本底辐射与生物的生长、发育、衰老和疾病有着密切的关系。近三十年来, 随着辐射低剂量兴奋性效应、旁效应和超敏效应的发现和确认, 辐射生物效应多样性给传统辐射生物剂量生物效应的阈值模型、线性非阈值模型、线性平方模型和理论带来挑战和机遇^[1-6]。与辐射有关的生物医学理论不断提出, 辐射生物医学的领域不断拓展。辐射和抗辐射酶、抗辐射物质的二重性和机制等研究等已成为辐射生物医学领域共同关注的问题。辐射剂量生物效应关系一直是辐射生物学和辐射毒理学的核心问题之一。统一辐射剂量生物效应关系是个复杂非线性关系。建立一个统一辐射剂量生物效应理论和理论模型, 一方面, 需要从理论上给出辐射生物效应多样性的哲学基础、化学基础和数理基础, 另一方面需要建立一个统一剂量辐射生物效应理论模型框架, 定量描述和解释这一现象。本文在总结文献研究结果的基础上, 提出的辐射生物效应基本原理, 建立一个统一辐射剂量生物效应理论和理论模型。

1 辐射剂量生物效应理论的基本内容 1.1 生物系统是开放的复杂自适应巨系统原理

生物系统形成分层的复杂网络系统, 具有复杂系统的普适性质:开放性、非线性、分层性、多样性、涌现性、演化性、稳健性、自组织性、自适应性、不可逆性、分形性、标度性等。

1.2 生物系统与辐射相互作用的复杂自适应系统原理

生物与辐射背景长期的双向相互作用, 使生物进化过程中形成从物质基础到结构功能有利于健康和生存的生物防御机构, 本底辐维持其生命系统的内稳态从分子、细胞、组织、器官、整体等层次形成了对辐射反应的物质基础和正负反馈机制, 如分子、细胞应激系统和稳态系统。辐射是基因表达和生物信号系统传导调控因素之一, 具有生物学效应的二重性:有害的生物效应F₁(D)和有益的生物效应F₂(D); 有害和有益的生物效应取决于机体状态、环境和和剂量。生物从生物分子和生物系统层次形成了互补的应对辐射剂量的双向效应的生物分子和系统基础。

1.3 生物体系存在共轭对称物质和双系统原理

生物长期生存在不断变化环境中, 为适应剧烈变化的自然和人工环境辐射、经历长期的进化, 生物和生物系统从分子、细胞、组织、器官、整体、群体等层次形成了应对剧烈环境辐射变化的物质基础和系统基础, 最重要的是生物从生物分子和生物系统层次形成了应对辐射的对称互补的物质基础和双系统基础, 可以称为"生物和生物系统的共轭对称物质和双系统原理"。生物和生物系统的共轭对称物质和双系统原理是辐射生物学效应二重性的物质和机制基础。有害的生物效应和有益的生物效应分别存在对应共轭对称的物质分子基础和调控系统基础, 有害和有益的生物效应取决于机体状态、环境和剂量, 主要取决于辐射的剂量。

1.4 生物辐射刺激最优剂量原理

生物辐射剂量生物效应关系普遍存在倒U型曲线特征, 在本底辐射剂量范围内存在最佳适应剂量, 存在辐射剂量生物效应基本函数。辐射剂量生物效应基本函数符合必需性微量元素的Weinberg曲线模型, 其微观机制由辐射双向生物学功能所决定^[7]。适度剂量的辐射是由生物维持内稳态所必需的, 由系统正、负反馈机制决定的。缺乏和过度都对生物产生损伤反应, 前者为辐射缺乏综合症, 后者为辐射过度综合症。

1.5 辐射刺激的对数剂量转换原理

辐射刺激对生物网络的作用是分层分级进行的, 数学分析可以证明:其累积效果相当于生物对外界辐射刺激剂量D产生对数转换作用lnD。即生物体系对外源性刺激量存在刺激量对数转换器。当刺激剂量比效应反应量级相差较大时, 对数剂量可由剂量近似代替。

1.6 辐射刺激剂量生物效应的非线性自催化模式原理

辐射生物效应E (D)的二重性的复杂性, 辐射生物效应E(D)呈一级和多级非线性自催化模式。全剂量辐射呈复杂的多样性效应:一般损伤效应、低剂量兴奋性效应、旁效应和超敏效应。辐射剂量生物效应的定量关系呈:线性、线性平方、S型、J型、∩型、和U型等曲线类型。

2 辐射剂量生物效应理论模型

基于辐射剂量生物效应6个基本原理, 本研究给出2个完整辐射剂量生物效应基本理论模型, 并用于辐射生物多样性效应的定量描述和理论解释。该理论的基本方程为

1)

2)

k₁D为有害抑制效应的动力项, k₂D²为有益的兴奋效应项或抑制效应阻力项。公式(1)和(2)式积分得到一级和多级作用的完整辐射剂量生物效应理论的定量模型:

3)

4)

对公式(3)作数学变换和处理, 可得到:辐射剂量生物效应的基本函数的一般形式:

5)

公式(4)作数学变换, 可得到多级作用的辐射剂量生物效应的基本函数的一般形式:

6)

在生物体系存在促辐射损伤物质和抗损伤辐射物质的情况下, 利用辐射剂量生物效应的基本函数, 一级和多级作用的全剂量生物辐射生物效应谱Y统可用非线性网络作用模式描述, 可以建立辐射剂量生物效应的一般方程组。

7)

8)

公式(7)、(8)中E_1i, k_1i, E_2i, k_2i分别为促辐射损伤物质和抗损伤辐射物质的剂量效应函数和系数。E_3g、k_3g分别为内源性和外源性物质物质的剂量效应函数和系数, 作为干预和调节物质, 增加系统的复杂性。在适度范围内, 公式(7)、(8)保持平衡, 生物机体健康; 若失衡, 导致疾病。在给定的辐射剂量生物效应的基本函数、促辐射损伤物质和抗损伤辐射物质的剂量效应基本函数等条件, 可以利用辐射剂量生物效应的一般方程组:公式(7)、(8), 进行计算机仿真模拟计算, 进一步验证方程的合理性和实用性。

3 辐射剂量生物效应理论模型分析应用

根据辐射剂量生物效应理论的一般模型:对公式(3)、(4)、(5)、(6)作数学近似处理, 可得到文献中各种辐射剂量生物效应的定量关系:线性, 线性平方、S型、J型、∩型、和U型等模型。

以公式(3)式为例说明如下, 做Toyler展开等数学处理:当a ﹥ 0, b ﹥ 0为常见线性, 线性平方和S型曲线, 即常见的辐射剂量-效应定量关系; a ﹥ 0, b < 0, |b| < a时, 为∩型曲线, 即所谓的辐射超敏效应的定量关系; a ﹥ 0, b < 0, |b|> a时, 为U型曲线, 即辐射低剂量兴奋效应的定量关系, 若此情况下作Toyler展开, 可得到E (D)=α₀+α₁D+α₂D², 此公式正是T. D.Luckey提出的完整辐射剂量生物效应曲线模式。

根据辐射剂量生物效应模型的一般方程组:由公式(7)、(8)的生物系统网络相互作用, 机体内的促辐射损伤物质和抗辐射损伤物质迁移和信号传导可以解释辐射旁效应。

总之, 完整辐射剂量生物效应理论模型可定量完备描述各种类型的辐射剂量生物效应。亦可称为辐射生物效应多样性的统一辐射剂量生物效应理论模型。

该理论模型具有特点如下:①能统一的概括各种辐射剂量生物效应的定量关系, 使辐射生物效应的多样性成为该理论模型的自然推论。②给出辐射生物效应多样性的理论解释和产生条件及适用范围。③提出辐射刺激二重性的普遍性及适度辐射刺激的生物必需性。④提出提出的辐射生物效应的6个基本原理具有普适性。同样适用于其他广义刺激; 物理因子、化学因子、生物因子、心理、药物、毒物、信息等剂量生物效应关系^[8-10]。⑤可以推论:建立的辐射剂量生物效应理论和模型同样适用于其他广义刺激; 物理因子、化学因子、生物因子、心理、药物、毒物、信息等剂量生物效应关系, 只需将理论和理论模型中的"辐射"替换为"其他刺激因子"即可, 该模型可称为"广义刺激剂量生物效应理论模型", 是广义刺激剂量效应多样性的统一模型和系统机制, 统一模型和系统机制也可以解释辐射刺激和其他刺激的交叉适应性和耐受性。

可以预期建立的完整辐射剂量生物效应理论和模型、广义刺激剂量生物效应理论和模型一旦成为一种理论用于辐射和医学实践^[11], 将会对辐射卫生防护和疾病防治产生重要影响。