заряда является либо вылетевший электрон, либо отрицательно заряженный ион, образовавшийся из атома, к которому этот электрон присоединился.

Наличие процесса ионизации в воздухе, газах, парах при действии излучений может быть доказано разными способами, в частности изменением электропроводимости воздуха. Этот метод был использован для доказательства ионизирующего действия рентгеновых лучей и радиоактивных излучений с первых дней их открытия. Не случайно поглощенная доза (количество поглощенной облучаемым объектом лучистой энергии) (см. стр. 59) измеряется главным образом по ионизации. Дело не столько в удобстве и точности измерения, сколько в том, что измерение ионизации лучше всего отражает те процессы, которые лежат в основе действия ионизирующих излучений.

В биологии нет камеры Вильсона или устройства, ей аналогичного, которое дало бы возможность прямого доказательства ионизации живых тканей под действием излучения. Косвенные доказательства убедительно свидетельствуют в пользу того, что именно ионизация является первичным актом взаимодействия излучения с живым веществом. Этот взгтяд более или менее общепринят. При это!М есть все основания признать, что биологический эффект в конечное! счете вызывается не самым разделением зарядов при ионизации атома, а теми химическими и физико-химическими процессами, которые возникают в результате иониза-щш.

Доказательство.м наличия ионизационных эффектов в облучаемых тканях могут служить результаты из.черенпя ионизации с помощью маленьких по объему (1 c.u и меньше) ионизационных ка.мер с воздушно-эквивалентными стенками. Измеренная в них ионизация возрастает в случае помещения камеры не в воздушную среду, а в окружение живых тканей в отношении

unrr (тканевое) , ,

---(см. подробно на стр. 40).

finor (возд.)

Известно, что не все количество поглощенной энергир расходуется на ионизацию; примерно около половины уходит на возбуждение атомов, т. е. на перевод электрона в атоме или в молекуле на более высокий энергетический уровень. Возбуждение молекулы может быть обусловлено также увеличением энергии колебательного движения атомов в молекуле или энергии вращательного движения самой молекулы или тем и другим вместе. Возбужденная молекула так же, как и ионизированная не может существовать длительное время в таком состоянии. Иногда она отдает свою избыточную энергию ,в виде излучения, иногда передает ее другой молекуле, возвращаясь в нормальное состояние, иногда же, если энергия возбуждения достаточно велика, молекула диссоциирует или присоединяется к другой молекуле. Таким

образом, возбуждение молекул под действием излучений, аналогично ионизации, может быть причиной химических изменений, происходящих в облучаемом веществе.

Процесс возбуждения является с точки зрения биологического эффекта значительно менее действенным, чем ионизация. Поэтому, обычно, вероятно, не вполне оправданно, им пренебрегают при рассмотрении первичного звена в механизме биологического действия ионизирующих излучений в отличие от ультрафиолетового света, где в основном речь идет -именно о возбуждении молекул живой ткани.

Сравнивая эффективность радиоактивных излучений и ультрафиолетового света, получаем доказательство превалирующей роли процесса ионизации при биологическом действии. Действительно, в простых реакциях, происходящих, например, в газах, ультрафиолетовое излучение не на много уступает по своей эффективности действию рентгеновского излучения. При разрушении крупных органических молекул рентгеновское излучение оказывается уже значительно более эффективным. Очень явно это различие проявляется в тех биологических реакциях, которые могут быть количественно измерены.

При измерении ионизации обычно говорят о парах ионов, придавая одинаковое значение положительным и отрицательным ионам. С точки зрения физического из,мерения оба иона действительно одинаковы. Поскольку, однако, энергия присоединения электрона к атому значительно уступает по своей величине даже энергии возбуждения, правильнее будет пренебречь и этим актом взаимодействия для биологического эффекта. В процессе ионизации, следовательно, важно не образование пары ионов, а образование положительного иона вырыванием электрона из атома или молекулы. Вырванный электрон, в свою очередь, может обладать достаточной энергией для ионизации. Эта вторичная ионизация по своей природе идентична первичной и имеет большое значение для биологического эффекта.

Таким образом, основными первичными физическими актами взаимодействия ионизирующих излучений с живым веществом являются ионизация и возбуждение. В биологических эффектах основная роль принадлежит процессу ионизации, причем главным образом, образованию положительного иона, при котором испускается электрон, способный производить вторичную ионизацию.

Прямое и непрямое действие излучения и их соотносительная роль в механизме биологического действия излучения. Второй кардинальный вопрос механизма биологического действия излучения- это пути воздействия ионизирующего излучения на живое вещество. В современной радиобиологии различают два ос-, новных пути воздействия:

1) прямое действие, при котором ионизирующие частицы вызывают возбуждение или ионизацию непосредственно в молекуле живого вещества;

2) непрямое, или косвенное действие, при котором первичная ионизация или возбуждение происходит не в самой поврежденной молекуле, а в молекуле растворителя, если речь идет о воздействии а растворы. Ионизация растворителя, в частности воды, жидкой среды тканей и органов, приводит к образованию свободных радикалов и промежуточных химических соединений, которые реагируют с белковыми молекулами и другими составными частями облучаемой ткани.

Образовавшиеся свободные радикалы присутствуют в растворе в течение очень незначительного времени. Скорость их исчезновения зависит как от концентрации субстрата, с которым они реагируют, так и от удельной плотности ионизации. В обычных условиях продолжительность существования радикалов исчисляется от тысячных до миллионных долей секунды. Таким образом, можно считать, что первичные химические изменения являются мгновенными даже в тех случаях, когда они включают образование промежуточных агентов.

Вопрос о соотносительной роли прямого и непрямого действия в биологических реакциях организма по-разному решался на разных этапах развития радиобиологии. До 40-х годов господствовали представления о преимущественной роли прямого действия, нашедшие наиболее яркое воплощение в так называемой теории мишени . Для 40-х и начала 50-х годов характерна тенденция к признанию превалирующей роли непрямого действия ионизирующих излучений через радиолиз воды. В последние годы намечается возврат к теории прямого действия, в известной мере освобожденной от узости и ограниченных рамок старых теорий и учитывающей то новое, что было накоплено радиобиологией за годы широкого использования атомной энергии, например так называемая диффузионная теория , теория прямого кислородного эффекта и т. п.

Непрямое действие в биологических реакциях несомненно существует, что понятно, если учесть, что среднее содержание воды в нормальных тканях составляет 75-80%, а в растущих тканях еще больше. Вода является растворителем для многих веществ, необходимых для нормальной жизнедеятельности организма. Однако -неправы те, кто пытается полностью отрицать прямое действие ионизирующих излучений на биологически важные системы и субстраты.

Действительно, расщепление и фрагментация крупных белковых молекул и распад синтетических полимеров наблюдается не только в растворах, но и в этих же веществах, находящихся в су-

хом состоянии, где никак нельзя предполагать наличие косвенного действия.

О существовании прямого действия свидетельствуют также опыты с эффективным облучением ряда объектов в условиях глубокого охлаждения и замораживания (семена кукурузы при -187°, высушенные под вакуумом микробы, дрожжи и др.). В этих случаях не приходится думать о непрямом действии образовавшихся в результате ионизации радикалов, поскольку замораживание приостанавливает химические процессы, включая и радикальные реакции, если они связаны с диффузией. Устранение непрямого действия ведет к значительному снижению эффективности действия излучения, но не прекращает его полностью.

Отрицание прямого действия излучения в биологических тканях было бы неправильно уже по одному тому, что в конце концов даже непрямое действие начинается с прямого действия излучения на молекулы воды или другого растворителя.

Доказательства наличия непрямого действия излучения. К настоящему времени накопилось уже достаточно фактов, говорящих в пользу непрямого действия излучения. Вернее, в радиационной химии и биохимии, а также при воздействии излучений на биологические объекты многие явления могут быть поняты только в свете непрямого действия. К ним относятся эффект защиты , эффект разведения , кислородный эффект и др.

<хЭффект разведения . Одним из первых наиболее убедительных доказательств непрямого действия ионизирующих излучений является так называемый эффект разведения , суть которого заключается в следующем. При прямом действии число инактивированных молекул облученного вещества зависит от их количества в облученном объеме и будет пропорционально концентрации. При непрямом действии число инактивированных молекул не зависит от их концентрации, так как при данной дозе облучения образуется определенное постоянное число радикалов. Это приведет к тому, что относительное число инактивированных молекул - процент инактивации - уменьшается при увеличении концентрации, т. е. наибольшие относительные изменения будут наблюдаться в достаточно разбавленном растворе. При прямом действии, наоборот, при любой концентрации отношение числа измененных молекул к общему числу их одно и то же, т. е. процент инактивации постоянен при данной дозе. Закономерности инактивации при прямом и непрямом действии наглядно видны из рис. 26.

Из приведенных схем видно, что с повышением концентрации при прямом действии число инактивированных молекул или организмов нарастает, а при непрямом (рис. 26), наоборот, остается почти постоянным. Обратная картина, как и следовало ожи-

дать, наблюдается при оценке эффективности в процентах инак-тивированного материала (рис. 26). Это показано на растворах различных веществ и живых бактерий.

Нарушение постоянства ионного выхода. Доказательством непрямого действия излучения является также арущение постоянства ионного выхода, который для очень сильно разбавленных растворов, порядка IQ- - 10- .коь/, оказывается ниже,

Нонцентрация активного пате-риала в растворг

Нонцентрация штиВногс материала 6 растворе

Рис. 26. Эффект разбавления

чем при средних концентрациях. Это было отчетливо показано Дейлом а ферменте карбоксипептидазе. Можно предполагать, что причиной этого является рекомбинация радикалов, начинающая проявляться при сильных разведениях, поскольку в таких растворах количество радикалов превалирует над количеством молекул растворенного вещества. При очень малой концентрации молекул растворенного вещества радикалы еще до столкновения с ними могут вновь рекомбинировать. При средних концентрациях- вплоть приблизительно до 15% концентрации раствора, т. е. для очень широкого диапазона, вероятность рекомби нации радикалов настолько ничтожна, что ионный выход оказывается постоянным. При концентрациях выше 15% заметное значение начинает приобретать прямое действие излучения. Описанная особенность непрямого действия излучений встречается иногда в литературе также под названием эффекта разведения.

Эффект защиты. Существенной характеристикой неп-ря.мого действия излучения является так называел!ый эффект защ,иты . Суть его в следующем. Свободные радикалы, образующие в воде, являются высокореактивными и далеко не всегда специфичными. Если добавить в облучаемый раствор какое-либо вещество, способное реагировать с радикалами, то создается своеобразная конкуренция между ними и первоначально растворенным веществом, и в конечном счете оказывается, что количество последнего, вступающее в реакцию, уменьшается. Следовательно, если величина инактивации или другие хи.мические изменения

уменьшаются при добавлении посторонних веществ, то это можно объяснить только непрямым действием излучения. При прямом действии прибавление других веществ к раствору не приводило бы к защитному эффекту. Охранительное действие осуществляется не только добавкой посторонних веществ. Конкуренция может быть обусловлена уже прореагировавшей частью облученного вещества в соответствии с относительными концентрациями и в зависимости от относительного сродства каждого из находящихся в растворе веществ. В этом последнем случае кривая зависимости эффекта От дозы ( дозовая кривая), отображающая число оставшихся неповрежденными излучением молекул, имеет экспоненциальный характер.

Зависимость зффекта облучения от рН и температуры. К весьма важным характеристикам непрямого действия излучения следует отнести резко выраженную зависимость эффекта облучения от рН среды и от температуры. При замораживании растворов и при облучении объектов в условиях резко пониженной температуры значительно уменьшается эффект облучения. Это легко объясняется прекращением диффузии радикалов и резким уменьшением интенсивности непрямых реакций. Облучение семян при температуре жидкого воздуха показало значительное снижение эффекта по сравнению с облучением в условиях нормальной температуры даже при такой сравнительно большой дозе, как 6- 1№ р.

Кислородный зффект . Весьма убедительным доказательством непрямого действия ионизирующих излучений является так называемый кислородный эффект . Сущность его заключается в том, что эффективность действия ионизирующих излучений в значительной мере зависит от концентрации кислорода в облученном объекте или в окружающей его среде. Как правило, при уменьшении концентрации кислорода эффективность действия излучений снижается и, наоборот, с повышением концентрации кислорода до определенного предела возрастает. При учете роли кислорода в образовании радикалов, особенно наиболее действенного из них - НО2 (см. схему радиолиза воды на стр. 104), становится понятным само явление кислородного эффекта , что свидетельствует в пользу непрямого действия.

В последнее время появились данные о влиянии кислорода при прямом действии излучения, а также при его добавлении к объекту после облучения. Это говорит о наличии каких-то иных первичных процессов в механизме биологического действия излучения, помимо радиолиза воды, которые, однако, нисколько не умаляют значения кислородного эффекта в обычном его понимании.

Подводя итоги, можно сказать, что эффект разведения , эффект защиты , кислородный эффект и др. не оставляют со-