Прямая и обратная задачи статистики радиационно-индуцированных эффектов в клетке тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.00.16, кандидат физико-математических наук Бегларян, Маргарита Евгеньевна

• Бегларян, Маргарита Евгеньевна
• кандидат физико-математических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Бегларян, Маргарита Евгеньевна

Введение.

1. Краткий литературный обзор современного состояния проблемы малых доз в стохастической микродозиметрии.

1.1. Термодинамическая теория биологических фазовых переходов, индуцированных малыми дозами.

1.2. Критерий качества малых доз ионизирующего излучения.

1.3. Прямая и обратная задачи статистики радиационно- индуциро ванных хромосомных аберраций.

1.4. Обобщенная каскадно-стохастическая модель микроспектро-дозиметрии малых доз.

1.5. Хромосомная микроспектродозиметрия промежуточных реакторных нейтронов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прямая и обратная задачи статистики радиационно-индуцированных эффектов в клетке»

Актуальность темы обусловлена тем, что радиационное загрязнение атмосферы, воды, пищи и всего, что окружает человека, остается одной из самых больших и сложных проблем экологии. Загрязнете биосферы планеты вызвано как естественными, так и антропогенными факторами. К последним относятся: увеличение вала радиоактивных отходов, испытания ядерного оружия, разработка радиоактивных руд, аварии на АЭС, применение радионуклидов в различных отраслях народного хозяйства. К ним же относятся последствия различных, причем не всегда оправданных, радиомедицинских исследований населения, применений современных средств телекоммуникаций и компьютерных технологий. Среди естественных радиационных факторов в первую очередь следует отметить так называемый "радоновый" фактор, всепроникающий характер которого особенно опасен. Согласно данным Научного комитета ООН по действию атомной радиации (цит. доклад НКДАР ООН за 1988г.: Источники, эффекты и опасность ионизирующей радиации. М.: Мир. 1992), около 20 % всех заболеваний раком легкого в мире обусловлено воздействием радона и его дочерних продуктов. С другой стороны, по оценке службы здравоохранения США радон вызывает около 20 ООО случаев рака легких в год с летальным исходом у населения США. При этом ущерб для здоровья населения от радона, по их оценке, возможно, в 10 раз превышает ущерб от загрязнения воздуха.

В известном смысле, фундаментальная с точки зрения мировой науки и, одновременно, сверхпрагматичная с точки зрения здоровья общества проблема малых доз радиации особенно остро и серьезно заявила о себе на всех многочисленных международных симпозиумах после известной войны в Югославии, когда практически вся Центральная Европа была накрыта радиоактивной пылью отработанного ядерного топлива, содержащего дочерние продукты деления изотопов урана и плутония, и его верного спутника по боеголовкам авиабомб - аэрозолей диоксина.

В настоящее время радиационный сценарий "запуска" определенной цепи событий на субклеточном уровне [10,29,33,35,56,61], приводящих к генетическим нарушениям и соответственно проявлению их кооперативных последствий на макроуровне в виде различных онкологических заболеваний в большинстве случаев является следствием воздействия именно малых доз радиации.

Поэтому, очевидно, что создание биофизических моделей и подходов, описывающих на макроскопическом уровне процессы взаимодействия ядерного излучения с клеткой, открывают возможность нетривиальной постановки биофизических экспериментов как в области фундаментальных исследований радиационных эффектов в биологических системах, так и в прагматическом плане, а именно, в практике радиационного контроля и мониторинга биофизических систем, для обеспечения качества и культуры радиационной безопасности всего живого, окружающего нас.

Основной целью работы является разработка вероятностно-статистического метода изучения биофизического влияния малых доз ионизирующего излучения на биовещество для решения прямой и обратной задачи статистики радиационно-индуцированных эффектов в клетке.

Научная новизна работы состоит в том, разработан модифицированный каскадно-стохастический подход для решения прямой и обратной задач статистики радиационно-индуцированных эффектов в клетках эукариот.

На основе этого подхода впервые показано, что статистика образования радиационно-индуцированных эффектов подчиняется специальному классу обобщенных пуассоновских распределений. Эта статистика заключает в себе все возможности как для идентификации и количественного анализа ионизирующего излучения (биоспектрометрия), так и для изучения стохастики передачи поглощенной энергии в клетках (микродозиметрия).

Установлено, что при прохождении ионизирующей радиации через биовещество, адаптивной реакцией клетки является резкое увеличение эффективных размеров, что объясняется декондесацией ядерного хроматина.

Основные положения, представляемые к защите:

1. Каскадно-стохастический метод решения прямой и обратной задач статистики радиационно-индуцированных эффектов в клетках эукариот, который позволяет проводить идентификацию и количественный анализ ионизирующего излучения (биоспектрометрия) и изучать стохастику передачи энергии в клетках (микродозиметрия).

2. Определение типа статистики образования радиационно-индуцированных эффектов в клетках эукариот - дважды случайное 6 пуассоновское [0, ¿^-распределение, управляемое экспоненциальной функцией отклика биодетектора.

3. Экспериментальная методика для определения средней удельной энергии спектра одиночного события и соответственно оценки относительной биологической эффективности для любого типа ионизирующего излучения в области малых доз.

4. Показано, что в области малых доз зависимость доза-эффект в клетках лимфоцитов человека, облученных рентгеновским излучением, является нелинейной.

5. Экспериментальное обнаружение аномального поведения масштабно-инвариантной формы распределений радиационно-индуцированных эффектов, образующихся при облучении лимфоцитов человека рентгеновским излучением в диапазоне 0.1-0.7 Гр.

Основные результаты, вошедшие в диссертацию, доложены и обсуждены на 17, 18 и 20 Международных конференциях «Треки ядер в твердых телах» (Пекин, Китай, 1992; Дубна, Россия, 1994; Порторош, Словения, 2000), Международной конференции «Международное сотрудничество - Чернобылю -2000» (Славутич, Украина, 2000).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, содержащего 94 источника, занимает 113 страниц машинописного текста, в том числе 2 таблицы, 10 иллюстраций.

Заключение диссертации по теме «Экология», Бегларян, Маргарита Евгеньевна

выводы

1. Разработан принципиально новый каскадно-стохастический подход для решения прямой и обратной задач статистики РЭФ в клетках эукариот, который заключает в себе все возможности как для идентификации и количественного анализа ионизирующего излучения (биоспектрометрия), так и для изучения стохастики передачи энергии в клетках (микродозиметрия).

2. На основе каскадно-стохастический подхода впервые показано, что статистика образования РЭФ в клетках эукариот подчиняется специальному классу обобщенных пуассоновских распределений - дважды случайному пуассоновскому [0,¿^-распределению, управляемым экспоненциальной функцией отклика. Последнее подтверждается сравнительным анализом теории и экспериментальных распределений микроядер по клеткам лимфоцитов при облучении их рентгеновским излучением в в области малых и сопредельных с ними доз <20> = 0.1+0.7 Гр .

3. Статистический анализ [0,¿/[-распределений на наличие свойства масштабной инвариантности во всем диапазоне доступных сейчас малых и сопредельных с ними доз позволил впервые обнаружить аномальное поведения масштабно-инвариантной формы распределений РЭФ, образующихся в экспериментах по облучению лимфоцитов человека рентгеновским излучением: скейлинг приближенно выполняется в области относительно больших доз <2£>> >0.7 Гр, но полностью нарушается в области сопредельной с малыми дозами <2о>=0.1 +0.3 .

Установлено, что основной нарушения скейлинга [0,¿/¡-распределений в выделенной области доз <г«> =0.1 + 0.7 Гр является резкое увеличение эффективных размеров клеточного ядра, которое, по-видимому, связано с декондесацией ядерного хроматина.

104

4. Показано, что в области малых доз зависимость доза-эффект в клетках лимфоцитов человека, облученных рентгеновским излучением, является нелинейной.

5. Разработана экспериментальная методика, с помощью которой можно определять среднюю удельную энергию спектра одиночного события для любого типа ионизирующего излучения. В частности, на ее основе впервые удалось определить базовый микродозиметрический параметр, характеризующего среднюю удельную поглощенную энергию в единичном акте взаимодействия рентгеновского излучения с клеткой и являющегося реперной характеристикой для определения качества излучения или относительной биологической эффективности в области малых доз.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Бегларян, Маргарита Евгеньевна, 2000 год

1. Амирагова М.И., Дуженкова М.А., Савич A.B., Шальнов М.И Первичные радиобиологические процессы.- М.:Атомиздат, 1964.-274 с.

2. Андреев С.Г. Автореферат на соиск. уч.ст. к.ф.-м.н., М.,МИФИ,1981.

3. Андреев С.Г., Спитковский Д.М. ДАН СССР, «Биофизические модели самоорганизации пространственной структуры хроматина»,-1983.-Т.269,№6.-с. 1500-1502.

4. Андреев С.Г., Спитковский Д.М. Материалы 5 Всесоюзного совещания по микродозиметрии. Обзорно-проблемные доклады,-М. МИФИ,1987.-С.240-275.-Т.2.

5. Бак 3., Александер П. Основы радиобиологии.-М.:Изд-во ин. лит. ,1963.

6. Боровков A.A. Математическая статистика. Оценка параметров. Проверка гипотез,- М.: Наука, 1984. 470 с.

7. Бурлакова Е.Б. Количественные закономерности лучевого поражения клеток. // Вестн. РАН. 1994. - 64, № 5. - с. 425-431.

8. Ватутин В.А., Телевинова Т.М., Чистякова В.П. Вероятностные методы в физических исследованиях. М.: Наука, 1985. - 207с.

9. Вентцель Е.С., Овчаров JI.A. Прикладные задачи теории вероятностей. М.: Радио и связь, 1983. - 415 с.

10. Виленчик М.М. Нестабильность ДНК и отдаленные последствия воздействия излучений. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 192 с.

11. Высоцкий В.И., Корнилова A.A., Самойленко И.И. // Радиационная биология. Радиоэкология.-1977.-Т.37.-Вып.4.-С.494-507.

12. Ганасси Е.Э. Радиационные повреждения и репарация хромосом. М.: Наука, 1976,- 232 с.

13. Гардинер К.В. Стохастические методы в естественных науках. -М.: Мир, 1986, с. 528.

14. Гераськин A.C. Концепция биологического действия малых доз ионизирующего излучения на клетки. // Радиационная биология. Радиоэкология.- 1995, 35,- Вып. 5. - с. 571-579.

15. Гераськин С.А. Критический анализ современных концепций и подходов к оценке биологического действия малых доз ионизирующего излучения. // Радиационная биология. Радиоэкология. 1995.-Т.35.-Вып. 5. - с. 563-570.

16. Гилмор Р. Прикладная теория катастроф. Пер. с англ.- М.: Мир, 1984.-350 С.-Т.1.

17. Гросберг Ю.А., Хохлов А.Р. Статистическая физика макромолекул. -М.: Наука, 1989. 342 с.

18. Гудмен Дж. Статистическая оптика.- М.: Мир, 1988 543 с. 40.

19. Зеленцова Т.Н. Каскадно-стохастическая микро- и нано-спектродозиметрия ионизирующего излучения ядерно-энергетических установок. Дис. на соиск. учен. степ. докт. техн. наук/ ОПУ.-Одесса, 1997.-234 с.

20. Зентер В. Принципы структурной организации нуклеиновых кислот. М.: Мир. 1987. 583 С.

21. Иванов В.И. Лысцов В.Н. Прикладная микродозиметрия (обзор).- В кн.: Вопросы микродозиметрии. М.: Энергоатомиздат, 1982. - с.3-20.

22. Иванов В.И., Лысцов В.Н., Губин А.Т. Справочное руководство по микродозиметрии. М.: Энергоатомиздат, 1986,- 185 с.

23. Катовник В.Я. Непараметрическая информация и сглаживание данных. М.: Наука, 1985. - 335 с.

24. Кругликов И.Л. Выживаемость облученных клеток как решение стохастического дифференциального уравнения. Общее описание. // Радиобиология. 1990. -Т.30,- Вып. 2. - с. 207-210.

25. Кругликов И.Л. Кривые доза эффект при стохастической интенсивности излучения. // Радиобиология. - 1990. - Т.30, -Вып. 2. - с. 211-214.

26. Кругликов И.Л. Микродозиметрические соотношения для дважды стохастического процесса пуассоновского случайного процесса попадания частиц в чувствительный объем. // Атомная энергия.-1989. Т. 67, -Вып. 6. - с. 32-34

27. Кругликов И.Л. Обобщение некоторых дозиметрических соотношений на случай непуассоновского случайного процесса. // Радиобиология. -1987.- Т.27, -Вып. 6,- с. 838-838.

28. Кузьмин А.М. Природный радиоактивный фон и его значение для биосферы Земли. М.: Наука, 1991. -117 с.

29. Кузьмичев В.А., Радкевич И.А., Смирнов А.Д. Автоматизация экспериментальных исследований. -М.: Наука, 1983. -391с.

30. Материалы 3 съезда по радиационным исследованиям (радиобиология, радиоэкология, радиационная безопасность),Москва,14-17 октября 1997 г.

31. Мудров В.И., Кушко В.Л. Методы обработки измерений,- М.: Советское радио, 1976. 202 с.

32. Невзгодина Л.В., Григорьев Ю.Г., Маренный A.M. Действие тяжелых ионов на биологические объекты.-М.:Энергоатомиздат,1990.- 213 с.

33. Носовский A.B., Хомазюк И.Н., Гарин Е.В., Митичкина И.Н. Дозиметрическое сопровождение медицинских и эпидемиологических исследований // Чернобыльская атомная електростанция Славутич /

34. Под ред. Бебешко В.Г., Носовского A.B., Базыки Д.А.- К.: Вшца школа, 1996. С. 17-51.

35. Обатуров Г.М. Биофизические модели радиобиологических эффектов. -М.: Энергоатоиздат, 1987.-157 с.

36. Обатуров Г.М., Александров И.Д., Капчигашев С.П., Севанькаев A.B., Цыб Т.С. //Атомнаяэнергия. -1988. -Т.64. С.383-389.

37. Оптимизация радиационной защиты на основе анализа соотношения затраты польза. Рекомендация МКРЗ: Публикация 37 МКРЗ. М.: Энергоатомиздат, 1985.

38. Отчет о научно-исследовательской работе "Разработка методики расчета стоимости снижения дозозатрат при работах" при работах на объекте "Укрытие". № 71-РЗ/96 от 1 апреля 1996

39. Постон Т., Стюарт И. Теория катастроф. М.: Мир, 1980. - 606 с.

40. Русов В.Д. Вероятностно-статистические модели регистрации заряженных частиц твердотелыми детекторами ядерных треков: идентификация и количественный анализ. Дис. на соиск. учен. степ, докт. физ.-мат. наук/ МИФИ. Москва.,1992. - 297 с.

41. Русов В.Д., Зеленцова Т.Н., Гарин Е.В. // Ядерная и радиационная, безопасность. -1998,- Т.1, № 1. С.23-57.

42. Русов В.Д., Зеленцова Т.Н., Паремузова И.Е., Бабикова Ю.Ф. Идентификация и количественный анализ ионизирующего и нейтронного излучений трековыми биодетекторами. // Nucleonika. -1990.-Т. 35, № 10-12,- р. 234-238.

43. Русов В.Д., Зеленцова Т.Н., Паремузова И.Е., Бабикова Ю.Ф. Прямая и обратная задачи статистики хромосомных аберраций. // Мат. 6 Всес. совещ. по микродозиметрии, Канев, апрель 1989 г., М.МИФИ, с.56-57.

44. Русов В.Д., Зеленцова Т.Н., Паремузова И.Е., Бабикова Ю.Ф. Разработка вероятностно-статистических моделей взаимодействия ионизирующего и нейтронного излучений с биовеществом. //

45. Материалы 3 Всес. Школы семинара по ТТД и АРГ, Одесса, 5-10 сентября 1991 г., с. 105-107

46. Рябченко Н.И. Радиация и ДНК. М.: Атомиздат, 1979. -191 с.

47. Севанькаев A.B. О гетерогенности стимулированных лимфоцитов человека по радиочувствительности хромосом. // Радиобиология,-1991. -Т. 31,-Вып. 4. с. 600-605.

48. Севанькаев A.B. Радиочувствительность хромосом лимфоцитов человека в митотическом цикле. М.: Энергоатомиздат, 1987. - 160 с.

49. Спнтковский Д.М. Генетические последствия действия ионизирующих излучений. //Радиобиология. 1992. -Т. 32, -Вып. 3.- с. 382-400.

50. Спитковский Д.М. О новой фундоментальной реакции клеток, индуцированной малыми дозами // Микродозиметрия. Сб. лекций VI Всесоюзного совещания-семинара «Прикладные аспекты радиационной физики», Канев, 14-25 апреля 1989 г. -М.: МИФИ, 1989. -с. 262-283

51. Спитковский Д.М., Андреев С.Г. В кн. Теоретические основы модификации радиочувствительности, Алма-Ата, Наука, 1981. -с.256-268.

52. Спитковский Д.М., Зайцев C.B., Талызина Т.А// Радиац.биология. Радиоэкология- 1994. -Т. 34, -Вып. 6,- с. 739-746.

53. Талызина Т. А. Особенности изменений ядер лимфоцитов человека под действием ионизирующего излучения в малых дозах.: Автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. биол. наук. Киев, 1991. -20 с.

54. Талызина Т.А., Спитковский Д.М. Конформационные переходы в клетках лимфоцитов при облучении в малых дозах. // Радиобиология,-1991. Т.31, -Вып. 4,- с. 606-611.

55. Тихонов А.Н. Статистическая радиофизика. М.: Наука, 1974. - 286 с.

56. Феллер В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. Пер. с англ.-М.: МирД984.-528 С.

57. Фшпошкин И.В., Петоян И.М. Теория канцерогенного риска воздействия ионизирующего излучения. М.: Энергоатомиздат, 1988. -212 с.

58. Худсон Д. Статистика для физиков. М.: Мир, 1970. - 296 с.

59. Чернобыльская атомная электростанция Славутич / Под ред. В.Г.Бебешко. -Киев. Вища школа, 1996. - 367 с.

60. ALARA. From Theory Towards Practice // Report EUR 13796 EN Commission of the European Communities. 1991.

61. Booz J., Feinendegen L.E. Influence of radiation quality on the effectiveness of small doses for induction of reproductive death and chromosome aberration in cell // Int. J. Radiat. Biol. 1988,- 53, N 1.- p. 13-21.

62. Grandell J. Double Stochastic Poisson Processes. Berlin/ Heidelberg/New York: Springer-Verlag, 1976.

63. Griffon-Fouco M. Occupational radiation protection in NPP's: towards a management approach // Nuclear Europe Worldscan, 1995, N1-2, p.34-35.

64. ICRP Publication 26, 1977.

65. ICRP Publication 55. Optimization and Decision-Making in Radiological Protection. Pergamon Hress, 1988.

66. ICRP Publication 60, 1990.

67. Kellerer A.M., Chmelevsky, D. Concepts of Microdosimetry-1. Quantities.// Radiat. Environ. Biophys.- 1975. 12. - p. 61-69.

68. Kommission der Europaiachen Gemeinschaften: GeanderterVorschlag fur eine Richtlinie des Rates, KOM(93), 349 endg., Brüssel,20.Juli 1993.

69. Köteles G.J., Bojtor I., Bognar G. and Ôtos M. IRPA Regional Congress on Radiation Protection in Central Europe. August 22-27 1999, Budapest, Hungary.

70. Lloyd D.C., Edwards A.A., Leonard A. et al. The pattern of radiation-induced transmissible aberration in humen cell culture // Int. J. Radiat. Biol. 1988.-53, N1,-p. 49-55.

71. Merry M. W. L. Radiation managment at Sellafield past, present, future // Nucl. Europe Worldscan/ -1995, N 1-2. -P. 44-45.

72. Mertin D., Holl M., Jung P. et al. Radiation protection optimization (ALARA) for planning fnd operating NPPs in Germany // Nucl/ Europe Woldscan/ 1995, N 1-2. P. 36-37.

73. Neyman J. On a new class of "contagious" distribution // Ann. Math.Stat., 1939. Vol.10, p.35.

74. Neyman J. Scott E.L., A Theory of the Spatial Distribution of Galaxies // Astrophys. J. 1952.-V.116.-p. 144-163.

75. Neyman J. Scott E.L., Shane C.D. On the Spatial Distribution of Galaxies: A specific Model //Astrophys. J. 1953.-V. 117.-p. 92-133.

76. Neyman J. Scott E.L., Shane C.D. Statistics of Images on Galaxies with Particular Reference to Clustering // Proceeding of the Third Berkeley Symposium on Mathematical Statistics and Probability. 1956.-V.3. -p.75-111.

77. Neyman J. Scott E.L., Spatial Distribution of Galaxies Analysis of the Theory of Fluctuations // Proc. Natl. Acad. Sci.U.S. 1954. - V.40. -p.873-881.

78. Neyman J. Scott E.L., Spatial Distribution of Galaxies Analysis of the Theory of Fluctuations // Proc. Statistical Approach to the Problems of Cosmology//J.Roy. Statist. Soc. 1958.-V.B20. -p.1-43.

79. Papoulis A. Probobility, random variables and statistic processes. N.Y.: Mc Grow-Hill, 1965. -287 p.

80. Rossi H. Measurement of radiation quality.// Nuclear News.-1971, Nov.- p. 53-56.

81. Rusov V.D., Zelentsova T.N. Synergetic conception of action of low radiation dozes. // Proc. of European Conf. "Advanses in Nuclear Physics and Related Areas", Greece, Thessaloniki 8-12 July, 1997. P. 86-88

82. Rusov V.D., Zelentsova T.N. Synergetic conception of action of low radiation dozes. // Proc. of European Conf. "Advanses in Nuclear Physics and Related Areas", Greece, Thessaloniki 8-12 July, 1997. P.126-128.

83. Rusov V.D., Zelentsova T.N., Garin E.V. Track biodetectors and problem of low doses of radiation // Proceedings of XIX International Conference jn Nuclear Track in Solids. Besanson, Franse. August 31 September 4, -1998.-P. 123.113

84. Saleh B. E. A. Photoeleetron stastisticals.- Berlin Heidelberg, New York: Springer-Verlage, 1978,- 342 p.

85. Saleh B.E.A., Teich M.C. Multiplied-possion noise in pulse, particles and photon detection. // Proc. IEEE 1982. - v. 70, N 3, p. 222-245.

86. Sevankaev A.V., Tsyb A.F.,Lloyd D.C. et.al. // Int. J. Radiat. Biol. 1993. V.63. P.361-367.

87. SSK-Empfehlung vom8. November 1984: Möglichkeiten und Grenzen der Anwendung der Kollectivdosis, Banz. 126a vom 12 Juli 1985.

88. Teich M.C. Role of the double stochastic Neyman type A and Thomas counting distribution in photon detection. // Appl. Opt. - 1981. - 20. - p. 2457-2472.

89. Verordnung über den Schutz vor Schaden durch ionisierende Strahlen i.d.F. Becanntmachung vom. 30 Juni 1989 (BGBI.IS. 1321/1926).

90. Vysotskii V.l., Pinchuk A.A. // Bioelectrochemistry and Bioenergetics. 1999. V.48. N32. Elsevier, P.234-239.