Радиационную биофизику относят к научным дисциплинам, рассматривающим воздействие, которое оказывают ионизирующие и неионизирующие излучения на биологические объекты.
Данный раздел биофизики пытается раскрыть механизмы происходящих явлений и процессов с молекулярной точки зрения. При этом создается полная картина изменений, вызываемых излучениями в живых организмах, от поглощения радиационной энергии отдельными молекулами до биологических трансформаций клеток и организмов в целом.
Суть радиационной биофизики заключена в том, что она рассматривает и описывает радиобиологические проблемы для предмета биологической физики. Отличие радиационной физики от радиобиологии в том, что радиобиология изучает то, как влияет излучение на живые организмы, а радиационная биофизика исследует молекулярные процессы и взаимодействия, которые происходят при этом.
Задачи радиационной биофизики
Основной задачей радиационной биофизики является выявление физических, химических и молекулярных механизмов первичных процессов лучевых трансформаций, которые возникают от начала появления ионизированных и возбужденных атомов и молекул до появления очевидных изменений происходящих в структуре и функциях объектов.
Решение данной задачи требует:
- углубленного анализа процессов, которые протекают при каждом этапе изменения энергии излучения в биологической системе;
- описания этапов изменения с использованием понятий молекулярной физики;
- создание единой картины, которая отражает всю систему реакций объекта на излучение, результата облучения в зависимости от дозы.
Важными задачами радиофизики в настоящее время являются:
- Выяснение механизмов модифицированной радиочувствительности биообъектов.
- Фундаментальные исследования механизмов эффектов, которые вызывают слабые радиационные воздействия.
- Исследование результата радиобиологического эффекта как результата течения двух взаимно противоположных процессов: первичного поражения и восстановления от него внутриклеточных структур с помощью систем репарации.
- Создание математических моделей исследуемых процессов и явлений.
Для определения более полного круга задач, которые стоят перед радиационной биофизикой следует изучить основные исторические этапы развития радиобиологии, процесс формирования новых направлений в исследовании биологического действия ионизирующей радиации.
Радиобиология
Радиобиологию следует отнести к наукам XX века. Время ее появления определено открытием рентгеновских лучей, радиоактивности и первыми исследованиями их действия на живые организмы.
В декабре 1895 года В. К. Рентген представил научному сообществу первый рентгеновский снимок кисти своей руки. Открытие скоро стало известно всей мировой общественности. Это открытие дало толчок к новым исследованиям в физике, биологии и медицине.
В марте 1896 г. А. Беккерель выявил процесс самопроизвольного испускания невидимых глазу проникающих лучей, которые исходили от солей урана. Позднее Мария и Пьер Кюри выделили радиоактивные радий и полоний. Был предложен к использованию новый термин – «радиоактивность». Открытие лучей, исходящих от урана, стало началом изучения естественной радиоактивности.
В 1934 г. Ирен и Фредерик Жолио-Кюри, изучая ядерные реакции, получили процесс искусственной радиоактивности.
Датой рождения радиобиологии можно считать начало 1896 года, когда физиолог И.Р. Тарханов провел первые опыты, облучая лягушек и насекомых рентгеновскими лучами. При этом он сделал вывод о том, что эти лучи позволяют не только делать фотографии, но влияют на жизненные процессы организмов.
Первая информация о паталогическом влиянии радиации была представлена в 1901 г. П. Кюри и А. Беккереля. Основной задачей радиобиологии в то время стало определение точной дозы радиации.
Начиная с 1910 г. М.И. Неменов и его коллеги проводят работы, которые открывают изменения обмена веществ при лучевых поражениях и о схожести лучевых изменений с процессами раннего старения. Появляется необходимость обобщения полученных данных в области радиобиологии и радиационной медицине.
Изучение динамики и механизмов, протекающих при лучевых поражениях, позволило получить богатый материал, который способствовал характеристике и классификации клинических признаков радиационного эффекта.
Второй этап развития радиобиологии можно считать этапом исследования механизмов воздействия ионизирующих излучений на объекты биологии и создания количественных методов в радиобиологии.
Начало исследований в области количественной радиобиологии можно считать и вызвало появление радиационной биофизики.
Особенности радиационной биофизики
В 20-е годы XX века впервые были сделаны попытки применения теоретических положений квантовой механики и ядерной физики для пояснения явлений в радиобиологии и формированию теории биологического действия ионизирующих излучений.
В 1922 г. в работах Ф. Дессауэра предложена теория «точечного нагрева». Основываясь на том, что ионизирующие излучения имеют малую плотность, но при этом отдельные фотоны приносят огромную энергию, ученый предположил, что некоторые дискретные микрообъекты биообъекта поглощают огромные порции энергии, и действие излучения можно сравнить с микролокальным колоссальным нагревом, который ведет к структурным изменениям и поражению организма в целом. Вероятностный характер возникновения эффекта у отдельных объектов ученый пояснил при помощи статистического распределения «точечного тепла».
Работы ученых начала становления радиационной биофизики сделали ее одной из самых точных дисциплин, относящихся к биологии. Математический аппарат, используемый в этих работах, позволил с высокой надежностью говорить о «стартовых событиях», которые ведут тем или иным биологическим реакциям и позволяют проводить оценку «мишени», которая отвечает за радиобиологический эффект.
В соответствии с физическим принципом попадания, стартовый пусковой механизм, который вызывает к действию биологическую реакцию, определен случайным взаимодействием излучения с веществом. При этом каждая молекула или клетка получает разное количество попаданий. С этим принципом попаданий связана теория мишени, которая базируется на принципе гетерогенности строения живых систем, поражение излучением отдельных элементов имеет разное значение для организма в целом.
Теория мишени имеет значимые ограничения, так как дает возможность количественно описать связь эффекта от дозы облучения только для элементарных и простых организмов.
Ответная реакция на излучения для сложного биообъекта зависит от его системного ответа (от ряда свойств объекта, например, способности к восстановлению).
Особой задачей радиационной биофизики стала создание математических моделей, которые формализуют теоретические законы радиобиологии. Современные модели радиационной биофизики позволяют изучать и составлять прогнозы последствий действия излучений в разнообразных условиях, учитывать комбинации влияний облучений и других факторов, выполнять количественные эксперименты для виртуальных объектов.
