Радиобиология с основами радиоэкологии

Но, конечно, в конкретном случае нельзя говорить о какомлибо истинном омолаживающем действии ионизирующей радиации, так как здесь имеют место вторичные явления, обусловленные спецификой и функциональной организацией растений. Кроме того, эти растения практически всегда несут определенные признаки радиационного поражения, так как формируются из почек, хотя и выживших, но все же поврежденных ионизирующей радиацией.

Особый интерес представляет влияние облучения на ускорение процессов старения в покоящихся семенах. Данное явление состоит в том, что с увеличением промежутка времени между облучением семян и их прорастанием всхожесть, последующее развитие растений и их жизнеспособность снижаются в большей степени, чем у необлученных. Оно получило в радио­ биологии название «эффект хранения».

Существует гипотеза, объясняющая эффект хранения распадом и рекомбинацией в пострадиационный период индуцированных облучением свободных радикалов и повреждением при этом биологически важных молекул. Однако эти процессы происходят сравнительно быстро – в течение часов, недель, максимум нескольких месяцев, а эффект хранения с годами даже усиливается.

Сейчас известно, что процесс естественного старения семян является итогом окисления компонентов клетки в процессе дыхания. Этот биохимический механизм приводит к ослаблению метаболизма, потере сухого вещества, в результате чего при полном окислении всего дыхательного материала семена полностью теряют жизнеспособность. Облучение ионизирующей радиацией приводит к сдвигу большинства химических и биохимических реакций в клетке в сторону окисления, о чем, в частности, может свидетельствовать усиление дыхания облученных семян и ускорение процессов старения. Факторы, ингибирующие ход естественного старения семян, например, уменьшение содержания кислорода в атмосфере хранящихся после облучения семян, снижение влажности, температуры значительно ослабляют эффект хранения.

5.1.5. Гибель

При высоких дозах облучения, когда выздоровление от лучевой болезни, т.е. от последствий радиационного повреждения оказывается невозможным, наступает гибель, или смерть – прекращение процессов жизнедеятельности организма как обособленной целостной системы.

Смерть животных, в частности теплокровных, обусловлена в первую очередь прекращением дыхания и кровообращения. В соответствии с этим выделяют два этапа гибели – клиническую и биологическую, или истинную смерть. По окончании пе-

риода клинической смерти, которая у разных видов животных может длиться от нескольких десятков минут до нескольких часов и когда еще возможны вмешательство в ход радиационного поражения и восстановление жизненных функций, наступает биологическая смерть – необратимое прекращение физиологических процессов во всех клетках и тканях организма.

Ввиду того, что, как выше отмечалось, у многих видов растений старение различных органов происходит неодновременно и многие из них способны к новообразованию отдельных органов, точная оценка момента гибели растения, в отличие от животного, весьма затруднительна. Более того, многоклеточные растения состоят из клеток и тканей, в значительной степени, а порой и в сотни раз различающихся по радиочувствительности и, следовательно, теряющих способность к выполнению своих функций при различных уровнях радиационного повреждения. Это также осложняет оценку их выживаемости. Так, например, устойчивость к облучению дифференцированных клеток листа обычно в десятки раз превышает радиоустойчивость клеток его меристем. При облучении последние могут погибать, теряя способность к делению. Это сопровождается прекращением роста листа – увеличения его размеров. Но дифференцированные клетки сохраняют способность к некоторым физиологобиохимическим процессам, например, фотосинтезу, дыханию, водообмену, поэтому на протяжении недель-месяцев часто не удается зарегистрировать видимую гибель растений. Так, явные признаки гибели печально известного «рыжего леса», получившего смертельную дозу во время аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г. на протяжении апреля-мая, стали очевидными лишь в конце года.

Даже в случае облучения растений в очень высоких дозах, во много раз превышающих летальные, полностью подавляющих деление во всех образовательных тканях и, соответственно, полностью ингибирующих ростовые процессы, они долгое время могут оставаться жизнеспособными, сохраняя функцио­ нирование некоторых систем. На этой уникальной особенности растений основан экспериментальный прием получения особых проростков, лишенных меристем. Они получили название «гамма-проростков» или, точнее, «гамма-растений» (gam­ ma-plantlets) и используются для изучения особенностей функционирования некоторых физиологических и биохимических систем растений в отсутствие делящихся клеток.

Тем не менее, поскольку в конечном счете растения погибают после гибели образовательных тканей, то весьма удобно регистрировать их выживаемость именно по данному признаку. Цитологически это можно довольно легко обнаружить уже через 2–3 сут. после облучения – в меристемах исчезают митозы. А при высоких дозах, блокирующих переход клеток к ми-

тозу, – даже через несколько часов. Во многих случаях констатировать гибель меристем можно и визуально – через 6–10 сут. наблюдается специфическое побурение кончиков корней, их опушенность в зоне роста; побурение меристем побегов можно обнаружить, раскрыв укрывающие их листочки.

При облучении в дозах, измеряемых десятками тысяч грей, процесс гибели растений развивается очень быстро. В течение нескольких часов после облучения или во время него во всех типах клеток происходит полная деградация содержимого, наблюдается отставание цитоплазмы от клеточных стенок, прекращаются все процессы метаболизма, вслед за чем растения быстро увядают и усыхают. Это уже упомянутый вид быстрой смерти – «гибель под лучом».

5.2. Генетические, или мутагенные эффекты

Генетическое повреждение представляет собой особую опасность, так как приводит к возникновению в последующих поколениях мутаций – новых форм организмов с измененными свойствами. Различают три основных типа мутаций:

–генные, или точковые мутации, представляющие собой изменения отдельных генов;

–аберрации хромосом – мутации, связанные с нарушением структурных хромосом;

–мутации кариотипа – мутации, связанные с изменением количества хромосом. Их называют также геномными мутациями.

Под влиянием облучения ионизирующей радиацией мутации могут возникать как в половых, так и в соматических клетках. Первые называют генеративными мутациями, вторые – соматическими.

Независимо от того, в каких клетках возникают изменения, мутационный процесс, индуцируемый ионизирующими излучениями, носит ненаправленный характер. Иными словами, при облучении возникают мутации, изменяющие любые свойства и признаки организма (рис. 5.5).

Возникновение радиационных мутаций связывается, как правило, с прямым физическим разрушением участков хромосом ионизирующим излучением или индуцируемым им потоком частиц либо с функциональной инактивацией жизненно необходимых уникальных структур клетки под влиянием продуктов радиолиза. Поэтому естественно, что мутагенный эффект зависит от дозы радиации. Изучение зависимости частоты возникновения любых типов мутаций от дозы обычно показывает однозначную картину – кривая доза–эффект имеет либо линейный, либо близкий к линейному характер. Такой линейный характер кривых зависимости мутагенного эффекта от до-

Рис. 5.5. Ветвистые формы озимой ржи, крайне редко встречающиеся в обычных условиях, обнаруженные в 1989 г. на полях Хойницкого района Гомельской области в Беларуси (10-километровая зона ЧАЭС).

зы излучения, с одной стороны, свидетельствует о том, что степень генетического повреждения возрастает прямо пропорционально ей, с другой – указывает на беспороговость этой радиобиологической реакции. Иными словами, как бы ни мала была доза излучения, она может индуцировать мутации. Это является одним из основных принципов радиобиологии об отсутствии безвредных доз ионизирующих излучений.

Возрастание количества мутаций с увеличением дозы сопровождается снижением выживаемости организмов. Поэтому при определенном сравнительно высоком уровне доз кривые выходят на плато, либо даже количество мутаций начинает уменьшаться – на кривой появляется максимум. Для рентгеновских и γ-лучей обычно имеется тенденция к выходу числа мутаций на плато при 1-2%-ной выживаемости, при которой численность мутантов достигает 50% от всех выживших индивидуумов.

Мерой генетического действия ионизирующих излучений является доза, которая увеличивает количество мутаций в два раза. Оценивается она нелегко. Для млекопитающих, отдельных видов радиочувствительных растений по различным оценкам ее значения варьируют в диапазоне доз от 0.1 до 1.0 Гр.

При возрастании радиационного фона, степени радиоактивного загрязнения различных объектов окружающей среды, в том числе продуктов питания, кормов, воды, вероятность возникновения мутаций, безусловно, увеличивается. Мутации, возникающие при облучении в половых клетках млекопитающих, могут быть настолько серьезными, что формирующийся

из них плод может оказаться нежизнеспособным и погибнуть. Такие мутации называют летальными, или смертельными. В других случаях мутационные изменения могут быть совместимы с жизнью, но проявляются в виде различных уродств, наследственных болезней. С увеличением дозы опасность возникновения обоих типов мутаций возрастает. Особенно она велика для потомства животных, перенесших лучевую болезнь средней и тяжелой степеней.

Следует подчеркнуть, что растение вследствие наличия спе­ цифической формы – семени, представляющей собой фазу онтогенеза, в которой оно находится в состоянии покоя, а также благодаря возможности использования в эксперименте или работе очень большого числа особей с одинаковыми генетическими характеристиками – колос, початок, зонтик, метелка, головка и другие соцветия, способные дать от родительской формы сотни и тысячи потомков, является весьма удобным объектом для исследования мутационного процесса. И не случайно именно работы в области мутагенеза растений, в том числе радиационного, получили наиболее широкое распространение в мире. К настоящему времени в сельскохозяйственное производство, декоративное садоводство, лесоводство внедрены более 3 тыс. сортов культурных растений, обладающих повышенной урожайностью, стойкостью к различным повреждающим факторам, улучшенными качествами и другими хозяйственно полезными свойствами и декоративностью, которые были получены с помощью метода радиационного мутагенеза.

5.3. Близкие и отдаленные биологические эффекты ионизирующих излучений

В зависимости от времени проявления после облучения радиобиологические эффекты делят на близкие и отдаленные.

К близким относят те, которые проявляются в начальные периоды после облучения – через часы, дни, недели, месяцы. Отдаленные эффекты регистрируются в более поздние сроки.

Безусловно, временная отдаленность проявления тех или иных биологических эффектов излучений весьма относительна, и в первую очередь – по отношению к продолжительности онтогенеза определенного вида. Эффекты, проявляющиеся у организмов с непродолжительным онтогенезом к его окончанию и по сути являющиеся отдаленными, при оценке в абсолютных астрономических единицах времени могут оказаться близкими для тех организмов, длительность онтогенеза которых изменяется годами, десятилетиями. Поэтому, говоря о сроках проявления эффектов, следует определять таксономическую принадлежность организма. К близким биологическим эффектам

ионизирующих излучений у млекопитающих относят радиационную стимуляцию, которая проявляется сразу же после облучения; большинство морфологических изменений в тканях и отдельных органах, возникающих в первые сутки-недели пострадиационного периода; острую лучевую болезнь всех степеней тяжести, развивающуюся в течение 1.0–1.5 мес., гибель после острого облучения в высокой дозе.

Отдаленными биологическими эффектами у млекопитающих считают такие виды морфологических изменений, как возникновение злокачественных новообразований – появление лейкозов, раковых опухолей. Типичным отдаленным последствием морфологической природы являются лучевые катаракты (помутнение хрусталика глаза), нефросклероз (болезнь, возникающая в результате морфологического перерождения тканей и сосудов почек при их радиационном повреждении выводимыми из организма радионуклидами). Все эти эффекты проявляются, как правило, через много месяцев или несколько лет после облучения.

Отдаленным последствием радиационного поражения считается один из наиболее общих для всех организмов эффект ионизирующей радиации – ускорение старения и сокращение продолжительности жизни, который реализуется, как правило, в последние периоды жизни, т.е. к концу онтогенеза. Генетическое действие ионизирующей радиации относится к самым отдаленным последствиям облучения, чем оно весьма коварно. Родительские формы могут не нести никаких признаков радиационного поражения, но в последующих поколениях могут появляться потомки со всевозможными отклонениями от нормы, уродствами, наследственными болезнями. Опыты на растениях, насекомых, лабораторных животных и других живых организмах показали, что если половина всех мутаций реализуется в первом поколении, то остальные могут проявляться в течение следующих 15–20 поколений и даже позднее. В связи с этим для оценки генетической опасности облучения крайне важно знать, являются ли вновь возникающие мутации доминантными, т.е. обусловленными участием только одного аллеля в определении нового признака, или рецессивными – двумя разными аллелями одного гена. Тот или иной характер наследования определяет специфику распределения в ряду последующих поколений. Если мутация доминантна, она выявится в ближайших поколениях. В случае рецессивности генетическое повреждение радиационного воздействия отодвигается на много поколений и будет выявляться постепенно или не проявится никогда.

Отдаленные биологические эффекты ионизирующих излучений носят случайный, или стохастический характер. Это означает, что их невозможно предопределить для какого-ли-

бо определенного из популяции облученных организмов, в отличие от близких биологических эффектов, которые являются строго детерминированными. С полной уверенностью можно, например, утверждать, что если 1000 растений гороха облучить в дозе 0.5 Гр, то у всех или почти у всех будет наблюдаться ускорение роста – проявится радиационная стимуляция, при дозе 8 Гр у всех растений возникнут морфологические изменения отдельных органов, а при дозах выше 15 Гр они погибнут. Можно быть уверенным, что если 100 овец облучить в дозе 2 Гр, у всех возникнет первая или вторая (в зависимости от индивидуальной чувствительности к радиации) степень лучевой болезни. Но предсказать появление отдаленных эффектов облучения у какого-либо конкретного индивидуума невозможно. Именно поэтому такие радиобиологические эффекты, как генетические, некоторые соматические (сокращение продолжительности жизни, возникновение раковых образований) относят к вероятностным, или стохастическим в отличие от доми­ нантных, или нестохастических, к которым относятся предсказуемые. Вероятность проявления стохастических эффектов оценивается на основе специального математического анализа изменений в облученной популяции организмов или отдельных клеток. Большая часть генетических эффектов проявляется только в том случае, когда измененный ген соединяется с геном, несущим аналогичные нарушения. В зависимости от частоты возникновения определенной мутации, которая, как и общее их количество, зависит от дозы облучения, эта случайная комбинация двух одинаково мутированных генов может произойти, как правило, только через несколько поколений или не произойти вообще.

Стохастические эффекты оцениваются как процент поврежденных индивидуумов в облученной популяции организмов или количество поврежденных индивидуумов на тысячу, миллион. Совершенно естественно, что вероятность проявления отдаленных стохастических эффектов радиационного поражения возрастает с увеличением дозы облучения.

В целом, подытоживая сказанное, следует подчеркнуть, что проявление всех радиобиологических эффектов зависит от величины дозы облучения. При невысоких дозах одной из первых визуально регистрируемых реакций является радиационная стимуляция, при более высоких появляются разнообразные морфологические изменения, лучевая болезнь, приводящие к ускорению старения, еще при более высоких наступает гибель. Однако дозы, которые при облучении одних организмов могут вызывать стимулирующее действие, при облучении других индуцируют лучевую болезнь и даже гибель. Все определяется чувствительностью к ионизирующим излучениям организмов различных таксономических групп – их радиочувствительностью.

6. РАДИАЦИОННО-ХИМИЧЕСКИЕ

ИРАДИАЦИОННО-БИОХИМИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

ВОБЛУЧЕННЫХ КЛЕТКАХ

Основные процессы развития радиационного поражения организма при облучении. Прямое и непрямое действие ионизирующего излучения на молекулы. Реакции радикалов органических молекул, ведущие к образованию стабильных продуктов. Клеточные эффекты радиаци- онно-химических реакций. Радиационно-химическое превращение молекул воды, роль кислорода в этих превращениях. Радиационно-хи- мические повреждения ДНК и РНК. Радиационно-химические изменения белков, аминокислот, углеводов, липидов. Действие ионизирующей радиации на белково-липидные мембраны.

Процессы развития лучевого поражения имеют свои временные характеристики и уровни повреждения, происходящие в организме при действии ионизирующих излучений. Основные процессы развития радиационного поражения во времени и уровни поражения организма представлены на схеме (рис. 6.1).

6.1. Основные процессы развития радиационного поражения организма при облучении

Первичный этап действия ионизирующих излучений представляет собой цепь последовательных событий, происходящих в клетках организма, среди которых можно выделить три стадии (рис. 6.1). На первой – физической стадии – основным актом взаимодействия ионизирующих излучений с веществом клеток живых организмов является ионизация, протекающая за миллионные доли секунды, т.е. происходит поглощение энергии излучения и взаимодействие с веществом. Она состоит в передаче части энергии фотона или частицы одному из электронов атома с последующей ионизацией и возбуждением атомов (молекул). Ионам и возбужденным атомам, обладающим избыточной энергией, свойственна повышенная химическая реактивность. Они способны вступать в различные химические и биохимические реакции в тканях и органах, которые невозможны для обычных, невозбужденных атомов (молекул). Более того, излучения с высокой энергией, имеющие электромагнитную и корпускулярную природу, способны разрывать любые химические связи и индуцировать длительно протекающие хи-

Рис. 6.1. Схема развития радиационного поражения во времени и уровни поражения организма растений (И.Н. Гудков, 1991).

мические реакции в клетках. Эти реакции развиваются с большими ионными выходами, вовлекая в процессы развития радиационного поражения множество других макромолекул, непосредственно не затронутых облучением. Все это значительно усиливает их биологическое действие, повышая процессы разрушения в клетках организма. Повреждения, возникающие в структуре облученной макромолекулы в течение первой стадии, например, разрушение отдельных нуклеотидов в молекуле ДНК, аминокислотных остатков в белковой молекуле и др., относят к прямому действию.

Следующая за ней физико-химическая стадия взаимодействия излучения с веществом протекает уже в зависимости от состава и строения облучаемого вещества и для нее характерны более медленные скорости – порядка 10–10–10–4 с. Радиа- ционно-химические реакции на этой стадии затрагивают различные системы метаболизма, которые развиваются на свобод- но-радикальном, молекулярном уровне. Принципиальное значение имеет наличие в облучаемой системе воды и кислорода.