Ю. А. Александров Основы радиационной экологии Учебное пособие

Раздел 3

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ

ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ

В развитии поражения после воздействия ионизирующих излучений выделяют несколько стадий: физическую, физико-химическую, химическую и биологическую (табл. 33).

Таблица 33 – Основные стадии в действии ионизирующих излучений
на биологические системы

Стадия	Процессы	Продолжительность
Физическая	Поглощение энергии излучения; образование ионизированных и возбужденных ато­мов и молекул	10-16-10-15 с
Физико-химическая	Перераспределение поглощенной энергии внутри молекул и между ними, образование свободных радикалов	10-14-10-11 с
Химическая	Реакции между свободными радикалами и интактными молекулами. Об­разование широкого спектра молекул с из­мененными структурами и функциональными свойствами	10-6-10-3 с
Биологическая	Последовательное развитие поражения на всех уровнях биологической организации: от субклеточного до организменного; развитие процессов биологического усиления и репа­рационных процессов	Секунды – годы

3.1. Физическая стадия

Содержание физической стадии составляют процессы поглощения энергии и образования ионизированных и воз­бужденных молекул. В облу­ченной клетке возбужденными и ионизированными могут в равной степени оказаться белки и углеводы, нуклеиновые кислоты и липиды, молекулы воды и различных низкомолекулярных органических и не­органических соединений. В живых клетках органическими и неорганиче­скими (кроме воды) молекулами поглощается около 25% энергии, а водой – 75%.

Процессы, протекающие на физической стадии, осуществляются в течение короткого времени – 10^-16-10^-15 с. Они завершаются образованием возбужденных и ионизированных молекул.

3.2. Физико-химическая стадия

В течение физико-химической стадии поглощенная молекулами энергия реализуется разрывами химических связей и образованием свободных радикалов, которые характеризуются наличием неспаренно­го электрона, что является причиной их чрезвычайно высокой химиче­ской активности.

Как уже говорилось, в живых системах около 75% энергии излуче­ния поглощается водой. В результате этого образуются продукты
радиолиза воды:

Н₂О + hv  H₂O^*  Н^* + НО^*;

Н₂О + hv  H₂O + е^–;

Н₂О + е^–   Н^* + НО^–;

Н₂О + е^–  Н₂О  Н^*+ ОН^*;

Н₂О  Н⁺ + ОН^*;

е^– + Н⁺  Н^*;

Н₂О + ОН^–  Н₂О + ОН^*;

Н₂О + Н₂О  Н₃О + ОН^*;

Н₂О + е^–  Н₂О + Н^* .

При ионизации воды образуются положительно заряженный ион Н₂О⁺ и электрон (е^–), который после замедления при прохождении через вещество либо рекомбинирует с образованием воды (е^– + Н₂О⁺  Н₂О), либо образует отрицательно заряженный ион Н₂О^– (Н₂О + е^–  Н₂О^–). Ионы Н₂О⁺ и Н₂О^– неустой­чивы и разлагаются, образуя стабильные ионы Н⁺ и ОН^*, которые мо­гут рекомбинировать с образованием молекул воды, и свободные ради­калы Н^* и ОН^* (Н₂О⁺  Н⁺ + ОН^* или Н₂О^–  ОН^– + Н^*).

Среди основных продуктов радиолиза воды должен быть назван и гидратированный электрон (е_гидр.). Теряющий в конце пробега свою ки­нетическую энергию, электрон как бы захватывается расположенными рядом молекулами воды, которые соответствующим образом ориенти­руются вокруг него. Эта структура и получила наименование «гидрати­рованный электрон».

Гидроксильный радикал ОН^*, образующийся в процессе радиолиза воды, выступает как очень сильный окислитель. Радикал водорода и гидратированный электрон обладают высокой реакционной способно­стью как восстановители.

Продукты радиолиза воды живут в воде не более 10^-5 с. За это время они или рекомбинируют друг с другом, или вступают в химические ре­акции с другими молекулами, находящимися в системе.

Перераспределение возбужденными молекулами избыточной энер­гии, их диссоциация и образование в результате ионов и радикалов, обладающих весьма высокой химической активностью, и составляет сущность физико-химической стадии в действии излучений.

Продолжительность ее составляет около 10^-14-10^-11 с.