Зависимость «доза — эффект» при действии физических факторов на живой организм

Систематизация многочисленных результатов опубликованных исследований показывает, что все без исключения физические факторы в зависимости от дозы могут обладать четырьмя основными типами действия:

  • 1) поражающим — при высоких дозах;
  • 2) подавляющим — при средних дозах;
  • 3) стимулирующим — при низких (несколько выше фоновых) дозах;
  • 4) отсутствием действия при очень низких дозах, равных или меньших фонового воздействия.

Тип биологического действия — конечная суммарная реакция целого живого организма, как правило, не является качественно специфической и определяется не столько природой фактора, сколько режимом и дозой — суммарной поглощенной энергией в конечный отрезок времени. Вместе с тем промежуточные механизмы действия каждого фактора достаточно индивидуальны и качественно специфичны. Последнее и открывает возможности направленного воздействия на те или иные структуры живой клетки.

Изучение зависимости «доза — эффект» является основой для нахождения оптимальных, стимулирующих в норме и нормализующих при патологиях режимов воздействия. К сожалению, сплошные систематические исследования зависимости «доза — эффект» проведены только для ионизирующей радиации[1].

Представляет интерес сопоставить общие закономерности действия таких различных по энергии квантов факторов, как радиоволны сантиметрового диапазона с энергией кванта в сотые доли электронвольт и ионизирующая радиация с энергией квантов или частиц в несколько миллионов электронвольт.

С повышением дозы стимулирующее действие микроволнового облучения уменьшается (табл. 3.1)1.

Таблица 3.7

Влияние на скорость роста самцов белых крыс различных доз тотального микроволнового облучения (Я = 12,5 см)

Интенсивность

облучения,

мВт/см[2] [3]

Число крыс в группе

Исходная масса, г

Масса после опыта, г*

Контроль

23

110 ± 10

196 ± 9

40 + 10 + 1

8

110 ± 9

198 ± 10

40

24

110 ± 10

216 ± 9

10

24

110 ± 8

224 ± 10

1

24

110 ± 10

225 ± 14

4 26 процедур по 30 мин. в течение 6 недель.

По литературным данным, тепловые интенсивности 100 мВт-см-2 и более оказывают уже подавляющее действие и тормозят рост животных. Тотальное обучение интенсивностью свыше 100 мВт-см-[3] в диапазоне частот 200...2400 МГц в течение более 20 мин. приводит к 100%-ной гибели млекопитающих: мышей, крыс, кроликов, собак[3]. Точно так же давно известно, что, несмотря на исключительно высокую энергию квантов ионизирующей радиации, низкие дозы оказывают стимулирующее действие[6].

Для млекопитающих такое действие проявляется в увеличении средней продолжительности жизни: например, у мышей и морских свинок при облучении их дозой менее 1 рад и белых крыс — 0,8 рад в неделю в течение всей жизни.

Универсальность наличия области стимулирующих доз подтверждена и для клеток млекопитающих в культуре ткани. Фундаментальное исследование по нахождению доз а-излучения радона, оказывающих стимулирующее действие на рост монослоя первичной культуры ткани фибробластов крысиного эмбриона, провел Ю. П. Добрачев. Он исследовал спектр доз от 0,001 до 1137 рад[7].

Стимулирующее действие проявлялось по ускорению роста клеток в культуре без образования патологических форм и без нарушения окислительного метаболизма. Сохранялась пропорциональность в увеличении числа клеток, их массы и интенсивности дыхания культуры. Максимальное увеличение митотической активности с приростом числа клеток до 140... 160 % к контролю Ю. П. Добрачев наблюдал в интервале доз ОД... 10,0 рад. Дальнейшее увеличение поглощенной дозы свыше 10,0 рад приводило к повышению числа клеток, погибших уже в первые сутки контакта с радоном:

Доза облучения, рад

Прирост числа клеток, % к контролю

0

0

2,6-10-3

0

1-10-2

16 ± 8

од

41 ± 10

0,26

48 ± 12

1,0

20 ± 14

10

40 ± 20

2,6-10

17 ± 13

Внешняя, кажущаяся эффективность и результативность изучения зависимости «доза — эффект» усложняется по крайне мере двумя факторами:

  • 1) сложностью абсолютирования дозы, сложностью дозиметрии поглощенной энергии. Дозиметрия детально разработана только при изучении ионизирующей радиации. Даже измерение поглощенной дозы ультрафиолетового излучения представляет на сегодня самостоятельную проблему в биологическом эксперименте. Большинство исследователей — биологов и клиницистов при изучении клинического действия ультрафиолетового излучения оперируют понятием «минимальная эритемная доза», т. е. минимальная доза, при которой наблюдается покраснение кожи. В зависимости от пола, возраста, индивидуальной чувствительности и т. д. эритемная доза в пределах одного вида может различаться в 2...5 раз. Еще чаще работники клинических учреждений ограничиваются далеко не полным описанием условий воздействия (мощность источника, расстояние от объекта, время воздействия, площадь облучаемой поверхности). Почти никогда не уточняются спектр и распределение по площади, характерные для каждого генератора; отражение и поглощение, характерные для каждого биологического объекта. Такое положение исключает возможность воспроизведения экспериментов, использования их результатов другими авторами и строгое количественное сопоставление результатов различных исследований;
  • 2) тем, что при равных дозах (поглощенной энергии Е) данного фактора биологический эффект будет различен при различных времени t и мощности N воздействия. При постоянной величине Е = Nt влияния изменения времени и мощности не идентичны, и требуются специальные исследования для нахождения оптимальных t и N, т. е. оптимальных режимов воздействия.

Классическую работу в этом плане провел Ю. И. Каменский (1968, 1973), изучив влияние мощности и времени воздействия при одной и той же дозе радиоволнового облучения (X = 10,0 см) на возбудимость седалищного нерва лягушки.

При одной и той же дозе — 33,3 Дж/см2 — максимальное увеличение амплитуды биопотенциалов до 280 % и скорости проведения возбуждения до 180 % от контроля достигается при мощности сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения 1,5 Вт и длительности облучения нерва 80 с. Как увеличение, так и уменьшение мощности и времени облучения приводит к уменьшению эффекта (табл. 3.2).

Подобные результаты делают необходимыми для каждой дозы, каждого фактора проведение систематических исследований биологической эффективности при различных мощностях и различном времени воздействия. Эти условия многократно увеличивают объем исследований, необходимых для нахождения оптимального режима воздействия, и требуют использования математических методов планирования эксперимента.

Таблица 3.2

Влияние противоположно направленных изменений мощности и времени воздействия микроволн на седалищный нерв лягушки при раздражении нерва прямоугольными импульсами постоянного тока длительностью 0,1 с с амплитудой, на 50 % превышающей пороговую

Показатель

Значения

Время воздействия, с

250

140

80

60

48

Мощность, Вт

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

Амплитуда биопотенциалов, % к контролю

145

204

287

128

53

Скорость проведения возбуждения, % к контролю

136

159

182

157

138

Существуют сложности и другого типа. Так, для процесса нервного возбуждения мы отмечаем участие нескольких типов энергии, а следовательно, возможность их трансформации друг в друга. Помимо классических электрических явлений, проведение нервного импульса связано с радикальными процессами, что улавливается по изменению биоантиокислителей, изменению сигнала электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и интенсивности хемилюминесценции. Фиксирование одного из типов энергии не может дать объективной картины. При необходимости учета трансформации нескольких видов энергии друг в друга проблема изучения биологических явлений становится невероятно сложной. Вместе с тем участие в нормальном метаболизме практически всех видов энергии и их взаимные переходы являются основой возможности использования различных физических факторов, в том числе и ультразвука, в физиотерапии для достижения биологической стимуляции.

Универсальность наличия стимулирующих, близких к фоновым интенсивностей физических факторов показана в эксперименте. Именно это заставляет по-новому подойти к изучению возможности влияния на живые организмы происходящего в настоящее время изменения естественного (фонового) уровня почти всех физических факторов, в частности низких интенсивностей УЗ и других механических воздействий.

В условиях современного индустриального общества естественная напряженность электромагнитных и акустических полей, к которым живые организмы адаптировались в течение миллионов лет, резко изменяется как для человека, так и для животных. Изменение напряженности естественных физических полей происходит в сторону как повышения, так и понижения естественного фона.

  • 1. Снижение напряженности фона. Для электромагнитных полей видимого и ультрафиолетового диапазонов снижение наблюдается в замкнутых помещениях: производственных сельскохозяйственных комплексах, жилищах, производственных помещениях, в транспорте. «Световое голодание» заставляет вводить искусственные источники инфракрасного, ультрафиолетового и видимого диапазонов в производственных помещениях.
  • 2. Повышение напряженности фона:
    • • звукового поля — имеет место в городах, производственных помещениях, транспорте, бытовых условиях за счет гудения ламп дневного света, телевизоров, холодильников, пылесосов, автомобилей и т. д.;
    • • электромагнитных полей радиочастотного диапазона за счет непрерывной работы радиостанций, телецентров, радарных станций, производственных излучателей различных частот;
    • • температуры, повышенной на ряде производств, которая, вероятно, будет, глобально изменяться с увеличением содержания углекислоты в атмосфере.

По силе влияния на развитие живых организмов, вероятнее всего, наиболее действенным окажется не изменение каждого из этих естественных факторов по отдельности, а весьма сильное изменение отношения их интенсивностей, как, например, отношения:

Помимо этих основных, общих для всех живых организмов изменений фоновых условий существует ряд более частных и узких сфер, где резко изменена интенсивность воздействия естественных физических факторов:

  • • клинические — радиологические и другие исследования, физиотерапия, использование электропастуха, механическая дойка, транспортировка скота в машинах;
  • • экстремальные воздействия в условиях экспериментов, некоторых производств, испытательных и космических полетов, подводных работ.

Поиски оптимальных режимов различных физических факторов необходимы для решения ряда проблем: поддержания «зоны комфорта» в бытовых условиях; нахождения режимов, стимулирующих рост и повышающих продуктивность сельскохозяйственных животных в промышленных сельскохозяйственных комплексах без побочных, патологических последствий; создания максимально приемлемых для жизни условий на Луне и других планетах; нахождение оптимальных терапевтических режимов различных физических факторов при различных патологиях.

  • [1] Раевский Б. Н. Дозы радиоактивных излучений и их действие на организм. М. : Медгиз, 1959.
  • [2] Журавлев А. И., Зубкова С. М. Радиочувствительность в электромагнитных полях ....
  • [3] Прессман А. С. Электромагнитные поля и живая природа ....
  • [4] Прессман А. С. Электромагнитные поля и живая природа ....
  • [5] Прессман А. С. Электромагнитные поля и живая природа ....
  • [6] Тарусов Б. Н. Основы биологического действия радиоактивных излучений ... ; Бак 3., Александер П. Основы радиобиологии ... ; Пегельман С. Б., Ва-хер Ю. И. Действие сублетальных доз облучения на рост и развитие цыплят //Радиобиология, 1965. Т. 5. Вып. 3. С. 382—389 ; Пак В. В. Реакция организма кур на действие ионизирующей радиации : автореф. дис. докт. биол. наукпо специальности 03.00.01 — радиобиология. М. : МГАВМиБ, 2001.
  • [7] Добрачев Ю. П. Стимулирующее влияние малых доз альфа-излученияна рост культуры фибробластов крыс // Тез. Докл. IV СССР. 1972. Т. 1. С. 231—232.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >