные, невпадающие в естественную спячку, но находящиеся в состоянии глубокого охлаждения во время облучения, проявляли и более высокую постлучевую выживаемость по сравнению с неохлажденными во время облучения животными. Таким образом, состояние обмена веществ в организме в момент облучения может в определенной степени влиять на развитие лучевого поражения: в большинстве случаев повышение интенсивности обмена веществ в момент облучения увеличивает радиочувствительность.

Развитие лучевого поражения в некоторой степени зависит и от исполь­уемой диеты. Наличие в пище витаминов, различных микроэлементов, повышающих общую резистентность организма, увеличивает и его радиоустойчивость.

В большинстве случаев для проявления благоприятного воздействия какого-либо пищевого компонента необходимо его длительное скармливание животным перед облучением - в течение не менее 1-2 недель. Защитные эффекты пищевых компонентов, однако, не велики. Эффективность благо­приятного воздействия пищевых компонентов при их скармливании после облучения обычно еще ниже, чем при скармливании до облучения.

Дозовые зависимости гибели и выживаемости многоклеточных организмов принято изображать соответственно в координатах «% погибших организмов - доза облучения» и «% выживших организмов - доза облучения».

В отличие от этого в клеточной радиобиологии применяют обычно только кривые выживаемости, причем построенные в полулогарифмическом масштабе, а именно с использованием логарифмической шкалы ординат.

В общем виде кривая выживаемости клеток в полулогарифмическом масштабе состоит из двух участков: т.н. «плеча» и линейного участка. Величина плеча зависит от 1) вида излучения и 2) типа клеток.

Типичные кривые выживаемости могут наблюдаться при облучении только редкоионизирующим излучением (рентгеновским или у-излучении). При облучении плотноионизирующим излучением кривые выживаемости имеют слабовыраженное плечо или вовсе его не имеют (например, в случае а-облучения). Такие же кривые выживаемости, не имеющие плеча, наблюдаются и при облучении некоторых типов клеток редкоионизирующим излучением.