空间辐射生物学研究进展 - 原子核物理评论

文章编号:1007-4627(2010)02-0206-06空间辐射生物学研究进展*李文建1,党秉荣1,王转子1,魏巍1,荆西刚1,王弼乾1,2,张斌团1,2(1中国科学院近代物理研究所,甘肃兰州730000;2中国科学院研究生院,北京100049)摘 要:空间电离辐射尤其是高能带电粒子辐射可造成生物机体的严重损伤,是载人航天飞行的关键性限制因素之一㊂研究表明,带电粒子的生物学效应与其性质㊁剂量以及不同生物学终点有关;此外,微重力环境可能会影响空间辐射生物学效应㊂从多年来的空间搭载实验研究和地基模拟实验研究两个方面,综述了空间辐射的生物损伤效应及其与微重力环境复合作用的生物效应㊂关键词:空间辐射;微重力环境;高能重离子;辐射生物效应中图分类号:Q693;Q691 文献标识码:A1 引言航天科技的迅猛发展,已经成为一个国家综合国力和科学技术水平提高的重要标志㊂ 神舟五号㊁六号和七号”项目的成功标志着我国进入了载人航天时代㊂今后还有可能实现建立空间站㊁飞往火星等载人航天计划㊂目前我国空间辐射生物学研究基础还很薄弱,因此关于空间辐射对人体生命活动影响及其防护措施的研究已经迫在眉睫㊂空间环境不同于地球表面的任何环境,尽可能地了解这个环境,有利于人们探索空间世界,而空间辐射是长期载人空间飞行的主要限制因素之一㊂空间辐射对微生物㊁植物及哺乳动物细胞影响的研究表明宇宙射线可引发突变㊁畸变等生物学效应㊂随着载人飞船㊁航天飞机和空间工作站的出现,人类在空间停留的时间逐渐延长,宇宙射线特别是能够穿透飞行器的高能粒子与微重力的复合作用对空间飞行人员健康的影响成为备受关注的问题㊂2 空间辐射环境空间辐射主要来自3个方面[1]:(1)地球磁场捕获的高能电子和质子,它形成地球辐射带(t h e e a r t h’s r a d i a t i o nb e l t s,简称E R B s);(2)银河系宇宙射线(s g a l a c t i c c o s m i c r a y s,简称G C R),主要来自太阳系外的带电粒子,粒子的能量范围从几十M e V到1012M e V,主要有质子(85%)㊁H e离子(14%)和高能重离子(1%)组成;(3)太阳粒子事件(s o l a r p a r t i c l e e v e n t s,简称S P E s),是很少遇到的在强太阳耀斑期间的高通量带电粒子,主要是质子(90% 95%)和H e离子㊂另外,在低地球轨道有时还会有反照中子和质子,是G C R s和地球大气层相互作用而产生的返回到空间的次级带电粒子㊂航天器内部辐射环境不仅与所处轨道的空间辐射环境有关,同时也与航天器壳体材料及其厚度相关㊂航天器壳体不仅能阻止部分粒子进入舱内,同时对进入舱体内的粒子进行能量衰减,引起粒子能谱分布的改变,并且有可能导致次级粒子的产生㊂因此,粒子射线和二次粒子射线构成航天器内的宇宙射线环境㊂3 空间重离子或模拟空间重离子辐射生物损伤效应研究从上述对空间辐射来源的分析可见:宇宙空间的辐射和地面上不同,空间的各种射线中在生物学上最有意义的是高能量的重离子,这种射线由宇宙中原子序数大于2的初级离子组成,虽然这种射线仅占空间粒子辐射通量的1%,但其危害极大㊂S e t l o w等[2]的研究发现,经历为期3年的深空间飞第27卷 第2期原子核物理评论V o l.27,N o.2 2010年6月N u c l e a rP h y s i c sR e v i e w J u n e,2010*收稿日期:2009-09-08;修改日期:2009-11-05* 基金项目:国家自然科学基金资助项目(10875153)作者简介:李文建(1959-),男(汉族),河北辛集人,研究员,博导,从事辐射生物学研究;E-m a i l:w j l i@i m p c a s.a c.c n行,尽管采取屏蔽措施,每个细胞核仍会受到400个质子㊁0.6个C离子㊁0.03个F e离子的轰击,提示生物体3%的细胞会受到高损伤F e离子的轰击,这对哺乳动物细胞影响非常大㊂有时航天员报告在眼前有闪光现象,经地面加速器的模拟实验证实,这是高能重离子射线辐照在视网膜上产生的效应[3]㊂因此,在空间辐射生物学中,最关心的就是高能重离子的生物损伤效应㊂目前对空间辐射生物效应的研究取得了一些初步性的结论,但搭载实验有限,而且空间辐射环境很复杂,许多结果是空间环境中多种因素的综合作用,尤其是重离子辐射和微重力环境共同作用,因而,地基模拟空间辐射生物学实验是研究空间辐射生物学效应的有效手段㊂3.1 空间重离子辐射生物学效应由于空间环境的复杂性,要研究空间重离子辐射对生物体的作用,需要确定重离子是否击中生物样本以及击中样本的部位㊂ 生物叠技术”是一种研究空间重离子辐射生物学效应很有用的方法㊂该技术是由多层片状核径迹探测器与位置固定的生物样本叠层放置构成的三明治式结构,用此装置可探测出重离子通过生物样本及其造成辐射损伤的情况㊂陈湄等[4]在生物舱内放置了C R-39塑料核径迹探测器与蚕卵组成的生物叠进行宇宙重离子及其生物效应的研究㊂其试验表明,生物叠中被重离子击中的蚕卵孵化率略高于未被击中的蚕卵孵化率㊂在阿波罗-联盟联合飞行(A S T P)中,T4噬菌体生物叠实验发现,重离子穿过区域的噬菌体突变体较地面对照高14倍㊂枯草杆菌芽孢生物叠实验发现,孢子的延伸生长明显降低㊂受到单一重离子击中的莴苣种子可检测到多处染色体畸变㊂另外用拟南芥种子㊁卤虫的孢囊㊁鲫鱼和拟谷盗虫的卵等也做过类似的实验,这些研究发现,高能重离子对这些生物标本的生物学效应主要是诱发突变㊁致使失活㊁诱发肿瘤㊁发育异常㊁生长停滞和多个染色体畸变等[4,5]㊂将核径迹探测器置入航天员的头戴中可研究单个重离子的可视效应㊂在 阿波罗-16㊁17”飞行中,航天员戴上了核乳胶的帽子,用于研究重离子数据与 闪光”的关系㊂结果发现,航天员报告的 闪光”数超过物理测量的高传能线密度(L E T)的重离子数,预示更低L E T也能闪光,或微重力影响高L E T的辐射效应[6]㊂也可将核径迹探测器固定在所研究的动物身上,像置入动物的头皮之下,研究重离子对脑细胞的作用㊂1973年发射的 阿波罗”17号飞船就首次进行了哺乳动物与人的结伴飞行,并绕月球轨道飞行了数天,其目的是研究高能宇宙射线粒子辐射对动物大脑的影响㊂该试验是把核径迹探测器置入小鼠和大鼠头皮,5个探测器总共记录到80个重离子㊂在3只小鼠头皮中发现13处损伤,但与重离子贯穿相符合的仅一例,由于头皮置入探测器而形成的慢性炎症和实验动物数量的影响,该试验并不能解释重离子对中枢神经系统的损伤问题[7]㊂C u r t i s[8]提出由于宇宙中重离子击中细胞核的可能性非常低,所以细胞水平的任何效果都被认为是一个离子击中所导致的,包括空间辐射的后期效应 致癌效应㊂依据空间环境辐射的单轨迹特性,他们认为单击对长期外空间飞行的辐射危险性评估是很重要的,如美国地球同步轨道卫星TD R S-1在1983 1993年期间就确定了4468次单粒子辐射事件㊂O b e等[9]对M I R和E u r o M I R E飞行后的7名航天员的外周血淋巴细胞染色体研究显示,染色单体畸变与飞行前无明显差异,而染色体畸变显著升高,并且在一个航天员血样中发现了怪影细胞(r o u g e c e l l),即在一个细胞内产生许多染色体畸变㊂T e s t a r d等[10]对两次飞行后的7名航天员的外周血淋巴细胞染色体畸变进行了分析㊂在空间飞行14 21d的航天员,其染色体畸变率低于细胞遗传学可检出的下限(20m G y)所对应的数值,而飞行180d的航天员由染色体畸变估计的X射线当量剂量为95 455m G y,也发现怪影细胞显著增加,提示这些细胞受到高能重离子的辐射㊂Y a n g等[11]对M I R-18飞行的航天员的染色体畸变研究显示,染色体畸变也比飞行前显著增加㊂3.2 地面加速重离子的辐射生物效应低地球轨道由于地球磁场的屏蔽,给予重离子的关注较少,但在地磁场外飞行,重离子的影响变得十分重要了㊂与常规射线相比,重离子在物质中的输运有两大特点:(1)剂量分布曲线有B r a g g峰,射程岐离小㊁散射小等;(2)在输运过程中产生次级碎片,这些碎片的大部分的能量和方向都接近于原㊃702㊃第2期李文建等:空间辐射生物学研究进展初粒子㊂产生的次级碎片在原初粒子径迹周围沉积能量,使得重离子的径迹与γ射线的径迹结构产生很大差别,并导致高的相对生物效应(R B E)㊂因此,尽管重离子只占宇宙射线约1%,但引起的生物效应却相当可观,如F e离子,其丰度仅为0.02%,但是其对生物效应的贡献却达到了20%㊂W u等[12]用两种能量的S i和F e离子体外照射人成纤维细胞,以双核细胞的微核为生物终点,结果显示,该生物学终点效应的峰区出现在B r a g g峰区之前,而在B r a g g峰区微核率并未增加;但若以抑制细胞周期进程的指标即单核细胞与双核细胞之比为生物学终点,则该终点的峰区与B r a g g峰区一致㊂由此认为带电离子的能量转移在射程的末端急剧增加,而形成的B r a g g峰并不能直观地反映生物损伤,推测其可能原因是:生物效应同时被离子轨迹上的初级和二级离子所影响,同时生物终点不同,结果也不尽相同㊂G e o r g e等[13]分析了多种离子(H,H e,C,A r,F e和A u)诱导人外周血淋巴细胞内复杂染色体畸变情况,发现在0.2 1.5G y剂量范围内,复杂染色体畸变随剂量的增加而线性增加;L E T值小于100k e V/u时,该效应随着L E T 的增加而增加,当L E T值等于100k e V/u时,效应达到最大,此后随着L E T的增加而呈下降趋势㊂与常规射线和质子辐射生物学效应相比,高能重离子更能诱导复杂染色体畸变的产生㊂研究还表明,重离子比常规射线辐射诱导的染色体损伤严重,种类也多种多样㊂重离子还可以在细胞的有丝分裂期诱导特殊类型的畸变,这种畸变在其他的辐射类型中见不到,即染色体的蜕变[14]㊂续惠云等[15]研究发现重离子辐射能抑制家蚕卵的孵化过程,并表现出较好的剂量效应关系,同时还发现,部分没有孵化的蚕卵已经转青,提示辐射并不能完全抑制蚕卵发育的起始,而是将发育的进程终止在特定时期㊂M e r r i a m等[16]和W o r g u l等[17,18]用大鼠为研究对象,研究了X射线㊁A r离子和F e离子导致大鼠眼睛的晶状体混浊和成熟白内障的效应,发现加速离子引起白内障的发生率非常高㊂T a o等[19]研究了不同L E T(质子,N e,F e,N b,L a离子和γ射线)辐射对小鼠晶状体上皮细胞的损伤效应,得到R B E 与L E T和R B E与剂量的关系曲线,认为射线诱发白内障的能力与L E T及剂量相关,L E T越高剂量越大,诱发白内障的能力越强㊂M e d v e d o v s k y等[20]以小鼠为研究对象,研究了F e离子单次和分次照射诱发小鼠白内障的潜能,发现F e离子单㊁分次照射在诱发小鼠白内障的潜能方面没有区别,但较γ射线要强,且与剂量相关㊂同时他们还用屏蔽材料(P E)模拟机体的屏蔽效应,研究了F e离子通过屏蔽材料后诱发小鼠白内障的潜能㊂发现在屏蔽材料的作用下,F e离子单㊁分次照射在诱发小鼠白内障的潜能方面也没有区别㊂基因组不稳定性是一系列生物系统的变化,包括细胞死亡的延迟㊁基因扩增和突变的延迟等㊂研究发现重离子辐射能诱导子代基因组的不稳定性[21],O r r-w e a v e r等[22]认为辐射造成的基因组不稳定性使整个基因组处于一种损伤易感态,加速了其他损伤的发生与累积,因而产生恶性转化的倾向㊂研究也表明重离子照射能引起细胞致瘤性转化,如人支气管上皮细胞B E P2D细胞可无限增殖,但它在免疫抑制的宿主动物中不能形成肿瘤,用单次低剂量56F e离子照射后,转化的细胞经过一系列的变化,在裸鼠体内可生成肿瘤细胞[23,24]㊂R i c e等[25]认为在空间飞行中,很大一部分神经元会受到高能粒子影响,因此估算航空计划中辐射对人神经系统的损伤是必要的㊂他们使用m i c r o-P E T技术检测,关注高能重离子辐射后小鼠脑部葡萄糖的代谢情况㊂F e离子(600k e V/u)辐射,最高剂量240c G y,270d后,并未发现脑部代谢异常,显示高能重离子对脑部的代谢的影响并不是想象中那么大,但是这仅能反映代谢方面所受的影响㊂G r i d l e y等[26]用不同剂量的F e离子照射小鼠,照射后4d杀死,发现T细胞对脂多糖(l i p o p o l y s a c c h a-r i d e,简称L P S)的反应能力没有变化;随剂量增加,脾细胞分泌肿瘤坏死因子α水平升高,γ干扰素㊁I L2,I L4和I L5的表达未受影响;流式细胞仪分析发现,2和3G y照射时,脾细胞表达激活分子C D25和C D71的能力明显降低㊂表明单次整体照射明显改变了机体内的白细胞功能㊂W a n g等[27]将妊娠15d的W i s t a r大鼠暴露于C离子辐射(L E T 约为13k e V/μm,剂量为0.1 2.5G y)后,观察了子代出生后的神经生理学发育情况,结果在大脑皮质的外粒层发现了大量的细胞死亡现象,引起后代生长迟缓,主要器官形态畸形,反应能力减弱,且成年行为改变㊂近年来,S u n等[28]建立了对大鼠脑局部进行照射的模型,以研究重离子射线对脑组㊃802㊃原子核物理评论第27卷织不同部位的作用特点㊂3.3 辐射与其他环境因素的复合效应在航天活动中可能有多种环境因素对生物样本发生作用,因此还要考虑这些环境因素对辐射生物学效应的影响,特别是微重力环境对辐射效应的影响㊂为探讨空间微重力环境和辐射对家蚕蚕卵的生物学效应,祁章年等[29]在俄罗斯生物卫星舱内进行了卵生物叠实验,研究G C R s重离子作用于滞育期蚕卵的生物效应㊂蚕卵样本分为轨道飞行重离子击中组㊁轨道飞行重离子未击中组㊁地面力学环境模拟实验组与地面对照组㊂观察了各组第一代蚕卵的孵化率㊁发育过程㊁蚕茧重量和蚕蛹重量㊂结果发现,被重离子击中的蚕卵孵化率略高于未被击中的蚕卵孵化率,其它指标在各组之间无明显差异㊂这一结果印证了他们此前利用国内卫星搭载实验的结果[4]㊂同样,庄大桓等[30]也利用俄罗斯生物返回式科学实验卫星对蚕卵进行了生物叠试验,发现在太空微重力环境和被重离子穿射条件下,对解除滞育卵的胚胎发育和孵化率没有明显的影响㊂而续惠云等[15]采用地面加速的重离子辐射和模拟微重力环境处理家蚕卵,发现单独重离子辐射能抑制家蚕卵的孵化,在模拟微重力环境条件下卵的孵化时间比单独重离子辐射提前了3d,提示微重力环境和辐射的复合条件会影响家蚕的早期胚胎发育过程㊂高文远等[31]以藿香种子为材料,在返回式人造地球卫星上进行了种子生物叠实验㊂返回地面后研究藿香的过氧化物酶㊁酯酶和蛋白质的变化㊂样本分为未被重离子击中的微重力环境组㊁重离子击中组和地面对照组,发现微重力环境组材料的过氧化物酶㊁酯酶同工酶和可溶性蛋白质与地面对照组基本一致,而重离子击中组材料的这些指标与地面对照组有较明显的区别,表明微重力环境对藿香的影响小于高能重离子辐射㊂同时他们还对红花C. t i n c t o r i u s等材料进行了卫星搭载试验,发现微重力环境组和击中组与地面组材料的同工酶㊁蛋白质的电泳谱带有明显区别,且微重力环境组和击中组的电泳谱带之间也有明显区别[32],他们认为不同材料对空间环境影响的敏感程度不同㊂应该强调的是:在这些搭载试验中,重离子击中组同样处于微重力环境状态,因此重离子击中组的试验结果是重离子辐射和微重力环境共同作用的结果㊂H o r n e c k等[33]利用空间搭载实验和1g离心条件为空间对照,研究了微重力环境对空间辐射诱导D N A损伤修复的影响,发现在微重力环境和空间辐射的共同作用下,D N A损伤明显加重㊂这些表明微重力环境和重离子辐射对生物体的影响不是简单的相加或相减,而是相互作用的一种复合效应㊂K o t a n i等[34]发现微重力环境主要影响早期胚胎发育,而宇宙射线则主要影响了生长,且微重力环境和宇宙辐射有协同作用㊂R e i t z等[35]在 M i s s i o n D1”和 C O S MO S1987”研究了昆虫胚胎的发育情况,发现微重力环境条件降低了孵化率,辐射造成了结构异常,而复合效应造成了极高频率的结构异常㊂但是,也有报道认为微重力环境不会干扰辐射生物损伤效应[36],从而肯定了空间辐射在诱变上的重要性㊂4 结语自人类开始空间探索以来,空间辐射生物学一直是生物卫星和载人航天的重要实验内容之一,但迄今为止,空间辐射生物学的研究尚缺乏系统性,所选择的样本和实验结果在统计学上还缺乏说服力,研究的深度和广度还远远不能满足载人航天辐射危害评价和防护的需要,从而使载人航天安全尚存在很大的不确定性,尤其是对高L E T辐射成分的危害评价㊂这就需要进行更多㊁更深入的空间辐射生物学实验研究,进一步提高对空间辐射生物学效应的认识水平㊂目前,利用航天器的搭载条件和地面重离子加速器辐照条件进行的高能重离子生物学效应研究仍然是国际关注的热点㊂参考文献(R e f e r e n c e s):[1] B e n t o nE R,B e n t o nE V.N u c l I n s t r&M e t h,2001,184:255.[2] S e t l o w RB.M u t a tR e s,1999,430(2):169.[3] N a r i c i L.N e wJ o u r n a l o f P h y s i c s,2008,10:23.[4] C h e nM e i,Q i Z h a n g n i a n,L i X i a n g g a o,e t a l.S p a c eM e d i c i n e&M e d i c a l E n g i n e e r i n g,1993,6(1):19(i nC h i n e s e).(陈湄,祁章年,李向高等.航天医学与医学工程,1993,6(1):19.)[5] L iX i a n g g a o,Q iZ h a n g n i a n,C h e n M e i.S p a c e M e d i c i n e&M e d i c a l E n g i n e e r i n g,1996,9(6):417(i nC h i n e s 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