Радиобиология с основами радиоэкологии

Морфологические изменения растений. В изучении и анализе радиобиологических эффектов у растений важное место занимает описание разнообразных морфологических аномалий. В табл. 5.4. приведен довольно обширный перечень признаков, характеризующих морфологические изменения отдельных органов растений, которые могут возникать при действии ионизирующей радиации. Появление большинства из них объясняется возникновением в растениях химерности, являющейся следствием изменения схемы пространственного распределения клеток в облученных органах, например, появлением клеток с замедленной скоростью деления, изменением направления веретена деления, выпадением некоторых клеточных рядов вследствие гибели отдельных инициалей. Именно этими причинами можно объяснить изменение формы органа, его размеров, скручиваемость, морщинистость, дихотомию, фасциации. Об-

Таблица 5.4

Виды морфологических изменений органов растений при действии ионизирующих излучений

лучение может приводить к соматическим мутациям в отдельных клетках и органах, следствием которых может явиться возникновение измененных органов, в частности побегов, резко отличающихся от остальных на данном растении по листьям, размерам, окраске плодов и т.д.

Такие растения со всем основанием можно назвать «радиационными химерами», и именно с помощью ионизирующей радиации были получены первые индуцированные химеры у растений.

Увеличение размеров отдельных органов и их количества, отнесенное к морфологическим изменениям, следует отличать от описанной в предыдущем разделе радиационной стимуляции, где речь идет об увеличении размеров всего растения. В данном случае аномалии размеров и количества являются проявлением гиперфункций оставшихся неповрежденными либо оказавшихся поврежденными в меньшей степени, чем остальные, клеток, тканей, органов; следствием компенсаторных механизмов, включающихся в действие при потере функций у части клеток, тканей, органов. Так, гибель активно делящейся верхушечной почки и снятие апикального доминирования приводят к пробуждению находящихся в покое и поэтому обладающих более высокой радиоустойчивостью пазушных почек и образованию дополнительного количества побегов, листьев и цветков, в результате чего растение может приобретать совершенно не характерные для вида формы (рис. 5.1).

Изменение размеров плодов может быть следствием стерильности части цветков и уменьшения количества завязавшихся плодов. Нередко при полном опадании цветков и соцветий либо их стерильности растения, формируя очень крупные органы за счет перераспределения питательных веществ, накапливают вегетативную биомассу вдвое большую, чем необлученные.

Аналогично при гибели меристемы главного корня у растений со стержневым строением корневой системы активнее, чем у необлученных, развиваются боковые корни, что также может привести к ускорению роста и развития надземных органов. В результате лучевого поражения на листьях, стеблях, корнях, цветках и других органах растений могут появляться опухолевидные наросты (рис. 5.2).

В норме у растений опухолевидный рост наблюдается довольно редко, хотя и известны факты его индуцирования нематодами, насекомыми, некоторыми видами бактерий и вирусов. Но и работ о влиянии ионизирующей радиации на возникновение опухолей у растений имеется совсем немного и природа появления этих новообразований изучена недостаточно. По аналогии с механизмом радиационного канцерогенеза у животных также можно допустить, что причиной их возникновения явля-

Рис. 5.1. Многостволовые кустообразной формы 25-летние растения сосны, выросшие в зоне отчуждения после аварии на Чернобыльской АЭС (В.А. Кашпаров, И.Н. Гудков, 2009; Е.А. Игонина, 2010).

ется появление соматических мутантных клеток, обладающих высокой способностью к делению и инициирующих возникновение опухоли. Образование опухолей на осевых органах может быть следствием изменения упоминавшегося веретена деления клеток и появления в меристемах антиклинальных митозов. Имеется предположение о том, что причиной опухолевого роста может быть повреждение высокочувствительной к радиации фитогормональной системы, обусловливающее нарушение баланса фитогормонов активаторов и ингибиторов роста.

Разнообразнейшие морфологические изменения у растений наблюдали в зоне аварии на Чернобыльской АЭС летом и осе-

Рис. 5.4. Морфологические изменения у животных под влиянием γ-облучения: а – микрофтальмия левого глаза у крысы, б – мозговая грыжа у мыши; в обоих случаях облучение проведено на 9-10-й день эмбриогене -

за (П. Шварц, 1963; Д. Раф, 1990).

в различные сроки после облучения, описаны достаточно полно. Так, при облучении млекопитающих в стадии эмбриогенеза в раннем постэмбриональном периоде могут наблюдаться нарушения роста костей, диспропорции в развитии отдельных органов, в целом нарушение роста и развития, что в конечном счете приводит к возникновению различных уродств (рис. 5.4), иногда называемых тератогенными изменениями (от греческого слова toratos – чудовище, урод; тератогенез – возникновение уродств и аномалий развития у растений, животных и человека, вызванное повреждающим действием внешних факторов – тератогенов). Облучение взрослых особей может вызывать появление всевозможных язв (как в случае с А. Беккерелем) с последующим образованием на их месте рубцов, пигментацию и депигментацию кожи и волосяного покрова, прекращение роста и выпадение волос. Описано множество других эффектов, изменяющих характерный облик животного: прекращение роста роговых образований и их отслоение, возникновение катаракт, получивших название лучевых, всевозможные изменения размеров и формы отдельных органов, различные степени дистрофии и многие другие. К этому типу эффектов облучения относится и возникновение под влиянием радиации опухолей на различных органах.

5.1.3. Лучевая болезнь

Лучевая, или радиационная болезнь – это нарушение под влиянием ионизирующей радиации жизненных функций орга­

низма, выражающееся в разнообразных, как правило, неспеци­ фичных физиологических, биохимических и морфологических изменениях во всем организме, нередко с преимущественной локализацией в том или ином органе.

Кроме величины дозы, проявление разнообразных признаков лучевой болезни зависит от многих факторов и прежде всего – от способа облучения (общее или локальное, внешнее или внутреннее), его вида (однократное или фракционированное, острое или хроническое), типа (редкоионизирующее или плотноионизирующее) и пространственного распределения дозы (равномерное или неравномерное).

Лучевая болезнь растений. Из чисто прагматических соображений лучевая болезнь растений как определенный биологический эффект обычно не выделяется. Даже термин «лучевая болезнь растений» в радиобиологической литературе практически не встречается, но она существует и характеризуется определенным комплексом неспецифических признаков.

Безусловно, описанные в предыдущем разделе морфологические изменения растений под влиянием ионизирующей радиации можно отнести к признакам лучевой болезни. Однако в этом случае внимание акцентировано преимущественно на таких признаках, как торможение деления клеток, задержка роста и развития, нарушение различных физиолого-биохимиче- ских реакций.

Торможение деления клеток меристематических тканей – это первый наряду с некоторыми быстро наступающими биохимическими нарушениями обнаруживаемый после облучения растений эффект. Его можно зарегистрировать раньше, чем появление цитогенетических повреждений по задержке вступления клеток в очередную фазу клеточного цикла. Наступление задержки деления зависит от видовой радиочувствительности исследуемого объекта и дозы облучения. У конских бобов и гороха, например, его удается зарегистрировать уже через несколько часов после γ-облучения в дозе 0.5–2.0 Гр.

Первым визуальным обнаруживаемым показателем – прямым следствием задержки клеточных делений – является торможение роста растений или отдельных органов. Но, конечно, как и ингибирование клеточного деления, торможение роста представляет собой вторичную реакцию растения на облучение.

Вследствие слаженности ростовых процессов и их зависимости от многих реакций, на которые может действовать излучение, расшифровка истинных причин торможения роста весьма затруднительна. Этим объясняется обилие разных гипотез о причинах торможения роста растений при облучении. Одни исследователи связывают его преимущественно с угнетением синтеза активаторов роста, другие – с накоплением ингибиторов роста и отдельных метаболитов вторичного происхождения,

также обладающих ингибирующим действием, третьи – с нарушением баланса между ними, четвертые в основу всего ставят повреждение синтеза ДНК. Все перечисленные процессы взаимосвязаны и имеют место в облученном растении.

Безусловно, под влиянием ионизирующей радиации в растении изменяются обмен веществ и многие биосинтетические процессы. Но разнообразные нарушения метаболизма, приводящие к лучевой болезни, в большинстве случаев невозможно свести к одной причине. Имеются основания полагать, что нарушения метаболизма, обычно проявляемые на уровне тканей, органов и целого организма, отражают либо прямое действие радиации на дифференцированные ткани, либо опосредованное действие через повреждения делящихся клеток меристем, продуцирующих аномальные ткани. Первый эффект обычно достигается при более высоких дозах излучений, чем второй. Оба они различаются также и по времени проявления в пострадиационный период.

Нарушение обмена веществ у растений, выросших из облученных семян, может проявляться лишь с развитием проростков спустя значительное время после облучения. Оно отражает, несомненно, первично возникающие повреждения клеток зародыша. В данном случае искажение метаболизма обусловлено накоплением соматических мутаций и нарушениями морфологической и тканевой структуры органов растений.

Биохимические изменения при облучении вегетирующих растений обусловлены повреждением ферментативных систем и отдельных органелл дифференцированных клеток (рибосомального аппарата, митохондрий, пластид, эндоплазматического ретикулума), нарушением регуляторных связей, определяющих коррелятивную соподчиненность функций отдельных органов и, в известной мере, нарушением деятельности образовательных тканей. Такие изменения проявляются уже через несколько часов после облучения. Повреждение апикальных меристем при этом играет решающую роль в нарушении связей не только между отдельными группами клеток и тканей, но и между отдельными органами. При дозах, близких к полулетальным (для большинства радиочувствительных растений семейств сосновых, бобовых, лилейных это всего 4–12 Гр), все эти нарушения регистрируются очень быстро и у части растений уже через сутки можно наблюдать практически полную остановку деления клеток и ростовых процессов. Еще на протяжении порой нескольких недель могут поддерживаться процессы фотосинтеза, дыхания, минерального и водного обмена. При лучевой болезни растений повышается их чувствительность к инфекционным заболеваниям, понижается устойчивость к неблагоприятным факторам, снижается потребность в элементах питания, ослабляется способность к воспроизводству, снижается продуктивность.

Существует мнение, что пораженные растения нельзя использовать в пищу, так как они якобы могут вызывать лучевую болезнь или отравление человека и животных. Это мнение неверно и ничем не обосновано. В настоящее время известны десятки технологий пастеризации, консервации, дезинфекции продукции растениеводства и животноводства, в основе которых лежит ее облучение ионизирующей радиацией, как правило, в очень высоких дозах. Медико-гигиенические исследования облученных продуктов, проведенные в разных странах, показали их полную безвредность.

Лучевая болезнь животных и человека, признаки ее проявления, лечение и другие особенности ввиду особой важности этого раздела радиобиологии будут рассмотрены отдельно в главе 11.

5.1.4.Ускорение старения

исокращение продолжительности жизни

Этот радиобиологический эффект также универсален для живых организмов самых разных таксономических групп. Существует прямая количественная зависимость между дозой ионизирующего излучения и степенью сокращения продолжительности жизни. Однако, как считают геронтологи, ускорение старения и сокращение продолжительности жизни не обязательно являются отражением одного явления или следствием одного из другого. Так, уменьшение длительности жизни может быть результатом перенесенной лучевой болезни, индукции лейкозов и опухолей, ослаблением иммунитета, но ни в коей мере не связано с механизмами истинного старения.

Но что же такое старение? Авторитетнейшее издание «Биологический энциклопедический словарь» 1989 г. дает следующее определение данному понятию: «Старение – это законо­ мерный разрушительный процесс возрастных изменений орга­ низма, ведущий к снижению его адаптационных возможностей и увеличению вероятности смерти». Старение присуще всем организмам и протекает на всех уровнях организации живого – от молекулярно-генетического до организменного и даже популяционного. На молекулярно-генетическом уровне характерными особенностями старения, свойственными, по-видимому, всем организмам, являются следующие: необратимые нарушения ДНК, неравномерные изменения в синтезе РНК и белков разных классов, изменения в передаче наследственной информации, нарушения в образовании, транспорте и использовании энергии, снижение активности систем антиоксидантов, микросомального окисления, падение интенсивности процессов синтеза и медиаторов и гормонов, ослабление работы систем восстановления и в первую очередь репарации.

Ведущими признаками старения на клеточном уровне являются падение числа митохондрий в клетках, нарушение функций лизосом, изменение электрических свойств мембран, ионного транспорта, дегидратации коллоидов протоплазмы, снижение лабильности клеток и их реакции на воздействие физиологически активных веществ. Все это приводит к уменьшению скорости клеточного деления, дегидратации и гибели части клеток, как интерфазной, так и репродуктивной, опустошению клеточных популяций постоянно обновляющихся тканей.

Старение высших животных на организменном уровне проявляется в ослаблении функций основных физиологических систем организма (нервной, эндокринной, сердечно-сосудистой, пищеварительной и других), снижении контроля над их деятельностью, изменении реактивности к действию гормонов, нарушениях на этапе поступления информации в нервные центры.

Старение растений хотя и обладает определенной спецификой проявления возрастных признаков, заметной особенно на организменном уровне, в целом также характеризуется ослаб­ лением функций основных физиологических систем (фотосинтеза, дыхания, транспорта элементов питания и метаболитов, водообмена и др.), расстройством систем регуляции, изменением реактивности к действию фитогормонов, преобладанием в их синтезе фитогормонов-ингибиторов.

Практически все перечисленные процессы и на молекуляр- но-генетическом, и клеточном, и организменном уровнях являются объектами пристального внимания радиобиологии, так как все они реагируют на облучение ионизирующей радиацией и при высоких дозах подавляются ею. Именно это и ускоряет процессы естественного старения организма.

К сожалению, процесс старения даже в норме до настоящего времени изучен плохо и существуют лишь единичные критерии, которые можно использовать при решении вопроса о том, происходит ли под влиянием облучения живых организмов ионизирующей радиацией ускорение старения или облучение вводит новый фактор, вызывающий уменьшение продолжительности жизни. Так, в геронтологии существует интересная теория, согласно которой старение является следствием мутаций, обусловливающих все вышеперечисленные дегенеративные процессы, характеризующие старение. А то, что облучение индуцирует увеличение соматических мутаций, например аберраций хромосом в делящихся клетках самых различных тканей растений и животных, является одним из первых достаточно легко обнаруживаемых признаков действия ионизирующей радиации и давно используется радиобиологами в качестве одного из первых визуально легко регистрируемых критериев радиа­ ционного поражения.

Облучение приводит к ошибкам в синтезе нуклеиновых кислот и белков, синтезу их молекул с меньшей молекулярной массой, усилению процессов протеолиза и многих других процессов, представляющих собой явно ускоренные характерные признаки старения и позволяющие рассматривать радиационное поражение как быстро наступающее старение. Именно с этой точки зрения рассматривал происходящие в облученных клетках процессы один из основоположников отечественной медицинской радиобиологии М.И. Неменов, впервые описавший в 1933 г. этот радиобиологический эффект.

И для высших растений выявлено много характерных признаков, свидетельствующих о том, что облучение ускоряет процессы их старения. Под влиянием ионизирующей радиации в растениях отмечаются более быстрая утрата зон роста, повышение темпов дифференциации клеток, в них происходят жировое перерождение протоплазмы, образование крупных вакуолей, отложение целлюлозы на оболочках в течение более коротких промежутков времени, чем у необлученных растений. Такие растения быстрее развиваются, раньше зацветают и созревают, хотя по размерам и продуктивности могут значительно уступать необлученным.

Тем не менее, хотя старение растений и имеет много общего со старением животных, оно отличается некоторыми специфическими особенностями, нередко затрудняющими у них идентификацию признаков старения. Это обусловлено, с одной стороны, тем, что наряду с существованием видов растений, все органы которых стареют и гибнут одновременно (как у животных), у большинства видов высших растений происходит циклическое отмирание отдельных органов при сохранении жизнеспособности других. С другой стороны, многие виды растений обладают особой способностью на определенном возрастном этапе либо при воздействии экстремальных факторов, в том числе и ионизирующей радиации, к новообразованию отдельных органов, вплоть до нового стебля и корня, которое может периодически повторяться на протяжении жизни.

Поэтому при облучении растений в дозах, приводящих к гибели активно пролиферирующих меристем, но сохраняющих жизнеспособными меристемы покоящихся почек, может происходить отрастание новых побегов. В этом случае наблюдаются своеобразное «омоложение» растения (прием, широко применяемый в садоводстве и парковой культуре) и видимое увеличение продолжительности его жизни. Растения созревают позднее необлученных примерно на период, равный промежутку времени между началом прорастания семян и временем облучения, потому что в такой ситуации процесс прорастания семян вполне сопоставим с пролиферацией побега из выжившей покоящейся почки.