辐射生物物理学
出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第887页（4652字）
研究电离辐射生物学作用的学科(Niemann，1982)。
它主要研究辐射对生物系统作用的基本的物理、化学原初过程和规律，而不是个别生物或组织的具体效应。
人类及地球上的一切生物一直处在各种辐射的轰击之下，生命起源与物种进化都同辐射密切相关。很显然，随着核能的利用与核技术在医学、农业、食品保藏及科学研究中应用的日益广泛，辐射将继续是人类生活中的一大环境因素。由于电离辐射的生物学效应复杂多样，能治癌又能致癌，能抑制也能促进细胞分裂与生长，能致突变亦能诱导生物对损伤的修复功能等等。
面对如此多样的效应和奇特的“双重性”，必须从辐射对机体影响的最基本作用中寻找共同规律，才能深入揭示辐射与细胞及生物大分子相互作用的基本过程并最终阐明其作用的本质。同时，这类研究对于了解最基本的生命现象(例如生物对有害环境因素的反应，遗传信息的保持和修复等)和阐明癌变、突变及衰老的分子过程也有重要意义。
因此，日本“人类前沿科学计划”和美国NRC《生物学中的机会》(1989)对此均给以高度重视。
19世纪90年代发现X射线(Roentgen，1895)和天然放射现象(Becquerel，1896；Curie夫妇，1898)后，电离辐射强烈的生物效应立刻引起物理学家、化学家和生物学家的注意，促进了多学科间的交流和合作，因此在20世纪初便产生了辐射生物物理学生物物理学最老的分支之一(Künkel，1972)。
继初期的上述观察之后是定性辐射生物学时期。其特点是强调形态学研究，而且基本上是纯实验研究。
但即使那时也作出了重要观察，其中一些至今仍未完全阐明，如1921年Holthusen发现的氧效应；又如20年代Christen提出高能辐射生物学作用与组织吸收的能量密切相关的设想，促使物理学家研制出最早的剂量测量法并开创了定量辐射生物学的基础。1927年，Müller证明X射线能诱发果蝇突变。
这一发现不仅说明辐射防护的重要，对农业及遗传学研究也有重大意义，从而使本学科发展达到又一高峰。
定量辐射生物物理学发展的特点是应用数学和统计学方法解释实验结果(Blue等，1922；Dessauer，1923)。辐射作用被作为机体吸收辐射能量(剂量)的函数来研究，试图从剂量效应曲线形状的数学分析，从宏观计算结果推断基本过程，得出有关作用机理本质的结论。
这种解决途径最后导出了“击中”学说(Timofeeff－Resovsky和Zimmer，1947)和“靶”学说(Lea，1946)。尽管这两种学说都有局限性，但对辐射作用的现代理论性探讨仍有重大影响。
如果说这门学科前40年的形成和发展主要取决于医学需要，那么从20世纪40年代起，核反应堆和核武器的出现则促进它的迅速成长。
由于核武器的威胁，辐射防护研究得到加强；由于核反应堆能生产大量人造放射性核素，促进了核技术的广泛应用。50年代后，有了可靠的放射源、统一的剂量和一整套细胞生物学定量技术，特别是Puck和Marcus(1955)首次建立哺乳动物细胞培养术并测定其辐照存活曲线后，细胞辐射生物学取得了长足的进步。
Barendsen等(1963)和Todd(1967)证明，细胞对不同类型辐射的敏感性不同，表明辐射能量沉积空间分布的重要性(物理阶段)。1971年，Adams和Chapman等关于缺氧细胞化学增敏剂的研究导致放疗的改进(物理化学及化学阶段)。特别有意义的是1959年Elkind等发现哺乳动物细胞接受分次照射时可出现减弱(sparing)效应，说明活细胞能修复部分损伤。这无疑对生物界具有普遍重要性。
进一步研究查明，细胞恢复过程发生于分子水平，由此开创了60年代末至70年代兴起的DNA损伤与修复研究的热潮。
80年代以来，随着DNA作为辐射关键靶分子的观点已被接受，DNA损伤修复的研究受到广泛重视并取得快速进展。
其中重要进展包括：(1)长期以来人们将DNA看成是一个均一的单位，由此发生随机的损伤和修复。
这种观念现已被基因组内损伤的非随机分布和修复的不均一性所代替；(2)哺乳动物和人的DNA修复基因的分离和克隆难度较大，但已取得重要进展。
1984年，Westerreld等分离并克隆出第1个人的DNA切除修复基因以来已陆续克隆出一批修复基因(Lehmann等，1992)；(3)运用基因转移技术和辐射敏感突变细胞进行人类DNA修复基因的染色体定位和分子克隆获得成功，对DNA修复缺陷症的基因治疗提上了议事日程；(4)已发现众多的修复酶，其中较重要的有polyβ、TopoⅠ和Ⅱ。这些进展无疑将人类DNA损伤与修复研究向前推进了一大步。
关于辐射生物学作用的原初过程，通常认为，从快速粒子穿过原子所开始的最原初物理事件(10－18s)到可能在照射后几十年(～109s)才出现的癌症和遗传性死亡，其时间跨度达27个数量级。整个时间进程可分为4个阶段(Boag，1975；Chadwick等，1981)：物理阶段(10－18～10－12s)、物理化学阶段(10－12～10－9s)、化学阶段(10－9～100s)和生物阶段(100～109s)。
所谓原初过程一般可理解为1秒钟内发生的那些过程。原初反应是瞬时发生的，研究难度很大，但80年代以来进展加快，这主要由于研究方法的改善。
目前已能应用10－9～10－12s级的脉冲辐解和激光光解技术。同时为了解决室温下水溶液体系的ESR研究，发展了自旋捕捉技术和时间分辨的ESR技术。
这些技术连同快速混合技术，使得从10－11～10－2s范围内实现了互相衔接的配套技术，从而可研究细胞内许多瞬态中间产物的结构变化与动力学过程并取得许多新结果。例如，过去认为辐射与化学致癌的机理不同，近年应用上述技术发现二者均能使机体产生自由基攻击DNA而致癌(Dizdaroglu等，1989)。
对于细胞存活曲线的数学描述，不断推出新的模型。1987年Goodhead曾列举并评价1972～1986年间不同学者提出的9种模型(实际已提出的模型更多)，其中8种属于二元或多元作用理论范畴，另一种为修复模型。
目前常用的模型有3种：(1)多靶单击模型，(2)带初斜率的多靶单击模型，(3)线性平方模型。1971年，katz也用多靶单击方程结合径迹结构理论描述细胞对不同辐射的剂量效应关系，把靶学说的抽象数学形式与射线穿过物质时发生的能量沉积过程的物理学描述联系起来。
线性平方模型是1972年Kellerer等建立于微剂量学背景上的“二元辐射作用理论”模型，认为不同生物效应都取决于比能平方，而损伤是成对的亚损伤相互作用的结果，但所得真核细胞靶或位点的大小(0．5～2μm)比1978年Goodhead用特软X线所得结果大得多，被认为不适用于哺乳动物细胞。1981年，Chadwick等推出辐射作用的分子理论，也得到线性平方模型，但解释不同，方程参数涵义亦不同，其假设的核心是：DNA双链断裂(d s b)是导致各种终点效应的关键损伤。1986年，Curtis提出LPL模型认为，辐射的致死性损伤经历物理的(沿径迹的电离作用)、化学的(自由基产生)及生物的3个过程。前两个过程在0．1s内完成并引起DNA预损伤，若两个损伤非常靠近，可产生致死损伤，否则是潜在致死损伤(PLD)，后者未经固定则可修复，若经固定则导致死亡。
该模型又叫统一的修复模型。应用上述3种常用模型，1983年李冬华等用γ辐照Hela细胞实验结果发现，以模型(2)的拟合最好；1985年丘冠英等对水稻种子的辐照实验表明，模型(2)和(3)的拟合较好，但模型(3)具有参数少且参数的生物学意义更明确等优点，因而是3个方程中的最佳拟合方程。
该模型现已得到相当广泛的支持。
此外，关于重离子生物学作用、低剂量辐射的兴奋效应(hormesis)以及辐射作用的修饰等领域的研究近年也取得较快进展。
正如Alpen在其《辐射生物物理学》(1990)一书的导言中所说：“过去的10年，辐射生物学研究的发展类似于1895～1905年时期，后者是辐射与放射性发现的黄金时代”，“现在正处在重要发现的新周期的边缘”。展望本学科的未来，有以下若干发展趋势与热点值得重视：(1)进一步提高辐射研究时间分辨技术，向10－15s以至更小秒级发展，以加速原初过程研究并促进自由基生物学的发展。
(2)探明辐射诱发DNA或功能基因损伤的分子过程及辐射致突、致癌的分子机理，DNA分子损伤尤其是dsb和其他团簇损伤与生物终点效应的关系。(3)基因水平的DNA修复研究，特别是修复基因的分离与克隆，修复基因的选择性作用及其调控机理研究将带动整个DNA修复研究，成为当前研究热点之一。
(4)低剂量辐射兴奋效应的分子机制及辐射生物学作用是否存在阈值的研究。(5)鉴于重离子的独特性质及其与太空飞行的关系，重离子辐射生物学作用的研究与应用将受到更大重视并取得突破性进展。
(6)辐射在医、农及食品保藏等主面后应用将有更大发展。
。【参考文献】：1 Lea D E. Actions of Radiation on Living Cells, 2nd ed. New York:Cambridge University Press, 1955
2 Kunkel H A. Biophysie, 1972,8:83-87
3 Chadwick K H,et al. The Molecular Theory of Rodiation Biology, Springer Verlag: Berlin - Heidelberg, 1981. Chap. 1,10
4 丘冠英，等．植物突变育种专辑．原子能农业应用(增刊)，1985，216～224
5 Alpen E L．Radiation Biophysics，New Jersey，Printice Hall，1990，4～5∶111～142
6 丘冠英，等．辐射生物物理学．武汉：武汉大学出版社，1990，1－4∶87～108
7 Arrand J E，et al．Int J Radiat Biol，1992，61∶717～720
8 Olive P L，Int．J Radiat Biol，1992，62∶389～396
(武汉大学丘冠英教授撰)