Робоча програма

1. Мета дисципліни

Радіобіологія, або радіаційна біологія, - це наука про дію іонізуючих випромінювань на живі організми та їх угруповання.

Останніми десятиліттями об’єктами вивчення радіобіології стали не тільки живі організми і їх угруповання, але й біологічно важливі молекули, клітини й популяції клітин, окремі процеси метаболізму. І з’явилось нове визначення радіобіології - це наука про дію іонізуючих випромінювань на живі системи всіх рівнів організації. Це формулювання не є альтернативним першому - вони обидва правильні.

Основним завданням радіобіології є вивчення закономірностей дії іонізуючих випромінювань на живий організм з метою пошуку можливостей щодо керування його реакціями на цей фактор. Воно передбачає вивчення механізмів взаємодії випромінювань з речовинами клітин і тканин, чутливості живих організмів до іонізуючих випромінювань, розробку засобів їх захисту від радіаційного ураження і шляхів післярадіаційного відновлення,  дослідження шляхів міграції і біологічної дії інкорпорованих організмами радіоактивних речовин. Втім, останнє завдання є основним для окремого розділу радіобіології - радіоекології.

Радіоекологія, або радіаційна екологія, - це розділ радіобіології, який виник на стику її з екологією. Радіоекологія вивчає концентрації та міграцію радіоактивних речовин (радіонуклідів) в навколишньому середовищі та вплив їх іонізуючого випромінювання на живі організми та їх угрупування.

 Головною ціллю цих завдань є зменшення уражуючої дії іонізуючих випромінювань на живі організми, і в першу чергу людини, шляхом послаблення їх впливу на молекулярні і клітинні структури за допомогою різних чинників фізичної і хімічної природи, обмеження надходження радіоактивних речовин до організму харчовими ланцюгами, їх виведення, індукцією процесів післярадіаційного відновлення.

Основна мета вивчення дисципліни “Радіобіологія та радіоекологія» є оволодіння глибокими знаннями з природи іонізуючих випромінювань, їх дії  на живі організми, освоєння прикладних аспектів спеціальності, пов’язаних з радіаційною безпекою, а також практичне застосування знань для вирішення дослідницьких та прикладних завдань.

При цьому студент повинен знати:

1) загальні відомості про фізичну природу іонізуючих випромінювань, механізми іонізації речовини під її впливом, деякі особливості дії корпускулярних та електромагнітних випромінювань, що вивчаються в курсах «Фізика» і „Біофізика”;

2) хімічні елементи та основні їх ізотопи, в тому числі радіоактивні, типи  взаємодії окремих хімічних речовин між собою, визначаючи сполуки,  які утворюються при цьому, що вивчаються в курсах «Загальна хімія» та інших хімічних дисциплінах;

3) основи екології, особливо розділи, що стосуються міграції полютантів антропогенного походження в об’єктах навколишнього середовища, які вивчаються в курсах «Загальна екологія», «Агроекологія» та інших екологічних дисциплінах;

4) системи обробітку ґрунту, особливості вирощування та зберігання видів культурних рослин, основи тваринництва, генетики, селекції, що вивчаються в курсах «Землеробство», „Рослинництво”, „Ґрунтознавство”, „Агрохімія”;  «Основи тваринництва», «Генетика».

Як результат вивчення радіобіології студент повинен

знати: джерела іонізуючих випромінювань у навколишньому середовищі, механізми дії випромінювань на живі організми, радіочутливість основних видів організмів та принципи їх захисту від випромінювань, шляхи використання випромінювань у різних сферах виробництва, теоретичні основи застосування радіоактивних ізотопів в наукових дослідженнях.

уміти: оцінювати радіаційну обстановку за допомогою дозиметричних і радіометричних приладів різних систем, розробляти систему радіозахисних заходів упередження радіаційного ураження та забруднення живих організмів та ценозів в цілому радіоактивними речовинами, застосовувати іонізуючи випромінювання у різних сферах практичної діяльності та радіоактивні ізотопи у наукових дослідженнях.

Модуль 1. Вступ. Фізичні основи радіобіології та радіоекології

Тема 1. Вступ до радіобіології. Історія - 4 години

Визначення радіобіології (радіаційної біології) та радіоекології (радіаційної екології). Радіоекологія як складова частина радіобіології. Об’єкти вивчення радіобіології. Організаційна структура радіобіології. Місце радіобіології серед суміжних наук. Напрями розвитку радіобіології. Завдання радіобіології та радіоекології.

Історія розвитку радіобіології. Роль досягнень ядерної фізики наприкінці 19 століття у виникненні і розвитку радіобіології. Етапи розвитку радіобіології. Розвиток радіобіології та радіоекології в Україні.

Сучасні проблеми радіобіології: специфіка дії на живі організми малих доз іонізуючих випромінювань, особливості дії на організм хронічного опромінення, профілактика і терапія гострих і хронічних радіаційних уражень, радіаційне порушення імунітету, віддалені наслідки опромінення, спільна дія на організм іонізуючих випромінювань та інших факторів, міграція природних та штучних радіоактивних речовин в об’єктах навколишнього середовища, особливості дії на організм інкорпорованих радіоактивних речовин, блокування надходження радіоактивних речовин в рослини, організм тварин і людини, виведення радіоактивних речовин з організму.

Теоретичне і практичне значення радіобіології. Необхідність широкої пропаганди радіобіологічних знань.

Тема 2. Фізичні основи радіобіології - 4 години

Явище радіоактивності. Радіоактивні перетворення ядер. Закон радіоактивного розпаду. Типи радіоактивного розпаду. Природа іонізації атомів і молекул речовини. Визначення поняття іонізуючих випромінювань.

Типи іонізуючих випромінювань: електромагнітне і корпускулярне випромінювання. Види електромагнітних іонізуючих випромінювань: рентгенівське, гамма-  і гальмівне випромінювання. Фізичні характеристики основних видів корпускулярних випромінювань: альфа-, бета-, протонного та нейтронного.

Експозиційна, поглинута та еквівалентна дози іонізуючих випромінювань. Одиниці радіоактивності і доз іонізуючих випромінювань. Потужність дози. Види опромінення в залежності від потужності дози, фактору часу і кратності опромінення: гостре і пролонговане (хронічне), одноразове і багаторазове (фракціоноване).

Зв’язок між радіоактивністю речовини і дозою іонізуючого випромінювання.

Тема 3. Джерела радіоактивних речовин та іонізуючих випромінювань - 2 години

Природні та штучні джерела іонізуючих випромінювань. Природне іонізуюче випромінювання. Космічне випромінювання і випромінювання природних радіоактивних елементів та ізотопів. Сонячне і галактичне випромінювання. Випромінювання радіоактивних елементів та ізотопів  з родин урану, актиноурану і торію. Внесок випромінювання радону. Випромінювання позародинних природних радіоактивних ізотопів. Внесок випромінювання радіоактивного калію. Випромінювання космогенних радіоактивних ізотопів.

Природний радіаційний фон. Оцінки доз опромінення живих організмів, зумовлених природним іонізуючим випромінюванням. Можливе значення природного випромінювання в процесах життєдіяльності організмів.

Іонізуюче випромінювання від штучних радіоактивних ізотопів. Джерела штучних радіоактивних речовин в навколишньому середовищі. Випромінювання від радіоактивних ізотопів, що утворюються внаслідок випробувань атомної зброї. Випромінювання радіоактивних речовин, що надходять у довкілля від підприємств ядерної енергетики.

Випромінювання від джерел, що застосовуються в медицині та побуті.

Модуль 2. Біологічна дія іонізуючих випромінювань на живі організми

Тема 4. Біологічні ефекти іонізуючого випромінювання на рослин і тварин - 2 години

Поняття радіобіологічного ефекту. Класифікація радіобіологічних ефектів. Соматичні і генетичні радіобіологічні ефекти.

Суть радіаційної стимуляції. Радіаційна стимуляція у рослин і тварин. Основні типи морфологічних змін органів рослин під впливом іонізуючої радіації. Морфологічні зміни у тварин. Суть тератогенної дії іонізуючих випромінювань. Поняття радіаційної химери. Канцерогенна дія випромінювань.  Механізми виникнення морфологічних змін при дії іонізуючих випромінювань. Ознаки променевої хвороби у рослин. Види і ступені променевої хвороби ссавців. Вплив іонізуючих випромінювань на прискорення старіння і тривалість життя. Загибель організмів при високих дозах опромінення. «Загибель під променем». Специфіка радіаційної загибелі рослин. «Гамма-проростки». Особливості дії іонізуючого випромінювання на лісові насадження. Реакції дерев на опромінення.

Неспецифічність типів мутацій, що виникають при дії іонізуючих випромінювань. Безпорогова і порогова концепції дії іонізуючої радіації. Безпороговий характер канцерогенної і генетичної дії іонізуючих випромінювань.

Близькі та віддалені ефекти іонізуючих випромінювань. Стохастичний характер віддалених наслідків радіаційного ураження.

Особливості дії малих доз іонізуючої радіації на живі організми: стимуляційні, антиімунні, канцерогенні, генетичні ефекти.

Біологічні ефекти радіоміметиків.

Тема 5. Радіочутливість рослин, тварин та інших організмів - 2 години

Поняття радіочутливості та радіостійкості організмів. Ефективні дози: летальні, півлетальні і критичні. Принципи і методологія побудови кривих доза-ефект. Аналіз кривих доза-ефект та визначення на них ефективних доз іонізуючих випромінювань.

Порівняльна радіочутливість видів різного таксономічного походження. Радіочутливість рослин. Радіочутливість сільськогосподарських рослин. Порівняльна радіочутливість вегетуючих рослин і насіння. Радіочутливість рослин на окремих етапах онтогенезу. Радіочутливість тварин. Радіочутливість сільськогосподарських тварин. Радіочутливість інших організмів: птахів, риб, амфібій, плазунів, безхребетних тварин, найпростіших, бактерій, вірусів, грибів.  Радіочутливість тварин на окремих етапах онтогенезу. Радіочутливість біоценозів, фітоценозів, агроценозів.

Причини широкої варіабельності радіочутливості організмів: структурні і функціональні фактори.

Порівняльна радіочутливість клітин на різних фазах розвитку. Закон (правило) Бергон’є і Трібондо. Репродуктивна та інтерфазна загибель клітин. Критичні тканини і органи рослин і тварин.

Тема 6. Протирадіаційний захист і радіосенсибілізація - 2 години

Явища антагонізму і синергізму при спільній дії на живі організми іонізуючих випромінювань та інших факторів. Поняття модифікації радіаційного ураження організму. Протирадіаційний біологічний захист і сенсибілізація радіаційного ураження.

Фізичні радіозахисні і радіосенсибілізуючі фактори: склад атмосфери, температура, вологість, світло та інші. Кисневий ефект. Кількісна характеристика кисневого ефекту - коефіцієнт кисневого посилення (К_КП).

Хімічні радіозахисні речовини і радіосенсибілізатори. Визначення понять радіопротекторів, радіоблокаторів і радіодекорпорантів. Основні вимоги до характеристики радіозахисних речовин. Фактор зміни дози (ФЗД) і його визначення. Кількісні характеристики протирадіаційної дії. Основні класи радіопротекторів. Природні і штучні радіопротектори. Нативні радіопротектори клітин. Антиоксиданти як радіопротектори. Радіопротектори пролонгованої дії. Механізми дії радіопротекторів: індукція гіпоксивного стану, «перехоплювання» вільно радикальних станів, утворення змішаних дисульфідів, гіпотеза «біохімічного шоку».

Хімічні радіосенсибілізуючі речовини. Механізми дії радіосенсибілізаторів.

Тема 7. Післярадіаційне відновлення рослин і тварин - 4 години

Поняття післярадіаційного відновлення. Основні  шляхи післярадіаційного відновлення:  репарація, репопуляція, регенерація та компенсаторне відновлення.

Репарація ДНК та інших молекул і структур клітини. Сублетальні та потенційно летальні пошкодження ДНК та їх репарація. Фотореактивація. Темнова репарація. Постреплікативна репарація. SOS-репарація. Самозбирання надмолекулярних асоциатів. Репарація мембранної системи клітини. Відновлення хромосом.

Гетерогенність клітин критичних тканин та органів рослин і тварин. Радіочутливість клітин у різні фази клітинного циклу. Стан клітинного спокою. Роль радіостійких клітин та клітин поза циклом у формування резервів репопуляційного відновлення.

Тканини і органи у стані спокою. Центри регенерації. Роль апікального домінування рослин у їх регенераційному відновленні. Післярадіаційне відновлення лісів.

Тимчасове прискорення поділу клітин критичних тканин та органів як первинна реакція на радіаційне ушкодження. Дедиференціація клітин як окремий шлях їх післярадіаційного відновлення.

Можливості управління процесами післярадіаційного відновлення.

Модуль 3. Ведення сільського господарства в умовах радіонуклідного забруднення

Тема 8. Міграція радіонуклідів у навколишньому середовищі і об’єктах сільського господарства - 2 години

Загальні шляхи міграції радіоактивних речовин в об’єктах навколишнього середовища і сільського господарства. Трофічний, або харчовий, ланцюжок. Джерела надходження радіоактивних речовин в атмосферу. Фактори міграції радіоактивних речовин в атмосфері: висота викиду, рух повітря, гравітація і атмосферні опади. Шляхи надходження радіонуклідів в грунт. Типи випадання радіонуклідів: локальні, тропосферні і стратосферні; сухі і мокрі. Сорбція радіонуклідів різними типами ґрунтів. Особливості ґрунтової хімії радіобіологічно значимих радіонуклідів. Роль фізико-хімічних властивостей радіонуклідів у їх міграції в ґрунті. Вплив агрохімічних властивостей ґрунту на процеси міграції. Вертикальна і горизонтальна міграція. Конвективний перенос, дифузія, перенос по кореневим системам рослин. Вплив погодно-кліматичних умов на міграцію радіонуклідів в ґрунті. Вітровий підйом ґрунту, його види.

Тема 9. Заходи по зменшенню надходження радіонуклідів в продукцію рослинництва і тваринництва - 4 години

Основні принципи застосування прийомів по зменшенню переходу радіонуклідів з ґрунту в сільськогосподарські рослини. Загальноприйняті і спеціальні прийоми обробітку ґрунту, які зменшують надходження радіонуклідів в рослини: звичайні культивація і оранка, глибока оранка плантажним плугом, зняття верхнього шару ґрунту, засипка забрудненого шару чистим ґрунтом. Агрохімічні засоби зменшення надходження радіонуклідів в рослини: вапнування та гіпсування, застосування збільшених норм фосфорних і калійних добрив, використання мікроелементів, органічних добрив. Підбір сільськогосподарських культур, як захід щодо зменшення вмісту радіонуклідів в рослинах. Управління режимом зрошення - ефективна міра зниження надходження радіонуклідів в сільськогосподарські культури. Застосування спеціальних хімічних речовин та сполук для зменшення нагромадження радіонуклідів в рослинах. Фітодезактивація ґрунтів.

Меліорація забруднених радіонуклідами луків і пасовиськ як засіб зменшення вмісту радіонуклідів в кормах. Радіометричний контроль кормів і продукції тваринництва. Вплив зміни режиму годівлі і складу раціонів, вмісту в раціоні лужноземельних елементів та інших факторів на перехід радіонуклідів з кормів в молоко, м’ясо, яйця та іншу продукцію тваринництва.  Включення до раціонів мінеральних добавок і препаратів, що перешкоджають переходу радіонуклідів з кормів до організму тварин та прискорюють їх виведення. Організаційні заходи.

Тема 10. Застосування іонізуючих випромінювань у  сільськогосподарському виробництві та інших сферах діяльності людини та метод ізотопних індикаторів в біології та екології - 4 години

Визначення поняття радіаційно-біологічної технології (РБТ).  Радіаційна техніка, яка використовується для РБТ.

Шляхи використання іонізуючих випромінювань в сільському господарстві. Використання у рослинництві: передпосівне опромінення насіння та передсадивне опромінення органів вегетативного розмноження і розсади у стимулюючих дозах для прискорення росту, розвитку і збільшення продуктивності рослин; опромінення насіння і рослин для одержання нових сортів; радіаційна біотехнологія подолання несумісності тканин і стимуляції зростання при вегетативних щепленнях рослин; радіаційні біотехнології боротьби з комахами-шкідниками сільськогосподарських рослин; радіаційна технологія поліпшення якості лікарських рослин; радіаційні технології подовження строків зберігання продукції рослинництва і плодівництва, запобігання проростання бульб, коренеплодів і цибулин; радіаційна пастеризація і консервація. Використання у тваринництві: опромінення курячих яєць і молоді тварин в стимулюючих дозах з метою прискорення росту і розвитку тварин; радіаційна дезинсекція продукції тваринництва і стерилізація комах-рознощиків хвороб тварин і людини; радіаційне знезараження продукції тваринництва; радіаційне знезараження стічних вод тваринницьких комплексів; радіаційне консервування кормів  і поліпшення їх якості; радіаційна стерилізація інструментарію і матеріалів у ветеринарній медицині; радіаційна пастеризація і консервація продукції тваринництва.

Використання іонізуючих випромінювань у медицині, харчовій та фармакологічній промисловості.

Визначення поняття ізотопних індикаторів, або мічених атомів. Суть методу ізотопних індикаторів. Радіоактивні і стабільні ізотопи. Ізотопи, що застосовуються в біологічних дослідженнях. 

Основні шляхи застосування методу ізотопних індикаторів: дослідження транспорту, розподілу та перетворень окремих сполук в організмі; вивчення ролі окремих речовин у метаболізмі; міграція речовин в екосистемі чи окремих її ланках; міграція окремих видів тварин у різних середовищах існування; визначення чисельності окремих видів мігруючих тварин у певних ареалах.

Суть методу радіоавтографії. Переваги методу радіоавтографії порівняно з іншими способами радіоізотопного аналізу. Етапи радіоавтографічного аналізу.  Особливості макрорадіоавтографії і мікрорадіоавтографії.

Особливості застосування стабільних ізотопів. Мас-спектрометрія. Застосування стабільного ізотопу ¹⁵N для вивчення метаболізму азотних сполук в організмі та кругообігу азоту в біосфері.