Радиобиология с основами радиоэкологии

1. Введение в радиобиологию, предмет и задачи, история и перспективы 21

целом. Предположение весьма смелое и довольно революционное, так как еще долгие три десятилетия среди подавляющего числа радиобиологов было распространено твердое мнение о невозможности каких-либо восстановительных процессов в пострадиационный период.

Эти годы ознаменовались еще одним крупнейшим открытием – установлением мутагенного действия ио­низирующей радиации, ее способности воздействовать на наследственный аппарат живого организма. Первыми его продемонстрировали в 1925 г. на низших грибах Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов. Но уже в 1927 г. известный американский генетик, один из авторов хромосомной теории наследственности Г. Меллер показал мутагенное действие на дрозофиле – одном из основных объектов генетических исследований, а в 1928 г. его соотечественник­ Л. Стедлер – на высших растениях. Одними из первых в мире в 1930 г. украинские генетики Андрей Афанасьевич Сапегин и Лев Николаевич Делоне применили ионизирующие излучения для получения искусственных мутаций у злаков, послужив-

четам ученого в 1 см3 ткани содержится до 10 млрд. клеток, а в каждой клетке, в свою очередь, около 10 млрд. биологически важных молекул, если таковыми считать молекулы массой свыше 5000. При рентгеновском облучении млекопитающего в летальной дозе в таком объеме ткани будет разрушено всего до 5×1012 молекул (максимально возможное число ионизаций), что по отношению к общему числу молекул составит совершенно ничтожную величину: примерно одна молекула на 200 тыс. неповрежденных. Как же объясняют радиобиологический эффект? Дессауэр рассуждает так. Электроны, вырванные из атома вещества клетки, не удаляются от него, а вступают в рекомбинацию, образуя нейтральные атомы в молекулы. В результате этого поглощенная энергия выделяется в форме теплоты и температура в данном месте резко повышается. Если это происходит в особо ответственных местах клетки, например, в хромосомах, подобное локальное повреждение может привести к поражению всей клетки.

Так возникла первая теория, объясняющая действие ионизирующей радиации на организм, получившая название теории точечного тепла, явившейся предвестницей сформулированной позднее теории прямого действия.

Позднее работами Д. Кроутера в Великобритании (1924– 1927 гг.), Ф. Хольвека во Франции (1928–1938 гг.) и другими были развиты представления о дискретности – прерывистости действия ионизирующих излучений, о процессе поглощения энергии как сумме единичных актов взаимодействия фотона или частицы с отдельными молекулами или структурами клетки. Эти взгляды получили дальнейшее развитие в виде так называемого принципа попадания и теории мишени, сформулированной в 1935 г. выдающимся радиобиологом­ и гене-

тиком Николаем Владимировичем Ти­ мофеевым-Ресовским (1900–1980) и немецкими физиками К. Циммером и М. Дельбрюком.

Принцип попадания и теория мишени базируются на случайности взаимодействия квантов и частиц ионизирующего излучения с атомами и молекулами вещества и на структур- но-функциональной гетерогенности живых­ клеток. «Попадание» – это акт взаимодействия кванта или частицы со структурой, «мишень» – структура клетки или ее часть, попадание в которую может привести к повреж-

Н.В. Тимофеев-Ресовский дению – мутации гена, поломке хро- (1900–1980) мосомы, наконец, гибели клетки. Ос-

хотя и носили гипотетический характер, но все же объясняли отдельные факты и явления. Но радиобиология как самостоятельная наука еще не оформилась. Даже термин «радиобиология» существовал лишь среди узких специалистов, и в словарях или энциклопедических изданиях того периода его найти не удается. Действием ионизирующей радиации на живые организмы все еще занимались в основном энтузиасты-биологи, физики, медики-радиологи и рентгенологи. Еще не были известны потенциальные возможности атомной энергии, не существовало атомной энергетики, еще не было создано ядерное оружие, а следовательно, не представляла угрозы массовая радиационная опасность. Но и семья Кюри, и Э. Резерфорд, заложившие основы изучения радиоактивности, и другие высказывали предположение о необычайных энергетических возможностях атома и его опасности. В.И. Вернадский однозначно предупреждал о глобальной радиационной опасности, которую таит дальнейшая работа физиков-ядерщиков, и призывал их к осторожности и ответственности.

Вторая мировая война дала мощный толчок развитию ядерной физики и атомной энергетики. В 1940–1950-е гг. были созданы и использованы в качестве оружия американской армией атомные бомбы в Японии, в некоторых странах проведены многочисленные испытания ядерного оружия в атмосфере и воде и, как следствие, возникла реальная опасность радиационного поражения биосферы. Этот период, когда резко возрос интерес к последствиям биологического действия ионизирующих излучений, знаменует начало третьего этапа радиобиологии.

Именно в указанные годы радиационная биология окончательно формируется как самостоятельная область науки. Перед ней встают новые проблемы: всестороннее исследование радиационного поражения многоклеточных организмов, в первую очередь млекопитающих, при их тотальном облучении, позна-

ние причин различной радиочувствительности организмов, роли радиации в возникновении мутаций, изучение причин и закономерностей проявления отдаленных последствий облучения (снижение иммунитета, возникновение опухолей, сокращение продолжительности жизни). Актуальнейшей для радиобиологии становится такая практическая задача, как изыскание фармакологических средств защиты организма­ от излучений.

В то время в США, Европе и Азии при крупных атомных центрах создаются радиобиологические лаборато-

рии, институты. Среди них следует назвать Брукхейвенскую, Окриджскую, Аргоннскую Национальные лаборатории (США), Лабораторию радиобиологии атомного центра в Харуэлле (Великобритания), Биологическое отделение атомного центра в Сакле (Франция), Институт биофизики во Франкфурте-на-Майне (Германия), Радиобиологический отдел атомного центра в Тромбее (Индия), Радиобиологический институт в Сибе (Япония) и многие другие. Хорошо известны имена радиобиологов того времени: А. Холлендер, А. Спэрроу, Ш. Вольф, Г. Куртис, Р. Кимбол (США), П. Александер, Т. Альпер, Д. Доэрти, Л. Грей, Л. Лайса (Великобритания), Р. Латарж (Франция), К. Циммер, У. Хаген, Б. Раевский (Германия), З. Бак (Бельгия), Г. Барендсен (Нидерланды), Х. Фриц-Ниггли (Швейцария), М. Сваминатан (Индия).

В 1950–1960-е гг. в СССР возникают крупные радиобиологические центры в Институте биофизики АН СССР (Пущино), Институте биофизики МЗ СССР (Москва), Институте медицинской радиологии АМН СССР (Обнинск), Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова, Институте химической физики АН СССР (Москва), Всесоюзном онкологическом центре АМН СССР (Москва), Ленинградском институте ядерной физики (Гатчина), Институте биологии южных морей (Севастополь), Институте физиологии им. А.А. Богомольца АН УССР (Киев), Институте биологии Коми филиала АН СССР (Сыктывкар), Институте физиологии растений АН УССР (Киев) и др. В этот период в отечественной радиобиологии сформировался мощный отряд высококвалифицированных специалистов в области радиобиологии и радиоэкологии.

Результаты не заставили себя ждать. В 1949 г. были открыты радиозащитные свойства аминокислоты цистеина и цианида натрия. В 1951 г. З. Бак показал высокую противолучевую эффективность синтезированного им цистеамина, который до настоящего времени остается одним из самых действенных противорадиационных препаратов. В те годы в радиобиологии зародилось учение о радиопротекторах.

В 1950-х гг. было экспериментально доказано явление пост­ радиационного восстановления клетки. Среди его исследователей и первооткрывателей – имена российских радиобиологов: В.П. Парибок, Н.В. Лучник, В.И. Корогодин, В.Д. Жестянников.

В связи с испытанием многими странами в 1950-х–начале 1960-х гг. ядерного оружия и глобальным загрязнением Земли искусственными радионуклидами перед радиобиологией встали задачи изучения миграции радиоактивных веществ в биосфере, путей их поступления в растения, организм животных и человека, особенностей действия на организм в связи со спецификой распределения по тканям и органам, различной продол-

жительностью выведения и хроническим облучением клеток. Именно в этот период как самостоятельное направление радиобиологии окончательно оформилась радиоэкология.

Экспериментальные исследования миграции рассеянных в окружающей среде продуктов деления урана, начавшиеся в десятках лабораторий ведущих стран, охватили все его элементы: атмосферу, почву, наземные экосистемы, в том числе агросферу, гидросферу. Организованный в 1955 г. при Организации Объединенных Наций Комитет по влиянию ядерной радиации на живые организмы, включавший 21 страну, специально занимался сбором, анализом и обобщением данных по накоплению радионуклидов в живых организмах, включая человека. Эти данные стали основой для анализа последствий радионук­ лидного загрязнения биосферы, оценки дозовых нагрузок на население и сыграли важную роль в подписании в 1963 г. Московского договора о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, воде и космосе.

Одними из первых коллективом ученых возглавляемой в то время Н.В. Тимофеевым-Ресовским лаборатории были выполнены системные работы по миграции искусственных радионук­ лидов в отдельных компонентах окружающей среды, действия их ионизирующих излучений на растения и животных, сделаны расчеты доз ионизирующей радиации, накапливающихся в отдельных тканях за счет инкорпорированных радионуклидов.

В этот период были выполнены первые фундаментальные работы по изучению закономерностей перехода долгоживущих искусственных радионуклидов, образующихся в результате ядерных взрывов, из почвы в сельскохозяйственные растения, с кормами – в организм сельскохозяйственных животных, оценены закономерности их накопления в продукции растение­

водства и животноводства. Это послужило базисом возникновения самостоятельного направления радиоэкологии – сельскохозяйственной радиоэкологии, ведущую роль в становлении которой сыграл академик ВАСХНИЛ Всеволод Маврикиевич Клечковский. Он был основателем и руководителем первого в мире научно-исследователь- ского учреждения в области сельскохозяйственной радиоэкологии – Биофизической лаборатории в Московской сельскохозяйственной академии им. К.А. Тимирязева. В этой лаборатории по инициативе академика И.В. Курчатова стала выполняться широкая программа исследований по накоплению

искусственных радионуклидов (продуктов деления урана) сельскохозяйственными растениями. Уже тогда стало совершенно очевидным, что именно сельскохозяйственные растения являются первичным звеном приема радионуклидов, основным их депонентом и источником формирования дозы облучения человека.

После радиационной аварии под Челябинском в 1957 г. В.М. Клечковский возглавил радиоэкологические исследования на так называемом Восточно-Уральском радиоактивном следе – загрязненной аварийными радионуклидами территории площадью 23 000 км2. Он и его сотрудники впервые описали физи- ко-химические закономерности взаимодействия отдельных радионуклидов с почвой (В.М. Прохоров, Ю.А. Поляков, Ф.И. Павлоцкая), оценили количественные характеристики их накопления основными видами сельскохозяйственных культур (Р.М. Алексахин, И.В. Гулякин, Е.В. Юдинцева, Б.С. Пристер), поведение в организме сельскохозяйственных животных (Б.Н. Анненков, А.Н. Сироткин).

Для всех этих исследований был характерным как фундаментальный, так и прикладной характер, так как эксперименты в основном были осуществлены в естественных условиях с охватом различных типов агроэкосистем. Итогом этих работ стала разработка комплекса агротехнических, агрохимических и зооветеринарных мероприятий, целью которых было получение продукции растениеводства и животноводства с минимальным содержанием радионуклидов. Были разработаны практические рекомендации по организации и ведению агропромышленного производства на территориях с повышенным содержанием радионуклидов, которые впоследствии были использованы при ведении отдельных отраслей сельского хозяйства на загрязненных в результате аварии на Чернобыльской АЭС в 1986 г. угодьях Беларуси, Украины и России.

В тот же период, а точнее в 1957–1967 гг., фундаментальные исследования по миграции искусственных радионуклидов, выпавших в результате испытаний атомного оружия, были выполнены на территории украинского и белорусского Полесья группой российских ученых из Института биофизики МЗ СССР под руководством А.Н. Марея. Ими было установлено, что при одинаковой структуре питания населения этого региона основной вклад в формирование дозы за счет радионуклидов 90Sr и 137Cs (до 90%) дает молоко. Это обусловлено чрезвычайно высоким переходом этих радионуклидов в кормовые растения из дерно- во-подзолистых и торфяно-болотных почв с бедным почвеннопоглощающим комплексом, низким содержанием минеральных элементов и к тому имеющим кислую реакцию. Полученные за 20 лет до аварии на Чернобыльской АЭС, в результате которой в наибольшей степени радионуклидному загрязнению подверг-

ся именно этот регион, закономерности миграции этих радионуклидов были полностью подтверждены исследованиями радиоэкологов в поставарийный период.

В 1956 г. на Севастопольской биологической станции им. А.О. Ковалевского, реорганизованной в 1963 г. в Институт биологии южных морей АН СССР, возникло новое направление – морская радиоэкология. Основателем его был выдающийся радиоэколог и гидробиолог, впоследствии академик АН УССР Геннадий Григорьевич Поликарпов. Под его руководством впервые были выполнены широкие исследования по миграции естественных и искусственных радионуклидов в морских гидроэкосистемах мирового океана, их накоплению в отдельных компонентах и биологическому действию на гидробионты. Эти исследования получили высокую оценку у научной общественности, а практические радиационно-гигиенические рекомендации­ сыграли важную роль при подписании в 1963 г. упомянутого Московского договора о запрете ядерных испытаний в трех средах, в том числе и под водой.

С первых дней после аварии на Чернобыльской АЭС Г.Г. Поликарпов возглавил радиоэкологический мониторинг территории от р. Припять (приток Днепра), на которой находится станция, до Черного моря.

Большую актуальность приобретает проблема действия на живые организмы малых доз ионизирующей радиации. В 1957 г. по инициативе генетика П.Ф. Рокицкого и при поддержке председателя Президиума Коми филиала АН СССР в район промысла по добыче радия (пос. Водный, Ухтинский р-н Коми АССР) была организована комплексная радиоэкологическая экспедиция­ для изучения состояния биогеоценозов с техноген-

но повышенным фоном естественных радионуклидов. Радиоэкологические исследования становятся одним из ведущих направлений в Сыктывкаре в Институте биологии Коми филиала АН СССР. 21 сентября 1959 г. в его составе создается лаборатория радиобиологии во главе с Всеволодом Ивановичем Масловым. Благодаря глубоко продуманной стратегии и тактике исследований В.И. Маслов за относительно короткий срок сформировал профессиональный коллектив, способный решать многогранные проблемы взаимодействия ионизирующих излучений со всеми биотическими компо-

Г.Г. Поликарпов нентами природных биогеоценозов по- (1929–2012) вышенной радиоактивности. Более 20

ний, проводимых в Институте биологии, приобрели особую значимость в 1986 г. Одними из первых среди радиоэкологов АН

СССР сотрудники отдела под руководством А.И. Таскаева в июне 1986 г. включились в работы в зоне аварии на Чернобыльской АЭС. В кратчайшие сроки были развернуты цитогенетические исследования лиц, подвергшихся облучению во время аварии и при ее ликвидации. При непосредственном участии

ируководстве А.И. Таскаева были выбраны первые 26 полигонов, где многолетнее стационарное изучение влияния радиоактивного загрязнения на флору и фауну проводили не только сотрудники отдела, но и специалисты из других академических

иотраслевых институтов. Авария на Чернобыльской АЭС явилась мощным толчком для изменения темпов и направленности радиобиологических и радиоэкологических исследований в большинстве стран. Сама жизнь еще раз подтвердила важность и необходимость дальнейшего изучения действия малых доз радиации.

ВКиеве в Институте физиологии

растений АН УССР в 1962 г. организовывается отдел биофизики и радиобиологии, основателем и бессменным руководителем которого до настоящего времени является тогда молодой ученый, а в ныне академик НАН Украи­ ны Дмитрий Михайлович Гродзинский. Его работы по действию малых доз на растения, исследованию при-

родной радиоактивности почв и расте- А.И. Таскаев (1944-2010)

ний были широко известны научной общественности еще до создания отдела. Научными направлениями отдела становится изучение механизмов формирования радиоустойчивости растений, защиты растений от радиационного поражения, исследование путей пострадиационного восстановления. Основанная школа по радиобиологии растений получила мировое признание.

Буквально с первых дней после аварии на Чернобыльской АЭС Д.М. Гродзинский возглавил работы по изучению ее последствий в фито- и агроценозах. Были получены уникальные результаты о характере распределения радионуклидов в растениях, описаны различные радиобиологические эффекты инкорпорированных радионуклидов, созданы математические модели, позволяющие прогнозировать радиологическую ситуацию в сфере растениеводства.

Для тех лет характерно также широкое применение достижений радиобиологии для решения практических задач. Расширяется фронт использования ионизирующих излучений в медицине для диагностики и лечения заболеваний; они эффективно применяются в сельском хозяйстве для получения новых сортов растений, стимуляции их роста и повышения продуктивности, борьбы с насекомыми – вредителями сельскохозяйственных растений и животных; в пищевой промышленности – для обеззараживания и консервирования продуктов.

1970-е гг. характеризуются глубоким проникновением в радиобиологию идей молекулярной биологии, а также биофизических и биохимических методов исследований. Обогащенные новыми экспериментальными данными окончательно формируются теории прямого и непрямого действия излучений, ут­ верждается положение о том, что основной мишенью для ра­

диации является ДНК. История развития отечественных теоретических представлений в радиобиологии связана в первую очередь с именем А.М. Кузина – автором гипотезы, объясняющей стимулирующее действие ионизирующей радиации, и структурно-ме- таболической теории, связывающей механизм радиационного поражения клетки с нарушением метаболизма и образованием токсических веществ.

Кроме того, во всем мире становится массовым, но, к сожалению, малоэффективным поиск новых радиопротекторов.

В первой половине 1980-х гг. во многих странах наблюдались совер-