на облучение отдельных биологических объектов, систем и популяций разной степени сложности, причем развитие ядерной физики делает возможным изучение таких взаимодействий с помощью новых видов ионизирующих излучений, в том числе ядерных частиц гигантских энергий. Это определяет перспективу решения традиционных задач радиобиологии, а также создает основы для оригинальных подходов к изучению фундаментальных закономерностей биологической формы существования и развития материи.
Рожденная веком — так назвали мы эту книгу. И теперь, дорогой читатель, вы, вероятно, согласитесь с тем, что радиобиология с полным правом может считаться законным детищем нашего века. Это станет еще более наглядным после кратковременного экскурса в следующей главе к физическим основам нашей дисциплины и к современным ядерным установкам.
ОТ ФИЗИКИ К БИОЛОГИИ
От ложного знания к истинному незнанию.
Каламбур
Эпиграфом к данной главе взят лозунг традиционной школы по молекулярной биологии, организуемой в последние годы каждую зиму в подмосковном городе физиков-ядерщиков Дубне.
Михаил Владимирович Волькенштейн, приводя тот же лозунг в своей книге «Перекрестки науки», справедливо замечает, что это не просто шутка. Ложное знание удовлетворяется общими фразами о целесообразности живой природы, о качественной специфичности живой материи. Истинное же незнание означает четкую научную формулировку нерешенных проблем. В биологии (а следовательно, и в радиобиологии, скажем мы) их гораздо больше, чем решенных. Излагая свои взгляды на этот счет, автор соглашается в существовании качественных различий между живой и неживой материей и отсутствием промежуточных случаев между, ними, что, по его мнению, не означает каких-либо границ для физико-химического понимания жизни как целого в смысле принципа дополнительности. Эту точку зрения М. В. Волькенштейн излагает в письме к знаменитому Нильсу Бору и в ответ получает полное согласие величайшего мыслителя нашего века.
Радиобиологам такая точка зрения особенно близка, ибо ионизирующие излучения свое название получили из-за способности вызывать ионизацию атомов и молекул в облучаемом веществе. Иными словами, прологом к драме, ее первым актом являются события, разыгрывающиеся на самых элементарных уровнях организации материи.
Внутрь атома
Для ионизирующих излучений нет преград, они проникают всюду и потому имеют второе, не менее часто употребляемое наименование — проникающая радиация. Этим свойством она обязана присущей ей высокой энергии, превышающей энергию связи отдельных атомов и молекул в любом веществе живой или неживой материи, вследствие чего в зависимости от конкретной величины энергии (а также от заряда) она проникает внутрь атомов на разную глубину облучаемого объекта. Минимальная энергия излучения, потребная для ионизации большинства элементов, входящих в состав биологического субстрата, составляет 10—15 эВ. Среднюю энергию ионообразования принимают равной 34 эВ. Максимальную величину энергии ионизирующих излучений трудно назвать, она достигает значений тысяч, миллионов и миллиардов электрон-вольт.
Все существующие в природе и искусственно образуемые ионизирующие излучения можно разделить на два типа: электромагнитные и корпускулярные.
Электромагнитные (их иногда называют квантовыми, или фотонными) излучения имеют ту же природу, что и видимый свет или радиоволны, отличаясь от них только значительно меньшей (в тысячи раз и более) длиной волны, или, как принято говорить, большей жесткостью. Минимальное количество одномоментно поглощаемой энергии электромагнитного излучения называют квантом, или фотоном. Энергия квантов выражается отношением 12 400/%, где % — длина волны излучения в ангстремах. Отсюда понятно, что чем короче длина волны, тем больше энергия излучения. В связи с этим энергия квантов коротковолнового излучения на много порядков выше, чем энергия световых квантов. К электромагнитным излучениям относят рентгеновские лучи, гамма-лучи радиоактивных изотопов и тормозное излучение, возникающее при прохождении через вещество сильно ускоренных заряженных частиц. На рис. 1 представлена шкала электромагнитных излучений в логарифмическом масштабе.
Рис. 1. Спектр электромагнитного излучения. Для наглядности приведены размеры атомов и биологических микрообъектов.
Все остальные виды ионизирующей радиации имеют корпускулярную природу и являются элементарными ядерными частицами. Большинство из них заряженные корпускулы: отрицательные — р-частицы, представляющие собой электроны, или положительные — протоны (ядра водорода), дейтроны (ядра тяжелого водорода дейтерия), α-частицы (ядра гелия) и тяжелые ионы — ядра других элементов. Кроме того, к корпускулярным излучениям относят не имеющие заряда ядерные частицы — нейтроны, которые опосредованно также вызывают ионизацию. Наконец, в последнее время стали активно изучать отрицательные пи-мезоны в связи с перспективой их использования в лучевой терапии опухолей.
Отдельные кванты, или фотоны, гамма- и рентгеновских лучей обладают наибольшей проникающей способностью. Не имея массы покоя и не обладая зарядом, они почти беспрепятственно проникают в глубь ткани. Пробег их, главным образом, зависит от плотности вещества, поэтому он быстро сокращается в таких плотных материалах, как свинец или бетон, используемых обычно в качестве защитных экранов. Естественно, что проникающая способность увеличивается с ростом энергии падающего фотона, расходуемой по ходу его движения на ионизацию атомов и молекул.
Существует несколько механизмов передачи энергии электромагнитного излучения веществу. Основной из них, характерный для взаимодействия излучений с энергией больше 1 Мэв, называется эффектом Комптона. При нем происходит как бы упругое столкновение между падающим фотоном излучения и выбиваемым электроном. Оставшуюся энергию уносит другой, вторичный фотон, образующийся в результате этого взаимодействия, который вновь претерпевает комптон-эффект, и т. д. до полного расходования энергии первичного фотона (рис. 2).
Рис. 2. Комптон-эффект. Падающий фотон с энергией Е испытывает соударение с электроном е, приводя его в движение и сообщая ему энергию Еа. Остаток энергии Es = =Е—Еа уносится рассеянным фотоном
Аналогичным образом вызывают ионизацию и заряженные корпускулярные излучения, длина пробега которых увеличивается с энергией и уменьшается с массой частиц. Нейтроны из-за отсутствия электрического заряда беспрепятственно проникают в глубь атомов, и, сталкиваясь с их ядрами, либо поглощаются ими, либо отталкиваются от них, подобно бильярдным шарам. При таком упругом рассеянии образуются сильно ионизирующие протоны большой энергии, а при поглощении нейтронов атомными ядрами из последних вылетают протоны, α-частицы и у-кванты, которые также производят ионизацию. Таким образом, и при нейтронном облучении конечный биологический эффект связан с ионизацией, производимой опосредованно вторичными частицами или у-квантами. При упругом рассеянии на ядрах углерода, азота, кислорода и других элементов, входящих в состав тканей, нейтрон теряет лишь около 10% энергии, а при столкновении с почти равными с ним по массе ядрами водорода — протонами энергия нейтрона уменьшается почти втрое, передаваясь протону отдачи (рис. 3). Поэтому вещества, содержащие много водорода,— графит, вода, парафин — используют для защиты от нейтронного излучения, так как в них нейтроны быстро растрачивают свою энергию и замедляются.