Хромосомные аберрации при облучении клеток. 15. Назовите основные хромосомные аберрации, приводящие к гибели клеток.

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА
И ПРОДОВОЛЬСТВИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

ГЛАВНОЕ УПРАВЛЕНИЕ ОБРАЗОВАНИЯ, НАУКИ И КАДРОВ

Учреждение образования
«БЕЛОРУССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»


Н. В. Лазаревич, И. И. Сергеева, С. С. Лазаревич








РАДИОБИОЛОГИЯ

Учебно-методическое пособие
для студентов специальности
1-33 01 06 Экология сельского хозяйства












Горки
БГСХА
2014


УДК 577.34:636:612.014.482(075.8)
ББК 28.071я7
Л17


Рекомендовано научно-методическим советом БГСХА 22.05.2013 г. (протокол №9) и методической комиссией
агробиологического факультета 28.02.2013 г. (протокол № 2)

Авторы:
кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Н. В. Лазаревич;
кандидат сельскохозяйственных наук, доцент И. И. Сергеева;
кандидат сельскохозяйственных наук С. С. Лазаревич

Рецензенты:

кандидат сельскохозяйственных наук, доцент Е. Ю. Иванцова;
кандидат сельскохозяйственных наук Н. Ю. Лещина





Л 17
Лазаревич, Н. В.
Радиобиология : учебно-методическое пособие / Н. В. Лазаревич, И. И. Сергеева, С. С. Лазаревич. – Горки : БГСХА, 2014. – 182 с.
ISBN 978-985-467-480-3.

Представлены рекомендации по изучению дисциплины, рекомендуемая литература, содержание дисциплины, краткая теория курса для подготовки к экзамену и входному контролю знаний, экзаменационные вопросы.
Для студентов специальности 1-33 01 06 Экология сельского хозяйства.





ISBN 978-985-467-480-3 УДК 577.34:636:612.014.482(075.8)
ББК 28.071я7


© УО «Белорусская государственная сельскохозяйственная академия», 2014





ВВЕДЕНИЕ

Развитие жизни на Земле происходило и происходит в радиоактивной среде. Все биологические объекты постоянно подвергаются облучению за счет излучений естественных радионуклидов Земли и космических излучений, которые формируют естественный радиационный фон.
Появление искусственных радионуклидов в окружающей среде при испытании ядерного оружия и после аварии на Чернобыльской АЭС способствовало расширению контактов всех биологических объектов с ионизирующей радиацией. На территории радиоактивного загрязнения объекты постоянно подвергаются дополнительному внешнему и внутреннему облучению за счет искусственных радионуклидов, находящихся в окружающей среде, а также внутреннему облучению за счет инкорпорированных радионуклидов, т. е. радионуклидов, находящихся в органах и тканях самих объектов. Облучение ионизирующим излучением формирует различные радиобиологические эффекты у растений, животных и человека через ряд последовательных этапов. Начальное действие радиации происходит на атомном и молекулярном уровнях, что сопровождается ионизацией и возбуждением атомов и молекул, и радиолизом молекул. Затем повреждения на этих уровнях реализуются на клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях, формируя ранние и отдаленные биологические эффекты облучения.
Наука о действии всех видов ионизирующих излучений на живые организмы и их сообщества называется радиобиологией. Фундаментальной задачей радиобиологии является изучение общих закономерностей биологического действия ионизирующих излучений на живой организм.
Закономерности биологического действия радиации на биологические объекты изучаются с целью управления ответными реакциями организма на облучение и разработки средств защиты организма от воздействия излучений. Наличие фундаментальной задачи определяет радиобиологию как самостоятельную науку, тесно связанную с другими науками. Изучение радиобиологии базируется на знании таких дисциплин, как физика ядерных излучений, дозиметрия ионизирующих излучений, химия, ботаника, генетика, физиология растений, растениеводство, сельскохозяйственная радиоэкология.
После изучения курса студенты должны знать:
– основные закономерности проявления радиобиологического эффекта на клеточном, тканевом и организменном уровнях;
– методы оценки радиобиологических реакций клеток и организмов;
– способы модификации лучевого поражения и методы защиты биологических объектов от радиационного воздействия.

1. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ИЗУЧЕНИЮ ДИСЦИПЛИНЫ

Во время самостоятельного изучения дисциплины могут возникнуть вопросы, вызванные отсутствием литературы или сложностью изложения материала в рекомендованной литературе. В этом случае необходимо обращаться за консультацией непосредственно на кафедру сельскохозяйственной радиологии.
Контроль знаний по каждой теме осуществляется путем ответов на вопросы для самопроверки.
Материалами, необходимыми для изучения дисциплины, являются настоящие методические указания и рекомендуемая учебная литература.

РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА


1. Радиобиология / А. Д. Белов, В. А. Киршин, Н. П. Лысенко, В. В. Пак (и др.(. – М.: Колос, 1999. – 384 с.
2. Г р о д з и н с к и й, Д. М. Радиобиология растений / Д. М. Гродзинский. – Киев: Наукова думка, 1989. – 379 с.
3. К у з и н, А. М. Прикладная радиобиология / А. М. Кузин, Д. А. Каушанский. – М.: Энергоатомиздат, 1981. – 252 с.
4. Л а з а р е в и ч, Н. В. Биологическое действие ионизирующих излучений: лекция / Н. В. Лазаревич, Г. А. Чернуха, Т. В. Лаломова. – Горки: БГСХА, 2002. – 48 с.
5. Л а з а р е в и ч, Н. В. Радиобиология : курс лекций. В 4 ч. Ч. 1. Радиобиология клетки / Н. В. Лазаревич, И. И. Сергеева, С. С. Лазаревич. – Горки : БГСХА, 2010. – 48 с.
6. Л а з а р е в и ч, Н. В. Радиобиология : курс лекций. В 4 ч. Ч. 2. Радиобиология растений / Н. В. Лазаревич, И. И. Сергеева, С. С. Лазаревич. – Горки : БГСХА, 2011. – 84 с.
7. Л а з а р е в и ч, Н. В.  Радиобиология: курс лекций. В 4 ч. Ч. 3. Радиобиология животных и человека / Н. В. Лазаревич, И. И. Сергеева, С. С. Лазаревич. – Горки : БГСХА, 2012. – 104 с.
8. Л а з а р е в и ч, Н. В.  Радиобиология: курс лекций. В 4 ч. Ч. 4. Прикладная радиобиология / Н. В. Лазаревич, И. И. Сергеева, С. С. Лазаревич, Ю. В. Азаренко. – Горки : БГСХА, 2012. – 64 с.
9. С а м с о н о в а, Н. Е. Ионизирующая радиация и сельскохозяйственное производство / Н. Е. Самсонова. – М.: Энергоатомиздат, 2007. – 235 с.
10. Я р м о н е н к о, С. П. Радиобиология человека и животных: учеб. пособие / С. П. Ярмоненко, А. А. Вайнсон. – М.: Высш. шк., 2004. – 549 с.


2. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

Примерный тематический план аудиторных занятий

Темы и разделы
Количество часов


Всего
В том числе



лекций
практических
лабораторных

Ведение
0,25
0,25



Биологическое действие ионизирующих излучений
1,75
1,75



Радиобиология клетки
2
2



Радиобиология растений
14
2
2
10

Радиобиология человека и животных
3
3



Прикладная радиобиология
1
1



И т о г о
22
10
2
10




Введение

Предмет и задачи радиобиологии. История и этапы развития радиобиологии. Проблемы, основные направления и перспективы развития современной радиобиологии.

Л и т е р а т у р а: (1, 2, 4, 5(.

1. Биологическое действие ионизирующих излучений

1.1. Относительная биологическая эффективность излучений
Особенности действия ионизирующих излучений. Относительная биологическая эффективность. Линейная передача энергии. Связь относительной биологической эффективности с линейной передачей энергии. Методы оценки относительной биологической эффективности. Зависимость относительной биологической эффективности от условий облучения и других факторов.

Л и т е р а т у р а: (1, 4, 5, 10(.
1.2. Механизм биологического действия ионизирующих излучений
Количественные концепции или теории прямого действия излучений. Теория попадания и мишени. Качественные концепции или теории непрямого действия излучений. Структурно-метаболическая теория. Этапы действия ионизирующих излучений. Прямое и косвенное действие излучений.

Л и т е р а т у р а: (1, 2, 4, 5, 10(.
Вопросы для самопроверки

1. Что изучает радиобиология?
2. Назовите задачи радиобиологии.
3. Какие проблемы радиобиологии вы знаете?
4. Почему радиобиология актуальна в настоящее время?
5. Какие излучения называются ионизирующими?
6. Что такое относительная биологическая эффективность излучений и линейная передача энергии?
7. Дайте определение прямому и косвенному действию ионизирующих излучений.
8. Назовите основные теории, объясняющие механизм действия ионизирующих излучений на биологические объекты, и их основные принципы.
9. Выделите этапы действия ионизирующих излучений на биологические объекты.

2. Радиобиология клетки

2.1. Взаимодействие ионизирующих излучений с молекулами клетки
Причины изменения молекул клетки при облучении ионизирующим излучением. Природа и реакционная способность свободных радикалов. Радиолиз молекулы воды. Радиационно-химические повреждения аминокислот, белков, углеводов, липидов. Структурные и функциональные нарушения нуклеиновых кислот растворов и клеток.

Л и т е р а т у р а: (2, 4, 5, 10(.
2.2. Реакции клеток на облучение
Сравнительная радиочувствительность клеток. Закон Бергонье –Трибондо. Радиочувствительность ядра и цитоплазмы. Радиационное повреждение клеточной мембраны и мембран внутриклеточных структур. Задержка деления клеток. Радиочувствительность клетки в разных фазах жизненного цикла. Репродуктивная гибель клеток и критерии репродуктивной гибели клеток. Интерфазная гибель клеток и методы ее оценки. Хромосомные аберрации при облучении клеток. Пострадиационное восстановление клеток от повреждений. Молекулярные механизмы репарации при облучении клеток.

Л и т е р а т у р а: (2, 4, 5, 10(.

Вопросы для самопроверки

1. Что такое радиолиз молекул?
2. Какие стадии радиолиза молекулы воды вы знаете?
3. Назовите основные продукты радиолиза молекулы воды.
4. Как ведут себя свободные радикалы в клетке?
5. Как образуются первичные и вторичные свободные радикалы?
6. Назовите характерную реакцию аминокислот на облучение.
7. Как реагируют белки и ферменты на облучение ионизирующим излучением?
8. Назовите основные реакции ДНК раствора на облучение.
9. Назовите основные реакции ДНК клеток на облучение.
10. Закон Бергонье – Трибондо.
11. От чего зависят радиобиологические эффекты клеток?
12. Назовите 3 основные реакции клеток на облучение.
13. Почему происходит задержка деления клеток при облучении?
14. Что такое репродуктивная гибель клеток? Каковы ее критерии?
15. Назовите основные хромосомные аберрации, приводящие к гибели клеток.
16. Что такое интерфазная гибель клеток? Каковы ее критерии?
17. Назовите наиболее радиочувствительные фазы жизненного цикла клетки.
18. Назовите основные виды репарации ДНК.

3. Радиобиология растений

3.1. Методы радиобиологии растений
Условия облучения растений в эксперименте и в природе. Типы излучений, применяемые при изучении радиобиологических эффектов. Способы и методы облучения растений. График дозовой зависимости (график «доза – эффект») и его основные характеристики. Критерии радиочувствительности растений. Летальная, полулетальная и критическая дозы облучения.

Л и т е р а т у р а: (2, 6(.

3.2. Радиобиологические эффекты растений
Сравнительная радиочувствительность семян. Факторы, определяющие радиочувствительность семян. Радиостимуляция, механизмы и формы проявления у растений. Радиочувствительность растений в пределах таксономических групп. Связь радиочувствительности растений с филогенезом и фазами развития. Причины варьирования радиочувствительности. Радиочувствительность репродуктивной системы растений. Радиобиологические эффекты при облучении меристем. Радиочувствительность растений в фазах развития. Морфологические аномалии органов и радиационные химеры при облучении растений. Физиологические, биохимические и генетические нарушения при облучении растений. Морфологические, физиологические и цитогенетические изменения в природных популяциях травянистых фитоценозов после катастрофы на Чернобыльской АЭС. Динамика мутационных изменений в травянистых популяциях, произрастающих в условиях радиоактивного загрязнения. Прогноз состояния популяций природно-растительных комплексов в зонах радиоактивного загрязнения.

Л и т е р а т у р а: (2, 4, 6(.

3.3. Модификация радиочувствительности и защита растений от лучевого поражения
Классификация воздействий, модифицирующих лучевое поражение. Радиопротекторы и радиосенсибилизаторы. Количественные оценки модифицирующего эффекта. Классификация и механизм действия радиопротекторов.

Л и т е р а т у р а: (2, 4, 6(.

Вопросы для самопроверки

1. Дайте определение радиочувствительности организма и радиоустойчивости.
2. Назовите условия облучения растений в природе и в эксперименте.
3. Какие виды ионизирующих излучений используются при облучении растений?
4. Назовите основные характеристики графика «доза-эффект».
5. От чего зависит радиочувствительность семян?
6. Что такое радиостимуляция и каковы ее причины?
7. Какие факторы влияют на радиочувствительность растений?
8. Назовите критерии радиочувствительности растений.
9. Какие ткани растений наиболее радиочувствительны и почему?
10. От чего зависит радиочувствительность тканей?
11. Какие радиоморфозы органов наблюдают у растений при облучении?
12. Назовите основные радиобиологические реакции при облучении растений в ранние и поздние фазы развития.
13. Какие критерии используют при изучении радиочувствительности репродуктивной системы растений?
14. Какие процессы полового размножения растений наиболее радиочувствительны?
15. Назовите особенности облучения растений в условиях радиоактивного загрязнения.
16. Какие радиационные морфозы выявлены у травянистых растений в зонах радиоактивного загрязнения?
17. Какие виды растений наиболее радиочувствительны при загрязнении среды обитания радионуклидами?
18. Как выглядит график динамики мутационного процесса у растений в условиях радиоактивного загрязнения?
19. Что такое стационарный уровень популяции? От чего он зависит при облучении популяции?
20. Что такое модификация радиочувствительности? От чего она зависит?
21. Дайте определение радиопротекторам и радиосенсибилизаторам.
22. Дайте классификацию радиопротекторов.
23. Как количественно оцениваются модифицирующие эффекты?

4. Радиобиология человека и животных

4.1. Радиочувствительность организма
Сравнительная радиочувствительность животных и человека. Критические органы. Коэффициент радиационного риска. Радиочувствительность воспроизводительной системы. Радиочувствительность органов кроветворения, клеток крови и кровеносных сосудов. Реакция эмбриона и плода на облучение. Радиочувствительность иммунной системы. Радиочувствительность системы выделения, системы пищеварения и органов зрения и дыхания. Радиационные синдромы организма: костно-мозговой, желудочно-кишечный и церебральный. Острая лучевая болезнь. Хроническая лучевая болезнь. Радиобиологические эффекты инкорпорированных радионуклидов. Изменения в органах и системах животных при хроническом облучении в условиях радиоактивного загрязнения среды обитания.

Л и т е р а т у р а: (1, 4, 7, 10(.

4.2. Радиационные последствия облучения населения
Детерминированные эффекты при облучении человека. Стохастические эффекты при облучении человека. Генетические эффекты при облучении человека. Отдаленные последствия облучения человека. Структура заболеваемости населения в Республике Беларусь после катастрофы на Чернобыльской АЭС.

Л и т е р а т у р а: (1, 4, 7, 10(.

4.3. Процессы восстановления организма после облучения
и биологическая противолучевая защита организма
Механизм противолучевой защиты. Средства биологической защиты, оказывающие профилактическое, кратковременное и пролонгированное действия.

Л и т е р а т у р а: (1, 7, 10(.
Вопросы для самопроверки

1. Как живые организмы различаются по радиочувствительности?
2. Назовите наиболее радиочувствительные органы млекопитающих.
3. Какие органы называются критическими?
4. Назовите органы кроветворения и укажите самый радиочувствительный орган.
5. Дайте классификацию клеток крови по радиочувствительности.
6. За счет чего происходит самовосстановление состава клеток крови при облучении кроветворных органов?
7. Как мужские половые клетки классифицируются по радиочувствительности?
8. По каким показателям судят о радиационном поражении мужских половых желез?
9. Как проявляется нарушение функций женских половых желез при облучении?
10. Чем отличается эмбрион от плода?
11. Какие реакции эмбриона на облучение вы знаете?
12. Назовите основные отклонения в развитии плода при облучении.
13. Назовите радиационные синдромы и дозы, при которых они развиваются.
14. Что такое острая лучевая болезнь?
15. Как поражаются органы пищеварения при облучении?
16. Назовите основные реакции органов дыхания, выделения и зрения на облучение.
17. Как поражение иммунной системы проявляется на организменном уровне?
18. Назовите основные детерминированные эффекты при облучении человека.
19. Какие радиационные реакции человека на облучение относятся к стохастическим эффектам?
20. Укажите основные генетические эффекты при облучении человека.
21. Назовите закономерности облучения организма инкорпорированными радионуклидами.
22. Что понимают под «малыми дозами радиации»? Каковы особенности их действия на организм?
23. Какие болезни и нарушения физиологических процессов относятся к отдаленным последствиям облучения?
24. Что вы можете рассказать о состоянии здоровья населения Республики Беларусь, проживающего в условиях радиоактивного загрязнения?
25. Как защитить организм от радиационного воздействия?


5. Прикладная радиобиология

5.1. Применение ионизирующих излучений в отраслях сельского хозяйства
Использование ионизирующих излучений при хранении продукции. Использование ионизирующих излучений при переработке продукции. Использование ионизирующих излучений для предпосевного облучения семян и посадочного материала. Использование ионизирующих излучений для получения мутантных форм растений.

5.2. Использование ионизирующих излучений в медицине
для диагностики и лечения болезней человека
Радиоизотопный метод диагностики болезней человека. Лучевая терапия раковых опухолей.

Л и т е р а т у р а: (3, 8, 9(.

Вопросы для самопроверки

1. Какая продукция облучается для продления сроков хранения?
2. Для чего проводится облучение семенного и посадочного материала?
3. Какая продукция облучается для уничтожения вредителей и болезней?
4. Что такое радиационный мутагенез?
5. Для каких целей ионизирующее излучение используется в медицине?

3. ЭКЗАМЕНАЦИОННЫЕ ВОПРОСЫ

1. Предмет, задачи, проблемы радиобиологии.
2. Относительная биологическая эффективность и линейная передача энергии. Методы оценки относительной биологической эффективности.
3. Теория попадания и мишени.
4. Структурно-метаболическая теория.
5. Особенности и этапы действия ионизирующих излучений на биологические объекты. Прямое и косвенное действия.
6. Природа и реакционная способность свободных радикалов (на примере молекулы воды).
7. Радиационно-химические повреждения аминокислот, белков, ферментов.
8. Радиационно-химическое и структурное повреждения молекулы ДНК клеток.
9. Сравнительная радиочувствительность клеток, ядра и цитоплазмы.
10. Структурные и функциональные нарушения клеточной и ядерной мембраны.
11. Репродуктивная гибель клеток. Критерии оценки.
12. Интерфазная гибель клеток. Критерии оценки.
13. Хромосомные аберрации и их роль в репродуктивной гибели клеток.
14. Задержка деления клеток при облучении. Причины задержки.
15. Радиочувствительность клеток в разных фазах жизненного цикла.
16. Условия облучения растений в эксперименте, в природе и при радиоактивном загрязнении среды обитания. Способы и методы облучения растений в эксперименте.
17. Радиочувствительность растений. Летальная, полулетальная и критическая дозы. Факторы, влияющие на радиочувствительность. Критерии радиочувствительности.
18. Радиочувствительность семян. Факторы, влияющие на радиочувствительность.
19. Радиочувствительность и радиобиологические эффекты растений при облучении в разные фазы развития.
20. Радиочувствительность репродуктивной системы растений.
21. Радиобиологические эффекты при облучении меристем.
22. Морфологические аномалии органов и радиационные химеры при облучении растений.
23. Радиостимуляционные эффекты растений.
24. Морфологические, физиологические и цитогенетические изменения в популяциях природных травянистых фитоценозов.
25. Морфологические, физиологические и цитогенетические изменения в популяциях агроценозов.
26.Морфологические, физиологические и цитогенетические изменения в популяциях лесных фитоценозов.
27. Динамика мутационного процесса при хроническом облучении популяций растений.
28. Модификация радиочувствительности. Количественная оценка модификационного эффекта.
29. Радиопротекторы. Классификация и механизм действия.
30. Радиочувствительноть живых организмов. Радиочувствительность органов и систем человека. Коэффициент радиационного риска.
31. Радиочувствительность органов кроветворения, клеток крови и кровеносных сосудов.
32. Радиочувствительность воспроизводительной системы.
33. Радиочувствительность эмбриона и плода.
34. Радиочувствительность иммунной системы.
35. Радиационные синдромы при общем облучении организма.
36. Острая и хроническая лучевая болезнь.
37. Ранние и отдаленные последствия облучения.
Детерминированные и стохастические эффекты.
38. Генетические эффекты и отдаленные последствия облучения человека.
39. Радиобиологические эффекты инкорпорированных радионуклидов.
40. Медицинские последствия катастрофы на Чернобыльской АЭС для населения.
41. Защита организма от радиационного воздействия при внешнем и внутреннем облучении.
42. Использование ионизирующих излучений при хранении продукции.
43. Использование ионизирующих излучений при переработке продукции.
44. Использование ионизирующих излучений для предпосевного облучения семян и посадочного материала.
45. Использование ионизирующих излучений для получения мутантных форм растений.
46. Использование ионизирующих излучений в медицине для диагностики и лечения болезней человека.

4. КРАТКАЯ ТЕОРИЯ КУРСА ДЛЯ ПОДГОТОВКИ К ЭКЗАМЕНУ И ВХОДНОМУ КОНТРОЛЮ

Предмет, задачи, проблемы радиобиологии

Радиобиология – это наука, изучающая действие ионизирующих излучений на живые организмы и их сообщества. Объектами радиобиологии являются молекулы, макромолекулы, разные структуры клеток, клетки, популяции клеток, культура тканей, микроорганизмы, растения, млекопитающие и человек. Главная задача радиобиологии – выявление и изучение общих закономерностей радиобиологических реакций живых организмов на действие ионизирующих излучений. Решение задачи позволит управлять ответными реакциями организма на облучение и защищать организм от радиационного воздействия. Наличие фундаментальной задачи определяет радиобиологию как самостоятельную науку, которая тесно связана с такими науками, как биология, генетика, биофизика, цитология, биохимия, физиология и медицина. Радиобиология имеет свои особенности: является экспериментальной дисциплиной, исследования проводятся на всех уровнях биологической организации и результаты имеют практическую значимость.
Как наука радиобиология сформировалась в 1895 г. Возникновение радиобиологии связано с тремя открытиями в физике:
1) открытие ионизирующих излучений В. К. Рентгеном (1895);
2) открытие явления радиоактивности А. Беккерелем (1896);
3) открытие радия и плутония П. Кюри и М. Склодовской-Кюри (1898).
Изучение действия радиации на биологические объекты началось с открытия рентгеновских излучений.
В развитии радиобиологии выделяют три этапа.
Первый этап – 1895–1921 гг. В этот период исследования и их результаты носили качественный характер. Были установлены разная радиочувствительность клеток (И. Бергонье и Л. Трибондо, 1906), замедление деления клеток при облучении (К. Корнике, 1905), разные аномалии в развитии эмбрионов.
Второй этап – 1922–1945 гг. Исследования носили количественный характер, объяснялись закономерности при проявлении различных радиобиологических эффектов. Была установлена связь радиобиологического эффекта с дозой облучения, появилась первая теория о механизме действия ионизирующих излучений, было открыто мутагенное действие ионизирующих излучений. В 40–50-х годах возникли научно-исследовательские центры в России и Белоруссии.
Третий этап – с 1945 г. и до наших дней. Продолжается изучение действия радиации на разных уровнях, т. е. на молекулярном, клеточном, тканевом, органном, организменном и популяционном. Новым направлением в радиобиологии является изучение действия инкорпорированных радионуклидов на организм, дополняется и совершенствуется теория, объясняющая механизм действия ионизирующих излучений, и решаются другие проблемы радиобиологии.
Главной проблемой радиобиологии является проблема радиочувствительности. До настоящего времени не решен вопрос – почему отдельные виды и клетки имеют разную радиочувствительность. В то же время установлено, что радиочувствительность различных клеток и организмов может различаться в десятки и сотни раз. В природе нет других повреждающих источников, которые вызывают широкую изменчивость реакций у облучаемых объектов при действии на них ионизирующих излучений.
Второй проблемой в радиобиологии считается проблема механизма действия ионизирующих излучений на биологические объекты. Механизм действия излучений полностью не раскрыт, поэтому нет единой теории, объясняющей механизм действия ионизирующих излучений.
Третья проблема – это профилактика и терапия острых лучевых поражений. Прошло более 50 лет со дня открытия радиозащитных средств (радиопротекторов), но не найдено ни одного протектора, который бы уменьшил поражающий эффект в два раза. Лечение острых лучевых поражений невозможно.
Четвертая проблема – сенсибилизация клеток и тканей. Сенсибилизаторы – это вещества, усиливающие радиационное поражение клеток и тканей. Сенсибилизация применяется при лучевой терапии злокачественных опухолей, поэтому значительно повышается эффективность радиационно-биологических технологий лечения.
Пятая проблема – специфика действия на организм малых доз излучений. Долгое время оставался нерешенным вопрос о существовании порога значения дозы (или безвредной дозы) для организма. Сейчас доказано, что любая малая доза может вызвать радиобиологический эффект. Действием малых доз ионизирующих излучений на организм считается облучение организма ионизирующим излучением от инкорпорированных радионуклидов, которые попадают в организм в основном с продуктами питания.
Шестая проблема – особенности действия на организм малых доз хронического облучения от инкорпорированных радионуклидов, которые накапливаются в различных органах организма и вызывают облучение клеток тканей и органов.
Седьмая проблема – радиационное нарушение иммунитета. В настоящее время установлено, что это одно из тяжелейших последствий острого и хронического облучения организма.
Восьмая проблема – отдаленные последствия облучения (лейкозы, катаракты, злокачественные новообразования, сокращение продолжительности жизни, генетические эффекты), причины их возникновения и особенности проявления.
Проблемы радиобиологии по-прежнему актуальны. В настоящее время они носят особо острый характер, потому что с их решением связана защита организма не только от острого, но и от хронического облучения.
К настоящему времени накоплен большой объем экспериментальных данных, свидетельствующих о том, что ионизирующие излучения способны вызывать разнообразные изменения на всех уровнях организации живой материи – от молекулярного до биоценозного. Информация о радиобиологических эффектах ионизирующих излучений была получена в основном в контролируемых экспериментальных условиях с использованием искусственных источников излучения. Доза облучения от этих источников значительно превосходила дозу, полученную от естественного радиационного фона. Биологические эффекты при хроническом облучении растений, т. е. когда растения на протяжении длительного периода или всей жизни подвергаются действию более слабых дозовых нагрузок, были изучены меньше.
До катастрофы на Чернобыльской АЭС исследования проводились в основном в районах с высоким природным или искусственно повышенным радиационным фоном. Результаты этих исследований указывали на то, что ионизирующая радиация в малых дозах при пролонгированном хроническом действии вызывает отрицательные последствия, сопровождающиеся усилением мутационной изменчивости у растений. При этом были выявлены разнообразные отклонения в росте и развитии, повышение уровня морфологической изменчивости, угнетение генеративной функции и хромосомные нарушения в митозе и мейозе. Увеличение частоты мутаций при облучении было установлено с использованием таких тестов, или критериев, как аберрации хромосом в митозе и мейозе, хлорофильные мутации и мутации локуса waxy хромосом. Кроме этого было установлено, что хроническое облучение индуцирует в природных популяциях мутационные процессы, на интенсивность которых влияют дозовые нагрузки, величины которых значительно различаются для видов растений. Для низких мощностей дозы облучения характерна нелинейная зависимость частоты мутаций от величины дозы. При облучении разных объектов низкими дозами закономерно проявлялась более высокая эффективность облучения в расчете на единицу дозы. В динамике мутационных процессов при хроническом облучении популяции выделяли ряд последовательных этапов: нарастание уровня мутаций, имеющее место в начале облучения; стабилизация уровня мутаций; перестройка структуры популяций и их стабилизация в новых условиях. Кроме этого было отмечено, что при длительном хроническом воздействии на популяции наблюдались эффекты радиоадаптации, однако, вопросы, связанные с прогнозированием отдаленных последствий хронического облучения популяций, были изучены недостаточно.
После аварии на Чернобыльской АЭС большое внимание уделялось изучению флоры, которой принадлежит важнейшая роль в обеспечении стабильности и пластичности природных сообществ. Предварительные результаты свидетельствуют о неблагоприятных последствиях чернобыльской катастрофы как для дикорастущих, так и для культурных растений.
Расширение контактов человека и животных с ионизирующим излучением способствовало проявлению у них различных радиобиологических эффектов на тканевом, органном и организменном уровнях. Знание закономерностей формирования радиобиологических эффектов и репарационных процессов необходимо для разработки методов и приемов защиты организма от радиационного воздействия. Формирование и проявление радиобиологических эффектов зависит в основном от радиочувствительности организма, дозы и способов облучения, вида ионизирующего излучения. В зависимости от дозы облучения и времени проявления в настоящее время выделяют детерминированные, стохастические и генетические эффекты, радиационные синдромы, лучевую болезнь, отдаленные последствия облучения и другие патологии. Для защиты организма человека от ионизирующей радиации используют физические и химические методы защиты, т. е. защиту временем, расстоянием, различными защитными сооружениями, а также радиопротекторами различной природы.
Развитие фундаментальных исследований в области радиобиологии в настоящее время открыло новые широкие перспективы использования радиобиологических явлений и закономерностей в самых разнообразных сферах практической деятельности человека – сельском хозяйстве, пищевой и микробиологической промышленности, медицине, охране окружающей среды. Прикладная радиобиология использует результаты фундаментальных исследований тех радиобиологических явлений, которые могут быть положены в основу определенных технологических процессов, в основу разработки методов и определения параметров радиобиологической технологии (РБТ) в оптимальных условиях, а также разработки и создания методов, устройств и установок для внедрения этих технологических процессов при обеспечении условий радиационной безопасности. Проблемы прикладной радиобиологии сводятся к дальнейшему поиску радиобиологических явлений, которые могут быть использованы в практической деятельности, а также к более широкому внедрению новых радиационно-биологических технологий в практику.


Лекция 1. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ
ИЗЛУЧЕНИЙ

Относительная биологическая эффективность ионизирующих излучений и линейная передача энергии. Методы оценки
относительной биологической эффективности излучений

Ионизирующие (или ядерные) излучения возникают при распаде ядер радиоактивных элементов. Они невидимы и обнаруживаются по различным явлениям, происходящим при их действии на вещество. Опасность для биологических объектов связана с особенностями, которые присущи только ядерным излучениям. Они обладают высокой энергией, превышающей внутримолекулярную и межмолекулярную энергию связей атомов и молекул, проникают внутрь облучаемого объекта и передают ему свою энергию, вызывая при этом ионизацию и возбуждение атомов и молекул, разрывают химические связи в молекулах, т. е. вызывают радиолиз молекул. При облучении и после облучения формируются различные повреждения, которые проявляются на разных уровнях – от атомного и молекулярного до организменного. Ионизирующие излучения оказывают мутогенное действие на генном, геномном, клеточном и организменном уровнях, блокируют митоз, вызывают репродуктивную и интерфазную гибель клеток, а также канцерогенез или раковые опухоли тканей.
Токсичность радионуклидов в организме определяется следующими их особенностями: вид излучения и величина энергии, период полураспада, форма поступления в организм, тип распределения по тканям и органам, скорость выведения из организма. К ионизирующим излучениям относятся рентгеновские лучи, гамма-лучи, бета-частицы, альфа-частицы, протоны, нейтроны. Качество излучения характеризуют такие физические показатели, как энергия, масса и заряд, удельная ионизация. По значению величин этих показателей ядерные излучения существенно отличаются друг от друга. Энергия излучения имеет прямую связь с поражающим действием, т. е. чем она больше, тем сильнее радиобиологический, или поражающий эффект.
Степень биологического действия разных видов излучений зависит от их линейной передачи энергии (ЛПЭ), т. е. от количества энергии, переданного веществу на 1 мкм пробега излучения в веществе. От величины ЛПЭ зависит удельная ионизация. У тяжелых частиц (альфа-частицы и протоны) плотность ионизации очень высокая, у легких – низкая. Например, в мышечной ткани среднее число ионизаций на пути в 1 мкм для альфа-частиц составляет 4500 кэВ/мкм, а для бета-частиц – 8 кэВ/мкм при средней ЛПЭ альфа-частиц, равной 143,0 кэВ/мкм, и бета-частиц – 0,23 кэВ/мкм. Таким образом, чем выше ионизационная способность и короче пробег частицы, тем больше у нее ЛПЭ и тем сильнее радиобиологический эффект. Облучение биологических объектов разными видами излучения в равных дозах вызывает различные по величине и значению эффекты. Как правило, излучения с высокой ЛПЭ обладают большим поражающим действием. Для сравнения биологического действия разных видов ионизирующих излучений введено понятие относительная биологическая эффективность (ОБЭ). Для количественной оценки ОБЭ излучения используют ее коэффициент, который определяется как отношение доз стандартного и исследуемого видов ионизирующего излучения, необходимых для получения одинакового биологического эффекта. Коэффициент ОБЭ определяется по формуле

Кобэ = (ДRо)эф / (ДХ)эф,

где (ДRо)эф – доза стандартного излучения (гамма-излучение 60Со или 137Cs с энергией излучения 180–250 кэВ);
(ДХ)эф – доза изучаемого излучения;
эф – сравниваемый радиационный эффект.
Относительная биологическая эффективность для любого вида излучений ( величина непостоянная, которая зависит от величины линейной передачи энергии и радиочувствительности облучаемого объекта, а также от приведенных ниже факторов.
1. Величина и мощность дозы (с увеличением дозы ОБЭ увеличивается до определенного предела).
2. Режим фракционирования или дробления дозы на фракции (при фракционированном облучении ОБЭ возрастает по мере увеличения числа фракций). При дроблении дозы на фракции каждый раз в промежутке времени между фракциями клетки успевают частично восстановить повреждения и способность к делению, а затем вновь подвергаются последовательному облучению, усиливающему повреждения, поэтому увеличивается количество погибших клеток. Суммарная доза облучения, вызывающая гибель клеток при фракционировании дозы, всегда меньше, чем доза однократного облучения, вызывающая такой же процент гибели клеток. Более точную оценку ОБЭ и ее зависимость от ЛПЭ получают при облучении изолированных клеток или других мелких объектов, в которых энергия распределяется почти равномерно. В тканях доза распределяется неравномерно, поэтому ОБЭ практически нельзя оценить.

3. До- и пострадиационные условия (т. е. температурный режим, наличие или отсутствие кислорода и условия питания). Максимальная ОБЭ наблюдается при оптимальной температуре и оптимальных условиях питания, потому что при оптимальных показателях происходит активное деление клеток. ОБЭ плотно-ионизирующих излучений повышается при дефиците кислорода.
Биологическую значимость радионуклидов характеризует период полураспада радионуклида, т. е. время в течение которого распадается половина ядер, а также наличие изотопных и неизотопных стабильных аналогов и способность включаться в процессы обмена веществ в организме. Наибольшую опасность для организмов представляют радионуклиды с периодом полураспада от нескольких дней до нескольких десятков лет, потому что радионуклиды с периодом полураспада в несколько секунд и минут распадаются, не достигнув тканей организма, а радионуклиды с периодом полураспада в десятки тысяч лет и более в естественных условиях не оказывают вредных воздействий на организм. Из искусственных радионуклидов, являющихся продуктами деления урана, в облучении человека, животных и растений значительную роль играют йод-131, цезий-137, стронций-90, которые включаются в миграционные процессы биосферы, попадают в организмы, накапливаются в определенных органах и тканях и вызывают их облучение. Следует отметить, что цезий является химическим аналогом калия, а стронций – аналогом кальция, что обусловливает их высокую подвижность и включение в процессы обмена веществ в организмах, где они формируют дополнительные дозы внутреннего облучения, что приводит к развитию различных специфических заболеваний внутренних органов, кроветворной, иммунной, эндокринной и воспроизводительной систем.

1.2. Теория попадания и мишени

Единой теории, объясняющей механизм действия излучения, нет.  В механизме биологического действия ионизирующих излучений на живые объекты условно выделяют два основных этапа. Первый этап – первичное (непосредственное) действие излучения на биохимические процессы, функции и структуры органов и тканей. Второй этап – опосредованное действие, которое обусловливается изменениями, возникающими в организме под влиянием облучения.
На основе механизма, объясняющего прямое действие ионизирующих излучений, возникла теория мишени и попаданий, выдвинутая Дессауэром в 1925 г., а затем дополненная Тимофеевым-Ресовским, Циммером, Ли и другими исследователями. Эта теория объясняла наличие в клетке жизненно важного центра – мишени, попадание в которую одной или нескольких высокоэнергетических частиц излучения может вызвать разрушение и гибель клетки. Попадание в мишень – это вероятностное событие. Чем больше доза, тем оно вероятнее; чем меньше доза, тем оно менее вероятно, но по закону случайности попадания оно всегда возможно. В основе этой теории лежат три принципа: первый – принцип попадания – указывает на то, что началом любого радиобиологического эффекта является случайный акт попадания излучения в определенную область клетки, где происходит дискретная передача энергии излучения, т. е. поглощение порций энергии излучения при случайном акте попадания в мишень. Второй – принцип мишени – учитывает особенность облучаемого объекта (клетки), т.е. различие в ее ответной реакции на одно и то же попадание. Не всякое попадание сопровождается гибелью клетки. Клетка погибает при попадании излучений в жизненно важные структуры клетки, которые называются мишени. В облучаемых клетках мишенями являются хромосомы и молекулы ДНК. Третий – принцип усилителя – все биологические структуры клетки имеют разную радиочувствительность и разное значение в жизнедеятельности клетки. При попадании излучения в мишень поражение клетки значительно усиливается и увеличивается количество погибших клеток. Принципы указывают на то, что передаваемая объекту энергия характеризуется дискретностью, статистичностью и носит вероятностный характер. Теория попадания и мишени приемлема только для простых систем.

1.3. Структурно-метаболическая теория

Универсальной теорией, объясняющей механизм действия ионизирующего излучения, является структурно-метаболическая теория А.М. Кузина, предложенная в 1965 г. В основе теории лежит принцип многофакторности в проявлении любой радиобиологической реакции, или радиобиологического эффекта. В облученной клетке происходит не только радиолиз молекул, но и синтез дополнительных высокореакционных продуктов, вызывающих повреждение биологически важных молекул и других молекул, что приводит к образованию радиотоксинов. Образование первичных радиотоксинов зависит от поглощенной дозы, времени облучения и носит экспоненциальный характер. После облучения образование радиотоксинов продолжается вследствие повышения активности ферментативных систем окисления, т. е. имеет место механизм биологического усиления начальных процессов.
В своей теории автор выделил шесть общих принципов:
1) дискретный характер передачи энергии;
2) прямое и косвенное действие излучения;
3) повреждение при облучении всех микро- и макромолекулярных структур клетки;
4) передача генетических и физиологических нарушений по наследству;
5) одновременное осуществление в клетке процессов повреждения и восстановления от повреждений;
6) развитие любого радиобиологического эффекта во времени.
В теории основная роль при формировании радиобиологических эффектов отводится нарушениям в биомембранах клеток и клеточных структур, а также нарушениям в ядре клетки. Биомембраны играют важную роль в делении клеток. Экспериментально доказано, что ДНК связана с биомембранами, начало синтеза ДНК происходит в точках прикрепления молекулы ДНК к ядерной мембране. На поверхности биомембран имеются особые рецепторы, которые передают сигналы гормонов через липиды мембран. Липиды относятся к высоко радиочувствительным молекулам, поэтому при действии ионизирующих излучений на липиды, входящие в состав клеточных мембран, в присутствии кислорода образуются пероксиды (первичные липидные радиотоксины и продукты их распада). Повреждение липидов приводит к нарушению целостности мембран, поэтому нарушаются их проницаемость и важнейшие метаболические процессы в клетке и ядре: инактивация ферментов и гормонов, энергетические функции митохондрий и синтеза ДНК и РНК.
Все вещества, оказывающие влияние на геном клетки, А. М. Кузин назвал триггер-эффекторами, к которым относятся хиноны, семихиноны, гормоны и другие вещества. В зависимости от дозы облучения их концентрация в клетках возрастает, они оказывают угнетающее и подавляющее действие на геном клетки и процессы биосинтеза (синтез белка и ДНК). При облучении в клетках повышается содержание обычных первичных токсинов, появляются новые токсины, не свойственные клетке, из первичных токсинов могут образовываться вторичные токсины. Радиотоксины вызывают окисление молекул различных органических соединений клеток, поэтому нарушаются ферментативные и энергетические процессы, синтез ДНК, структура хромосом, структура информационной РНК, что приводит к синтезу измененных белков и к образованию аномальных клеток и формированию раковых опухолей в тканях. Схема развития лучевого токсического эффекта приведена на рис. 1.




Рис. 1. Схема развития лучевого токсического эффекта

Таким образом, в настоящее время общепризнанной теорией, объясняющей механизм действия ионизирующих излучений на биологические объекты, является структурно-метаболическая теория А. М. Кузина, в основе которой лежит принцип многофакторности в проявлении любого радиобиологического эффекта.

Лекция 2. РАДИОБИОЛОГИЯ КЛЕТКИ

2.1. Особенности и этапы действия ионизирующих излучений.
Прямое и косвенное действие

Ионизирующие излучения обладают высокой биологической активностью. Они могут вызывать ионизацию любых химических соединений, биосубстратов, а также радиолиз молекул с образованием активных радикалов, что приводит к возникновению многочисленных и длительных реакций в живых клетках и тканях. Результатом биологического действия радиации является нарушение нормальных биохимических процессов с последующими функциональными и морфологическими изменениями в клетках и тканях.
Все радиобиологические реакции начинаются одинаково, т .е. с формирования молекулярных и клеточных повреждений в результате передачи им энергии излучения, и заканчиваются физиологическими и морфологическими изменениями в облученном организме. В механизме биологического действия ионизирующих излучений на живые объекты выделяют ряд последовательных этапов, объединенных между собой причинно-следственными связями (табл. 1).

Т а б л и ц а 1. Этапы действия ионизирующих излучений на биологические
объекты

Номер
этапа
Явление
Длительность
этапа

1
Физико-химический этап (ионизация и возбуждение атомов и молекул)
10-12 ( 10-8 с

2
Химический этап (образование свободных радикалов)
10-7 с ( несколько часов

3
Биомолекулярный этап (повреждения белков, нуклеиновых кислот и других биомолекул)
10-3 с ( несколько часов

4
Ранние биологические эффекты (гибель клеток, гибель организма)
Часы ( недели

5
Отдаленные биологические эффекты (опухоли, генетические эффекты, гибель организма и т. д.)
Годы ( столетия


Таким образом, начальное действие ионизирующих излучений происходит на атомном и молекулярном уровнях, затем, с течением времени, проявляется на клеточном, тканевом, органном и организменном уровнях.
В основе первичных радиационно-химических изменений молекул лежат два механизма, обозначенные как прямое и косвенное действие. Под прямым действием радиации понимают изменения молекул, которые возникают в результате поглощения энергии излучения непосредственно самими молекулами.
Под косвенным (непрямым) действием понимают изменения в молекуле, которые происходят в результате взаимодействия молекул с продуктами радиолиза воды и растворенных в ней веществ.
В водных растворах молекул при прямом действии число инактивированных молекул увеличивается пропорционально концентрации раствора, а доля поврежденных молекул от общего числа молекул остается постоянной, т. е. чем больше молекул в растворе, тем больше их повреждается. При косвенном действии независимо от концентрации раствора число поврежденных молекул постоянно, а их доля от общего числа изменяется обратно пропорционально их концентрации в растворе, т. е. чем больше молекул в растворе, тем меньше их повреждается. В клетках растений и животных оценить прямое и косвенное действие очень сложно. Поэтому используют клетки вирусов и микроорганизмов. В результате экспериментов было установлено, что для повреждения одного и того же количества молекулы ДНК вирусов живых клеток необходима доза, в 2–3 раза превышающая дозу облучения молекул ДНК вирусов, находящихся в водном растворе. Исследованиями установлено, что на молекулы ДНК вирусов большее влияние может оказать прямое действие, чем косвенное. Косвенное действие при облучении раствора ДНК вирусов проявляется при ее концентрации 2 %. В организме вирусов концентрация ДНК составляет 10 % и более. Аналогичная закономерность выявлена при изучении повреждения ДНК пневмококков, которая в растворах повреждается при дозе облучения, равной 10 Гр, в сухих препаратах – 700 Гр и в культуре клеток – 1000 Гр. Это объясняется защитным эффектом молекулы ДНК в живых клетках молекулами белка и другими молекулами. При облучении растительных клеток на прямое действие приходится 10–20 % лучевого поражения, а на косвенное – 80–90 %. В клетках животных примерно 45 % поглощенной энергии излучений расходуется на прямое действие, а 55 % – на косвенное.

2.2. Природа и реакционная способность свободных радикалов
(на примере молекулы воды)

К настоящему времени установлено, что до 97 % общего состава живых организмов представлено легкими атомами водорода, кислорода, углерода, азота, серы, фосфора. Из этих элементов состоят основные молекулы биологических систем. При облучении тканей животных и растений основная часть энергии излучения (70–85 %) поглощается молекулами воды. Молекулы воды составляют основу важнейших структур клетки, в воде растворены белки, нуклеиновые кислоты и другие компоненты клетки, которым может передаваться энергия, первоначально поглощенная водой. Радиационно-химические реакции (радиолиз) молекулы воды хорошо изучены. Первичные продукты радиолиза – свободный электрон и положительный ион, а также возбужденная молекула воды, которые обладают свойствами, отличающимися от свойств электрически нейтральных молекул. Они распадаются с образованием высокореакционных свободных радикалов водорода (Но) и гидроксила (ОНо).
Свободные радикалы – это электрически нейтральные атомы или молекулы с неспаренным электроном на внешней оболочке. Радикалы в сотни раз активнее молекулы воды, так как имеют тенденцию спаривать неспаренный электрон с аналогичным электроном другого радикала. Время существования свободных радикалов составляет 2(10 -7 с. Радиолиз молекул воды проходит в две стадии. Первая стадия состоит из двух процессов: 1) ионизация и возбуждение молекул; 2) образование свободных радикалов.
В результате ионизации молекулы воды возникает положительно заряженный ион Н2О+. Образование иона сопровождается потерей молекулой воды электрона, который превращается в гидратированный электрон (еag). Этот электрон обладает свойствами восстановителя, может соединяться с другой молекулой Н2О с образованием отрицательно заряженного иона Н2О– или с положительным ионом Н2О+ с образованием возбужденной молекулы воды Н2О*. Первый процесс, который рассматривается как прямое действие излучений, можно представить в виде двух реакций:

( ( Н2О ( Н2О+ +
·
( + Н2О ( Н2О–

Н2О+ +
· ( Н2О*.

Продолжительность существования ионов и возбужденной молекулы воды составляет 10 -6–10 -9 с. Они распадаются с образованием высокореакционных свободных радикалов водорода и гидроксила (Но и ОНо). Таким образом, первичные свободные радикалы Но и ОНо образуются из ионов молекулы воды и при диссоциации возбужденной молекулы воды:

Н2О+ ( Н+ + ОНо
Н2О– ( ОН( + Но
Н2О* ( Но + ОНо.

Гидроксильные радикалы – сильные окислители, а радикал водорода имеет свойство восстановителя.
Во второй стадии происходит взаимодействие свободных радикалов друг с другом, с молекулами воды и с растворенными в воде молекулами различных веществ. Реакции могут идти следующими путями:
Но + Но ( Н2 (образование молекул водорода);
ОНо + ОНо ( Н2О2 (образование перекиси водорода);
ОНо + Но ( Н2О (рекомбинация, восстановление воды);
Н2О + Но ( Н2 + ОНо (образование вторичных
Н2О + ОНо ( Н2О2 + Но радикалов Но и ОНо);
RH + OHо ( Н2О + Rо (образование свободных
RH + Hо ( Н2 + Rо радикалов различных молекул).

Радикалы, образовавшиеся при распаде возбужденной молекулы воды, обладают незначительной энергией, поэтому они не удаляются на большие расстояния друг от друга и подвергаются быстрой рекомбинации. Величины радиационно-химического выхода молекулы воды распределяются следующим образом: GOHо = 2,6; GHо = 0,4; Geaq = 2,6 и небольшое количество Н2 и Н2О2. Выход измеряется числом образовавшихся или распавшихся молекул на 100 Эв поглощенной энергии излучения.
Взаимодействие свободных радикалов с органическими и неорганическими веществами идет по типу окислительно-восстановительных реакций и составляет эффект непрямого (косвенного) действия радиации. Величина прямого и непрямого действия ионизирующего излучения в первичных радиобиологических эффектах различных систем неодинакова. В абсолютно чистых сухих веществах преобладает прямое, а в слаборастворенных – косвенное действие. При наличии в среде растворенного кислорода образуются гидропероксиды, первичным звеном которых является гидропероксидный радикал, возникающий в результате реакции

Но + О2 ( НО2.

Гидропероксиды могут взаимодействовать между собой, образуя пероксиды водорода (Н2О2) и высшие пероксиды (Н2О4), которые обладают высокой токсичностью. В клетке эти соединения разлагаются ферментом каталазой на воду и кислород.
При облучении водных растворов биологически важных молекул ионизирующей радиацией с низким значением ЛПЭ радикалы и другие активные формы радиолиза воды возникают на расстоянии друг от друга. Это способствует вступлению их в реакции с другими растворенными молекулами. Когда излучение характеризуется высоким значением ЛПЭ, в плотном треке происходит радикал-радикальное взаимодействие, т. е. участие радикалов в реакциях с молекулами любых растворимых веществ становится менее существенным. Радиационно-химические превращения молекул обычно исследуются в одно- и двухкомпонентных системах (препараты сухих молекул и водные растворы молекул). В клетке сосредоточены во взаимосвязи друг с другом молекулы самых разнообразных веществ. Поэтому развитие радиационно-химических реакций подчиняется закономерностям, свойственным сложным многокомпонентным системам. Реакции, наблюдающиеся в модельных системах, не всегда близки к реальной ситуации в облученной клетке. Полное описание радиационно-химических процессов в клетке и тканях представляет собой сложную задачу с многими нерешенными вопросами. Установлено, что в клетке радиационно-химические реакции продуктов радиолиза зависят от вязкости клеточного сока: чем больше вязкость, тем меньше содержание воды в клетках, меньше диффузия кислорода в клетку, поэтому поражение клеток значительно снижается.

2.3. Радиационно-химические повреждения аминокислот,
белков, ферментов

Биологически важные макромолекулы – нуклеиновые кислоты, белки, липиды, углеводы – образуют основные структурные единицы клетки – хромосомы, биомембраны, полиферментные системы, клеточные оболочки. Повреждение биологически важных молекул обусловливается радиационно-химическими превращениями (повреждениями) мономерных единиц, из которых они состоят.
Существенное значение для понимания процессов, которые происходят в клетках живых организмов при облучении, имеет изучение действия излучения на органические молекулы. Экспериментально доказано, что под действием излучений разрываются связи в органических молекулах и они диссоциируют на отдельные фрагменты, т. е. происходит их деструкция с образованием ионов и свободных радикалов. На растворенные в воде вещества действие излучений может быть прямое, в результате чего возникают органические ионы и свободные радикалы, и косвенное, приводящее к образованию свободных органических радикалов и органических перекисей при взаимодействии продуктов радиолиза воды (Но, ОНо, Н2, и Н2О2) с неповрежденными органическими молекулами. Облучение водных растворов органических веществ может вызывать реакции димеризации и полимеризации органических соединений.
Наибольшую часть всех органических соединений в любом организме составляют белки, к основной функции которых относится ферментативный катализ. Белки состоят из аминокислот. Молекулы большинства аминокислот имеют общую структуру:

13 EMBED Equation.2 1415.

Остаток R может иметь различное строение, что определяет специфичность свойств каждой аминокислоты и ее радиочувствительность. Набор аминокислот, их количество и последовательность расположения в белковой молекуле определяют первичную структуру белка. Аминокислоты при помощи пептидных связей ((СО(NH() соединяются друг с другом, образуя каркас белковой молекулы. Атомы пептидных группировок располагаются в одной плоскости. Функциональные группы аминокислот (NH2, COOH, OH, SH, S–S и т. д.), расположенные в боковых отростках пептидной цепи, могут взаимодействовать между собой и с другими органическими соединениями, образуя сложные белки.
При действии ионизирующих излучений на белковые молекулы индуцируются изменения в аминокислотных остатках, образующих макромолекулу белка. Наиболее общими радиационно-химическими реакциями аминокислот являются следующие процессы:
1) реакция дезаминирования, сопровождающаяся разрывом связи С–N и образованием аминогрупп;
2) реакция декарбоксилирования, сопровождающаяся разрывом связи С(С и образованием карбоксильных групп;
3) реакция дегидрирования, при которой происходит расщепление связей С(Н и N(Н с образованием различных групп.
Различия в строении остатка R обусловливают специфику радиолиза каждой аминокислоты. С усложнением структуры молекулы аминокислоты и увеличением длины углеродной цепи возрастает частота разрывов и увеличивается количество продуктов радиолиза, т. е. возрастает ее радиочувствительность.
Установлено, что аминокислоты при облучении разлагаются преимущественно с отщеплением аммиака, поэтому этот процесс называется реакцией дезаминирования. Радиационно-химический выход реакций дезаминирования таких аминокислот, как глицин, аргинин, аланин, лизин, в водном растворе колеблется в пределах одной – пяти молекул NН2. С повышением концентрации раствора, а также дозы облучения выход амминогрупп возрастает.
Рассмотрим радиолиз раствора глицина, при котором происходит реакция дезаминирования (доза 100–1000 Гр). Под действием излучения разрывается связь С–N. Возникающий свободный радикал NH2о присоединяет из раствора радикал Но и превращается в аммиак:

NH2 – CH2 – COOH –– [ NH2o + CH2COOH] + Ho –– NH3 + CH2COOHo.

Среди аминокислот наибольшей радиочувствительностью обладают серосодержащие аминокислоты, у которых радиолиз происходит при меньших дозах. Хорошо изучен радиолиз цистеина, который является самым радиочувствительным среди аминокислот. Под влиянием двух свободных радикалов ОНо сульфгидрильные группы двух молекул цистеина окисляются (отщепляется водород) и между двумя атомами серы замыкается связь с образованием молекулы цистина:

13 EMBED Equation.2 1415Н2О.

При радиационно-химических реакциях валина и лейцина образуются гидроперекисные соединения.
Изучение действия ионизирующего излучения на растворы белковых молекул позволило выделить основные реакции повреждения белковой молекулы: отщепление водорода по связи С–Н от углеродного атома с образованием белкового радикала; расщепление белка с образованием амида и карбонильного соединения; нарушение и разрыв первичной, вторичной и третичной структур, сопровождающиеся образованием низкомолекулярных фрагментов или полимеризацией молекулы белка; радиационно-химические нарушения аминокислот. Специфической реакцией белков на высокие дозы облучения является денатурация, при которой белок переходит в нерастворимую форму без изменения химического состава. При облучении прямолинейная структура белковой молекулы может изменяться до спиралевидной и глобулярной. В водных растворах существенную роль в радиационных превращениях белковых молекул играют продукты радиолиза воды – радикал ОНо и гидратированный электрон eaq. Свободные радикалы могут локализовываться в определенных местах молекулы. Через промежуточные соединения, возникающие по центрам локализации радикалов ОНо, белки расщепляются с образованием фрагментов белковых молекул. При облучении белковых молекул также регистрируются разрывы водородных, гидрофобных и дисульфидных связей, образование сшивок между белковыми молекулами. Установлено, что при облучении клеток свободные радикалы ОНо, локализованные в разных участках белковой молекулы, могут вызывать процессы полимеризации и возникновение ковалентных сшивок белков с молекулой ДНК. Облучение вызывает нарушение конформационного состояния, что приводит к ослаблению способности белка регулировать самосборку надмолекулярных структур. Радиационно-химические повреждения структуры белковой молекулы приводят к нарушению их основных функций – ферментативной, гормональной и рецепторной.
Белки входят в состав многочисленных ферментов клетки, которые катализируют различные процессы обмена веществ в клетках. При облучении белков происходит инактивация ферментов, т. е. потеря способности их регулировать все ферментативные процессы обмена веществ в клетках. Хорошо изучена реакция на облучение ферментов, катализирующих разложение нуклеиновых кислот (ферменты ДНК-азы) и белков (фермент трипсин). Причинами инактивации ферментов могут быть изменения пространственной конфигурации фермента, развертывание белковой глобулы, а также изменение аминокислотного состава в результате повреждения поверхностных участков фермента. В присутствии кислорода инактивация ферментов усиливается в несколько раз. Образование продуктов радиолиза белковых молекул в живых клетках, облученных дозами, близкими к полулетальным, обычно невелико. Прямое повреждение белковых молекул, по-видимому, не имеет решающего значения для жизнеспособности клеток, так как в клетке много одинаковых молекул и возможен синтез новой идентичной белковой молекулы.
При радиолизе других органических молекул происходит нарушение их структуры в результате разрыва связей С(С, С(Н и связей углерода с функциональными группами С(R. Возникают радикалы различных типов. Среди продуктов появляются не только фрагменты углеводородной цепочки, но и продукты превращения функциональных групп. Например, при радиолизе спиртов, эфиров и кетонов образуется водород (реакция дегидрирования), при радиолизе органических кислот – двуокись углерода (реакция декарбоксилирования), при радиолизе аминов – аммиак (реакция дезаминирования). Происходят также реакции синтеза, т. е. образование более сложных молекул в результате полимеризации простых молекул и функциональных групп.

2.4. Радиационно-химические и структурные повреждения
молекулы ДНК клеток

Действие ионизирующих излучений на нуклеиновые кислоты – ДНК, разные формы РНК ( изучено более основательно. ДНК содержится в ядре в виде двойной незамкнутой спирали, а также в митохондриях и пластидах в виде двойной цепочки, замкнутой в кольцо. Исследованиями доказано, что в развитии лучевого поражения клетки особо важное место принадлежит молекулярным повреждениям компонентов генетически важных молекул, в частности ДНК, входящей в состав хромосом. Определяющая роль повреждения ДНК основывается на том, что гигантские молекулы ДНК в гаплоидном наборе хромосом не повторяют друг друга, представляя собой уникальную структуру клетки. Поэтому исследование радиационно-химических повреждений молекул нуклеиновых кислот приобрело большое значение в изучении радиобиологических эффектов.
Выход повреждений ДНК при облучении клеток дозами, вызывающими репродуктивную гибель клеток, т.е. потерю способности клеток к делению, незначителен. Однако и при очень малом выходе повреждений могут нарушаться структура и функции этих молекул в клетке. ДНК клетки как объект радиобиологических реакций существенно отличается от ДНК простых радиобиологических систем. В составе хромосом ДНК находится в виде двойной незамкнутой спирали. В митохондриях, пластидах и клетках прокариот (клетки без ядер) ДНК представлена в виде двойной цепочки, замкнутой в кольцо. Клеточная ДНК хранит генетическую информацию клетки в виде генетического кода. Генетический код – это последовательность чередования нуклеотидов в молекуле ДНК, которая определяет порядок расположения аминокислот в белке. Повреждение оснований ДНК при облучении клетки может быть причиной генных (точковых) мутаций организма, а также причинами нарушения генетического кода и появления генных мутаций. Это связано с потерей, разворотом, дупликацией и заменой оснований. Синтез ДНК предполагает образование двух комплиментарных цепей, идентичных матричной молекуле. При облучении порядок чередования оснований в молекуле ДНК может нарушаться. Замена одного из оснований в каждой паре приводит, во-первых, к изменению геометрии молекулы ДНК, во-вторых, к изменению генетического кода и последующему включению в молекулу белка ошибочного аминокислотного остатка, что приводит к появлению измененных молекул белка. В середине 80-х годов у молекулы ДНК живых организмов открыли минисателлиты, которые состоят из коротких повторяющихся фрагментов ДНК длиной 10–60 нуклеатидов. Основная роль минисателлитов в клетке – регулирование активности генов. Мутации минисателлитов происходят в 1000 раз чаще, чем мутации обычных генов. При этом частота мутаций увеличивается при облучении ионизирующим излучением. Мутации минисателлитов, выявленные у детей, рожденных после аварии на Чернобыльской АЭС от облученных родителей, в два раза превосходят мутации у детей, рожденных от необлученных родителей.
На рис. 2 приведены схемы структурно-радиационных повреждений молекулы ДНК и указаны места в молекуле ДНК, где наиболее легко реализуется поглощенная энергия излучения, что проявляется в виде различных нарушений целостности молекулы.


Рис. 2. Основные радиационно-химические повреждения
молекулы ДНК: а – одиночные разрывы; б – двойные разрывы; в – частичная денатурация молекулы в результате распада п- водородных мостиков; г – радиационные изменения оснований; д – отщепление оснований; е – образование сшивок; ж – распад дезоксирибозы.

К настоящему времени доказано, что при облучении хромосомной ДНК клеток наблюдаются следующие первичные реакции: окисление пиримидиновых оснований и распад пуриновых оснований, обратимые и необратимые разрывы водородных связей, конфигурационные изменения надмолекулярных структур ДНК, внутри- и межмолекулярные сшивки полимерных цепей. В живых клетках ДНК связана с белками – гистонами, образуя самый сложный комплекс – хроматин, в который входят ДНК, РНК и белковые компоненты. Синтез ДНК и его задержка совпадают с этими же процессами у гистонов. Элементарная хромосомная нить образована спиралью ДНК, скрепленной гистонами. Облучение вызывает образование сшивок ДНК–белок по причине радиолиза пиримидиновых оснований с образованием пиримидиновых и перекисных радикалов. Повреждения сахарофосфатных связей приводят к возникновению поперечных ковалентных сшивок ДНК – ДНК, а также сшивок ДНК – белок и ДНК – мембранный комплекс. При облучении клеток может распадаться комплекс ДНК – мембранный комплекс и нарушаться синтез молекулы ДНК. Главную роль в образовании сшивок играют продукты радиолиза пиримидиновых оснований (пиримидиновые и перекисные радикалы) и меньшую роль – продукты повреждения пуриновых оснований. При облучении клеток однонитевые разрывы вызывают потерю способности молекулы скручиваться в спираль, и структура молекулы становится кольцевой. Двунитевые разрывы вызывают переход кольцевой структуры в линейную. Разрывы нарушают целостность молекулы ДНК, что препятствует считыванию с нее генетической информации, нормальной репликации ДНК и распределению генетического материала между клетками. После облучения разрывы ДНК частично восстанавливаются, поэтому не всегда поврежденная и восстановленная ДНК идентична неповрежденной матричной ДНК, т. е. имеет место ошибочная репарация. Места разрывов могут соединяться в различных комбинациях. Неправильное восстановление разрывов приводит к возникновению хромосомных аберраций. При облучении клеток тканей человека в дозе 2 Гр погибает 10–90 % клеток. В ДНК одной клетки образуется около 2000 однонитевых разрывов и до 80 двунитевых, при этом повреждается около 1000 оснований и образуется около 300 сшивок ДНК с белками. При облучении клетки повышается активация ферментов ДНК-аз, которые вызывают деполимеризацию ДНК. Разрушение ядерных и цитоплазматических мембран при облучении создает условия для ферментативного повреждения молекулы ДНК.
Кроме вышеперечисленных реакций ДНК в клетке имеет место дистанционное действие на ДНК радиотоксинов – стабильных продуктов радиолиза клеточных и межклеточных молекул, а также происходят различные процессы, вызывающие вторичное (опосредованное) повреждение ядерных структур и молекулы ДНК. Установлено, что гидратированные электроны взаимодействуют с гистонами, что приводит к нарушению связей и структуры самих гистонов, нарушению связей гистонов с ДНК и изменению структуры хроматина. В ядре образуются органические гидроперекиси, которые входят в состав радиотоксинов. Взаимодействие радикала ОН с фенолами и полифенолами в присутствии кислорода приводит к образованию ортохинонов и оксиортохинонов. Эти вещества являются мутагенами, ядами и ингибиторами, под действием которых изменяются свойства оснований, нарушается активность генов и формируются разрывы нитей ДНК. Совокупность всех изменений вызывает нарушения синтеза ДНК, РНК и белка, поэтому нарушается деление клеток. Синтез ДНК – очень радиочувствительная реакция. В зависимости от величины дозы он замедляется, нарушается или прекращается вообще. Синтез ДНК нарушается на следующих этапах:
1) обменные реакции, приводящие к синтезу трифосфатов четырех нуклеотидов;
2) начало синтеза ДНК, т. е. освобождение молекул ДНК от белков; раскручивание цепи и присоединение ДНК-полимеразы;
3) синтез ДНК;
4) радиационное угнетение синтеза ферментов, ответственных за синтез ДНК.
Косвенно на синтез ДНК оказывают влияние различные радиотоксины, которые всегда возникают в облученных клетках. Структурные повреждения ДНК (однонитевые и двунитевые разрывы) являются основной причиной гибели клеток при облучении.
Следует отметить, что реакции, связанные с потерями и модификациями оснований, так же как и разрывы фосфороэфирных и межуглеродных связей, неспецифичны для ионизирующего излучения, так как выход многих продуктов этих реакций наблюдается при воздействии некоторых химических и физических факторов, клеточных ферментов типа эндо- и экзонуклеаз, ультрафиолетового излучения.
РНК, представленная в клетке несколькими формами (матричная, рибосомальная, транспортная), относится к массовым молекулярным структурам клетки, т. е. формы повторяются или содержатся в нескольких копиях и в отличие от ДНК могут синтезироваться в требуемом количестве в клетке. Поэтому их радиационное повреждение менее значимо при лучевом поражении клетки. В основном типы радиационного повреждения молекул РНК такие же, как и молекулы ДНК.
Таким образом, при облучении клеток ионизирующим излучением происходит радиолиз микромолекул и макромолекул клеток, в результате которого изменяются свойства молекул, возникают первичные и вторичные радиотоксины, поэтому изменяются процессы обмена веществ в клетке, нарушается синтез ДНК, белков, что приводит в конечном итоге к гибели клеток.

2.5. Сравнительная радиочувствительность клеток,
ядра и цитоплазмы

При прохождении ионизирующих излучений через тканеподобное вещество происходят глубокие и практически необратимые перестройки атомов среды вещества. Судьба ионизированных и возбужденных атомов и молекул, образовавшихся после поглощения ионизирующего излучения, существенно зависит от химического состава и структуры поглощающей среды. Этапы формирования радиационного поражения клеток и тканей отражены во многих схемах. Например, З. Бак и П. Александер выделяют следующие этапы:
1) поглощение энергии ионизирующего излучения;
2) появление ионизированных и электронно-возбужденных молекул;
3) индуцирование изменений в молекулах;
4) развитие биохимических повреждений;
5) формирование субмикроскопических повреждений;
6) проявление видимых повреждений клеток;
7) гибель клетки.
Клетка – элементарная биологическая система, способная к размножению. В живой клетке как в отрегулированной биологической системе изменение в какой-либо ее части отражается на функционировании всей клетки. Морфологические изменения в клетках обнаруживаются не сразу после облучения, а через некоторое время, которое неодинаково для разных клеток. Этапы радиационного повреждения клетки представлены в схеме, предложенной А. М. Кузиным (рис. 3).


Рис. 3. Основные этапы радиационного повреждения клетки

При облучении клеток наблюдаются следующие морфологические изменения: увеличение размеров клеток, увеличение ядер, образование двухъядерных и трехъядерных клеток, дробление ядер, изменение формы клеток, многополюсные митозы, увеличение объема хромосом, слипание хромосом, образование фрагментов хромосом, которые могут вызывать гибель клеток.
В 1906 г. французские ученые Л. Бергонье и И. Трибондо обнаружили разную радиочувствительность клеток и сделали вывод о том, что радиационная гибель клеток прямо пропорциональна интенсивности их деления и обратно пропорциональна уровню их дифференциации, т. е. делящиеся и молодые клетки очень чувствительны к облучению. К таким клеткам у растений относятся клетки меристем, обеспечивающие рост растений на протяжении всей жизни, а у животных и человека – клетки органов кроветворения: костного мозга и лимфатических желез. Эта закономерность явилась основой для радиотерапии злокачественных опухолей. Известно, что раковые клетки быстрее делятся, обладают меньшим уровнем дифференциации, чем клетки основной здоровой ткани, поэтому они менее радиоустойчивы, чем здоровые клетки.
На радиочувствительность клетки оказывают влияние следующие факторы.
1. Возраст и фаза жизненного цикла клеток – максимальная радиочувствительность отмечается у молодых и делящихся клеток. У растений наиболее радиочувствительны клетки меристемных тканей, у млекопитающих – клетки системы кроветворения. Радиочувствительность отдельной клетки зависит от фазы жизненного цикла клетки в момент облучения. Максимальная радиочувствительность наблюдается в конце G1-периода (предсинтетический период ДНК) и в начале S-периода (синтез ДНК), а максимальная радиоустойчивость – у клеток, находящихся в покое.
2. Принадлежность клеток к определенным тканям и органам, которые выполняют разную функцию в организме. Установлено, что у растений клетки меристемных тканей в 1000 раз радиочувствительнее, чем клетки механических тканей.
3. Объем ядра, количество и размер хромосом, количество ДНК и степень защищенности ее белками. Установлено, что чем крупнее хромосомы, тем выше радиочувствительность, а также чем меньше хромосом, тем выше радиочувствительность.
4. Доза облучения, мощность дозы и вид излучений. В зависимости от величины дозы выделяют три классические реакции клеток на облучение: 1) задержка деления клеток (блокирование митоза); 2) пре-кращение неограниченного деления клеток (репродуктивная гибель); 3) остановка деления клеток (интерфазная гибель). Максимальный радиобиологический эффект достигается при облучении клеток альфа-излучением.
5. Наличие в клетке естественных радиопротекторов. Известно, что вещества, содержащие сульфгидрильную группу, повышают радиоустойчивость клеток. Реакция клеток на облучение проявляется не сразу, а через определенное время после облучения.
Облучение клетки вызывает: 1) повреждение клеточной мембраны, что приводит к усилению притока и оттока различных веществ в клетку и из клетки; 2) изменение консистенции цитоплазмы (коагуляция, разжижение); 3) нарушение структурных компонентов цитоплазмы; 4) повреждение ядерной мембраны и ядерных компонентов; 5) нарушение синтеза различных веществ и процессов обмена веществ в клетке; 6) гибель клетки.
Для сравнения радиочувствительности разных клеток их облучают одинаковой дозой, а радиочувствительность оценивают по единому критерию (процент хромосомных аберраций, метотический индекс и выживаемость клеток). Для количественной оценки радиочувствительности клеток используют летальную дозу (Л100) – это доза, при которой погибает 100 % клеток, и полулетальную дозу (ЛД50) – это доза, при которой погибает 50 % клеток.
В клетке критическим местом радиационного поражения является ядро, которое более радиочувствительно, чем цитоплазма, так как в нем находятся жизненно важные структуры – хромосомы и ДНК. Основная часть информации клеток находится в ядерной ДНК в виде генетического кода. Многие критерии радиационного поражения клетки (число хромосомных аберраций в первом митозе, митотическая активность, интенсивность синтеза ДНК) тесно связаны с функциями ядра. Ядро связано с цитоплазмой клетки через ядерную мембрану. Между ядром и цитоплазмой постоянно происходит обмен веществ. При использовании в качестве критерия радиочувствительности способность клетки к делению установлено, что ядро в 100 раз радиочувствительнее, чем цитоплазма. Вывод был получен в результате следующих экспериментов:
1) облучение только ядра или только цитоплазмы альфа-частицами 210Ро;
2) удаление ядра из клетки и облучение цитоплазмы, после чего ядро снова помещали в облученную цитоплазму или наоборот – введение облученного ядра в необлученную цитоплазму;
3) введение в клетку радиоактивного тимина и уридина меченым тритием.
Эти примеры не отвергают роли цитоплазмы в радиационном поражении ядра, потому что нарушение ДНК и хромосом усиливается в зависимости от дозы облучения цитоплазмы. Вопрос взаимосвязи облученных ядра и цитоплазмы мало изучен. Гибель клеток можно наблюдать при облучении только одной цитоплазмы высокими дозами. При облучении клеток нарушается эпигеномная наследственность, т. е. наследственность, не связанная с ядерным материалом, носителем которой являются органеллы цитоплазмы (пластиды и митохондрии), поэтому у потомков облученных клеток снижается выживаемость.

2.6. Структурные и функциональные нарушения клеточной
и ядерной мембран

Клетка представляет собой систему взаимосвязанных мембран. Протопласт, или клеточная оболочка, обладает избирательной проницаемостью. Он способен пропускать воду и ограничивает проникновение в клетку растворенных в воде различных веществ. Избирательная проницаемость обеспечивает сохранение относительного постоянства внутриклеточной среды. Избирательная проницаемость обусловлена наличием в протопласте двух ограничивающих мембран: плазмолеммы, расположенной на поверхности протопласта, и тонопласта, отделяющего цитоплазму от клеточного сока вакуолей. В меньшей мере избирательность обеспечивается мезоплазмой – слоем цитоплазмы, расположенным между плазмолеммой и тонопластом. Основу мембран составляет двойной слой липидов: фосфолипидов, галактолипидов, стеринов и жирных кислот. В состав биологических мембран входят структурные и регуляторные белки, а также белки, выполняющие функции ферментов-переносчиков и ионных каналов. Основную роль в формировании мембран выполняют гидрофобные связи: липид – липид, липид – белок и белок – белок. В целом лабильная структура мембран позволяет выполнять им различные функции: барьерную, транспортную, осмотическую, электрическую, структурную, энергетическую и др. Проницаемость протопласта зависит от многих факторов и свойственна только живой клетке, находящейся в нормальном физиологическом состоянии. При повреждении отдельных участков протопласта (под действием высокой и низкой температуры, кислот, спиртов и других веществ, а также ионизирующих излучений) свойства полупроницаемости теряются, и мембрана становится проницаемой. Это связано с тем, что радиационно-химические реакции окисления липидов приводят к нарушению структуры клеточной мембраны, поэтому нарушается ионный баланс клетки из-за выравнивания концентрации калия и натрия, а также проницаемость мембраны, что приводит к нарушению притока питательных веществ в клетку и оттоку из клетки продуктов метаболизма. При этом соли, сахара, пигменты клеточного сока и другие вещества выходят из клеток в межклеточное пространство или в окружающий раствор. По изменению концентрации этих растворов определяют степень повреждения мембран. Она, как правило, пропорциональна концентрации выделяемых веществ. Действие ионизирующих излучений также приводит к нарушению проницаемости протопласта. В исследованиях установлено, что при облучении дозой 10 Гр в эпидермальных клетках лука, в клетках зародышевых корешков и проростков бобов наблюдалась потеря тургора. Дозы 750–14500 Гр приводят у корнеплодов свеклы и моркови к истеканию некоторых веществ клеточного сока за пределы клетки. В диапазоне определенных доз концентрация сока в растворе пропорциональна дозе облучения.
В облученной клетке нарушаются функции многочисленных внутриклеточных мембран, что приводит к нарушению ионного баланса клетки. Поэтому нарушается пространственное разделение между клеточными структурами и расширяется контакт и возрастают реакции взаимодействия свободных радикалов друг с другом и другими молекулами. Через цитоплазму проходит система мембран ЭПС (эндоплазматическая сеть), на которой формируются многие ферментативные системы. Активность ферментов и их нормальная деятельность проявляется только на нормальной мембране. Облучение вызывает нарушение мембраны и нарушение активности ферментов, даже если сами ферменты не повреждены. Системой ЭПС связаны рибосомы, на которых происходит трансляция кода матричной РНК в аминокислотную последовательность, на основании которой формируется молекула белка. Облучение в дозах до 10 Гр нарушает структуру и функции мембран митохондрий. Повреждение мембран митохондрий приводит к выходу из них кальция, который активизирует работу ферментов протеаз, разрушающих белок. Кроме этого происходит нарушение реакции окислительного фосфорилирования по причине нарушения последовательности расположения ферментов на поврежденной мембране митохондрий. Радиационное повреждение мембран вызывает активацию лизосом, что приводит к увеличению выхода свободных лизосомных ферментов, которые могут нарушать белковые молекулы и нуклеиновые кислоты (в норме лизосомы расщепляют пищевые вещества и инородные тела клеток). Ядерная мембрана регулирует обмен веществ между ядром и цитоплазмой, обладает высокой избирательной способностью и исчезает в митозе. Повышение проницаемости ядерной мембраны при облучении приводит к нарушению энергетики ядра; проникновению из цитоплазмы ферментов и радиотоксинов, которые ускоряют распад хроматина, нарушают работу лигаз и репараз, которые устраняют первичные нарушения в ДНК, вызванные облучением.

2.7. Репродуктивная гибель клеток. Критерии оценки

Закономерным проявлением действия излучения на клетки является подавление способности клеток к делению. Потеря способности клеток к неограниченному размножению называется репродуктивной, или митотической, гибелью клеток. Эта форма гибели клетки широко распространена в природе. Она хорошо изучена, потому что ее можно наблюдать при культивировании клетки вне организма, производить количественную оценку и фотосъемку.
Клетки, дающие стерильное потомство, считают погибшими. Погибшие клетки не всегда имеют признаки видимых повреждений. Они живут после облучения до начала первого деления, поэтому их гибель регистрируется в процессе первого пострадиационного митоза, значительно реже гибель клетки наблюдается во 2, 3 и 4-м митозах. Живые клетки проходят 5 митозов и продолжают делиться до формирования колоний. В культуре тканей в облученных клетках выделяют следующие аномальные явления:
1) многополюсные клетки в первом пострадиационном митозе (по причине повреждения центриолей);
2) формирование гигантских клеток при слиянии двух сестринских клеток или двух соседних клеток. Эти клетки проходят 2–3 митоза и погибают.
Основной причиной репродуктивной гибели клеток являются структурные повреждения молекулы ДНК (однонитевые и двунитевые разрывы, сшивки между нитями ДНК и сшивки ДНК–белок), которые регистрируются в мета- и анафазе как хромосомные аберрации. К критериям репродуктивной гибели относят, во-первых, выживаемость, или способность клеток к размножению. Количественно гибель клеток оценивают по клоногенной активности клеток путем сравнения ее величины в двух вариантах опыта. В первом варианте определяют выживаемость у облученных клеток, а во втором – выживаемость у необлученных клеток. Оба варианта клеток высевают в чашки Петри на питательную среду и помещают на 7–14 дней в термостат до появления видимых колоний. Выживаемость клеток определяется как отношение числа колоний, выросших из облученных клеток, к числу колоний, выросших из необлученных клеток. Поэтому выживаемость измеряется не в целых числах, а в десятичных. Погибшие клетки не формируют колоний, не анализируются, поэтому этот критерий не дает информации о причинах гибели клеток. Для оценки репродуктивной гибели используют цитологический метод, или мета-анафазный анализ, т.е. анализируются клетки, находящиеся в метафазе и анафазе. При метафазном анализе выявляют все типы хромосомных аберраций у клеток, находящихся в метафазе. При анафазном анализе выявляют только мосты или тяжи из хромосомного материала в области экватора и фрагменты хромосом. В качестве второго критерия радиочувствительности используют количество, или процент хромосомных аберраций в мета- и анафазе и их роль в гибели клеток, потому что клетки теряют способность к делению в основном при формировании в области экватора тяжей из хромосомного материала. Количественный анализ репродуктивной гибели клеток проводят на основании анализа графика «доза – эффект» или графика зависимости выживаемости клеток от величины дозы.

2.8. Интерфазная гибель клеток. Критерии оценки

Облучение клеток дозами в десятки и сотни грей в первые часы после облучения вызывает прекращение обмена веществ клеток, гибель клеток, которая наступает в первой интерфазе после облучения, до вступления клеток в митоз, а также в интерфазах между последующими делениями. Такой вид гибели клеток называется интерфазной гибелью. Установлено, что с увеличением дозы облучения постепенно увеличивается количество погибших клеток. Существует пороговая доза, после которой поражение клеток не зависит от величины дозы, потому что каждая клетка облучается многократно и наблюдается эффект перепоражения клеток. Причиной интерфазной гибели являются структурные хромосомные аберрации. За счет разрывов молекулы ДНК нарушается структура хроматина и связь ДНК с мембранным комплексом, поэтому прекращается синтез ДНК. Вышедшие из поврежденных лизосом ферменты (протеазы и ДНК-азы) разрушают ДНК, что ведет к распаду хромосом и к пикнозу (распаду) ядра. Гибель клеток в первые часы после облучения также связана с выявлением ферментами невосстановленных двунитевых разрывов ДНК. Ферменты каспазы и другие разрушают поврежденную ДНК на фрагменты. При облучении активность этих ферментов возрастает, поэтому усиливается распад хроматина. В клетках возрастает активность ферментов протеаз, которые разрушают белок. В культуре клеток и в тканях выделяют два вида гибели клеток: апоптоз и некроз.
Апоптоз – это программируемая гибель клеток, которая всегда происходит в норме. Значение апоптоза при облучении клеток заключается в недопущении размножения клеток с ошибками в генетическом аппарате. Апоптоз имеет несколько последовательных стадий: 1) приобретение клетками формы шара; 2) прекращение движения цитоплазмы и ее вакуолизация; 3) распад клетки и ядра на фрагменты. В фрагментах есть хроматин, митохондрии, лизосомы и другие органеллы, заключенные в клеточную мембрану. Благодаря наличию мембраны содержимое фрагментов не выходит в ткань, поэтому в ней не развиваются воспалительные процессы. В последующем фрагменты уничтожаются макрофагами и другими клетками. При некрозе выделяют следующие стадии: 1) увеличение объема клетки; 2) разрыв клеточной мембраны; 3) выход содержимого клетки за ее пределы в ткань и формирование воспалительных процессов.
Для изучения интерфазной гибели используют следующие критерии: 1) окраска клеток специфическими красителями, которые окрашивают живые или мертвые клетки и ядра; 2) определение количества ядер в клетках, находящихся в состоянии пикноза; 3) определение интенсивности поглощения клетками кальция-40 и хрома-51 (живые клетки поглощают эти элементы); 4) определение уровня потребления кислорода клетками (живые клетки потребляют кислород).

2.9. Хромосомные аберрации при облучении клеток

Основной причиной гибели клеток при облучении являются структурные повреждения молекулы ДНК, которые обнаруживаются цитологическими методами в виде хромосомных перестроек или аберраций хромосом. К концу 1940 года были классифицированы все виды хромосомных аберраций и началось изучение связи возникновения хромосомных аберраций с дозой облучения. Хромосомы состоят из ДНК и белков гистонов. Они хорошо видны при делении клеток. При облучении клеток с хромосомами происходит два основных процесса: 1)раз- рыв хромосом и хроматид. Хроматиды образуются в анафазе при разделении хромосом центромерами; 2) соединение их разорванных концов с образованием различных структур.
Выделяют структурные и количественные хромосомные аберрации. При структурных аберрациях количество хромосом не изменяется, а при количественных – уменьшается или увеличивается (полиплоидия, гаплоидия и анеуплоидия). Хромосомные аберрации разделяются на внутрихромосомные (делеции, инверсии, инсерции и дупликации) и межхромосомные (обмены участками, или транслокации). В зависимости от времени возникновения в митотическом цикле клетки аберрации разделяются на хромосомные и хроматидные. Хромосомные аберрации возникают в G1-периоде, а хроматидные – в конце S- и G2 -периодов.
В репродуктивной гибели клеток основную роль играют такие хромосомные аберрации, как делеции (образование фрагментов хромосом) и транслокации (межхромосомные обмены).
Делеции бывают концевые и внутренние. При концевых делециях образуются ацентрические фрагменты (т. е. кусочки хромосом без центромеры) в результате повреждения одного или двух плечей хромосомы и кольцевая хромосома, которая образуется при замыкании двух поврежденных плечей в кольцо. Кольцевые хромосомы могут делиться в анафазе, распрямляться, переплетаться и образовывать петли и различные конфигурации в виде цепочек и петель. Они регистрируются только во время первого пострадиационного митоза, затем теряются с частотой 50 % на деление. При внутренних делециях в результате двойного разрыва хромосомы выпадает ее фрагмент. Оставшиеся части хромосомы соединяются и формируют укороченную хромосому. Фрагменты хромосом остаются в цитоплазме и образуют микроядра в одной из дочерних клеток. В клетке одновременно может повреждаться не одна, а несколько хромосом. Образование фрагментов приводит к потере генетической информации клеток. Потеря фрагментов не всегда приводит к гибели клеток в первых митозах. Гибель происходит в более поздних митозах (после 5-го митоза). Фрагментация хромосом при облучении клеток является одной из основных хромосомных аберраций при хроническом облучении малыми дозами клеток растений, животных и человека, находящихся в зонах радиоактивного загрязнения.
Межхромосомные обмены могут быть симметричные (между гомологичными участками хромосом) и асимметричные (между негомологичными участками хромосом). Завершенные симметричные обмены не вызывают потерь генетического материала, не препятствуют делению клеток. В результате асимметричных обменов образуются: 1) дицентрические мосты, представляющие собой тяж (фрагмент) из хромосомного материала в области экватора между двумя дочерними клетками при делении материнской клетки; 2) кольцевые хромосомы; 3) микроядра из фрагментов. Мосты препятствуют нормальному расхождению хромосомного материала к полюсам клетки и делению клеток в анафазе, что приводит к гибели клетки. Завершенные асимметричные обмены, или реципрокные транслокации, являются источниками генетических нарушений, которые накапливаются в клетках и передаются из поколения в поколение, создавая “генетический груз” популяции и способствуя появлению мутаций.
При хроническом облучении растений, произрастающих в зоне отчуждения и отселения, типичными хромосомными аберрациями являются фрагментация хромосом, кольцевые хромосомы и рецепрокные транслокации.
Структурные аберрации хроматидного типа возникают во время удвоения и после удвоения хромосом. Хроматидные аберрации могут захватывать одну хроматиду, обе хроматиды или часть ее поперечного сечения. Для хроматидных аберраций характерны разнообразные межхроматидные обмены и более высокая степень незавершенности обменов.

2.10. Задержка деления клеток. Причины задержки

Радиобиологические эффекты в клетке зависят от стадии жизненного цикла в момент облучения. Многие радиационные повреждения легко переносятся клеткой, и она быстро восстанавливается. Такие клеточные реакции называются физиологическими, или коммулятивными, эффектами облучения. Они происходят в ближайшие сроки после облучения. Универсальной реакцией клеток на облучение является временная задержка деления клеток, или радиационное блокирование митоза. Главная особенность задержки митоза состоит в том, что это явление временное. Оно не связано с повреждением генетического материала клетки, т. е. с повреждением ДНК и хромосом. Длительность задержки деления зависит от многих факторов.
1. Доза облучения. При увеличении дозы облучения продолжительность задержки деления каждой клетки и всех клеток популяции увеличивается, а митотическая активность снижается. Временная задержка первого пострадиационного митоза происходит в диапазоне доз до 10 Гр. При дозе более 10 Гр происходит прекращение деления. Время задержки неодинаково у разных клеток и зависит от их радиочувствительности. Для большинства клеток задержка деления составляет примерно 1 ч на каждый 1 Гр дозы облучения.
2. Стадия клеточного цикла в момент облучения клетки. Продолжительность цикла в норме составляет 10–48 ч. Митоз длится 30–60 мин. Наиболее длительная задержка деления клеток наблюдается у клеток, находящихся в S- и G2-периодах. Облучение делящихся клеток не вызывает прекращение у них начатого деления. Установлено, что продвижение клетки по циклу зависит от активности циклинзависимых ферментов – киназ, которые фосфорилируют аминокислотные остатки в белках (соединяют аминокислоты при помощи фосфорной кислоты), после чего киназы инактивируются по причине распада циклина. В клеточном цикле особые ферменты «проверяют» ДНК на повреждения. Если есть повреждения, тогда они способствуют активации ингибиторов киназ. Подавление работы киназ приводит к замедлению перехода клеток из одной фазы в другую. Замедление перехода из одной фазы в другую создает больше времени для репарации ДНК и способствует более позднему синтезу ДНК. Поэтому вступление клетки в первый пострадиационный митоз задерживается. Клетки с длительной задержкой погибают чаще и в большем количестве (так как сильные повреждения ДНК не всегда восстанавливаются), чем клетки с меньшей задержкой (когда ДНК быстрее и полнее восстанавливается и синтез ДНК идет без глубоких нарушений).
Восстановление митотической активности, или способности к делению происходит волнообразно, потому что ткани состоят из асинхронной (разнородной) клеточной популяции, т. е. из клеток, находящихся в разных стадиях цикла. Волнообразный характер восстановления деления клеток наблюдается при облучении ионизирующим излучением всех клеток, поэтому эта реакция считается универсальной реакцией клеток на облучение. Существует пороговая доза, т. е. минимальная доза, ниже которой не происходит задержка митоза. Ее величина не одинакова для разных клеток.
Механизм задержки деления клеток при облучении ионизирующим излучением не установлен. Но существует несколько точек зрения: 1) нарушение обмена веществ; 2) нарушение клеточной и ядерной мембран; 3) задержка синтеза ДНК; 4) повреждение внутриклеточных структур, регулирующих деление; 5) накопление веществ, задерживающих деление; 6) повреждение веществ, стимулирующих митоз; 7) защитно-приспособительная реакция клеток, подобная реакциям клеток на многие внешние факторы.
Практически не изучен механизм задержки деления при повторном облучении клеток. Задержку деления клеток следует отличать от полного подавления митоза, которое происходит при облучении клеток большими дозами (более 10 Гр). В этом случае клетка может жить, но она не способна к делению и образованию колоний в культуре клеток. Со временем такая клетка погибает, так как в ней ядро набухает и распадается, а также происходит вакуолизация цитоплазмы.

2.11. Радиочувствительность клетки в разных фазах
жизненного цикла

Клетка размножается делением, при котором происходит передача наследственной информации от материнской клетки двум дочерним клеткам. Универсальным способом деления соматических клеток является митоз, а половых – мейоз. Период от начала одного деления до начала другого называется митотическим циклом, который состоит из интерфазы и митоза. Выделяют следующие периоды интерфазы:
1) G1 – предсинтетический период (синтез веществ, необходимых для репликации ДНК);
2) S – синтетический (репликация ДНК);
3) G2 – постсинтетический (синтез веществ, необходимых для деления клетки).
Митоз составляет 1/7–1/10 времени клеточного цикла, длится примерно 1 ч и разделяется на четыре фазы: профаза, метафаза, анафаза и телофаза.
В разных фазах митотического цикла у клеток растений и животных обнаружена закономерная изменчивость радиочувствительности. У растений закономерности изучались на клетках корневых меристем проростков, у которых синхронизирован первый митоз, т.е. большинство клеток делится одновременно. При оценке радиочувствительности клеток в фазах цикла по критерию выживаемости клеток установлено, что максимальная радиочувствительность наблюдается у клеток, находящихся в конце G1-периода и начале S-периода. Клетки высокорадиоустойчивы в начале G1-периода. При репликации ДНК фермент ДНК-аза разрезает нить на две части и происходит временная десперилизация участков ДНК. Облучение клетки в это время может вызывать образование однонитевых разрывов в разных местах молекулы. Если до прохождения «вилки репликации» однонитевые разрывы не успевают восстановиться, тогда могут возникать двунитевые разрывы ДНК, поэтому деление клетки прекращается, и она погибает.
Установлено, что в зависимости от фазы цикла в клетках изменяется содержание естественных радиопротекторов – их концентрация повышается в радиочувствительных фазах цикла. Радиочувствительность клеток во всех фазах жизненного цикла зависит от дозы облучения. В то же время разница радиочувствительности между фазами при облучении клеток разными дозами значительна. Например, при дозе, равной 10 Гр, выживаемость клеток, облученных в S- и G1-периодах, различается в 15 раз, а при дозе, равной 3 Гр, различия для этих периодов составляют 1,5 раза.
Клетки вне цикла или покоящиеся клетки (G0-клетки) высокорадиоустойчивы. При гибели делящихся клеток эти клетки выходят из состояния покоя, начинают деление, за счет которого возобновляется структура тканей. При терапии раковых опухолей значительно подавляется деление раковых клеток. В то же время раковые клетки, находящиеся в покое, выходят из этого состояния, начинают делиться и формируют новую опухоль в ткани.

Лекция 3. РАДИОБИОЛОГИЯ РАСТЕНИЙ

3.1. Условия облучения растений в эксперименте, в природе и при радиоактивном загрязнении среды обитания.
Способы и методы облучения растений в эксперименте

На радиобиологические эффекты растений оказывают влияние следующие факторы: 1) радиочувствительность клеток, тканей и органов растений; 2) вид излучения и способ облучения растений; 3) распределение поглощенной энергии в клетках и тканях.
К условиям облучения растений относят: 1) тип ионизирующего излучения; 2) дозу и мощность дозы облучения; 3) продолжительность облучения растения; 4) состояние облучаемого растения в момент облучения и фазу развития растения; 5) сочетание облучения с другими факторами физической или химической природы (свет, температура, кислород и др.); 6) метод облучения, который выбирают для облучения всего растения или отдельных его частей и органов, и др.
В природе растения облучаются одновременно всеми видами излучений от естественных радионуклидов (40K, 14C, 3H, 7Be и др.) и от искусственных радионуклидов (137Cs, 90Sr и др.). Внешнее облучение происходит за счет радионуклидов, находящихся в почве, в воздухе и на поверхности самих растений, а также за счет космического излучения. Внутреннее облучение происходит за счет радионуклидов, находящихся в структуре тканей растений, куда они попадают на протяжении всей жизни растений через корни и вегетативные органы.
В эксперименте можно разнообразить условия облучения растений путем выбора источника и программ облучения.
Радиобиологические реакции растений определяются факторами двух групп: 1) факторы, связанные с природой растений; 2) факторы, связанные с характеристиками излучения и способом облучения.
Для облучения используют различные типы излучений, относящихся к некорпускулярному, или электромагнитному, излучению и корпускулярному излучению. В качестве электромагнитного излучения используют рентгеновское излучение и гамма-излучение. Рентгеновское излучение образуется при торможении быстрых электронов, получаемых в вакууме (электромагнитное излучение с энергией квантов 0,12–1237 кэВ), а гамма-излучение – при радиоактивном распаде и при реакции аннигиляции. В последнее время применяется преимущественно гамма-излучение. В качестве источников гамма-излучения используют радиоактивные изотопы кобальт-60 и цезий-137. Энергия гамма-квантов кобальта-60 составляет 1,33 и 1,17 МэВ, период полураспада – 5,3 года. Энергия гамма-квантов цезия-137 составляет 0,66 МэВ, период полураспада – 30 лет. Гамма-излучение более высокой энергии получают при торможении электронов высокой энергии в ускорителях заряженных частиц. Для облучения растений гамма- и рентгеновским излучением используют точечные источники излучения, специальные установки, оранжереи, фитоклиматические камеры, оборудованные источниками излучения, а также специальные гамма-поля. При использовании точечного источника равные дозы получают растения, находящиеся по концентрическим окружностям вокруг источника. В фитокамерах для получения более однородного поля используют несколько слабых по мощности источников, которые размещают равномерно по всей камере. Гамма-поле представляет собой участок земли, окруженный высоким земляным валом или бетонной стеной, в центре которого в шахте находится источник излучения. Для облучения растений источник дистанционно выводится из шахты, фиксируется на нужной высоте. Растения, расположенные ближе к источнику, получают большую дозу облучения. В последнее время широко используется синхротронное излучение, которое представляет собой непрерывный спектр энергии в виде электромагнитных волн, электронов и ультрафиолетового излучения.
В качестве корпускулярного излучения используют различные частицы и ядра химических элементов. Широко используются бета-частицы непрерывного энергетического спектра в виде электронов и позитронов, которые возникают при распаде ядер нестабильных атомов. Источниками бета-частиц являются фосфор-32, сера-35 и тритий. Радиоактивные изотопы фосфор-32 и сера-35 используются в виде солей, которые хорошо растворяются в воде. Водные растворы этих изотопов вводят в питательную среду или в почву, откуда изотопы через корни поступают в растения. Растворами этих изотопов опрыскивают вегетирующие растения или отдельные их органы, а семена замачивают в них перед посевом. Для облучения отдельных органов растений используют специальные аппликаторы, т. е. пластинки, с нанесенными на них радиоактивными изотопами. Кроме бета-излучения используют нейтроны и заряженные частицы с величиной энергии от сотых долей до миллионов электронвольт. Потоки нейтронов получают в ядерных реакторах и на специальных нейтронных генераторах, в которых нейтроны возникают при ядерных реакциях или в цепной реакции деления урана-235. Из активной зоны реактора нейтроны выводятся через специальные каналы. В качестве источника нейтронов используют также трансурановый элемент калифорний-252, который наносят на аппликатор или на иглу. Заряженные частицы используют в виде потоков ускоренных протонов, дейтронов, альфа-частиц (ядра гелия) и ядер других элементов, которые получают в ускорителях (бетатронах, циклотронах, синхротронах, синхрофазотронах и линейных ускорителях). В качестве источников альфа-излучения используют следующие радиоактивные изотопы: радий-226, полоний-210, плутоний-239.
Радиобиологические эффекты растений зависят не только от величины дозы и вида излучений, но и от способа облучения, потому что со способом облучения связано время накопления дозы. При облучении растений используют различные способы облучения.
Первый способ – острое однократное облучение. Растения получают дозу за сравнительно «короткий» промежуток времени.
Второй способ – острое фракционированное облучение. Растения получают дозу за несколько фракций, которые могут быть эквивалентные и неэквивалентные при разном или одинаковом времени между фракциями.
Третий способ – пролонгированное облучение, которое может быть фракционированное и нефракционированное. Растения получают дозу за время, существенно превышающее «короткий» промежуток времени.
Четвертый способ – хроническое внешнее облучение, т. е. непрерывное облучение, когда мощность дозы сохраняется постоянной или изменяется на протяжении всей жизни растений.
Пятый способ – хроническое внутреннее облучение от инкорпорированных радионуклидов, которые находятся в структуре тканей растений.
Кроме способов, связанных со временем накопления дозы, выделяют также следующие виды облучения: равномерное (все растение получает одинаковую дозу), неравномерное (разные органы растения получают различные дозы) и гетерогенное (дозу получают отдельные органы растения).

3.2. Радиочувствительность растений. Летальная, полулетальная и критическая дозы. Факторы, влияющие на радиочувствительность. Критерии радиочувствительности

Жизнь на земле зарождалась, развивалась и продолжает развиваться в радиационной среде. Естественный отбор в растительном мире сопровождался совершенствованием микро- и макроструктур, изменением генома и радиочувствительности. Высокая радиоустойчивость часто связана с высокой общей устойчивостью растений к неблагоприятным условиям внешней среды, потому что приспособление видов к различным условиям могли совпадать с повышенной радиоустойчивостью. Причины и механизмы естественной радиочувствительности растений к настоящему времени не раскрыты, однако многие аспекты хорошо изучены.
На радиочувствительность растений оказывают влияние следующие факторы, которые разделяются на три группы.
Первая группа – факторы, связанные с филогенезом, которые нельзя изменить (семейство, класс, вид, морфология, плоидность, объем ядра, объем хромосом и др.). Четкой связи между филогенезом и радиоустойчивостью у растений не выявлено, однако, у семян эта связь четкая, она проявляется даже в пределах вида. Известно, что голосеменные растения более радиочувствительны, чем покрытосеменные. Папоротники и мхи превышают радиоустойчивость цветковых растений. Радиочувствительность различается по семействам, видам, родам и сортам. Среди цветковых растений к радиочувствительным относят растения семейств магнолиевых, лилейных, ирисовых, камнеломковых и бобовых, а к радиоустойчивым – представители крапивных, крестоцветных, гераниевых. Выделяют также среднерадиочувствительные растения (гречихоцветные, миртовые, макоцветные) и полиморфные (мятликовые, астроцветные и норичноковые). Установлено, что критические дозы облучения семян на порядок выше, чем вегетирующих растений. Растения сельскохозяйственных культур по радиочувствительности различаются в 2–10 раз, видовое различие составляет 1,5–15 раз, сортовое различие – 1,5–3 раза. Среди сельскохозяйственных культур выявлены высокорадиочувствительные культуры, для которых полулетальная доза (ЛД50) составляет 10–40 Гр. В семействе злаковых к таким культурам относят ячмень, рожь, овес, пшеницу, кукурузу, а в семействе бобовых – горох, вику и фасоль. К высокорадиоустойчивым культурам относят рапс, кормовую, сахарную и столовую свеклу, морковь и капусту (ЛД50 = 200250 Гр), а также картофель и лен (ЛД50 = 100150 Гр). Другие культуры занимают промежуточное положение. У гибридов пшеницы, ячменя, кукурузы и шпината выявлена повышенная радиоустойчивость по сравнению с родительскими формами. С увеличением размера хромосом и количества ДНК возрастает радиочувствительность. Связь радиочувствительности с плоидностью не всегда носит прямую зависимость. У природных полиплоидных родов зависимости нет, в то же время иногда наблюдается обратная связь. У культурных растений, таких как пшеница, сорго, кукуруза и горчица, установлено, что чем больше плоидность, тем выше радиочувствительность.
Вторая группа – факторы, характеризующие состояние клетки и генома (этап онтогенеза, наличие естественных радиопротекторов, антиоксидантов и способность клеток к репарации). Установлено, что радиочувствительность клеток зависит от фазы клеточного цикла, содержания в клетках воды, степени защищенности ДНК белками, наличия естественных радиопротекторов, концентрации кислорода и способности клеток к репарации и регенерации, т. е. к восстановлению и самообновлению. Самая низкая радиоустойчивость отмечается при прорастании семян, а также при переходе растений от вегетативного состояния к генеративному и в гаметогенезе.
Третья группа – факторы внешней среды и условия облучения (температура, свет, влажность, условия питания, методы и способы облучения растений). Максимальное поражение растений наблюдается при облучении альфа- и бета-излучением, а также при фракционировании дозы облучения. При облучении растений при оптимальной температуре (18–20 оС) радиоустойчивость понижается. Повышение и понижение температуры способствует повышению радиоустойчивости растений, потому что замедляется деление меристемных клеток. На радиочувствительность также оказывают влияние до- и пострадиационные условия: улучшенное минеральное питание, повышенная освещенность и влажность. Наличие кислорода также способствует повышению радиочувствительности. Особое влияние на радиочувствительность оказывают эколого-географические факторы. Популяции растений с широким ареалом распространения более радиоустойчивы, чем популяции с узким ареалом распространения. Радиочувствительны редкие и исчезающие виды растений.
Для количественной оценки радиочувствительности используют летальную дозу (ЛД100), полулетальную дозу (ЛД50) и критическую дозу (ЛД70). Летальная доза – это доза, при облучении которой погибает 100 % растений. Полулетальная доза – это доза, при облучении которой погибает 50 % растений. Критическая доза – это доза, при облучении которой погибает 70 % растений. У большинства сельскохозяйственных культур величина доз, вызывающих гибель 50 и 70 % растений, приводит к полной потере продуктивности. Поэтому при облучении растений используют дозу, вызывающую снижение урожайности на 50 % (УД50). Разница между ЛД50 и УД50 для одного и того же вида растений может составлять 10–30 раз и более. В зависимости от цели исследования применяют также дозы УД10 и УД30.
Лучевое поражение растений зависит от дозы облучения и проявляется в виде замедления роста и развития, нарушений репродуктивной системы, снижения урожайности и гибели растений. Радиобиологические эффекты растений в зависимости от величины дозы приведены в табл. 2.
Для оценки радиочувствительности растений при остром и хроническом облучении используют различные критерии:
1) всхожесть (полевая и лабораторная); 2) длина зародышевых корешков у проростков; 3) рост и развитие растений; 4) количество образовавшихся органов (число стеблей, соцветий и т. д.); 5) число завязавшихся семян (на одном растении или на одном репродуктивном органе); 6) масса плодов и семян с растения; 7) выживаемость растений в фазах развития; 8) выживаемость растений к концу вегетационного периода; 9) частота морфозов органов; 10) частота хлорофильных мутаций; 11) частота хромосомных аберраций в клетках; 12) стерильность растений и пыльцы; 13) продуктивность растений; 14) урожайность (масса растений с 1 м2 , с 10 м2 и с 1 га).

Т а б л и ц а 2. Радиобиологические эффекты растений в зависимости
от величины дозы облучения

Процент от дозы,
вызывающей
гибель 100 %
растений, Гр

Реакция растений на облучение

10
Вид растений нормальный

25
Снижение роста на 10 %

35
Снижение роста на 50 %

40
Стерильность пыльцы

45
Задержка образования генеративных органов

60
Резкое угнетение роста

75
50 % растений погибает

100
100 % растений погибает


На практике для оценки радиочувствительности чаще используют выживаемость растений к концу вегетационного периода. Этот критерий характеризует реакцию всей популяции на облучение.

3.3. Радиочувствительность семян. Факторы, влияющие
на радиочувствительность

Основное назначение семян – сохранение до всходов генетической информации вида. После облучения семян ионизирующим излучением изучают ростовые реакции проростков и вегетирующих растений на разных фазах их развития, т. е. от всходов до полного созревания. Радиобиологические реакции семян зависят от многих факторов, среди которых наибольшее значение имеют доза облучения, условия и способы облучения и биологические особенности семян. Облучение семян в малых дозах (десятые доли грея) отрицательных последствий не вызывает. При облучении дозой от 1 до 25 Гр наблюдается стимуляция ростовых процессов в результате ускорения клеточного деления и роста растений. Облучение в повышенных дозах (30–50 Гр и более) вызывает задержку ростовых процессов, которая может быть кратковременной или длиться весь период вегетации. Облучение дозами более 100 Гр приводит к полной потере способности клеток меристем к делению, поэтому проростки растут только за счет растяжения клетки. Согласно классификации Е. И. Преображенской, семена по радиочувствительности разделяются на три группы:
1-я группа – радиочувстительные семена (1–25 Гр);
2-я группа – среднерадиочувствительные семена (25–100 Гр);
3-я группа – высокорадиоустойчивые семена (более 100 Гр).
В этой классификации радиочувствительность оценивалась по критерию выживаемости растений к концу вегетационного периода.
При одинаковой величине дозы облучения и одинаковой мощности дозы облучения максимальные радиобиологические эффекты у семян наблюдаются при облучении их альфа- и бета-излучением. При фракционировании дозы радиоустойчивость снижается, потому что усиливается поражение клеток зародыша.
Большое влияние на радиочувствительность семян оказывают их влажность, температура, наличие кислорода и пострадиационные условия питания. Для прорастания семян необходимо наличие воды, поэтому при облучении влажных семян создаются условия для большего выхода свободных радикалов Но и ОНо и их активного взаимодействия с кислородом. Следовательно, с увеличением влажности семян их радиочувствительность возрастает. Максимальная радиоустойчивость отмечается у семян, находящихся в воздушно-сухом состоянии, т. е. в состоянии покоя. Семена, облученные в атмосфере кислорода, повреждаются сильнее, чем облученные в атмосфере азота, инертного газа и в вакууме. Это связано с проявлением кислородного эффекта. Кислородный эффект характеризуется, с одной стороны, усилением поражения клеток зародыша, а с другой – увеличением интенсивности процессов репарации. При наличии кислорода по причине образования большего количества перекисных соединений усиливается поражение клеток зародыша. При нагревании семян в клетках зародыша уменьшается содержание воды и кислорода, поэтому повышается их радиоустойчивость. Максимальная радиочувствительность семян проявляется при облучении в оптимальной температуре и при оптимальной влажности. Установлено, что облучение семян при температуре сухого льда (–78 оС) приводит к меньшему поражению клеток зародыша, чем облучение при нормальной температуре (20 оС). При прорастании облученных семян на радиочувствительность может оказывать влияние наличие в питательной среде основных элементов питания. Установлено, что повышенное содержание азота способствует ускорению деления клеток и повышению радиочувствительности. В то же время оптимальное содержание фосфора, калия и кальция способствует повышению радиоустойчивости.
Среди биологических особенностей наибольшее влияние на радиочувствительность семян оказывают филогенез, состояние зародыша, набор и объем хромосом в клетках зародыша, возраст, размер и биохимический состав семян. Установлено значительное влияние на радиочувствительность семян филогенеза, или эволюционного развития. Максимальная радиочувствительность отмечена у семян голосеменных растений. Семена покрытосеменных растений более радиоустойчивы. Среди цветковых более древние примитивные формы имеют повышенную радиочувствительность (семена семейств магнолиевых и лилейных), чем более поздние. Семена древесных и кустарниковых форм более радиочувствительны, чем травянистых. Радиочувствительные и среднерадиочувствительные семена имеют растения класса однодольных. Семена двудольных растений по радиочувствительности равномерно распределены по трем группам. Связь радиочувствительности с филогенезом наблюдается не только в пределах семейств и родов, но и в пределах вида. Например, для рода Triticum (пшеница) виды, возникшие в более ранние периоды эволюции, более радиочувствительны. Согласно данным табл. 3 для Triticum monocoсcum, имеющей более раннее эволюционное происхождение, полулетальная доза (ЛД50) составляет 150–200 Гр, а для Triticum aestivum, которая имеет более позднее происхождение, полулетальная доза составляет более 600 Гр. Виды пшеницы различаются по количеству хромосом. Для Triticum monocoсcum 2n = 14; для Triticum dicoccum 2n = 28; для Triticum spelta, Triticum compactum, Triticum сpaerococcum и Triticum aestivum 2n = 42. Поэтому здесь подтверждается закономерность, указывающая на то, что чем больше хромосом, тем выше радиоустойчивость, или чем меньше хромосом, тем выше радиочувствительность.

Т а б л и ц а 3. Радиочувствительность видов рода Triticum

Вид пшеницы
Полулетальная доза (ЛД50), Гр

Triticum monocoсcum
150–200

Triticum dicoccum
250–300

Triticum spelta
350

Triticum compactum
Более 350

Triticum сpaerococcum
Более 500

Triticum aestivum
Более 600


У семейства бобовых близкородственные формы имеют одинаковые фенотипические и генотипические изменения, вызванные облучением. Кроме видового полиморфизма у многих растений выявлен сортовой и внутрисортовой полиморфизм по радиочувствительности. При этом сортовое различие составляет от 1,5 до 5 раз, а внутрисортовое различие (между линиями сорта) доходит до 3 раз. На радиочувствительность семян оказывает влияние состояние зародыша в момент облучения. В опытах на семенах зерновых культур установлено, что семена, облученные в состоянии неполной зрелости, т. е. в фазах молочной и восковой спелости, более радиочувствительны, чем семена, находящиеся в фазе полной спелости. Это объясняется тем, что в фазе полной спелости зародыш хорошо развит и полностью сформирован, а в фазах молочной и восковой спелости зародыш недоразвит и поэтому более радиочувствителен. Хромосомы, находящиеся в зародышевых клетках семени, при облучении семян также повреждаются. При этом повреждение семян зависит от степени повреждения хромосом. Выявлено, что чем больше объем ядерных хромосом, тем выше радиочувствительность семян. В то же время чем выше плоидность (или чем больше хромосом в клетках), тем выше радиоустойчивость семян. У большинства видов семена тетраплоидных форм более устойчивы к облучению, чем семена диплоидных форм.
С увеличением возраста семян или длительности их хранения радиочувствительность возрастает. Это доказано при анализе частоты хромосомных аберраций в клетках меристем проростков. Например, при хранении семян пшеницы в течение 13–17 лет в клетках меристем регистрировалось на 40 % больше хромосомных нарушений, чем при хранении семян в течение 2–3 лет. Зависимость радиочувствительности семян от их размера носит случайный характер. При этом в некоторых случаях установлено, что с увеличением размера семян возрастает их радиочувствительность. Это четко прослеживается на семенах бобовых культур, у которых в зависимости от размера значительно изменяется величина полулетальной дозы (ЛД50). Также выявлено, что чем крупнее семена, тем меньше величина полулетальной дозы (табл. 4).
Т а б л и ц а 4. Радиочувствительность семян бобовых культур

Культура
Полулетальная доза (ЛД50), Гр

Бобы
40–60

Горох
120–270

Маш
300–500

Клевер
500–700

Люцерна
700–900


Согласно данным таблицы, 50 % семян бобов погибает при дозе облучения 40–60 Гр, а люцерны – при дозе 700–900 Гр. Разница радиочувствительности семян между бобами и люцерной составляет 15 раз.
На радиочувствительность оказывает влияние биохимический состав семян. Семена с повышенным содержанием жира (ненасыщенных жирных кислот), аскорбиновой кислоты, ауксинов, аминокислот, железа, кальция, бора, а также веществ, имеющих в составе сульфгидрильную группу, отличаются высокой радиоустойчивостью.
В качестве критериев радиочувствительности семян используют энергию прорастания и лабораторную всхожесть семян, полевую всхожесть, выживаемость проростков, процент поврежденных клеток в меристемах проростков, процент хромосомных аберраций в клетках меристем проростков, снижение митотической активности в клетках меристем и нарушение роста и развития проростков.

3.4. Радиочувствительность и радиобиологические эффекты
растений при облучении в разные фазы развития

Фазы развития растений, или этапы органогенеза, соответствуют периодам дифференциации конуса нарастания. Последовательная смена фаз развития растений, имеющих разную продолжительность у разных видов растений, соответствует вегетационному периоду растений. Радиобиологические эффекты растений во многом зависят от того, в какой фазе развития они облучались. Радиочувствительность растений изменяется в зависимости от периода развития, потому что различные периоды развития отличаются качеством клеток и тканей и физико-биохимическими процессами. Установлена следующая закономерность: растения в фазы развития с активным обменом веществ и высокой интенсивностью деления клеток наиболее радиочувствительны.
Для большинства растений максимальная радиочувствительность наблюдается при прорастании семян, при переходе растений от вегетативного состояния к генеративному и в гаметогенезе. Наиболее радиоустойчивы растения в период созревания и в период физиологического покоя семян. Наиболее радиочувствительные фазы называются критическими. У бобовых критическими фазами являются фазы бутонизации и цветения, у злаковых – фазы выхода в трубку и цветения, у картофеля – фаза цветения, у свеклы и моркови – фаза всходов, у капусты – фаза 8–10 листьев.
Рассмотрим радиочувствительность растений в разные фазы развития на примере облучения злаковых культур. Весь период развития злаковых от всходов до полной спелости разделяется на девять фаз: всходы, фаза 3–4 листьев, кущение, выход в трубку, колошение, цветение, молочная спелость, восковая спелость, полная спелость. Злаковые культуры наиболее радиочувствительны в фазы выхода в трубку (максимальная радиочувствительность), кущения, колошения и молочной спелости. В восковой спелости устойчивость к облучению повышается, достигая максимума в фазе полной спелости. Облучение злаковых в разные фазы развития приводит к различным радиобиологическим эффектам.
Облучение в фазе всходов и в фазе 3–4 листьев вызывает нарушение митоза в апикальной меристеме, поэтому наблюдается снятие апикального доминирования и образование дополнительных боковых побегов. Нарушение роста и развития растений приводит к снижению их продуктивности. Облучение на ранних этапах развития повышает выход хлорофильных мутаций, а также выход карликовых растений с морфозами стебля и измененной окраской стебля.
Облучение в фазе кущения вызывает замедление роста, снятие апикального доминирования и гибель главного побега, усиление вторичного кущения за счет активации деления инициальных клеток (покоящихся) узла кущения. При этом могут формироваться растения с более поздним колошением и различными морфозами колоса (безостые или остистые, вильчатые, мутовчатые, фуркатные и др.).
Облучение в фазе выхода в трубку вызывает замедление роста, уменьшение высоты стебля в 1,5–2 раза (по причине повреждения узловой меристемы), отмирание главного колоса, изменение окраски растений до желто-соломенного цвета, позднее колошение, длительный период вегетации, отсутствие полной спелости. Стерильность цветков, колосков и колосьев приводит к снижению (или отсутствию) оплодотворения, поэтому завязывается щуплое, нежизнеспособное зерно и снижается продуктивность растений.
Облучение в фазе колошения приводит к снижению высоты растений, удлинению периода вегетации, стерильности растений и снижению продуктивности.
Облучение в фазе цветения в момент формирования пыльцы, т. е. в начале четвертого этапа сперматогенеза, приводит к стерильности пыльцы в сформировавшихся колосьях. Дополнительные побеги, которые появляются в более позднее после облучения время, не формируют колосьев, что в конечном итоге приводит к формированию стерильных растений. В конце четвертого этапа, когда одноядерная пыльца уже сформировалась, повышается устойчивость растений к облучению, поэтому стерильность пыльцы может составлять до 50 %, что обеспечивает формирование нормально развитых зерен.
Облучение в молочной и восковой спелости приводит к повреждению зародышевых клеток семени. При хранении такие семена теряют жизнеспособность и всхожесть. В зерне нарушаются процессы обмена веществ, консистенция зерновки изменяется до желеобразного состояния и приобретает необычную светло-розовую окраску.
Облучение в фазе полной спелости изменений не вызывает.
Таким образом, облучение растений в ранние фазы развития приводит к угнетению ростовых процессов, а в более поздние фазы – к повышению стерильности и нарушению процесса оплодотворения. Совокупность повреждений во всех фазах развития растений в конечном итоге приводит к снижению продуктивности.
При пересеве облученных семян в первом мутантном поколении наблюдаются более позднее появление всходов, угнетение роста и развития, появление растений с различными морфологическими аномалиями (низкорослые, высокорослые, с повышенной способностью к кущению), гибель растений. Среди количественных признаков у злаковых культур наиболее часто изменяются длина соломины, продуктивная кустистость, количество семян и масса семян с одного колоса, масса 1000 семян.

3.5. Радиочувствительность репродуктивной системы растений

Система семенного размножения цветковых растений представлена генеративными органами и комплексом биохимических и физиологических приспособлений, обеспечивающих образование спор и гамет, опыление и двойное оплодотворение, образование плодов и семян. Стабильность развития и функционирования этой системы обеспечивается генотипом, а изменчивость ее признаков – изменением генов под влиянием условий среды обитания. В репродуктивную систему растений входят органы полового размножения, т. е. пыльца, которая формируется в пыльниках, и яйцеклетка, которая формируется в завязи. После оплодотворения яйцеклетки пыльцой развивается зародыш и эндосперм семени.
Биологические эффекты радиационного облучения могут быть обнаружены в разных частях генеративной системы растения. В лабораторных условиях удобным объектом для изучения последствий облучения является пыльца, поэтому реакция пыльцы на облучение хорошо изучена. Зрелая пыльца представляет собой малоклеточное образование с двумя-тремя ядрами размером 10–200 мкм. Тонкие оболочки пыльцы – экзина и интина – легко проницаемы для ионизирующих излучений. Ядра пыльцы имеют гаплоидный набор хромосом, что значительно облегчает выявление хромосомных мутаций. Пыльца образуется в результате следующих друг за другом предмейотических митозов, приводящих к образованию материнских клеток пыльцы, и мейоза, после которого в тычинках появляются микроспоры, т. е. одноядерная пыльца. Поскольку и митоз, и мейоз являются радиочувствительными процессами, то облучение цветков, пыльников или пыльцы отражается в конечном итоге на качестве пыльцы.
Для оценки радиочувствительности пыльцы используют следующие критерии: 1) фертильность или стерильность пыльцевых зерен; 2) частота хромосомных аберраций в мейозе; 3) прорастание пыльцевых зерен на рыльце пестика, т. е. жизнеспособность пыльцы; 4) рост пыльцевой трубки; 5) способность пыльцы к оплодотворению; 6) формирование семян при оплодотворении облученной пыльцой.
Среди этих реакций наиболее радиоустойчивы прорастание пыльцы на рыльце пестика и рост пыльцевой трубки, которые подавляются при очень высоких дозах (1000–5000 Гр). Эти реакции хорошо изучены на пыльце растений семейства лилейных, которые относятся к высоко радиочувствительным растениям. Подавление митоза (или задержка деления клеток) пыльцевой трубки у этих растений происходит уже при дозе 250 Гр. Облучение вызывает задержку прорастания пыльцы и подавление деления клеток пыльцевой трубки. Рост пыльцевой трубки после облучения происходит в основном только за счет растяжения клеток, поэтому пыльцевая трубка имеет аномальную длину, и пыльца не достигает яйцеклетки, что приводит к отсутствию оплодотворения. При облучении изменяется состав и соотношение питательных веществ на рыльце пестика, поэтому даже жизнеспособная пыльца не всегда прорастает. Облучение приводит к формированию аномальных пыльцевых трубок, что проявляется в виде различных типов ветвления пыльцевой трубки: по типу «елочки», «оленьих рогов», «прямого угла» и «вилки». Облучение злаковых растений в фазе колошения дозой ЛД50 снижает фертильность пыльцы на 10–30 %, а в фазе цветения – на 50–70 %. Образование стерильной пыльцы при облучении растений относится к общебиологическому явлению. Установлено, что облучение может вызвать стерильность всего растения, отдельных колосьев, колосков, цветков, пыльников и пыльцевых зерен. Стерильные соцветия имеют недоразвитые пыльники или их зачатки. Пыльники могут иметь меньшие размеры, меньшее количество пыльцевых зерен, аномальную форму, нетипичное пространственное расположение в цветке, короткие тычиночные нити, плотные покровные оболочки и другие аномалии. Аномалии пыльников часто не обеспечивают их выход за пределы цветка, а также нормальное растрескивание оболочки пыльника и выброс пыльцы за пределы пыльника. Цветки со стерильными пыльниками остаются открытыми до тех пор, пока не произойдет опыление пыльцой других цветков своего колоса или соседних колосьев или пыльцой других растений. При облучении в пыльниках формируются мелкие пыльцевые зерна с деформированной оболочкой, с низким содержанием крахмала и спермиев. Такие пыльцевые зерна не прорастают на рыльце пестика и не способны к оплодотворению, потому что они, как правило, стерильны. К основным причинам возникновения стерильной пыльцы относят нарушения мейоза – задержку или ускорение прохождения стадии макроспорогенеза и хромосомные аберрации во время 1-го и 2-го мейозов. Максимальный процент хромосомных аберраций наблюдается в метафазах І и ІІ, а также в анафазах І и ІІ. На стадии диад и тетрад количество хромосомных аберраций значительно меньше. К наиболее типичным хромосомным аберрациям, регистрируемым во время 1-го и 2-го мейозов, относят фрагментацию хромосом, кольцевые хромосомы, преждевременное расхождение хромосом в анафазе І и ІІ, слипание хромосом, хромосомные мосты в области экватора, а также образование унивалентов (микроядер). Нарушение мейоза и макроспорогенеза приводит к нарушению оплодотворения, поэтому могут формироваться семена меньших размеров с плохой всхожестью. При этом семена могут не завязываться вообще. Таким образом, микроспорогенез является радиочувствительным процессом.
При облучении в цветках могут формироваться дефектные яйцеклетки и неполноценные завязи, поэтому нарушается гаметогенез оплодотворение и эмбриогенез, однако эти процессы при остром облучении менее изучены.
Действие радиации на генеративную систему можно также оценивать по развитию зародышевого мешка и семязачатка, зародыша и эндосперма семени, по всхожести и энергии прорастания семян. Последствия облучения репродуктивной системы растений проявляются в основном до десятого поколения (и в более поздних поколениях) в виде стерильности и бесплодия отдельных растений. Нарушение микроспорогенеза и макроспорогенеза при остром и последующем хроническом облучении рассматривается в пункте 3.11.
При радиоактивном облучении генеративной системы растений возникают мутантные формы растений с широким спектром изменчивости вегетативных и генеративных органов. Среди мутантных форм возможно выделение растений, имеющих селекционно-ценные признаки.


3.6. Радиобиологические эффекты при облучении меристем

Радиационные синдромы растений и животных имеют общие черты:
- наличие критических тканей и органов;
- одинаковые типы цитогенетических повреждений (хромосомные аберрации, задержка деления клеток, репродуктивная и интерфазная гибель клеток и др.);
- нарушение обмена веществ в клетках и организмах;
- образование соматических и генетических мутаций;
- трансформация клеток;
- радиационный канцерогенез (образование опухолей в тканях из поврежденных клеток).
Общность черт отражает сходство первичных процессов взаимодействия излучений с молекулами клеток, а также сходство основных радиобиологических реакций клеток. Различие в радиационных синдромах возникает там, где теряется сходство. Отличительная черта высших растений состоит в том, что органогенез (рост, развитие, формирование органов) у них не ограничивается эмбриогенезом, а происходит всю жизнь. Это возможно благодаря наличию у растений меристемных тканей, клетки которых сохраняют способность к делению на протяжении всего онтогенеза. Клетки меристем очень чувствительны к действию различных факторов, в том числе к ионизирующему излучению. Радиобиологические эффекты растений обусловлены в основном повреждением клеток и тканей меристем, что проявляется в виде замедления и нарушения ростовых процессов растений. Выделяют корневые и стеблевые (побеговые) апикальные меристемы, а также узловые, находящиеся в междоузлиях стебля.
В радиобиологических эффектах вегетирующих растений комбинируются все последствия повреждения отдельных клеток меристем, всей меристемной ткани и клеток других тканей. Радиационные синдромы изучают от оплодотворения яйцеклетки до образования репродуктивных органов, т. е. в онтогенезе. В эмбриогенезе в результате деления зиготы формируется зародыш, в котором закладывается несколько групп клеток. При прорастании семян каждая зародышевая клетка многократно делится, производя свои клеточные потоки, которые дают начало органам растения. При облучении зародыша семени в первую очередь поражаются зародышевые клетки меристем. У поврежденных меристем клеточные потоки ослабевают по причине задержки и замедления деления клеток, а также по причине репродуктивной гибели клеток. Клетки меристем несут повреждения, которые в онтогенезе проявляются в виде морфологических аномалий органов (или радиоморфозов) у растений. Для определения связи между повреждениями клеток зародыша и проявлением эффекта у растения проводят облучение незрелых семян (или проэмбрио) в разные этапы их развития. В ранние этапы развития зародыша клеток очень мало, из этих единичных клеток формируются клеточные потоки, дающие начало органам. В зависимости от этапа развития зародыша могут облучаться различные группы клеток. Дальнейшие наблюдения аномалий у растений будут показывать, за счет повреждений каких клеток проэмбрио возникли и сформировались аномалии у растений. Нарушение морфогенеза зависит от степени зрелости зародыша или от дифференциации клеток зародыша в момент его облучения. Чем меньше клеток имеет зародыш, тем сильнее степень повреждения и, следовательно, больший выход морфозов. С развитием зародыша в нем формируются различные меристематические зоны, или области, в состав которых входят клеточные популяции. Поэтому облучение большего количества клеток зародыша в более поздние этапы его развития снижает повреждение клеток меристем и у растений выявляется меньше радиоморфозов органов. В зависимости от активности деления клеток меристематических зон меристемы различаются по радиочувствительности. Высокорадиочувствительная меристема главного стебля (побега) – апикальная меристема, клетки которой имеют высокую интенсивность деления, обеспечивающего рост растения на протяжении периода вегетации.
Доза, при которой происходит снятие апикального доминирования, или прекращение роста главного побега (или стебля), называется критической. Величина дозы зависит от вида растений и фазы их развития в момент облучения. Для озимой пшеницы критическая доза составляет 12 Гр, озимой ржи – 10 Гр, ячменя и люпина – 4 Гр. У растений в онтогенезе бывают периоды повышенной активности деления клеток меристематических зон, поэтому радиобиологические эффекты растений закономерно изменяются. Например, облучение на ранних этапах органогенеза вызывает замедление роста и снятие апикального доминирования, а облучение на поздних этапах приводит к нарушению формирования семян. Нарушение роста растений сопровождается изменением накопления сухого вещества, изменением состояния клеток, в которых изменяются проницаемость мембран, вязкость и рН цитоплазмы, дыхание, фотосинтез, окислительно-восстановительные процессы и другие процессы обмена веществ, что в конечном итоге снижает продуктивность растений и может вызвать их гибель. Установлено, что в клетках корневой меристемы облученных растений снижается интенсивность синтеза и концентрация ауксина, поэтому замедляется рост растений. Наиболее устойчивы меристемы в состоянии естественного вынужденного покоя, т. е. когда их клетки находятся в наиболее устойчивой фазе клеточного цикла.
Радиационные эффекты меристем выявляют цитогенетическим методом. При этом определяют митотическую активность клеток, длительность митотического цикла, частоту хромосомных аберраций.
Таким образом, меристемы относят к критическим тканям растений. Повреждения меристем при облучении зависят от следующих факторов:
- способности меристем сохранять постоянный клеточный поток, постоянный клеточный состав и поддерживать нормальный темп деления клеток;
- генетического потенциала растений, т. е. биологических особенностей растений;
- пострадиационного состояния клеток, т. е. какие процессы – поражения или восстановления – в клетках преобладают;
- состояния систем репарации;
- пострадиационных условий (температуры, освещенности, минерального питания);
- вида ионизирующего излучения и режима облучения.
При облучении клеток различных меристемных тканей проявляются различные радиоморфозы растений.
Поражение апикальной меристемы сопровождается снятием апикального доминирования, поэтому замедляется рост главного побега и формируются дополнительные боковые побеги, или усиливается кущение.
Поражение корневой меристемы вызывает замедление роста корней, изменение формы корня, образование придаточных и боковых корней, нарушение геотропизма, а также отмирание главного корня.
Повреждение узловых меристем вызывает уменьшение длины междоузлий стебля, уменьшение высоты растений.
Радиобиологические эффекты растений связаны не только с повреждением меристем. Эти реакции до конца не раскрыты, так как неизвестна их молекулярно-биологическая основа.
Меристемные ткани состоят из различных клеток, которые имеют разные скорости прохождения фаз клеточного цикла и разную продолжительность клеточного цикла, поэтому для меристемных тканей характерна асинхронность деления клеток. Для характеристики деления клеток введено понятие «клеточный поток», которое обозначает частоту прохождения клеток через любую фазу клеточного цикла. В обычных условиях клетки меристем имеют постоянный клеточный поток. Например, в меристемах корня кукурузы образуется около 17000 клеток за 1 ч. При облучении изменяется продолжительность клеточного цикла, ослабевает клеточный поток, поэтому замедляется рост корней и рост растений. Изменение продолжительности клеточного цикла чаще происходит за счет увеличения продолжительности G1-периода, или предсинтетического периода ДНК.
Асинхронность деления клеток, и повышенная вероятность нахождения клеток в G1-периоде придает клеточным тканям высокую устойчивость к действию радиации. Дополнительным фактором устойчивости является наличие в тканях покоящихся клеток. У облученных меристем за короткое время (до 10 ч.) происходит возобновление деления клеток и нормализация клеточных потоков. В этих процессах участвует три вида радиоустойчивых клеток: клетки, сохранившие способность к делению; клетки, в которых произошла репарация повреждений; клетки, находящиеся в состоянии покоя. Восстановление тканей меристем за счет деления этих радиоустойчивых клеток называется репопуляцией, или самовосстановлением. Меристема обладает очень гибкой и эффективной системой регуляции клеточных потоков как в обычных условиях, так и при восстановлении после ее повреждения. В основе устойчивости меристемной ткани лежит гетерогенность различных ее клеток по радиоустойчивости.

3.7. Морфологические аномалии органов и радиационные
химеры при облучении растений

Реакция растений на облучение зависит в основном от дозы и фазы развития растений в момент облучения. Хорошо изучена реакция растений на облучение рентгеновским излучением и гамма-излучением. Выделяют три основные реакции растений на облучение: 1) нарушение ростовых процессов; 2) появление морфозов органов; 3) нарушения репродуктивной системы. Нарушение и угнетение ростовых процессов связано с поражением меристем. Острое гамма-облучение злаковых растений в дозе 20–30 Гр вызывает видимые поражения через 5–7 суток. Облучение в ранних фазах развития вызывает снятие апикального доминирования, активацию покоящихся центров, усиленный рост боковых побегов, замедление роста главного побега. По внешнему виду растения более низкорослые с повышенной общей кустистостью. Например, при облучении пшеницы в фазе 3–4 листьев этой же дозой кустистость повышается в 3 раза, а высота растений снижается на 25 %. При хроническом облучении кущение может возрастать в 10–15 раз, а прирост вегетативной массы – в 6–10 раз.
Внешние признаки лучевого поражения растений проявляются в виде морфологических аномалий различных органов. Морфологические нарушения часто проявляются одновременно по нескольким органам. Рассмотрим основные радиоморфозы органов растений.
Радиоморфозы корня: ускорение или угнетение роста, расщепление и отмирание главного корня, образование вторичного главного корня, отсутствие боковых корней, скручиваемость, нарушение геотропизма, опухоли и др.
Радиоморфозы стебля: угнетение или ускорение роста, снятие апикального доминирования, нарушение порядка расположения листьев, изменение формы и цвета, появление на стеблях аэральных корней, срастание стеблей в один стебель, опухоли и др.
Радиоморфозы листьев: увеличение или уменьшение количества и размеров, изменение формы, скручиваемость, морщинистость, нарушение жилкования и симметричности, отсутствие листовых пластинок, появление некрозов, опухоли и др.
Радиоморфозы цветка: ускорение или задержка цветения, уменьшение или увеличение количества, изменение окраски, размера и формы, преждевременное усыхание и аномальный опад, стерильность пыльцы и дефекты завязи, опухоли и др.
Радиоморфозы плода: увеличение или уменьшение количества, изменение размеров, формы, окраски, поверхности, появление опушенности, аномальный опад.
Радиоморфозы семени: увеличение или уменьшение количества, изменение формы, размера, цвета, консистенции, морщинистость и стерильность.
У растений, выросших из семян, собранных с облученных растений, чаще наблюдаются морфозы листьев и стеблей. Типичный морфоз – стяжки (или вырезы) на периферийной части первых листьев. Зачатки первых листьев имеются в зародыше семени. При облучении блокируется митоз, часть клеток прекращает деление, поэтому они не генерируют клеточные потоки, что приводит к нарушению формирования листовой пластинки и к возникновению стяжек. У листьев, появившихся в онтогенезе растений, стяжек не наблюдается. Причиной морфозов могут быть генетические мутации и соматические мутации генов, которые контролируют морфоз. Морфозы могут быть наследственные и ненаследственные, что выявляется при пересеве семян, собранных с морфозных растений.
Поглощенная энергия излучения неравномерно распределяется по клеткам зародыша. Поэтому клетки могут иметь разные генетические дефекты. Если клетки с измененным геномом способны к делению, тогда поколения этих клеток войдут в состав формирующихся органов и тканей зародыша. Следовательно, растение, выросшее из облученного семени, будет состоять из генетически разнородных тканей (т. е. эти ткани будут состоять из двух типов клеток: из нормальных клеток и клеток с измененным геномом) и будут представлять собой химеру. Пример химер – пятнистость листьев. В этом случае часть ткани листа генерирует нормальные клетки, т. е. с хлорофиллом, а часть ткани вырабатывает бесхлорофилльные клетки. Это явление часто наблюдается у злаковых культур. При облучении вегетативно размножающихся растений из облученной почки может вырастать побег с генетическими изменениями в соматических клетках и представлять собой химеру. Облучение часто приводит к увеличению набора хромосом. Образовавшиеся тетраплоидные клетки в ходе роста побега генерируют свои клеточные потоки, которые входят в состав основного клеточного потока. В результате возникает химера из диплоидных и тетраплоидных клеток. Химеры различаются по строению: у одних химер клетки внутренней части диплоидные, а внешней – тетраплоидные, у других химер во внутренней части тетраплоидные клетки, а в наружной – диплоидные. В обычных условиях химеры часто наблюдаются у винограда и тутового дерева, реже у злаковых растений.

3.8. Радиостимуляционные эффекты растений

Усиление процессов роста и развития при облучении биологических объектов малыми дозами называется радиостимуляцией. Радиостимуляция обнаружена при облучении семян, клубней, черенков, усов, корневищ и других органов размножения растений. Формы проявления радиостимуляции различны: ускорение прорастания семян; повышение всхожести; усиление ростовых процессов у проростков; увеличение кущения и ветвления; повышение семенной продуктивности; формирование большей вегетативной массы; улучшение качества продукции; ускорение укоренения черенков; улучшение приживаемости прививок; ускорение выгонки луковичных растений; ускорение размножения редких и исчезающих видов растений и др.
Особенности радиостимуляции:
1) проявляется как однократное приходящее повышение интенсивности ростовых процессов в начальных фазах развития растений;
2) проявляется в отдельные периоды жизни;
3) продолжается всю вегетацию и сопровождается увеличением продуктивности;
4) не всегда воспроизводится при повторении опыта.
Проявление радиостимуляции маскируется другими различными эффектами. Причины этих особенностей не раскрыты. Для объяснения природы радиостимуляции предложен ряд гипотез:
1) активация генов при действии на них особых веществ;
2) накопление гетероауксина в клетках;
3) изменение проницаемости мембран;
4) обычная реакция на действие малых доз радиации.
Наиболее изучена радиостимуляция при облучении семян, проявляющаяся при облучении дозами от 3 до 25 Гр. Например, стимуляционная доза для озимой ржи составляет 10 Гр, озимой пшеницы – 25, гороха – 3 Гр. Предпосевное облучение применяется для повышения всхожести нормальных семян, некондиционных семян (с пониженной всхожестью), а также семян плодовых косточковых культур, требующих стратификации. У большинства культур максимальные эффекты стимуляции проявляются при облучении семян за 2–5 суток до посева, у зерновых – за 15–18 суток.
Изучение эффекта радиостимуляции и объяснение его причин было проведено А. М. Кузиным на семенах различных культур в 1970–1976 гг. Он указал, что основной причинойэффекта радиостимуляции является активация генов при действии на них особых веществ. Известно, что в покоящихся семенах полностью подавлен метаболизм. При прорастании семени снимается покой, происходит активация генома и отдельных генов, синтез различных РНК и по их «указанию» синтез ферментов, необходимых для синтеза ДНК, деления клеток и дальнейшего развития растений. А. М. Кузин выделил две основные причины активации, или дерепрессии, генома:
1) действие ионизирующих излучений на биомембраны и ферменты, которые регулируют концентрацию веществ, участвующих в активации генома. Эти вещества А. М. Кузиным впервые были названы триггер-эффекторами (ТЭ). Облучение усиливает активность ацетилатциклазы, которая влияет на активность фермента триптофан-синтетазы, регулирующей синтез триптофана (контролирует синтез белка) и гетероауксина (усиливает ростовые процессы);
2) образование свободных радикалов в лигнине и меланине семенных оболочек, а также в белках и липидах биомембран. Радикалы долго существуют в воздушно-сухих семенах и быстро, за десятки минут, исчезают при намачивании семян, т. е. при доступе к ним воды и кислорода. Взаимодействие радикалов с водой и кислородом приводит к образованию гидроперекисей и радикала гидроксила, которые усиливают образование триггер-эффекторов.
Известно два варианта образования ТЭ при облучении:
1-й вариант – ускоренное и увеличенное образование естественных ТЭ, представленных гиббереллиноподобными веществами в зародыше семени;
2-й вариант – образование в тканях семени неспецифических хиноидных ТЭ.
Хиноны образуются из полифенолов при радиационно-химических реакциях окисления полифенолов и под действием ферментов полифенолоксидаз. В клетках хиноны соединяются с гистонами, поэтому происходит блокирование генома. Гистоны соединены с молекулой ДНК. Под действием хинонов снимается блокада генома и происходит активация определенной группы генов. Начинается усиленный синтез информационной РНК, белков, ферментов, которые ускоряют обмен веществ в клетках. В свою очередь, это приводит к значительному сокращению в фазах клеточного цикла, поэтому клетки быстрее делятся и усиливаются ростовые процессы. Хиноидный радиотоксин в концентрации 10–4–10–7 моль увеличивает энергию прорастания семян. При облучении клеток высокими дозами образуется значительно больше хинонов, и в этом случае они действуют как токсины, которые могут угнетать рост и развитие. Кроме возникновения ТЭ в облученном зародыше ускоряется синтез различных РНК и синтез белков. Повышенный уровень ТЭ в конечном итоге приводит к ускорению развития и роста растений, к более раннему и обильному цветению, к усилению фотосинтеза и к повышению урожайности вегетативной массы и репродуктивных органов.
Основной эффект предпосевного (предпосадочного) облучения – увеличение урожая. У зерновых культур урожай повышается на 10–25 %. Например, облучение семян сортов яровой пшеницы дозой 5 Гр может способствовать повышению урожая на 1,5–1,8 ц/га, а озимой пшеницы – на 1,9–4,2 ц/га.
Установлено, что урожайность повышается не только при облучении семян, но и при облучении других органов размножения. Облучение клубней, корневищ, луковиц и черенков вызывает быстрое и обильное пробуждение точек роста, усиление корнеобразования и развития. При облучении клубней картофеля дозой 1–3 Гр урожайность возрастает на 15–25 %, при облучении черенков смородины дозой до 20 Гр урожайность ягод повышается на 40 %, а при облучении усов земляники дозой 5–15 Гр урожайность возрастает на 30 %. Картофель стимулирующими дозами обрабатывают за 2–6 суток до посадки, при этом возрастает не только урожайность, но и увеличивается содержание крахмала в клубнях на 15 %. Гамма-облучение черенков или подвоя виноградной лозы увеличивает выход полноценных прививок на 11 – 34 %. При этом отмечается интенсивное деление клеток в камбиальном слое на месте срастания подвоя с привоем. Облучение может снимать тканевую несовместимость подвоя с привоем, что способствует более быстрому срастанию тканей привоя с подвоем. Облучение семян различных культур перед посевом стимулирующими дозами способствует также улучшению качества урожая, т. е. повышению содержания белка, сахара, крахмала, витаминов, аминокислот и других веществ, которые сформировались у растений различных видов в процессе эволюции. Например, содержание белка в зерне пшеницы может увеличиваться на 0,5–1,5 %, а клейковины – на 4–5 %. Гамма-стимуляция применяется при выгонке зеленных культур, для ускорения развития и цветения луковичных и цветочных растений и при разведении редких и лекарственных растений.

3.9. Морфологические, физиологические и цитогенетические
изменения в популяциях природных травянистых фитоценозов

Мониторинг природных популяций растений травянистых фитоценозов начал проводиться с 1986 г., т. е. сразу после катастрофы на ЧАЭС. В настоящее время анализируется более 2000 популяций растений, в число которых входит около 50 % травянистого состава Республики Беларусь. Популяции травянистых растений в 1986 году подверглись массовому острому облучению различными дозами, которое затем перешло в хроническое облучение, поэтому в последующий период и до настоящего времени растения постоянно подвергаются хроническому внешнему и внутреннему облучению. Более высокие дозы облучения растения получают при произрастании на почвах с высокой плотностью загрязнения радионуклидами.
В результате мониторинга у травянистых растений естественных фитоценозов, произрастающих в условиях радиоактивного загрязнения после катастрофы на Чернобыльской АЭС, были также выявлены различные морфологические, физиологические и генетические отклонения. В 30-километровой зоне в популяциях травянистых растений наиболее часто наблюдались следующие морфологические отклонения, или радиоморфозы растений:
1) аномалии, обусловленные повреждением верхушечных и боковых почек;
2) снятие апикального доминирования и уменьшение высоты;
3) пробуждение спящих почек в узлах кущения и на побегах, способствующее усилению кущения и ветвления;
4) израстание и искривление главного и боковых побегов;
5) замедление или ускорение роста, т. е. карликовость или гигантизм;
6) полимеризация – увеличение органов и их структур;
7) фасциация – срастание стеблей, соцветий и плодов;
8) аномалии листьев – асимметрия, искривление, курчавость, махровость, морщинистость;
9) опухолевидное разрастание побегов;
10) аномалии при формировании генеративных органов и изменение формы и размера соцветий;
11) спиралевидное закручивание корней.
Из названных радиоморфозов к наиболее распространенным относились кустистость, карликовость и гигантизм. В популяциях травянистых растений регистрировалось две волны гигантизма: первая волна – 1987–1988 гг., вторая волна – 1991–1992 гг.
Кроме морфологических нарушений в популяциях естественных травянистых фитоценозов наблюдались следующие физиологические отклонения:
1) пигментация или хлороз побегов и верхушек цветоносов;
2) увядание растений и усыхание цветоносных побегов в жаркую погоду;
3) преждевременный опад листьев;
4) изменение окраски стеблей, листьев;
5) изменение активности ферментов, катализирующих процесс фотосинтеза;
6) образование опухолей, вызванных бактерией Agrobakterium tumefaciens.
В 30-километровой зоне в популяциях травянистых растений выявлялись и генетические отклонения.
Мутантные эффекты растений сопровождались повышением частоты различных генных нарушений и хромосомных аберраций в половых клетках. При этом преобладала массовая фрагментация хромосом, что было обусловлено действием плотно ионизирующих излучений, т. е. облучением клеток и их структур альфа- и бета-излучением.
Динамика хромосомных аберраций и индуцированных мутаций не соответствовала динамике радиационного фона. В динамике радиационного фона выделяли два этапа:
1-й этап – 1986–1987 гг. Радиационный фон с высокого, который наблюдался в 1986 г., снизился к 1987 г. в 1,5–3 раза по причине распада короткоживущих радионуклидов;
2-й этап – 1987–1988 гг. Радиационный фон стабилизировался, и в последующем значительных тенденций к снижению не наблюдалось.
В динамике хромосомных мутаций выделяют три этапа:
1-й этап – 1986–1987 гг. Происходило нарастание частоты мутаций с максимальным проявлением в 1987 г.;
2-й этап – 1988–1991 гг. Отмечен спад мутаций до уровня естественного мутирования;
3 этап – с 1992 г. до настоящего времени. Наблюдается волновая кинетика мутаций, т. е. периодическое снижение или возрастание мутаций по сравнению с естественным мутагенезом.
Радиобиологические эффекты растений при хроническом облучении растянуты во времени и проявляются значительно позже, чем при остром облучении. Выделение в динамике хромосомных аберраций трех этапов объясняется следующими причинами. Внешнее облучение в 1986 году активизировало репарационную систему, поэтому радиопоражение было менее значительным. Дальнейший рост мутаций связан, во-первых, с возрастанием внутреннего облучения от инкорпорированных радионуклидов, во-вторых, с увеличением генетического «груза», в-третьих, с подавлением процессов репарации. Спад частоты мутаций во 2-м этапе вызван снижением радиационного фона и доз внешнего облучения. К этому времени в популяциях под действием естественного отбора произошло удаление радиочувствительных форм, которые формировали мутации. Волновая кинетика мутаций через 5–6 лет связана с возникновением и поведением радиочувствительных форм в популяции. При оптимальных условиях эти формы сохраняются, и за счет них повышается частота мутаций. При неблагоприятных условиях они удаляются естественным отбором, поэтому частота мутаций снижается до спонтанного уровня. Волновую кинетику мутаций характеризуют графики рис. 4.
Уровень хромосомных мутаций зависит от экологических особенностей вида или от ареала распространения. У видов с узким ареалом распространения частота спонтанных мутаций хромосом составляет примерно 0,5 %, а частота индуцированных мутаций, т. е. образовавшихся при облучении, в 6–8 раз выше и составляет 3–4 %. У видов с широким ареалом распространения частота спонтанных мутаций составляет 3–4 %, а частота индуцированных мутаций в 3–6 раз выше и составляет 9–24 %. При облучении популяций, представленных видами с широким ареалом распространения, хромосомные нарушения быстрее восстанавливаются до естественного уровня. Популяции многолетних растений более гетерогенны (или неоднородны) по многим признакам, в том числе и по радиочувствительности. У растений этих популяций более совершенная система репарации, а также более


Рис. 4. Динамика хромосомных мутаций в природных популяциях растений
(по горизонтали – год исследования, по вертикали – клетки с аберрациями, %):
а – подорожник большой; б – подорожник ланцетолистный; в – пазник
укореняющийся; г – сивец луговой; д – кульбаба осенняя; e – ястребинка
зонтичная.

высокая адаптационная способность к изменяющимся неблагоприятным условиям среды обитания. В связи с этими особенностями популяции многолетних растений с широким ареалом распространения более радиоустойчивы.
Растения с узким ареалом распространения, а также растения, находящиеся на границе предела естественного распространения (редкие и исчезающие виды), характеризуются повышенной радиочувствительностью. На основании проведенного мониторинга было установлено, что в 30-километровой зоне из фитоценозов исчезли подорожник индийский, василек рейнский, полынь Маршала, сокращается численность ракитника и вербейника обыкновенного. Однако популяции этих видов в фитоценозах занимали небольшое пространство и их исчезновение не нарушило нормального функционирования растительных экосистем.
Через 15 лет после чернобыльской катастрофы среди природных популяций растений по радиочувствительности выделилось три группы растений. Радиочувствительность оценивалась по двум критериям: лабораторная всхожесть и частота хромосомных аберраций в клетках меристемы зародышевых корешков.
Первая группа – растения с повышенной чувствительностью к облучению. В эту группу входят многолетние растения – золотая розга, кульбаба осенняя, подорожник ланцетолистный, пазник укореняющийся, мицелис степной, а также двухлетнее растение – энотера.
Вторая группа – радиоустойчивые виды, у которых радиочувствительность не отличалается от контроля. В эту группу входят многолетние растения с широким ареалом распространения, у некоторых из данных растений к этому времени уже произошла радиоадаптация – тысячелистник обыкновенный, полынь полевая, ромашка непахучая, дрема белая, тимофеевка луговая, василек луговой, вероника лекарственная.
Третья группа – растения с повышенной радиоустойчивостью. К этой группе относится очень мало видов, например, сивец луговой и полынь обыкновенная.
У некоторых видов растений был выявлен эффект радиоадаптации. Для выявления эффекта радиоадаптации проводилось дополнительное острое облучение семян более поздних послеаварийных репродукций. После этого производили разделение популяции на радиочувствительные и радиоустойчивые фракции. Радиоадаптация оценивалась по вышеуказанным критериям радиочувствительности.
Таким образом, природные популяции растений, подвергшиеся действию радиоактивных выбросов, характеризовались повышенным уровнем мутагенеза в первые послеаварийные годы и постепенным его снижением в последующие годы, отсутствием четко выраженной зависимости между мощностью дозы и вызываемым ей эффектом, а также различной радиочувствительностью видов.
В настоящее время доказано, что с ростом мощности поглощенной дозы в популяциях происходят следующие изменения: генные мутации, аберрации хромосом, видимые морфологические мутации, биохимические мутации, выпадение радиочувствительных видов, обеднение видового состава популяции. Нерегулярно наблюдаемые генетические эффекты регистрируются при мощности дозы 10–6 –10–4 Гр/сут. Возрастание радиоустойчивости видов в популяции происходит при мощности дозы, составляющей 5.10–4 Гр/сут. При дальнейшем увеличении мощности поглощенной дозы происходит постепенное нарастание тяжести поражения и деградация популяции. Выпадение радиочувствительных видов наблюдается при мощности дозы 10–2 Гр/сут. Радиационные эффекты на экосистемном уровне начинаются с выпадения наиболее радиочувствительных видов, при этом в экосистеме происходит экологический сдвиг.
Таким образом, радиоактивное загрязнение природных экосистем, подвергающихся постоянному хроническому облучению, является новым экологическим фактором, вызывающим микроэволюционные изменения кариотипа в популяциях травянистых растений, а также морфологические и физиологические изменения растений.

3.10. Морфологические, физиологические и цитогенетические изменения в популяциях агроценозов

В 1986 г. морфологические, физиологические и цитогенетические изменения в популяциях агроценозов изучались в посевах озимой пшеницы, озимой ржи, ячменя, гороха и люпина в 30-километровой зоне и при плотности загрязнения почвы 37 кБк/м2 (1 Ки/км2). Посевы подверглись первоначально острому облучению в начальных фазах развития и хроническому облучению в течение всего периода вегетации.
В сортовых популяциях озимой пшеницы, озимой ржи и ячменя были выявлены следующие отклонения:
– замедление роста и развития растений;
– снятие апикального доминирования;
– повышенное кущение и образование боковых побегов;
– уменьшение размеров листьев, особенно флагового листа;
– изменение длины стебля (карликовость и гигантизм);
– хлорофильные мутации и некрозы листьев;
– различные хромосомные аберрации с преобладанием фрагментов и мостов;
– увеличение продолжительности фаз онтогенеза и удлинение всего вегетационного периода;
– снижение активности фотосинтеза в 1,5–2 раза;
– стерильность пыльцы;
– плохая завязываемость семян.
Повышенная эффективность радиоактивных выбросов по сравнению с действием аналогичных доз внешнего, острого и хронического облучения от открытого источника цезия-137 выявлена на таких сельскохозяйственных культурах, как люпин, горох, озимая рожь, озимая пшеница и ячмень. При этом в качестве критериев радиочувствительности использовались частота аберраций хромосом и хлорофильных мутаций, а также ростовые реакции растений на облучение. В условиях радиоактивного загрязнения среды происходит нарастание уровня индуцированных мутаций во времени, несмотря на значительное снижение мощности экспозиционной дозы за счет распада короткоживущих радионуклидов. Увеличение частоты мутаций является следствием возрастания генетического «груза», обусловленного действием инкорпорированных радионуклидов, которое значительно выше действия внешнего облучения.
Одним из проявлений более высокой генетической эффективности радиоактивного загрязнения среды обитания являются множественные поражения хромосом, среди которых преобладает массовая фрагментация хромосом, которая была выявлена у пшеницы, ржи и ячменя. Установлено, что у ржи сорта Киевская 80 уровень хлорофильных мутаций с 1986 по 1989 гг. увеличился с 0,14 до 0,71 %, т. е. в 5 раз, при этом уровень мутаций в контроле составлял 0,01 %. У сорта Харьковская 60 уровень мутаций увеличился с 0,80 до 1,14 %, т. е. в 1,5 раза, а в контроле уровень мутаций составлял 0,02 %.
Следует отметить, что данные о влиянии повышенного радиационного фона в результате последствий аварии на ЧАЭС не всегда однозначны и нередко противоречивы. Было выявлено отсутствие прямой зависимости между уровнем загрязнения и радиобиологическими эффектами, что не характерно при проведении экспериментов в контролируемых условиях. В ряде исследований четко прослеживалась линейная зависимость, в то время как в других источниках только указывалось на наличие тенденции к положительной связи между мощностью дозы и эффектом. Иногда отмечались случаи обратной зависимости, т. е. относительно малые дозовые нагрузки вызывали больший эффект, чем более высокие. Например, у сортов ячменя Ролан и Жодинский при плотности загрязнения почвы 40 Ки/км2 было выявлено 9,1 и 11,8 % хромосомных аберраций в митозе. В то же время при плотности 7 Ки/км2 частота нарушений была выше и составляла 19,5 и 17,7 % соответственно. При этом в контроле частота хромосомных нарушений составляла 9,5 и 11,4 %. Аналогичные результаты были получены в исследованиях у ржи сорта Белта: контроль – 5,1 %, при плотности загрязнения почвы 40 Ки/км2 – 4,8 %, а при плотности 600 Ки/км2 – 2,4 %. У семян, выращенных при плотности загрязнения почвы 40 и 600 Ки/км2, снижалась лабораторная всхожесть и выживаемость растений, а у семян, выращенных при плотности загрязнения 7 Ки/км2, по этим показателям наблюдался стимуляционный эффект.
Посевы озимой ржи и озимой пшеницы, произрастающие на почве с плотностью загрязнения до 1000 Ки/км2 (37000 кБк/м2), характеризовались замедленным ростом и развитием, имели меньшую площадь всей поверхности листьев. Площадь флагового листа уменьшалась на 40–50 %. При меньшей плотности загрязнения радиоморфозов у этих зерновых культур было значительно меньше. У люпина при невысокой плотности загрязнения наблюдалось увеличение продуктивности растений и усиление процессов фотосинтеза, при этом происходила дезактивация основных ферментов, ответственных за фотосинтез: значительно снижалась активность фермента хлорофиллазы и усиливалась активность пероксидазы.
В посевах ячменя и пшеницы наряду с нормальными растениями было обнаружено много растений с радиоморфозами колосьев и семян:
1) уменьшение и гигантизм главного колоса;
2) отсутствие остей на колосьях ячменя, а также повышенная неравномерная остистость, значительное увеличение остистости в верхней части колоса;
3) появление остей на колосьях пшеницы;
4) образование дополнительных колосков;
5) раздвоение и ветвление колоса;
6) стерильность и череззерница колосьев;
7) щуплость зерна и недоразвитость зародыша;
8) низкая всхожесть семян.
В посевах пшеницы, подвергшихся острому облучению в 1986 году, сформировались семена, из которых в последующие годы вырастали растения, среди которых встречались мутантные формы колоса (отсутствие остей, выпадение отдельных колосков, раздвоение и ветвление колоса). Частота радиоморфозов в популяции озимой пшеницы на загрязненных радионуклидами территориях сохранялась на высоком уровне в течение нескольких поколений (табл.5).
У нормальных семян этих культур технологические свойства зерна практически не изменялись. В деформированных зернах тмечено более низкое содержание аминокислот, клейковины и белка. В семенах озимой пшеницы (сорта Мироновская 808, Мироновская 27, Киянка, Полесская 70, Полесская 87, Безостая 1), озимой ржи (сорта Саратовская и Харьковская 60) и инбредной линии кукурузы W64А, произраставших в 30-километровой зоне в 1987–1992 гг., накапливались фенольные соединения с измененным качественным составом.

Т а б л и ц а 5. Динамика радиоморфозов растений озимой пшеницы

Тип морфоза
Год регистрации


1986
1987
1988

Стерильность колосков в колосе
49,0
29,8
1,9

Укороченный колос
10,0
9,4
0,8

Расщепленный колос
4,5
11,1
9,4

Увеличение остистости колоса
2,8
2,8
4,7

Гигантизм колоса
1,4
1,8
2,9

Шероховатость остей
1,4
3,4
2,9

Дополнительные колоски
14,0
14,8
29,7

Изменение окраски стебля
0,9
1,7
1,9

Укороченный стебель
4,5
5,7
4,9

Удлиненный стебель
4,4
4,7
5,4


В чернобыльской зоне обнаружены ранее не описанные расы грибка стеблевой ржавчины (Puccinia craminis, Basidiomycetes). Устойчивость растений трех сортов пшеницы (Мироновская 808, Полесская 70 и Киянка), выращенных из семян, полученных в 30-километровой зоне, к стеблевой ржавчине в 2,6 раза ниже, чем в контроле.
На основании проведенного эксперимента было установлено, что облучение растений на загрязненных радионуклидами территориях оказывает более сильное воздействие на спорогенные клетки и пыльцу, чем экспериментальное гамма-облучение в контролируемых условиях, что отражено в табл. 6.

Т а б л и ц а 6. Частота появления аномальной пыльцы ячменя (на 1 млн. пыльцевых зерен) после 55 дней облучения на разном расстоянии от ЧАЭС и на экспериментальном гамма-поле (1992 г.)

Мощность дозы,
мкЗв/ч
Доза,
мЗв
Количество аномальных пыльцевых зерен, шт.

Облучение от чернобыльских радионуклидов

60
75
226

320
422
837

400
528
1235

515
680
1705

Облучение на гамма-поле

5
3,0
145

50
29,6
150

500
296
192

5000
2960
220

50000
29600
292


При одинаковой мощности дозы, равной, согласно данным таблицы, 7, 515 мЗв/ч и 500 мЗв/ч, частота аномальных пыльцевых зерен при облучении от чернобыльских радионуклидов выше в 8,5 раза. Для выявления генетических эффектов семена, собранные в 1986 году с облученных растений, высевались в 30 километровой зоне и на чистой территории. При этом было установлено, что до 70 % фенотипических изменений (радиоморфозов) передавалось по наследству до четвертого поколения.
Таким образом, изучение хронического действия выбросов Чернобыльской АЭС показало, что они способны вызывать существенные генетические изменения. При этом их мутагенные эффекты выше, чем эффекты эквивалентных доз хронического или острого облучения от точечных источников излучения. Наряду с повышенным выходом мутаций у растений из чернобыльской зоны выявлялись нарушения, которые обычно не отмечались при остром гамма-облучении в условиях экспериментов, что свидетельствует о более сильном поражении генетического материала. К таким нарушениям относят множественные аберрации хромосом, нарастание уровня мутаций во времени, несмотря на значительное снижение дозовых нагрузок и отсутствие адаптации у большинства популяций растений к действию радиации. Эти специфические явления обусловлены широким спектром излучений, испускаемых различными радионуклидами, и их совместным действием на растения. Увеличение генетических нарушений также является результатом совместного действия внешнего и внутреннего облучения. Биологическая эффективность облучения за счет инкорпорированных радионуклидов значительно выше, чем от внешнего облучения в адекватных дозах, потому что радиобиологические эффекты растений зависят не только от дозы, но и от характера распределения дозы в микроструктурах органов и тканей, а также от способности радионуклидов включаться в критические структуры клетки.



3.11. Морфологические, физиологические и цитогенетические изменения в популяциях лесных фитоценозов

В Республике Беларусь после аварии на ЧАЭС значительная часть лесного фонда загрязнена цезием-137 и стронцием-90. Леса выполнили функцию естественных фильтров на пути распространения радиоактивного выброса. Радиоактивному загрязнению чернобыльскими выбросами подверглись практически все компоненты лесных фитоценозов (воздух, почва, напочвенный покров, лесная подстилка, подрост, подлесок, зрелые деревья, микрофауна и зоофауна).
В настоящее время основное поражение растений может быть связано с действием инкорпорированных радионуклидов, которые поступают в растения из почвы и оседают в их тканях. К основным инкорпорированным радионуклидам относят цезий-137 и стронций-90. При этом накопление стронция-90 в надземных органах растений в десятки раз меньше, чем цезия-137. За счет инкорпорированного цезия-137 формируются дозы внутреннего облучения растений. Поэтому растения в условиях радиоактивного загрязнения подвергаются постоянному внешнему и внутреннему облучению.
Растительные сообщества всех ценозов значительно различаются по радиочувствительности. В лесных фитоценозах наибольшей радиоустойчивостью обладают мохово-лишайниковые сообщества, а наименьшей – хвойные леса. Исследования по изучению влияния ионизирующей радиации на растительность фитоценозов показали, что растения наиболее радиочувствительны в стадии развития, характеризующиеся высокой митотической активностью клеток и интенсивным ростом. Максимальные выбросы радионуклидов при аварии на Чернобыльской АЭС и соответственно острое ионизирующее облучение пришлось на период активных весенних ростовых процессов у большинства растений.
В зависимости от величины поглощенной дозы и признаков внешнего поражения деревьев в 1986 г. было выделено четыре зоны:
1) зона летального поражения (поглощенная доза составляла 80–100 Гр, при этом все деревья погибли);
2) зона сублетального поражения (поглощенная доза составляла 8–25 Гр, при этом наблюдалось частичное повреждение деревьев);
3) зона среднего поражения (поглощенная доза составляла 3,0–3,5 Гр, наблюдалось угнетение роста, снижение прироста древесины, нарушение семенной продуктивности, преждевременный опад хвои и листьев);
4) зона слабого поражения (поглощенная доза составляла 0,5–1,0 Гр). Эта зона занимает основную часть 30-километровой зоны и прилегающие к ней районы. В соматических и половых клетках растений наблюдались различные хромосомные нарушения.
В реакциях лесных экосистем на ионизирующее облучение в районе аварии на Чернобыльской АЭС выделили три основных периода острого хронического облучения растений.
Первый период – с 26 апреля по 15 мая 1986 г. Острое облучение в результате активного выброса продуктов деления растения получили в первые часы и дни после аварии. В этот период были отмечены наиболее тяжелые радиационные поражения древесных растений, особенно хвойных пород. К концу этого периода распались короткоживущие радионуклиды, поэтому снизилась мощность поглощенной дозы.
Второй период – с середины мая до сентября 1986 г. В этот период мощность поглощенной дозы снизилась в 4–5 раз. Наблюдалось подавление ростовых процессов у растений и появление радиоморфозов.
Третий период – с апреля 1987 года по апрель 1988 г. Этот период характеризовался быстрым нарастанием восстановительных процессов. Радиационная обстановка к этому периоду начала стабилизироваться, и мощность дозы по сравнению с предыдущим периодом снизилась в 10 и более раз. В 1988 и 1989 годы продолжалась активация восстановительных процессов у растений.
В зависимости от величины поглощенной дозы наблюдалось четыре основных эффекта: стимуляция роста, гигантизм, значительное поражение и гибель растений.
Самый разнообразный спектр аномалий наблюдался в зоне среднего поражения. Объектами наблюдений являлись в основном деревья хвойных пород – сосна и ель. Типичными проявлениями действия чернобыльского облучения являлись изменения морфологии растений. Первичные радиоморфозы возникали из-за нарушения процесса деления клеток под действием внешнего и внутреннего облучения. Через 4–5 месяцев после радиоактивного загрязнения у зрелых деревьев сосны были выявлены морфологические и физиологические нарушения, а также нарушения репродуктивной системы.
Морфологические аномалии надземных органов растений наблюдались у сосны обыкновенной, при этом наиболее часто встречались следующие радиоморфозы:
1) многопочечность. На одном побеге часто закладывалось от 15 до 30 почек крупных размеров с яркой темно-вишневой окраской почечных чешуй, при этом почки располагались неравномерно, скученно и беспорядочно. В 1986 году из этих почек развивались побеги с крупной светло-зеленой хвоей и со сросшимися хвоинками. В 1988 г. у 80–85 % сосен апикальные почки на верхушечных побегах отмирали в середине лета. Это приводило к формированию двух вершин и многовершинности у деревьев. К 1989 г. заложение почек на побегах нормализовалось и составляло 6–8 почек;
2) израстание почечных чешуй. К осени 1986 г. у 10–20 % деревьев была выявлена трансформация чешуй в листоподобные ланцетовидные образования длиной 4–5 см. Большинство почек отмерло в 1987 г., а из живых почек вырастали мощные короткие побеги с крупной жесткой хвоей;
3) вторичные приросты. Во второй половине лета 1986 г. из боковых верхушечных побегов вырастали короткие толстые вторичные побеги;
4) почки с отмершей апикальной меристемой. Эти почки наблюдались на главном и боковых побегах, выделялись крупными размерами и имели только кроющие чешуи. Отмирание апикальной меристемы приводило к снятию апикального доминирования;
5) побеги с укороченным приростом. В 1986 г. значительно снизились приросты верхушечных побегов. Эти побеги имели неправильную и изогнутую форму. У 30–40 % сосен образовывались сросшиеся в кисти (по 5–6 штук) густо охвоенные побеги;
6) побеги с аномальной анатомией и аномальным распределением хвои. На многих деревьях развивались побеги с редко расположенной и изогнутой хвоей («лысые побеги»), выделяющиеся крупными размерами и повышенной жесткостью хвои. На некоторых побегах формировалась нетипичная, т. е. короткая, округлой или цилиндрической формы, хвоя, а также хвоя с различными типами срастания хвоинок. Встречалась хвоя со значительным отклонением отношения толщины хвои к ширине.
Ель более радиочувствительна, чем сосна, поэтому у деревьев ели наблюдался более широкий спектр морфологических аномалий.
Кроме радиоморфозов органов у хвойных пород были выявлены также следующие физиологические нарушения:
1) изменения в проводящей системе: отмирание клеток в кольцевом слое камбия; увеличение объема эпидермы, гиподермы, воздухоносной и корковой паренхимы и уменьшение объема флоэмы и ксилемы;
2) временные сдвиги ростовых процессов. В 1986 г. рост деревьев значительно задержался и начался во второй половине вегетационного периода, поэтому вегетационный период увеличился на 15–20 дней;
3) нарушение пространственной ориентации боковых побегов. Побеги принимали строго вертикальное направление, а также срастались по типу «ведьминых метел»;
4) снижение прироста древесины по радиусу ствола. Наблюдалось у ели в год облучения, у сосны – на следующий год, по причине нарушения процессов нарастания годичных колец;
5) изменение окраски хвои. В 1986 г. на побегах сосны хвоя имела золотисто-желтую и кирпично-бурую окраску, по причине нарушения в клетках синтеза зеленых пигментов;
6) массовое отмирание хвои. У части деревьев хвоя опала в 1987 г. На отдельных деревьях отмершая хвоя не опадала в течение последующих 4 лет;
7) нарушение процесса фотосинтеза. Радиационное воздействие на фотосинтезирующую способность хвои проявлялось в повышенной вакуолизации цитоплазмы клеток, приобретении ядрами лопастной формы, нарушении мембранной системы в пластидах и митохондриях, снижении насыщенности цитоплазмы митохондриями. В клетках, содержащих большее число хлоропластов, обнаруживались хлоропласты с меньшим количеством в них гранул, и наоборот. При повышенных поглощенных дозах нарушалась пространственная ориентация пластид, хлоропласты приобретали амебовидную, ветвистую и другие аномальные формы. При отмирании части хвои, вызванном воздействием излучений, в оставшейся хвое и во вновь сформированной наблюдалась активация процесса фотосинтеза.
Изучение влияния ионизирующего излучения на репродуктивную систему деревьев хвойных пород сводилось:
- во-первых, к выявлению характера и частоты повреждения хромосом в процессе мейоза в зависимости от поглощенной дозы;
- во-вторых, к определению зависимости жизнеспособности пыльцы от уровня радиационного поражения и частоты хромосомных аберраций в микроспорогенезе;
- в-третьих, к определению физиологической активности пыльцы и ее зависимости от частоты хромосомных нарушений в спорогенных клетках;
- в-четвертых, к выявлению нарушений в макроспорогенезе и в гаметогенезе;
- в-пятых, к выявлению нарушений в процессах оплодотворения и эмбриогенеза.
Репродуктивная система ели оказалась более радиочувствительной, чем сосны, поэтому ель не цвела и не плодоносила в 1986–1988 гг. У сосны в зависимости от поглощенной дозы в 1986 г. наблюдалась полная гибель мужских и женских побегов, на некоторых деревьях формировались рыхлые и гигантские цветоносные колоски с аномальными пыльцевыми зернами, имеющими деформированную форму, мелкие размеры, с меньшим содержанием спермиев и крахмала. Часть деревьев не цвела, а у других деревьев цветение началось не одновременно и продолжалось длительное время. В спороносных клетках были выявлены различные хромосомные аберрации в ана- и телофазе І и ІІ мейоза и в стадии образования тетрад. Процент выхода хромосомных нарушений при облучении в зависимости от поглощенной дозы увеличивался на 5–7 и на 50–75 %. Среди хромосомных нарушений преобладали слипание хромосом, преждевременное расхождение хромосом к полюсам, фрагментация хромосом, образование мостов и задержка хромосом в области экватора. В анафазе ІІ было выявлено меньше хромосомных аберраций, чем в анафазе І. Нарушения в мейозе значительно отразились на качестве пыльцы. Развитие спорогенных клеток при повышенных дозах замедлялось, а при пониженных дозах – ускорялось.
Жизнеспособность пыльцы значительно зависела от частоты хромосомных аберраций в мейозе. При проращивании пыльцы на питательной среде (1 % агар-агара + 15 % раствора сахарозы) в условиях опыта было выявлено разнообразное ветвление пыльцевых трубок (по типу «оленьих рогов», «елочки» и «прямого угла»), уменьшение или увеличение длины пыльцевых трубок, потеря способности пыльцы к прорастанию и к оплодотворению.
К 1992 году процессы формирования генеративных органов у большинства деревьев сосны в основном стабилизировались. Это связано, во-первых, со значительным снижением радиационного фона по причине распада большей части короткоживущих радионуклидов и, во-вторых, с быстрым усилением репарационных процессов у сосны, сопровождающихся интенсивным ростом надземных органов.
Конечным результатом всех эмбриологических процессов у растений является формирование семян, биологические свойства которых отражают нормальное прохождение всего генеративного цикла. Радиочувствительность семян разных пород древесных растений неодинакова: у хвойных пород радиочувствительность в 5–10 раз выше, чем у лиственных. Разная радиочувствительность связана с внутриклеточными цитологическими различиями семян, обусловленными количеством и размерами хромосом. У семян лиственных пород размеры хромосом в среднем в 10 раз меньше, чем у хвойных пород. Морфологическая зрелость семян сосны соответствует наличию в семени нормально развитого зародыша. Физиологическая зрелость семени проявляется в способности семян к прорастанию, в энергии прорастания, в сохранении высокой всхожести в течение нескольких лет и в выживании сеянцев в первые годы жизни.
Поглощенные дозы в 1986 году, составляющие 8–10 Гр, внешне не сказались на морфологическом строении шишек второго года. Однако, биологические свойства семян и их количественные показатели значительно зависели от уровня радиационного воздействия. Характеристика зрелых семян сосны обыкновенной в зависимости от величины поглощенных доз приведена в таблице 7.
При облучении в дозе 8–10 Гр всхожесть семян значительно снижалась и составляла только 3 %. Причиной снижения всхожести явилось увеличение количества пустых семян, которое составляло 85,2 %. Причиной формирования пустых семян явилась полная гибель женского гаметофита на стадии свободных ядер. Рентгенограмма семян сосны обыкновенной дана в приложении 5.
Прослеживалась закономерная обратная связь массы шишек, количества семян в одной шишке, массы 1000 семян и всхожести с мощностью поглощенной дозы. На второй и третий годы после острого облучения однозначные выводы о связи биологических свойств семян с уровнем радиационного поражения деревьев не подтвердились, потому что на морфологические процессы вегетативной и репродуктивной систем сосны значительное влияние оказала, прежде всего, «ударная» доза острого облучения весной 1986 года. К 1989–1992 годам жизнеспособность семян, энергия прорастания и лабораторная всхожесть значительно улучшились.

Т а б л и ц а 7. Характеристика зрелых семян сосны обыкновенной
в зависимости от величины поглощенных доз

Поглощенная
доза,
Гр
Масса
одной
шишки,
г
Количество
семян
в одной шишке,
шт.
Масса
1000 семян,
г
Количество
пустых
семян,
%
Лабораторная
всхожесть семян, %

Контроль
7,46
21,32
7,09
18,00
90,05

0,7–1
6,78
17,77
6,20
21,36
83,79

3–4
6,44
8,90
2,94
71,33
33,60

8–10
6,41
6,78
1,99
85,20
3,00


При пересеве облученных семян сосны, собранных в 1986 году, с целью выявления аномальных сеянцев анализировалось 3,5 тыс. сеянцев, из которых было выделено только 5 аномальных сеянцев, которые впоследствии погибли. Гамма-облучение семян в дозах от 0,5 до 4 Гр приводило к снижению всхожести семян на 7–62 % и снижению высоты однолетних сеянцев на 15–37 % по сравнению с контролем. Выживаемость сеянцев к концу первого периода вегетации практически не различалась в зависимости от мощности поглощенной дозы и была достаточно высокой.
Молодые посадки деревьев сосны и ели, а также их саженцы более радиочувствительны, чем зрелые деревья, поэтому в 1986 году степень проявления их поражения в зависимости от дозы разделялась на три группы:
1) слабое проявление радиационного поражения (поглощенная до-за – 0,7–1 Гр): уменьшение массы стеблей в 2–4 раза, снижение прироста верхушечных и боковых побегов на 12,5 и 40 % соответственно, уменьшение массы и длины хвои на 50 %;
2) среднее проявление радиационного поражения (поглощенная доза – 1,5–2 Гр): поражение молодых побегов и формирование большого числа верхушечных почек, уменьшение массы и длины хвои в 2 раза;
3) сильное поражение (поглощенная доза – 3–4 Гр): сильное повреждение побегов, хвои, израстание почечных чешуй, полное отмирание отдельных растений.
В 1987 году была зарегистрирована первая волна радиостимуляции, которая проявлялась в виде стимуляции роста или гигантизма у молодых деревьев питомников во всех группах. При этом наиболее значительная радиостимуляция отмечалась в третьей зоне (3–3,5 Гр), что проявлялось в увеличении длины, количества и массы побегов, а также массы хвои в 2–3 раза. Эффект радиостимуляции наблюдался и в 1988 году, а к 1989 году стимуляционныйй эффект снизился на 28 %. Причиной первой волны радиостимуляции было внешнее облучение растений. В 1991–1992 годах наблюдалась вторая волна радиостимуляции, обусловленная накоплением радионуклидов в тканях органов растений и внутренним облучением растений.
Таким образом, наибольшей радиочувствительностью к ионизирующему излучению у сосны обыкновенной выделялась репродуктивная сфера, где в большей степени поражались спорогенные клетки и семяпочки. Наибольшую радиоустойчивость из надземных структур сосны проявляли хвоя и шишки второго года, которые продолжали свое развитие даже после острого облучения высокими дозами. Среди субклеточных цитоплазменных органелл наиболее радиочувствительны хлоропласты и митохондрии. Острое и хроническое облучение деревьев привело к различным нарушениям микроспорогенеза, к отклонениям в развитии и формировании женского гаметофита на разных этапах его развития, что сказалось на завязываемости семян и их морфологических и физиологических характеристиках.

3.13. Динамика мутационного процесса при хроническом
облучении популяций растений

Распространение видов растений на земном шаре имеет закономерный приспособительный характер. В пределах своего ареала распространения виды существуют в форме естественных группировок, приспособленных к определенным местам произрастания. Совокупность особей одного вида, которые в течение длительного времени занимают определенный ареал, свободно скрещиваются и дают плодовитое потомство, называется популяцией. Естественные популяции растений характеризуются рядом следующих признаков:
1) популяция имеет определенную численность особей, которая зависит от коэффициента их размножения, продолжительности репродуктивного периода, интенсивности естественного отбора;
2) популяция характеризуется разнообразием генотипов составляющих ее особей. Важнейшим источником изменчивости, или полиморфизма, в популяции являются генные мутации, которые возникают под влиянием естественных и антропогенных факторов. Полиморфизм проявляется по любой группе признаков: морфологических, анатомических, биохимических и физиологических;
3) популяция всегда имеет определенный ареал (или место обитания), который определяется сочетанием абиотических и биотических факторов, т. е. влиянием климатических, почвенных и организменных факторов. С увеличением ареала влияние средовых факторов более разнообразно, поэтому наблюдается увеличение генетического разнообразия состава популяции и биологического прогресса вида. Сужение ареала связано с уменьшением численности видов и соответственно с уменьшением генетического разнообразия и с биологическим регрессом вида;
4) популяции одного вида всегда в той или иной мере изолированы друг от друга и в то же время могут являться открытыми биологическими системами;
5) популяция всегда выступает как единое целое в пространстве и во времени. Она является не только элементарной составной частью вида, но и элементарной эволюционной культурой. Именно в популяции начинаются и протекают процессы внутривидовой дифференциации и видообразования. В связи с этим в популяции осуществляются два противоположных процесса. С одной стороны, в популяции поддерживается постоянство генетического состава (или гомеостаза), благодаря которому в популяциях с широким ареалом распространения незначительно изменяется соотношение генотипов. С другой стороны, на основе возникающих мутаций и рекомбинаций популяция может приспосабливаться к измененным условиям среды обитания. Это создает основу для неограниченных эволюционных изменений.
К искусственным популяциям растений, созданным человеком, относят сортовые и гибридные популяции, для которых также характерен полиморфизм.
Появление мутаций в популяциях связано с рекомбинационными процессами генов, а также с внутригенными рекомбинациями. Естественные, или спонтанные, мутации генов (или участков ДНК) возникают с частотой 10-6–10-7 мутаций на локус/на поколение. При облучении популяции ионизирующим излучением частота мутаций возрастает от 10 до 1000 раз. Мутационный, или измененный, ген участвует в рекомбинациях в ряде поколений и создает различные комбинации новых аллелей (сочетание генов). Установлено, что частота генных обменов и внутригенных рекомбинаций возрастает при облучении. Чем выше природная гетерогенность популяции и чем большее число генов участвует в межгенном обмене и во внутригенных рекомбинациях, тем выше мутационный процесс популяции. Уровень мутагенеза, типы мутаций, уровень полиморфизма и гетерогенности популяции зависят от биологических особенностей вида (плоидности, системы размножения, онтогенеза, морфогенеза), а также от экологической амплитуды вида и дозы облучения.
Установлено, что чем выше радиочувствительность вида, составляющего популяцию, тем при меньшей мощности дозы выявляются генетические эффекты. Генетические изменения в популяциях выявляют по следующим показателям:
1) частота хромосомных аберраций в клетках меристемы корня, т. е. в митозе в соматических клетках;
2) частота хромосомных аберраций в анафазах мейоза, т. е. в половых клетках;
3) частота хлорофилльных мутаций растений;
4) частота эмбриональных леталей;
5) частота биохимических мутаций;
6) частота рецессивных летальных мутаций.
Установлено, что облучение всей популяции малыми дозами вызывает больший радиобиологический эффект, чем облучение небольшой части популяции высокими дозами. При малых дозах облучения мутации сохраняются и передаются из поколения в поколение, формируя генетический «груз» популяции. При высоких дозах облучения нарушения в генетическом аппарате растений значительные, поэтому мутантные формы отмирают и удаляются из популяции естественным отбором.
При изучении динамики мутационного процесса популяций выявлены нижеописанные закономерности.
1. Каждая мутантная особь удаляется из непрерывно размножающейся популяции по экспоненте, а совокупность большого числа мутантных особей – по нелинейной зависимости.
2. Стабилизация мутационного процесса (или стационарный уровень мутагенеза) происходит при установлении равновесия между действием естественного отбора и мутационным процессом. Стационарный уровень мутагенеза пропорционален мощности дозы. Эта зависимость носит нелинейный характер, поэтому в графике, отражающем выход мутаций на стационарный уровень, выделяют два участка кривых:
1-й участок – до выхода популяции на стационарный уровень;
2-й участок – выход популяции на стационарный уровень и особенности формирования стационарного уровня.
Скорость формирования стационарного равновесия зависит от интенсивности (или скорости) мутационного процесса: чем выше скорость мутирования, тем выше стационарный уровень и тем быстрее он достигается, т. е. через меньшее число поколений. Это отражено на графиках рис. 5.



















Рис. 5. Влияние скорости мутагенеза на величину стационарного уровня
и скорость выхода популяции на стационарный уровень.

На оси ординат откладывается частота мутаций на локус/на поколение, на оси абсцисс – поколение. На трех графиках видно, что скорость мутирования в популяциях разная и составляет на 1, 2 и 3-м графиках соответственно 10-3, 10-5 и 10-6 мутаций на локус/на поколение, т. е. максимальная скорость мутирования в первой популяции, а минимальная – в третьей популяции.
Перпендикуляр, опущенный из точки выхода популяции на стационарный уровень, покажет через сколько поколений популяция выйдет на стационарный уровень, т. е. первая популяция выйдет через 25, вторая – через 40, третья – через 55 поколений. При малых мощностях дозы стационарный уровень достигается через большее число поколений, чем при высоких.
3. Максимальное количество мутантных клеток с измененными генами наблюдается в начальный период облучения популяции. В поздних периодах уровень мутантных клеток стабилизируется, по причине действия естественного отбора, направленного на удаление мутаций во втором и третьем поколениях. В последующих поколениях активация репарации снижает удаление мутантов, способных к размножению, поэтому в популяции увеличивается мутантный уровень.
4. Наряду с поражением и репарацией в популяции происходит процесс радиоадаптации, т. е. увеличение радиоустойчивости путем отбора и сохранения радиоустойчивых форм с низким уровнем мутантных клеток. При неизменной мощности дозы радиоустойчивость популяции возрастает до определенного уровня, а затем стабилизируется на этом уровне радиоустойчивости. При повышении мощности дозы радиоустойчивость снова снижается, а затем повышается и стабилизируется. При высоких мощностях дозы популяция деградирует.
5. На мутационный процесс влияют модифицирующие факторы, которые сами не вызывают появление мутаций, но могут изменять мутационный процесс (ослаблять или усиливать, замедлять или ускорять).
6. Закономерности накопления в популяции естественных (спонтанных) и индуцированных мутаций одинаковы. Облученная популяция выходит быстрее на стационарный уровень (через 30–40 поколений), чем необлученная. Уровень спонтанных мутаций постоянный и изменяется только при изменении среды обитания и эволюции генома популяции.
Для оценки генетических эффектов в популяции используются следующие критерии:
1) частота мутаций на единицу дозы, или уровень мутационного процесса;
2) доза, удваивающая уровень спонтанного мутагенеза. Эти два критерия используют в пределах одного поколения;
3) стационарный уровень мутагенеза, т. е. через сколько поколений он достигается;
4) уровень мутагенеза (т. е. частота мутаций) при возникновении равновесного состояния;
5) генетический вред облучения для популяции.
Таким образом, в динамике мутационного процесса популяции выделяют четыре этапа:
1) нарастание уровня мутагенеза в начале облучения;
2) стабилизация мутагенеза со временем;
3) изменение структуры популяции с увеличением радиоустойчивых форм и радиоадаптация;
4) стабилизация популяции на новом уровне мутагенеза и радиоустойчивость.
Мутационный процесс в популяциях на чистой и загрязненной радионуклидами территориях не прекращается. Однако частота мутаций на загрязненной территории значительно выше. Например, мутации выявляют многими методами, среди которых наиболее распространен метод электрофоретического анализа запасных белков – глиадинов эндосперма семени. Так, частота спонтанных мутаций в наследственном аппарате на чистой территории у сосны составляет 510-6, а индуцированных мутаций в зоне отчуждения – 0,510-4 – 0,3 10-3 на локус/ на поколение.

3.14. Модификация радиочувствительности. Количественная оценка модификационного эффекта

Проблема модификации лучевого поражения занимает центральное место в радиобиологии, так как с ее решением исчезнет проблема защиты биологических объектов от поражающего действия радиации.
При изучении модификации радиочувствительности учитывают следующие признаки:
1) момент наиболее эффективного воздействия модификатора;
2) природу модифицирующего фактора, или модификатора;
3) уровень, или объем, модификации;
4) знак модификации (положительный или отрицательный, т. е. усиление или ослабление поражения);
5) образование первичных радиационно-химических продуктов.
Факторы и вещества, повышающие радиоустойчивость, называются радиопротекторами (РП). Факторы и вещества, повышающие радиочувствительность, называются радиосенсибилизаторами (РС).
Выделяют два вида действия радиопротекторов: профилактическое действие, которое эффективно до облучения, и терапевтическое, эффект которого проявляется после облучения.
Модификаторы радиочувствительности могут быть различного происхождения: во-первых, химические вещества, которые взаимодействуют с первичными продуктами радиационно-химических реакций (т. е. со свободными радикалами); во-вторых, факторы физической природы, которые воздействуют непосредственно на ход радиохимической реакции или косвенно на физиологические процессы, изменяя при этом развитие лучевого поражения. По механизму действия модификаторы разделяются на две группы: модификаторы, которые действуют на развитие лучевого поражения, и модификаторы, которые действуют на репарацию.
Защита растений от радиационного воздействия осуществляется с использованием радиопротекторов. Действие всех радиопротекторов реализуется только через ранние репарационные процессы. Радиопротекторы действуют только перед облучением и во время облучения, при обязательном условии, что сами они не влияют на жизнедеятельность облученных растений.
Модифицирующий эффект оценивается по трем критериям.
Первый критерий – абсолютная величина разности между показателями в опыте (гамма-излучение + модификатор) и в контроле (гамма-излучение в той же дозе, но без модификатора):
МЭ = Пр – П.
Второй критерий – индекс эффекта, или коэффициент защиты:
Кз = Пр/П,
где Пр–средняя величина признака с применением радиопротектора;
П–средняя величина признака без применения радиопротектора (или контроль).
При радиозащитном действии радиопротектора коэффициент защиты должен быть больше единицы.
Третий критерий – фактор изменения дозы (ФИД) – это отношение двух равноэффективных доз, когда в числителе стоит величина дозы в опыте (с использованием радиопротектора), а в знаменателе – в контроле (без использования радиопротектора):
ФИД = ДР/Д.
Количественные оценки действия радиопротекторов получают при сравнении параметров графика «доза – эффект» опыта и контроля. Определяют отношение доз, при которых степень проявления радиобиологических эффектов одинакова в опыте и контроле. Это отношение, или ФИД, показывает, во-первых, степень влияния радиопротекторов на лучевое поражение, во-вторых, во сколько раз нужно изменить дозу облучения, чтобы вызванный ею эффект в опыте был таким же, как в контроле.
Радиосенсибилизаторы используют для усиления поражающего действия радиации и вводят перед облучением растений вместе с кислородом.

3.15. Радиопротекторы. Классификация и механизм действия радиопротекторов

В радиобиологии особый интерес вызывают модификаторы радиоустойчивости, потому что проще не допустить лучевое поражение, чем устранять его последствия. Поиск радиопротекторов и механизм их действия находятся в стадии глубокого и всестороннего изучения. Предложен ряд гипотез, объясняющих механизм действия радиопротекторов:
1) гипотеза биохимического шока (действие протекторов задерживает синтез ДНК и РНК, поэтому уменьшается их повреждение при облучении и не нарушается их синтез);
2) сульфгидрильная гипотеза (взаимодействие S-H групп со свободными радикалами способствует уменьшению поражения клеток);
3) гипотеза эндогенного фона (наличие в клетках некоторых веществ (тиолов, гистаминов, серотонина, адреналина), влияющих на ход первичных радиохимических реакций);
4) мембранная гипотеза (повышение устойчивости мембран к облучению при использовании радиопротектора).
Множество других гипотез дополняют друг друга, что указывает на многообразие механизмов модификации радиочувствительности.
Известно более 1000 радиопротекторов, которые эффективны на многих биологических объектах и клетках (от микроорганизмов до человека). На действие радиопротекторов влияют следующие факторы: 1) временной интервал между введением протектора и облучением растений; 2) концентрация и вид радиопротектора; 3) величина дозы, мощность дозы и фракционирование дозы при облучении; 4) стадии развития растений в момент облучения; 5) факторы, влияющие на физиологию растений (температура, влажность, содержание кислорода в атмосфере, освещенность, условия питания и др.).
Протекторы изменяют выход молекулярных повреждений и влияют на их реализацию или проявление. Протекторы используются в низких концентрациях – тысячные и десятитысячные доли моль (10-3–10-4 моль). При изучении действия радиопротекторов семена замачивают, а растения опрыскивают их растворами. Критерии оценки радиочувствительности при использовании протекторов аналогичны критериям оценки радиочувствительности растений без использования радиопротекторов.
На растениях используют шесть групп протекторов, относящихся к различным химическим веществам.
Первая группа: органические вещества, в молекуле которых есть сульфгидрильная группа – дитиопропанол, глутатион, тиомочевина, цистамин, цистеамин, цистеин, цистин и др. Механизм защиты: 1) перехватывают свободные радикалы и присоединяют их к своей молекуле; 2) соединяются с фосфотазами, вызывающими гидролиз ДНК при высоких дозах.
Вторая группа: вещества, способные к окислению и восстановлению – аскорбиновая кислота (восстановленная) и ее соли, этаноламин, гидроксиламин, гидросульфит и метабисульфит натрия, гидрохлорид, перманганат, спирты (метиловый, пропиловый, этиловый). Механизм защиты: 1) являются донорами электронов и протонов; 2) останавливают первичные радиационно-химические реакции; 3) регулируют деятельность ферментов; 4) аскорбиновая кислота увеличивает содержание в клетках цистеина.
Третья группа: вещества антиокислители и антиоксиданты – оксипиримидин, каротин, токоферолы, эфиры галловой кислоты. Механизм защиты: 1) замедляют окисление молекул кислородом; 2) подавляют цепные реакции окисления липидов.
Четвертая группа: митотические яды – колхицин, кофеин, мезонидазол. Механизм защиты: 1) замедляют прохождение клеток по циклу и задерживают деление клеток; 2) уменьшают выход хромосомных аберраций.
Пятая группа: ионы некоторых металлов – растворы солей (марганца, железа, никеля, калия, натрия, магния, кальция) и микроэлементов (цинка, бора, кобальта, молибдена, меди). Механизм защиты: 1) стабилизируют деятельность белков;2) восстанавливают деятель- ность ферментов, содержащих металлы.
Шестая группа: фитогормоны – гетероауксин, гиббереллины, цитокинины. Механизм защиты – разнообразный.
При совместном использовании (например, кинетина и гетероауксина) эффект защиты усиливается. Многие радиопротекторы содержатся в клетках растений (например, цистеин, цистин, метионин, глутатион, сипантин, спирты, аскорбиновая кислота), поэтому эти растения радиоустойчивы. Водные вытяжки тканей таких растений используются как протекторы.
Кроме химических веществ модификаторами радиочувствительности могут быть также различные факторы физической природы и факторы среды. Факторы физической природы по действию можно разделить на две группы:
- фоновые (температура, магнитное поле, электронномагнитные излучения вне диапазона видимого света, кислород);
- субстратные (свет, который используется для фотосинтеза, минеральное питание).
При изучении влияния температуры на радиочувствительность семян было установлено, что после нагревания семян при температуре более 35 оС возрастает радиоустойчивость, так как уменьшается содержание кислорода и воды в клетках зародыша. При температуре, равной -78 оС (температура сухого льда), поражение семян меньше, чем при оптимальной температуре, равной +18+20 оС. У растений максимальная радиочувствительность проявляется при оптимальной для роста температуре, потому что при оптимальных температурных условиях ускоряется деление клеток и усиливается их поражение. Повышение и понижение температуры повышает радиоустойчивость, так как замедляется деление клеток, рост и развитие растений.
Влияние света проявляется, во-первых, при накоплении продуктов фотосинтеза, во-вторых, при изменении содержания кислорода в клетках, в-третьих, при изменении физиологических функций, связанных с ростовыми реакциями. Светозависимая регуляторная система растений называется фитохром (протеин с хромофорной группой), который представлен двумя формами: фитохром-660 (Ф660) и фитохром-730 (Ф730). Эти формы поглощают свет с разной длиной волны, равной 60 и 730 нм (нанометров). Установлено, что фитохром-660 более активен в клетке, чем фитохром-730. Облучение растений красным и синим светом с длиной волны 660 нм повышает радиочувствительность, а с длиной волны 730 нм – снижает радиочувствительность. На радиоустойчивость вегетирующих растений свет влияет через фотосинтез, в процессе которого из углекислого газа и воды образуется органическое вещество (глюкоза). Однако, свет может также снижать радиоустойчивость через кислородный эффект, который на свету усиливается. Установлено, что кислород образуется при фоторазложении молекулы воды. Накопление продуктов фотосинтеза способствует увеличению содержания сульфгидрильных соединений, веществ с восстановительными свойствами, поэтому у растений, выросших на свету, повышается радиоустойчивость. Растения, выросшие при дефиците света, более радиочувствительны.
Облучение растений, растущих в оптимальных и улучшенных условиях минерального питания, повышает чувствительность их к радиации, потому что усиливается интенсивность деления клеток и возрастает их поражение. Установлено, что такие питательные элементы растений, как фосфор, калий, кальций, снижают поражение растений при облучении их бета- и гамма-излучением. В то же время известно, что азот усиливает радиационное поражение растений.
Установлено, что большинство протекторов эффективны при остром облучении. Однако, при хроническом облучении такие протекторы малоэффективны или неэффективны совсем. В условиях хронического облучения нужны протекторы специфического действия, которые способствовали бы, во-первых, повышению накопления антиок-сидантов, ингибиторов, нейтрализующих свободные радикалы, во-вторых, способствующие репарации хромосом, ДНК, мембран. Поиск и изучение таких радиопротекторов, надежно защищающих биологические объекты при хроническом облучении, в настоящее время не закончены и являются актуальными направлениями радиобиологии.
Универсальным явлением радиобиологии является кислородный эффект. Он обнаружен на всех уровнях биологической организации. Кислородный эффект – это усиление лучевого поражения при повышении концентрации кислорода по сравнению с поражением при облучении в анаэробных условиях.
Механизмы кислородного эффекта полностью не раскрыты. Неизвестно, какие свойства кислорода обеспечивают его модифицирующее действие. При этом важную роль отводят электронакцепторным свойствам молекулы кислорода, которая является биорадикалом, т. е. обладает способностью присоединять электроны других молекул. Поэтому кислород в клетках очень активен и вступает в следующие реакции:
1) взаимодействие со свободными радикалами воды (Но и ОНо) и радикалами других биологических молекул;
2) фиксация потенциально-летальных повреждений молекул;
3) образование перекисных соединений водорода при взаимодействии с радикалами радиолиза воды (ОНо);
4) образование перекисных и других соединений молекул при взаимодействии с радикалами этих молекул;
5) перевод поврежденных молекул в труднодоступные для репарации соединения.
Количественной характеристикой кислородного эффекта является коэффициент кислородного усиления (ККУ). Он показывает, во сколько раз нужно увеличить дозу при облучении в атмосфере азота, чтобы получить такой же поражающий эффект, как при облучении в атмосфере воздуха (в воздухе кислород присутствует всегда).
Кислородный эффект в клетках зависит от дозы облучения и мощности дозы, содержания сульфгидрильных соединений, концентрации кислорода, условий питания, пострадиационных условий культивирования, радиочувствительности и состояния систем репарации. В 1959 году В.И. Корогодин обнаружил, что процессы пострадиационного восстановления в присутствии кислорода происходят быстрее и полнее, чем без кислорода. Очень низкое содержание кислорода подавляет процессы восстановления. Таким образом, кислород играет двойную роль в лучевом поражении, т. е., с одной стороны, он усиливает процессы поражения, а с другой – способствует восстановлению после поражения.
Явление радиосенсибилизации на семенах и растениях изучено значительно меньше, чем на других объектах. В качестве сенсибилизаторов используют кислород и окись азота.


4. РАДИОБИОЛОГИЯ ЖИВОТНЫХ И ЧЕЛОВЕКА

Радиочувствительноть живых организмов. Радиочувствительноть органов и систем человека. Коэффициент радиационного риска

Радиочувствительность – это способность организма реагировать на малые дозы радиации, которая проявляется через нелетальные радиобиологические эффекты в организме.
Радиочувствительность организма зависит в основном от двух факторов:
1) величины поглощенной дозы и ее распределения в облучаемом объекте и во времени;
2) радиочувствительности отдельных клеток, тканей, органов и систем организма.
Начальное действие излучений на организм происходит на атомном и молекулярном уровнях. Первичные физические явления, радиационно-химические реакции и биохимические процессы в конечном итоге определяют механизм развития и особенности поражения клеток, тканей, органов и организма. При облучении организма выделяют:
– три группы эффектов: детерминированные, стохастические и генетические;
– три радиационных синдрома: костно-мозговой, желудочно-кишечный и церебральный;
–  острую и хроническую лучевую болезнь (ОЛБ и ХЛБ);
–  отдаленные последствия облучения.
Радиочувствительность живых организмов характеризуют летальные дозы ЛД50/30 и ЛД100/30 – это минимальные дозы, которые вызывают гибель 50 или 100 % облученных организмов в течение 30 дней. Живые организмы значительно различаются по радиочувствительности, при этом причины разной радиочувствительности не установлены (табл. 8).
Радиочувствительность организмов зависит от фаз жизненного цикла или от онтогенеза. Для млекопитающих и человека установлено, что максимальной радиочувствительностью обладают эмбрион и плод. Начиная с зародыша и до половозрелого состояния, радиочувствительность организма и органов постепенно понижается, в среднем возрасте – стабилизируется и к старости – повышается.
Тяжесть поражения, включая формирование отдаленной патологии, зависит от величины поглощенной дозы, мощности дозы, вида излучения и физиологического состояния организма.

Т а б л и ц а 8. Летальные дозы острого облучения, ЛД50, Гр

Тип организма
Средние дозы для
взрослых особей
Дозы критических стадий развития

Вирусы, бактерии
5000


Простейшие
2000


Водоросли
1000


Низшие растения
600
4–100

Древесные растения
400


Хвойные деревья
8


Кишечнополостные
1500


Черви
1000


Членистоногие
600
1–2

Насекомые
1500


Моллюски
500


Рептилии
25
7

Рыбы
30
1

Птицы
12
0,2–1,0

Млекопитающие
8
0,2–1,0

Человек
2,5
0,1–0,2


В таблице 9 приведены данные о тяжести лучевого поражения человека в зависимости от дозы острого внешнего облучения.
По радиочувствительности органы разделяются на три группы:
первая группа – чувствительные органы, которые поражаются при дозе до 1 Гр: красный костный мозг, лимфоидные и половые железы, селезенка, отделы тонкого кишечника;
вторая группа – умеренно чувствительные органы, которые поражаются при дозе 4–8 Гр: пищеварительный тракт, печень, органы дыхания, органы выделения, органы зрения и мышечная ткань;
третья группа – резистентные органы, которые поражаются при дозе 8–10 Гр: нервная, хрящевая и костная ткани, кожные покровы.
Наиболее радиочувствительные органы называются критическими. С их поражением связана гибель организма в определенные сроки после облучения. Клетки критических органов имеют короткий жизненный цикл и высокие темпы обновления (за 1 минуту отмирают и вновь образуются десятки и сотни тысяч клеток). У млекопитающих такими органами является красный костный мозг и другие органы кроветворения, а также желудочно-кишечная система и половые железы. При общем внешнем облучении организма в первую очередь поражается красный костный мозг.

Т а б л и ц а 9. Клинические формы, тяжесть и исходы болезни при внешнем относительно равномерном облучении человека

Доза облучения, Гр
Клиническая форма
Тяжесть поражения

0,25

В организме не выявляют клинических признаков облучения

0,50

Регистрируются незначительные изменения цитологического состава крови и другие скоропроходящие нарушения

0,50–0,75
Лучевая реакция
Лучевая реакция на облучение. Незначительное снижение числа лимфоцитов, лейкоцитов, тромбоцитов, нарушения иммунитета и др.

1–2
Костномозговая форма, ОЛБ
ОЛБ легкой степени (1)

2–4
То же
ОЛБ средней степени (2)

4–6
То же
ОЛБ тяжелой степени (3)

6–10
То же
ОЛБ крайне тяжелой степени

10–20
Кишечная форма ОЛБ
Летальный исход через 8–10 сут

20–60
Токсемическая форма ОЛБ
Летальный исход через 4–7 сут

Больше 60
Церебральная форма ОЛБ
Летальный исход через 1–3 сут


По радиочувствительности органы разделяются на три группы:
первая группа – чувствительные органы, которые поражаются при дозе до 1 Гр: красный костный мозг, лимфоидные и половые железы, селезенка, отделы тонкого кишечника;
вторая группа – умеренно чувствительные органы, которые поражаются при дозе 4–8 Гр: пищеварительный тракт, печень, органы дыхания, органы выделения, органы зрения и мышечная ткань;
третья группа – резистентные органы, которые поражаются при дозе 8–10 Гр: нервная, хрящевая и костная ткани, кожные покровы.
Наиболее радиочувствительные органы называются критическими. С их поражением связана гибель организма в определенные сроки после облучения. Клетки критических органов имеют короткий жизненный цикл и высокие темпы обновления (за 1 минуту отмирают и вновь образуются десятки и сотни тысяч клеток). У млекопитающих такими органами является красный костный мозг и другие органы кроветворения, а также желудочно-кишечная система и половые железы. При общем внешнем облучении организма в первую очередь поражается красный костный мозг.
Общее равномерное внешнее облучение всего организма вызывает больший радиационный эффект, чем локальное облучение отдельных органов. Хроническое облучение организма от инкорпорированных радионуклидов в 10–100 раз опаснее, чем внешнее облучение.
При любом способе облучения организма человека поражающий эффект зависит от величины дозы облучения (табл. 10). При равномерном облучении всего организма его клетки, ткани и органы имеют разную радиочувствительность.

Т а б л и ц а 10. Зависимость поражающего эффекта организма человека
от величины дозы облучения

№ п.п.
Величина поглощенной дозы, Гр (рад)
Степень воздействия на человека

1
100 (10000)
Смерть наступает через несколько часов или дней вследствие поражения центральной нервной системы

2
10–50 (1000–5000)
Смерть наступает через 1–2 недели вследствие внутренних кровоизлияний

3
3–5 (300–500)
50 % облученных умирает в течение 1–2 месяцев, вследствие поражения клеток костного мозга

4
1–5 (150–200)
Возникновение лучевой болезни

5
1 (100)
Кратковременная стерилизация, нарушение воспроизводительной системы

6
0,1 (10)
Частота генных мутаций возрастает в 2 раза


Например, минимальная доза облучения костного мозга для млекопитающих, вызывающая его повреждение, составляет в среднем 1 Гр (для человека – 0,5 Гр), для половых желез животных – 2 Гр (для человека – 0,15 Гр). Для характеристики радиочувствительности органов и тканей используют взвешивающий коэффициент органов и тканей (Wт), или коэффициент радиационного риска. При этом радиочувствительность всего организма условно принимается за единицу, а органам и тканям в соответствии с их радиочувствительностью устанавливаются коэффициенты, значения которых меньше единицы. Например, взвешивающий коэффициент для костного мозга составляет 0,12, для щитовидной железы – 0,05, для костной ткани – 0,03. Взвешивающий коэффициент используют для расчета эффективной дозы.
При общем облучении организма выделяют первичное (или прямое) и опосредованное (непрямое) действие. Первичное действие рассматривается как результат повреждения клеток в результате поглощения энергии молекулами клеток. Первичное действие радиации на организм в дальнейшем усиливается через нейроэндокринные и гуморальные реакции, т. е. имеет место опосредованное действие радиации. Опосредованное действие имеет большое значение в развитии основных радиационных синдромов организма. В опосредованном действии выделяют, во-первых, нейроэндокринные реакции, при этом доказано опосредованное участие нервной и эндокринной систем при развитии радиационных эффектов в тканях и органах; во-вторых, гуморальные реакции, доказано, что радиотоксины различного происхождения усиливают радиационные эффекты.

4.2. Радиочувствительность органов кроветворения, клеток крови и кровеносных сосудов

К органам кроветворения относят: костный мозг, лимфатическую ткань, селезенку, вилочковую железу (или тимус). Кроветворные органы вырабатывают различные клетки крови (эритробласты, миелоциты, мегакариоциты – промежуточные клетки), которые выполняют разные функции в организме. Поэтому при общем облучении организма поражаются органы и вырабатываемые ими клетки, что приводит к нарушению их функций в организме. Доказана прямая связь частоты хромосомных нарушений, обнаруженных в клетках крови, с различными радиобиологическими эффектами, в том числе детерминированными, стохастическими и генетическими эффектами. Нарушение процессов кроветворения и «картины крови» наступает в процессе облучения и развивается пофазно у большинства клеток.
При общем облучении организма в дозах от ЛД50/30 до ЛД100/30 в первую очередь повреждается костный мозг и развивается костномозговой синдром, который сопровождается уменьшением количества клеток в костном мозге и в периферической крови (эритроцитов, лимфоцитов, тромбоцитов и др.), изменением их соотношения и морфологии, нарушением их основных функций в организме. Если клетки не восстанавливаются до нормы, происходит аплазия костного мозга (прекращение деятельности костного мозга и отмирание). В то же время костный мозг способен к регенерации, т. е. к самовосстановлению, которая при среднелетальных дозах наступает через 4–7 суток, и к концу 4-й недели «картина крови» костного мозга приближается к норме.
Лимфатическая ткань является высоко радиочувствительной. При облучении происходит раннее разрушение лимфобластов и лимфоцитов в самой ткани и лимфоцитов в периферической крови. Восстановление кроветворной деятельности происходит за 3 и более месяцев.
В селезенке при ЛД50/30 прекращается митоз кроветворных клеток, при этом часть лимфоцитов погибает. В результате разрушения клеточных элементов селезенка уменьшается в размере и в массе.
Клетки вилочковой железы (тимуса) – тимоциты или Т-лимфоциты при облучении полулетальной дозой погибают почти полностью в первые сутки. Остаются единичные живые клетки, за счет которых происходит очень долгое восстановление клеток до нормы.
Наиболее радиочувствительными клетками крови являются лимфоциты. Их содержание уменьшается при облучении дозой 1 Гр. При ЛД50/30 максимальное уменьшение наступает через 1–3 суток, при этом регистрируется нарушение соотношения малых, средних и больших форм (преобладают малые), а также появляются двуядерные клетки, клетки с зернистой цитоплазмой, с вакуолизацией ядер и цитоплазмы, клетки с морфологическими нарушениями, поэтому изменяются активность и функции клеток. У лимфоцитов нет фазности изменения их количества в крови при облучении. Максимальная радиочувствительность наблюдается у В-лимфоцитов, которые вырабатываются в костном мозге. Более радиоустойчивы Т-лимфоциты, которые вырабатываются вилочковой железой.
Характерная реакция организма на облучение – это изменение количества лейкоцитов, у которых степень и фазность изменения зависит от дозы. В изменении количества лейкоцитов при облучении организма выделяют 5 фаз:
1-я фаза – фаза первоначального увеличения клеток в крови (в результате быстрого выхода клеток из костного мозга в кровь);
2-я фаза – фаза первого опустошения – число клеток костного мозга уменьшается на 10–20 % (по причине прекращения выхода клеток из костного мозга и гибели части клеток);
3-я фаза – фаза абортивного подъема – возобновляется деление выживших в костном мозге клеток, при этом большая часть клеток повреждена и не способна к многократному делению. Прекращение митоза приводит ко второму опустошению костного мозга;
4-я фаза – фаза второго опустошения – число клеток уменьшается на 20–40 %, а при высоких дозах облучения – до 90–100 %, лейкоциты не вырабатываются по причине повреждения костного мозга;
5-я фаза – фаза восстановления – происходит медленное самовосстановление костного мозга, поэтому вырабатываются неповрежденные единичные лейкоцитные клетки, которые способны к делению, в результате которого их количество в организме медленно восстанавливается до нормы.
В фазах подъема в крови преобладают молодые клетки палочкоядерных форм. В фазах опустошения преобладают сегментоядерные клетки. В крови также появляются гигантские клетки, клетки с вакуолями в ядре и цитоплазме, клетки с зернистостью цитоплазмы, с разрушенными ядрами, с различными биохимическими изменениями и другими нарушениями. Сроки восстановления лейкоцитов в организме и возобновления их функций растянуты во времени.
По сравнению с лейкоцитами, эритроциты менее радиочувствительны, т. е. более радиоустойчивы. При ЛД50/30 в первые сутки увеличивается количество эритроцитов и содержание гемоглобина в крови на 10–15 %. Затем происходит снижение их количества и через 15–20 суток их содержание уменьшается в 2–3 раза. Появляются клетки неправильных форм, одноядерные и двуядерные, а также клетки с вакуолизацией ядра и цитоплазмы, с разрушенными ядрами. В крови появляются средние эритроциты: эритробласты и нормобласты. Восстановление эритроцитов в организме происходит через 2–5 месяцев.
По радиочувствительности тромбоциты (в норме тромбоциты не имеют ядер) занимают промежуточное положение между лейкоцитами и эритроцитами. При ЛД50/30 в первые сутки снижается их содержание, а также появляются двуядерные клетки, клетки с нарушением пропорций ядра и цитоплазмы. Восстановление тромбоцитов происходит за 35–45 дней. Одновременно со снижением содержания тромбоцитов снижается процесс поглощения протромбина и процесс свертывания крови, особенно в 1-й и 3-й фазах свертывания. Причинами снижения свертываемости крови являются: во-первых, снижение концентрации тромбопластина и гепарина; во-вторых, повышение фибриногена, который уменьшает скорость перехода белка в фибрин. Возникает фибрин с измененной микроструктурой, который ухудшает свертываемость кровяного сгустка и вызывает его распад, поэтому кровь не свертывается.
Облучение организма вызывает структурные изменения стенок кровеносных сосудов, особенно капилляров. Нарушение и повышение проницаемости сосудов обусловлено непосредственным поражающим действием излучения на стенки кровеносных сосудов и опосредованным действием – влиянием эндотоксина. Эндотоксин через ряд реакций усиливает выход гистамина, который нарушает стенки сосудов. Повреждение кровеносных сосудов в организме приводит к накоплению бактериальных эндотоксинов. Поражение кровеносных сосудов проявляется в виде двух типов кровотечений: 1) точечные и разлитые кровоизлияния; 2) наружные и внутренние кровотечения. Они проявляются в виде кровоизлияний на коже, кровотечений из носа и десен, кровавых диареи и рвоты. Часто идут одновременно два процесса: снижение свертываемости крови и повреждение кровеносных сосудов.
В 1986–1988 гг. в Могилевской области число детей с лейкопенией и анемией увеличилось в 7 раз. Через 12 лет после катастрофы болезни крови и органов кроветворения в зонах радиоактивного загрязнения у детей увеличились в 10–15 раз, а у взрослых – в 2–5 раз.
В зонах радиоактивного загрязнения широко распространены сердечно-сосудистые заболевания, связанные с нарушением работы кровеносных сосудов: нарушение сердечного ритма, сосудистая дистония, увеличение или снижение артериального давления, нарушение эластичности артерий головного мозга, нарушение кровоснабжения конечностей, острый инфаркт миокарда, инсульт, поражение центральной нервной системы, атеросклероз артерий конечностей, частота проявления которых через 10 лет после катастрофы возросла в 3–5 раз. Основной причиной нарушения работы сосудов является поражение эндотелия – внутренних поверхностных клеток сосудов.

4.3. Радиочувствительность воспроизводительной системы

Половые железы всех млекопитающих (семенники и яичники) реагируют на облучение одинаково. В семенниках в процессе сперматогенеза формируются сперматозоиды, а в яичниках – яйцеклетки. При облучении сильнее поражается генеративная функция (гаметогенез) и уменьшается гормональная активность. Повторное, многократное и хроническое облучение вызывает большее поражение половых желез, чем однократное облучение в той же дозе.
Мужские половые клетки формируются в первый день рождения из своих предшественников – гоноцитов. Клетки ранних стадий сперматогенеза сильнее поражаются и быстрее восстанавливаются. При облучении организма первоначально поражаются спермиогонии. По радиочувствительности клетки можно расположить в следующий ряд: спермиогонии (максимальная радиочувствительность), спермиоциты, сперматозоиды, спермиды.
Общее облучение организма млекопитающих вызывает более глубокое лучевое поражение семенников, чем их локальное облучение. Облучение организма малыми дозами не вызывает структурных и функциональных изменений семенников. Доза 2–4 Гр вызывает кровоизлияние в паренхиму железы, скопление клеток в семенных канальцах, изменение размера семенников, нарушение оплодотворяющей способности сперматозоидов. Через месяц после облучения объем спермы уменьшается на 50 %, и к концу 2-го месяца наступает аспермия и импотенция. Доза более 4 Гр вызывает постоянную стерильность. При остром облучении у человека минимальная пороговая доза, вызывающая временную стерильность у мужчин, составляет 0,15 Гр, а при хроническом облучении эта доза составляет 0,4 Гр/год. Стерильность восстанавливается за счет единичных спермиогониев, проходящих все стадии спермиогенеза, который заканчивается образованием зрелых сперматозоидов. Постоянная стерильность возникает при облучении дозой более 2 Гр. Восстановление репродуктивной функции происходит через 3–7 месяцев и зависит от дозы и вида животных.
В половых железах интенсивно накапливаются радионуклиды, которые вызывают их облучение, что сопровождается нарушением структуры и функций семенников. Установлено, что инкорпорированный стронций-90 вызывает разрушение эпителия и склероз семенников, цезий-137 – снижение оплодотворяющей способности сперматозоидов, плутоний-239 – повреждение и гибель спермиогенных клеток.
Клетки яичника по радиочувствительности располагаются в следующем порядке: ооциты ІІ порядка в зрелых фолликулах (максимальная радиочувствительность); ооциты І порядка, зрелая яйцеклетка, желтое тело, покровный эпителий яичника. Максимальной радиочувствительностью обладают яичники в раннем возрасте и в период полового созревания. У половозрелого организма яичники наиболее чувствительны к радиации в период созревания фолликулов.
У животных доза 1–2 Гр вызывает временное бесплодие, прекращение образования яйцеклеток, нарушение половых циклов. Повторное, многократное и хроническое облучение вызывает деструкцию эпителия фолликулов, фиброзное разрастание соединительной ткани яичника и изменение размера и формы яичника. Доза 2–6 Гр вызывает стойкое бесплодие животных. Облучение нарушает гормональную функцию половых желез и связанных с ними эндокринных желез, что сопровождается различными заболеваниями и возникновением злокачественных опухолей. Восстановление функции яичников идет очень медленно, при этом часто бесплодие не восстанавливается. При остром облучении временная стерильность у человека регистрируется при дозе 0,25–0,50 Гр, а при хроническом облучении – 0,2 Гр/год.
При облучении излучением инкорпорированных радионуклидов вначале повышается функциональная активность яичников, а затем медленно развиваются следующие патологические процессы: разрастание соединительной ткани яичника, опухоли и морфологические изменения яичников, а также опухоли и фиброз матки.
Повреждение генома половых клеток определяется по частоте хромосомных болезней, которые отражают частоту мутаций, или хромосомных нарушений, в половых клетках. Частота спонтанных мутаций (или естественных мутаций) у человека составляет 10,65 % (врожденные уродства и многократные нерегулярно наследуемые болезни). Наиболее опасны мутации, которые не удаляются естественным отбором и представляют опасность для будущих поколений человечества. К ним относят генные мутации, а из хромосомных нарушений – реципрокные транслокации (завершенные обмены между негомологичными участками хромосом). Генетические эффекты в половых клетках самцов выявляют по 4 показателям: 1) частота доминантных летальных мутаций; 2) частота индуцированных реципрокных транслокаций; 3) частота рецессивных летальных мутаций; 4) частота аномальных головок спермиев.




4.4. Реакция эмбриона и плода на облучение

Эмбрион состоит из множества делящихся, дифференцированных клеток, обладающих высокой радиочувствительностью. Из первичных стволовых клеток эмбриона закладываются ткани и системы, дающие начало органам и системам плода. Плод имеет все органы и системы взрослого организма. В период внутриутробного развития радиочувствительность зависит от периода или стадии развития. Тип повреждений, в свою очередь, определяется степенью дифференцированности и развития систем и органов в момент облучения. Выделяют три периода развития:
1) зародышевый, или эмбриональный, который состоит из двух фаз. Первая фаза – до имплантации эмбриона, она длится четыре дня. Вторая фаза – после имплантации, которая у животных длится 21, 28, 34 дня, у человека – 38 дней. В этом периоде закладываются все системы и органы. Облучение до имплантации вызывает гибель 40–80 % эмбрионов. Выжившие эмбрионы, имеющие уродства и аномалии развития, не доживают до плодного периода, потому что происходят внутриутробная гибель эмбрионов и выкидыши. Все ткани эмбриона в этот период высокорадиочувствительны, поэтому у эмбрионов наблюдаются множественные уродства;
2) период основного органогенеза, или предплодный период, который у животных длится 35–60 суток, а у человека – 40 дней. Этот период самый радиочувствительный, потому что формируются органы и закладывается хрящевой скелет. Облучение вызывает различные уродства и гибель плода, увеличение смертности после рождения, развитие острой лучевой болезни, что проявляется в замедлении роста и развития, а также сопровождается анемией, лейкопенией, кровоизлияниями и другими патологиями системы кроветворения.
3) плодный период, который характеризуется дальнейшим ростом плода и развитием видовых особенностей животного. В этот период сформированы все органы, поэтому облучение не вызывает уродств и аномалии органов. У плода нарушаются функции и деятельность различных систем организма.
В настоящее время установлено, что эмбрион обладает способностью к восстановлению, регенерации и перестройке. Он содержит активные фагоциты, которые поглощают и устраняют продукты клеточного распада и поврежденные клетки. Места удаления этих клеток могут заполняться неповрежденными первоначальными (стволовыми) клетками, из которых впоследствии формируются нормальные ткани и органы. Такой эмбрион имеет меньшую массу тела и уменьшенные размеры отдельных органов.
В эмбрионе есть радиоустойчивые клетки – нейробласты, а также клетки, способные накапливать повреждения, которые могут проявляться через несколько лет после облучения эмбриона, т. е. у взрослой особи.
Доказано, что при общем остром облучении самок прямое действие радиации на плод составляет 95 %, а опосредованное, т. е. через организм матери – 5 %. Изменения в зародыше регистрируются через 2 часа после облучения самки, т.е. гораздо раньше, чем лучевые реакции самки. Пороговая (минимальная) доза, вызывающая аномалии эмбриона и плода человека, не установлена, в то же время для мышей она составляет 0,05 Гр.
Лучевое поражение родителей оказывает влияние на потомство, у которого проявляется один или несколько признаков неполноценности:
1) морфологический (нарушение органогенеза);
2) функциональный (нарушение функций органов);
3) иммунобиологический (снижение естественного иммунитета);
4) биохимический (нарушение обмена веществ);
5) воспроизводительный (нарушение функций половых желез).
При облучении беременных женщин регистрируются четыре основных радиобиологических эффекта у потомства, формирование которых зависит от стадии внутриутробного развития, типа излучения, способа и дозы облучения:
1) эмбриональная, неонатальная и постнатальная гибель плода, т. е. гибель плода в утробе, при рождении и после рождения. Гибель плода происходит при облучении в дозах менее 0,1 Гр;
2) врожденные пороки развития (ВПР) – анэнцефалия, спинномозговая грыжа, расщепление губы и неба, полидактилия, редукция конечностей, артезия пищевода и ануса, множественные пороки развития;
3) нарушение функций центральной нервной системы. При облучении дозой 1,8–5,5 Гр радиационные эффекты возникают по причине гибели клеток-предшественников нейронов, а также по причине снижения транспорта кислорода к головному мозгу. Транспорт снижается в результате поражения костного мозга и снижения образования и выхода из него эритроцитов, которые переносят кислород. Доза облучения до 1,5 Гр вызывает задержку умственного развития. Доказано, что синдром Дауна развивается при дозе 0,29–0,56 Гр;
4) нарушение роста и развития – происходит уменьшение массы и размеров тела, а также уменьшение массы внутренних органов (особенно селезенки), уменьшение окружности головы и массы головного мозга.
Кроме этих выявляется множество других различных патологий, при этом эффекты могут появляться сразу после рождения (большинство эффектов) и в отдаленные сроки после рождения (онкологические заболевания, умственная отсталость, снижение иммунитета и др.).

4.5. Радиочувствительность иммунной системы

Ионизирующие излучения в любых дозах вызывают функциональные и морфологические изменения в клеточных структурах и влияют на деятельность почти всех систем организма. В результате повышаются или угнетаются иммунологические реакции организма. Иммунная система является высокоспециализированной. Ее составляют лимфоидные органы (костный мозг, тимус, селезенка, лимфоузлы), их клетки, макрофаги, клетки крови (нейрофильные, эозинофильные и базофильные, гранулоциты), система комплемента, интерферон, лизоцим и другие биологические активные вещества. Иммунная система защищает организм от вредных внешних и внутренних воздействий. Основные защитные реакции осуществляют Т-лимфоциты, которые вырабатываются тимусом, и В-лимфоциты, которые вырабатываются костным мозгом, а также фагоциты и ЕК-клетки, или «клетки-киллеры», которые устраняют инородные клетки, тела и вещества. Малые дозы облучения могут способствовать повышению иммунитета. Сублетальные и летальные дозы облучения ослабевают, угнетают и разрушают все механизмы защиты организма.
К нарушениям иммунитета относят:
1) иммунодефицит – увеличение количества лейкоцитов и уменьшение количества лимфоцитов в крови;
2) снижение устойчивости организма к возбудителям инфекционных заболеваний.
Нарушение иммунной системы сопровождается количественными и качественными изменениями нормальной микрофлоры организма, что приводит к снижению иммунитета, поэтому организм теряет устойчивость к любой инфекции.
Причины снижения иммунитета:
1) повышение проницаемости клеточных мембран;
2) снижение бактерицидных свойств крови и лимфы;
3) нарушение соотношения, функций, миграции и гибель лимфоцитов;
4) нарушение функций и структуры лейкоцитов;
5) подавление процессов кроветворения в костном мозге и тимусе;
6) лейкопения, анемия, тромбоцитопения;
7) ослабление фагоцитарного механизма защиты клеток;
8) уменьшение образования антител;
9) нарушение бактерицидности кожи;
10) воспалительные процессы и другие патологии.
Нарушение проницаемости тканей, стенок сосудов и стенок кишечника является причиной расселения кишечной микрофлоры по органам. Снижение бактерицидных свойств лимфы, крови и тканей способствует усилению размножения и расселения микробов в крови, на коже и слизистых оболочках, что приводит к дисбактериозу. Увеличение собственной микрофлоры организма (или аутофлоры) происходит синхронно с развитием лейкопении. Естественную антимикробную устойчивость организма обеспечивает специфический белок – лизоцим, содержание которого при остром облучении снижается до трех раз, однако при хроническом облучении содержание лизоцима может возрастать.
При облучении снижается устойчивость организма к экзогенным инфекциям (туберкулезу, дизентерии, вирусам и многим другим) и изменяется характер течения всех болезней.
В защите организма особую роль играют аутоантитела – это аномальные клетки или измененные белки, связанные с различными веществами. Аутоантитела работают против антигенов своего организма. Антигены всегда возникают в организме в нормальных условиях, а антитела их удаляют. После облучения организма в его клетках резко снижается количество обычных антигенов и появляются новые антигены, не свойственные организму, которые нарушают функции клеток. Появление в организме новых антигенов вызывает, с одной стороны, повышение чувствительности организма к инфекциям, а с другой стороны способствует образованию новых защитных аутоантител двух видов:
1) антитела, уничтожающие поврежденные белки;
2) антитела, уничтожающие поврежденные клетки.
Появление этих антител приводит к повышению радиоустойчивости и к восстановлению иммунитета.
В облученном организме нарушается процесс фагоцитоза, который осуществляют макрофаги и клетки ретикулоэндотелиальной системы. Этот процесс остается незавершенным, потому что при облучении нарушается связь между процессом захвата частиц макрофагами и ферментативными процессами, под действием которых происходит разрушение инородных частиц.
Работа поврежденных клеток иммунной системы вызывает анемию, атрофию лимфоидных органов, задержку роста, развития и гибель организма. Иммунитет нарушается сильнее всего при лейкопении и анемии, т. е. при подавлении деятельности костного мозга и лимфоидной ткани. Поражение клеток крови приводит к нарушению гуморальных систем иммунитета, т. е. плазмы, сывороточных белков, лимфы и других жидкостей.

4.6. Радиационные синдромы при общем облучении организма

В 40-х годах прошлого столетия Б. Г. Роевский и Г. Квастлер в опытах на мышах показали, что график зависимости средней продолжительности жизни животных от дозы облучения состоит из трех участков или трех ступеней:
первая ступень – начальный участок – период жизни от нескольких недель до нескольких дней (доза до 10 Гр);
вторая ступень – плато – период жизни не изменяется, хотя доза растет от 10 до 100 Гр;
третья ступень – конечный участок – период жизни резко сокращается до нескольких дней или часов с увеличением дозы более 100 Гр.
Зависимость продолжительности жизни животных от величины дозы описывается ступенчатой кривой и является общебиологической закономерностью. При этом три участка графика соответствуют трем радиационным синдромам, которые наступают при разных дозах в разные сроки после облучения (рис. 6).




Рис. 6. Зависимость средней продолжительности жизни
мышей от дозы при однократном гамма-облучении

Первый синдром – костно-мозговой (кроветворный), развивается при дозе, равной 1–10 Гр, средняя продолжительность жизни животных – не более 40 суток.
Второй синдром – желудочно-кишечный, развивается при дозе, равной 10–80 Гр, период средней продолжительности жизни животных – около 8 суток.
Третий синдром – церебральный, развивается при дозе, равной 80 и более Гр, при средней продолжительности жизни животных менее 2 суток.
Синдромы развиваются из-за поражения трех систем: кроветворной, кишечной и центральной нервной системы. Кроветворная и желудочно-кишечная системы имеют большую скорость клеточного обновления. В то же время в центральной нервной системе взрослых особей клеточное обновление не происходит.
В костном мозге вырабатывается 2 типа клеток: 1) молодые делящиеся клетки, которые высоко радиочувствительны; 2) зрелые функциональные клетки периферической крови, которые более радиоустойчивы, за исключением лимфоцитов. Лимфоциты погибают при небольших дозах в костном мозге и лимфоузлах, а также в периферической крови.
При костно-мозговом синдроме в костном мозге происходят следующие нарушения: временное прекращение деления всех клеток, гибель молодых, малодифференцированных и делящихся клеток, изменение продолжительности созревания клеток, времени жизни и скорости притока в кровь зрелых клеток. Изменения в костном мозге отражаются на «картине крови», т. е. происходят изменения в составе, количестве, соотношении и структуре клеток в периферической крови.
Установлено, что у человека костно-мозговой синдром протекает своеобразно и отличается от синдрома животных.
В желудочно-кишечном тракте наиболее радиочувствительны отделы тонкого кишечника, где происходит максимальное всасывание. При желудочно-кишечном синдроме основные изменения происходят в тонком кишечнике: повреждение клеточных ворсинок и крипт, оголение ворсинок и, как следствие этого, проникновение инфекции, поражение кровеносных сосудов и внутренние кровоизлияния, нарушение баланса жидкостей и электролитов и нарушение процессов всасывания.
Центральная нервная система (ЦНС) состоит из высоко-дифференцированных клеток с высокой радиоустойчивостью. Облучение дозой до 100 Гр не вызывает гибели клеток ЦНС. Они погибают при дозах в несколько сотен грей. К настоящему времени не установлена причина гибели клеток, но существуют две точки зрения: 1) непосредственное повреждение самих клеток центральной нервной системы (прямое действие радиации); 2) повреждение других систем, влияющих на деятельность нервной системы, в результате чего происходят глубокие нарушения в деятельности нервной системы (опосредованное действие). При летальном исходе, т. е. при гибели животного, поражаются кровеносные сосуды и развивается быстрый отек головного мозга.

4.7. Острая и хроническая лучевая болезнь

Лучевая болезнь – это общее нарушение жизнедеятельности организма, которое характеризуется глубокими функциональными и морфологическими изменениями всех его систем и органов в результате поражающего действия различными видами ионизирующих излучений из внешних источников, а также при поступлении радионуклидов внутрь организма.
В зависимости от величины дозы, мощности дозы, кратности и длительности облучения выделяют острую и хроническую лучевую болезнь.
Острая лучевая болезнь – это общее заболевание, при котором поражаются все системы организма. Она вызывается однократным, кратковременным (до 4 суток) воздействием поражающих доз внешнего общего облучения или поступлением в организм больших количеств радиоактивных веществ, создающих в теле поглощенную дозу, превышающую 1 Гр. В диапазоне доз 1–10 Гр выделяют три степени тяжести острой лучевой болезни:
– острая лучевая болезнь первой степени (легкая) – доза 1–2 Гр;
– острая лучевая болезнь второй степени (средняя) – доза 2–4 Гр;
– острая лучевая болезнь третьей степени (тяжелая) – доза 4–10 Гр.
Характерной чертой острой лучевой болезни является волнообразное клиническое течение, что объясняется постепенным формированием трех радиационных синдромов (костно-мозгового, желудочно-кишечного и церебрального).
В развитии острой лучевой болезни выделяют четыре периода:
первый – начальный, или период первичных реакций на облучение;
второй – латентный, или скрытый, период кажущегося благополучия;
третий – период выраженных клинических признаков лучевой болезни;
четвертый – период восстановления с полным или частичным выздоровлением.
Течение лучевой болезни зависит от ряда факторов: вида излучения, величины поглощенной дозы и ее мощности, радиочувствительности организма, факторов внешней среды.
Первый период длится два-три дня. Для него характерны изменения функций нервной системы (возбуждение, угнетение и слабость организма), повышение температуры, ухудшение аппетита, воспаление слизистых оболочек, усиление перистальтики кишечника, появление рвоты и диареи. Изменяется сердечная деятельность, нарушается сердечный ритм и появляется одышка. При исследовании крови выявляют нейрофильный лейкоцитоз, лимфопению и морфологические изменения лейкоцитарных клеток, повышенное количество ретикулоцитов, макроцитов.
Второй период длится от нескольких дней до двух-трех недель. При тяжелой форме заболевания он короткий, а иногда может отсутствовать. В таком случае сразу вслед за первичной реакцией появляются признаки третьего периода. Клиническое состояние в этом периоде удовлетворительное, однако в организме в это время происходят различные патологические изменения: угнетение деятельности органов кроветворения, уменьшение количества эритроцитов в крови, повышение тромбоцитов, расстройство функций желудочно-кишечного тракта, бронхиты, пневмонии, кровоизлияния на слизистых оболочках, выпадение волос (шерсти), нарушение в половых железах.
Третий период длится одну – три недели и зависит от дозы облучения: чем выше доза, тем быстрее он наступает. В этот период развивается костно-мозговой синдром, сопровождающийся различными нарушениями в органах кроветворения и в «картине крови». Ухудшаются функции органов пищеварения, дыхания и сердечно-сосудистой системы. Отмечается повышение температуры, угнетение общего состояния, снижение аппетита, сухость кожи, появление кровоизлияний на слизистых оболочках, отек носоглотки, гортани, воспалительные процессы в легочной ткани, затруднение дыхания и одышка, воспаление желудка и кишечника, дистрофия желудочно-кишечного тракта. Одним из важных симптомов является снижение лейкоцитов, тромбоцитов и эритроцитов и появление в крови эритробластов и мегалоцитов. Снижаются фагоцитарная активность лейкоцитов и бактериальные свойства крови, поэтому болезнь часто сопровождается инфекционными заболеваниями за счет микрофлоры, содержащейся на коже, слизистых оболочках и в желудочно-кишечном тракте. При облучении полулетальными дозами у выживших животных болезнь через 1–1,5 месяца переходит в четвертый период.
Четвертый период – период восстановления при легкой степени лучевой болезни проходит довольно быстро и достаточно полно. При средней тяжести болезни восстановление происходит постепенно в течение 3–6 месяцев, при этом иногда болезнь приобретает хроническое течение. При тяжело протекающей болезни восстановительный период длится 8–9 месяцев, однако полного выздоровления обычно не наступает. У организма сохраняется пониженная устойчивость к различным болезням, нарушается воспроизводительная способность, сокращается продолжительность жизни.
Острое течение лучевой болезни при крайне тяжелой степени (более 10 Гр) у крупных животных длится 10–20 суток и обычно заканчивается гибелью животных. Смерть наступает главным образом в первом и третьем периодах.
Ранний смертельный исход (на 2–3-й день после облучения) наблюдается при облучении организма большими дозами. При ранней гибели животных обнаруживаются изменения в центральной нервной системе, костном мозге, селезенке, лимфоузлах, в стенках капилляров и в соединительной ткани, в легких, а также нарушения ферментативной активности.
При тяжелой и средней степени острого течения лучевой болезни гибель наступает в основном в третий период, что по времени соответствует двум – четырем дням. У животных развивается геморрагический диатез – кровоизлияния в коже, подкожной клетчатке, на слизистых оболочках, паренхиме легких, почек, печени, селезенке, лимфоузлах, мозговых оболочках, иногда в веществе головного мозга. Для этого периода характерны также морфологические изменения – некробиотические деструктивные процессы, которые первоначально возникают в очагах кровоизлияний, особенно в желудке и кишечнике, а также в красном костном мозге (анемия), в лимфоузлах (распад лимфоцитов), в селезенке (резкое уменьшение размера), в печени (жировая дистрофия и очаговые некрозы), в почках (некрозы, дистрофия), в легких (отек легких и пневмония), в сердце (жировая и белковая дистрофия миокарда), в семенниках (нарушение сперматогенеза и гибель спермиев), в яичниках (атрофия и гибель созревающих фолликулов), в железах внутренней секреции (сосудистые расстройства и дистрофические изменения), в нервных клетках (вакуолизация, набухание и распад самих клеток и их отростков). Костная и хрящевая ткани у взрослого организма при остром течении лучевой болезни не изменяются.
Хроническая лучевая болезнь возникает в результате многократно повторяющегося в течение длительного времени внешнего облучения малыми дозами (1,5–2,5 Гр), а также при попадании внутрь организма радиоактивных изотопов, которые надолго фиксируются в тканях организма и формируют дозы 0,7–1,0 Гр. Хроническая лучевая болезнь может быть также и следствием острой лучевой болезни. Хроническая лучевая болезнь характеризуется:
во-первых, длительностью и фазностью течения, которая носит волнообразный характер. Это отражает, с одной стороны, проявление повреждений, а с другой – восстановительные и приспособительные реакции в организме;
во-вторых, особенностями проявления;
в-третьих, имеет отдаленные последствия.
В диапазоне доз от 0,7 до 2,5 Гр различают три степени тяжести хронической лучевой болезни:
– хроническая лучевая болезнь первой степени (легкая) – доза до 1,5 Гр;
– хроническая лучевая болезнь второй степени (средняя) – доза 1,5–2,0 Гр;
– хроническая лучевая болезнь третьей степени (тяжелая) – доза 2,0–2,5 Гр.
Хроническая лучевая болезнь первой степени характеризуется слабо выраженными сдвигами в морфологическом составе крови, обратимыми функциональными нарушениями сердечно-сосудистой системы и желудочно-кишечного тракта. Количество клеток в крови остается на нижней границе нормы, за исключением эритроцитов и тромбоцитов, количество которых незначительно снижается, при этом встречаются клетки с пикнозом ядер и фрагментацией хромосом. Первая степень хронической лучевой болезни сопровождается ранним старением организма.
Хроническая лучевая болезнь средней степени проявляется более выраженным угнетением функций органов кроветворения, чем при легкой степени. В этот период снижается количество лимфоцитов и нейтрофилов, лейкоцитов, тромбоцитов и эритроцитов. Артериальное давление стойко понижается, выявляются признаки дистрофических изменений миокарда, развивается диарея, снижается масса животного, нарушаются обмен веществ и функции желез внутренней секреции (развивается гипопротеинемия, гипогликемия). Лучевая болезнь может сопровождаться различными инфекционными болезнями, в результате чего возможен смертельный исход.
Хроническая лучевая болезнь тяжелой степени характеризуется возникновением необратимых изменений в организме, прогрессирующим ухудшением общего состояния. Проявляются все признаки, характерные для острой лучевой болезни. В результате снижения активности иммунной системы развиваются осложнения инфекционной природы, обусловливающие гибель организма.

4.8. Ранние и отдаленные последствия облучения.
Детерминированные и стохастические эффекты

Радиационные последствия облучения организма различаются по времени появления и характеру проявления. По времени появления они разделяются:
- на ближайшие или ранние, которые проявляются через часы, дни или недели после облучения;
- отдаленные или поздние, которые проявляются через годы и десятки лет.
По характеру проявления эффекты делятся на детерминированные, стохастические и генетические.
Детерминированные эффекты возникают в ранние сроки после облучения организма. Причины возникновения детерминированных эффектов следующие:
1) превышение количества погибших клеток над вновь образовавшимися;
2) появление фиброзных тканей (опухолей);
3) вторичное повреждение тканей при нарушении их кровоснабжения.
В зависимости от дозы облучения выделяют квазидетерминированные и детерминированные эффекты.
Квазидетерминированные эффекты формируются при дозе до 0,2 Гр, при этом развивается кратковременная лимфо- и лейкопения.
Детерминированные эффекты разделяются на ранние и поздние.
Ранние детерминированные эффекты формируются при дозе от 0,2–5,0 Гр и проявляются в ранние сроки, при этом наблюдаются поражения кожи, дерматиты, эритема, ожоги и язвы, седина, выпадение волос, нарушение функций потовых и сальных желез, нефросклероз и кардиосклероз.
Поздние детерминированные эффекты формируются при дозе, равной десятки грей, и проявляются через годы. При этом наблюдаются нарушения в костном мозге, нарушение репродуктивной функции, фиброзы, лучевая катаракта, поражение костей, нарушение деятельности эндокринной системы и сокращение продолжительности жизни. Поздние детерминированные эффекты могут развиваться при хроническом облучении малыми дозами (0,1–1,0 Гр), что сопровождается нарушением функций сердечно-сосудистой, нервной и других систем.
В настоящее время спектры детерминированных эффектов человека в зависимости от дозы облучения достаточно изучены. Однако нет окончательных выводов относительно количественных различий в пороговых дозах облучения различных органов. Диапазон пороговых доз различных радиочувствительных органов и тканей неодинаков. В то же время следует отметить, что пороги доз облучения для острого кратковременного облучения и для длительного облучения существенно различаются (табл. 11).

Т а б л и ц а 11. Пороговые дозы детерминированных эффектов
радиочувствительных органов человека

Орган и эффект
Порог дозы


Одно кратковременное облучение, Зв
Хроническое облучение в течение ряда лет, Зв
·год -1

Семенники:
временная стерильность
0,15
0,4

постоянная стерильность
3,5–6,0
2,0

Яичники:
стерильность
2,5–6,0
0,2

Хрусталик:
помутнения
0,5–2,0
0,1

катаракта
5,0
0,15

Красный костный мозг:
угнетение кроветворения
0,5
0,4


Стохастические эффекты – это эффекты, которые развиваются при любой дозе в отдаленные сроки после облучения (годы, десятки лет). Носят вероятностный характер и выявляются при длительном наблюдении за большими группами людей. Причина возникновения стохастических эффектов – появление в органах измененных соматических клеток у лиц, подвергшихся облучению. В соматических клетках чаще встречаются следующие хромосомные аберрации: фрагментация хромосом, кольцевые хромосомы, транслокации и инверсии хромосом.
К стохастическим эффектам относят злокачественные новообразования и лейкозы. Злокачественные новообразования возникают во всех органах. По частоте возникновения рака органы образуют убывающий ряд: молочная железа > щитовидная железа > легкие > желудок > яичники > кожа > кость. Рак других органов наблюдается реже. Типичными злокачественными новообразованиями являются опухоли.
Опухоль – это типичный патологический процесс, представляющий собой нерегулируемое беспредельное разрастание ткани, не связанное с общей структурой и функциями пораженного органа. В организме опухоль образуется при превращении нормальных клеток в опухолевые клетки, в которых нарушается деление. В таких клетках, в отличие от нормальных клеток, отсутствует или недостаточно эффективно подавляется клеточное деление, что обусловливает неудержимое размножение опухолевых клеток, поэтому опухолевая ткань отличается беспредельным ростом, который заканчивается только со смертью организма. Опухолевая ткань отличается от нормальной ткани по структуре, биохимическим, физико-химическим и другим признакам.
Рост опухоли может быть экспансивным (когда окружающая здоровая ткань по мере роста опухоли раздвигается) и инфильтративным (когда опухолевые клетки прорастают между нормальными клетками в сосудистые стенки). Попадая в лимфу или кровь, опухолевые клетки переносятся в другие органы и образуют новые очаги опухолевого роста, или метастазы. Экспансивный рост характерен для доброкачественных опухолей, а инфильтративный с образованием метастазов – для злокачественных опухолей. В процессе канцерогенеза клетки утрачивают свою дифференцировку, т. е. возвращаются к эмбриональному состоянию. Это явление называется анаплазия. При канцерогенезе происходит также метаплазия – превращение клеток в новые клеточные формы. Опухолевые клетки синтезируют новые разнообразные факторы роста, которые действуют непосредственно на клетки тканей, где формируется опухоль, и на другие клетки. В опухолевых клетках усиливается синтез рецепторов и ферментов, ускоряющих деление клеток и рост опухоли, а также синтез ферментов, способных разрушать соединительные ткани и сосуды, поэтому обусловливается миграция опухолевых клеток в другие ткани, в результате которой в этих тканях также развиваются опухоли.
Важнейшей биохимической особенностью опухолевой клетки является активация синтеза нуклеиновых кислот. В опухолевых клетках меняется набор ферментов ДНК-полимераз. Среди трех видов ДНК-полимераз в опухолях уменьшается количество ДНК-полимеразы 3, которая использует в качестве матрицы нативную ДНК, и увеличивается количество ДНК-полимеразы 2, способной «строить» молекулу ДНК не только по нативной, но и по денатурированной матрице. В опухолевых клетках качественно и количественно меняется синтез аминокислот и белков. В норме содержание белков в ядрах нормальных клеток составляет до 11 % их количества в клетке, а в опухолевых клетках их количество повышается до 30 %. В опухолевой клетке нарушается энергетический баланс и углеводный обмен. По своему антигенному составу опухолевая ткань отличается от нормальной ткани, из которой она произошла, потому что в ней имеются антигены, свойственные эмбриональным тканям. Для злокачественной опухоли характерной особенностью является способность вызывать общее глубокое истощение организма – кахексию.
Лейкозы – это первые раковые заболевания крови после облучения (лейкемия). Происходит разрастание кровяных клеток, задержка их созревания в костном мозге и выход в кровь из костного мозга, изменение строения и свойств клеток, увеличение количества лейкоцитов, снижение количества эритроцитов, тромбоцитов и гемоглобина.
Стохастические эффекты имеют латентный (скрытый) период, т. е. проявляются не сразу после облучения. Например, этот период для лейкозов составляет 5–7 лет; для рака легких и груди – 10–20 лет; для рака щитовидной железы – 15–20 лет; для рака кости – 15 лет и более; для рака молочной железы – 10 лет; для рака прямой кишки – 30 лет.
Количественные изменения лейкоцитов в крови проявляются в виде увеличения (лейкоцитоз, лейкоз) или уменьшения (лейкопения) количества лейкоцитов в крови по сравнению с нормой. Качественные изменения лейкоцитов заключаются в повышении содержания в крови незрелых форм лейкоцитов и дегенеративных изменениях лейкоцитов. Лейкоз – заболевание опухолевой природы, возникающее из кроветворных клеток с первичным поражением костного мозга. Лейкоз подразделяется на острый и хронический. При остром лейкозе основным субстратом опухоли являются бластные клетки 2, 3, 4-го классов гемопоэза, утратившие способность к созреванию, при хроническом – созревающие и зрелые клетки.
Детерминированные и стохастические эффекты имеют следующие различия:
1) наличие порога доз для детерминированных эффектов и отсутствие порога доз для стохастических эффектов;
2) риск возникновения детерминированных эффектов можно свести к нулю путем снижения дозы ниже пороговых величин, а риск возникновения стохастических эффектов нельзя свести к нулю, но можно уменьшить снижением дозы;
3) проявление детерминированных эффектов зависит от индивидуальной дозы облученного человека, а стохастических – от коллективной дозы, которая влияет на увеличение частоты заболеваний;
4) дозовая зависимость для стохастических эффектов проявляется не в изменении тяжести заболевания, а в увеличении частоты возникновения той или иной патологии. При этом имеет значение не индивидуальная, а коллективная доза.

4.9. Генетические эффекты и отдаленные последствия облучения человека

Генетические эффекты – это последствия облучения половых клеток, которые проявляются у потомков облученных родителей, т. е. в первом и в последующих поколениях.
В геноме человека содержится до 100000 генов. При облучении формируются генные мутации, аналогичные многим искусственным и естественным мутациям, которые появляются при действии различных факторов, но с большей вероятностью и частотой проявления. Наследственные или генетические радиационные эффекты разделяются на три категории:
Первая категория – генные нарушения, причиной которых являются мутации в единичных генах одной или двух половых хромосом (или аутосом). Среди генных мутаций выделяют, во-первых, доминантные генные мутации – полидактилия, хорея Гентигтона (нарушение строения черепа и лицевых костей), которые проявляются в первом поколении; во-вторых, рецессивные мутации – серповидная анемия, ретинобластома, которые проявляются в последующих поколениях. Установлено, что чем больше лиц получило облучение, тем выше вероятность появления рецессивных мутаций; в-третьих, мутации, сцепленные с полом, – гемофилия, цветовая слепота, которые проявляются в последующих поколениях.
Вторая категория – хромосомные нарушения, причиной которых являются различные количественные и качественные хромосомные нарушения. Изменение количества хромосом у эмбриона приводит к развитию различных синдромов. Например, синдром Дауна (трисомия по 21-й хромосоме), синдром Патау (трисомия по 13-й хромосоме), синдром Эдварда (трисомия по 18-й хромосоме), сидром Клейнфельтера (отсутствие Х-хромосомы у эмбриона). Хромосомные мутации разделяются на стабильные и нестабильные аберрации хромосом. Стабильные аберрации проявляются в виде перемещения отдельных участков хромосом (инсерции, внутрихромосомные транслокации). К нестабильным аберрациям относят фрагментацию хромосом с образованием кольцевых хромосом и ацентрических фрагментов хромосом. Хромосомные аберрации часто вызывают умственную отсталость, физические дефекты у потомков и гибель плода.
Третья категория – мультифакториальные расстройства, проявляются в виде разнообразных врожденных пороков развития. Известно более 6000 генетически обусловленных пороков развития, однако учитывают только 30 крупных пороков. Многие генетически обусловленные мутации удаляются на ранних стадиях развития, т. е. на стадии гамет, оплодотворения яйцеклетки и эмбрионального развития. Среди пороков развития выделяют генетически обусловленные и тератогенные. К генетически обусловленным относят врожденные уродства, которые проявляются в виде различных неврологических дефектов, расщепления губы и мягкого неба, а также в виде хронических болезней (диабет, коронарная болезнь сердца, гипертония и др.) и физиологической неполноценности потомства (снижение иммунитета, функциональные нарушения систем и органов, генетические нарушения в половых клетках, наследственная предрасположенность к раку). Тератогенные эффекты – это различные пороки развития и уродства, которые развиваются при облучении эмбриона на стадиях закладки органов дозой меньше 0,1 Гр. Тератогенные эффекты проявляются в виде анэнцефалии, спинномозговой и черепно-мозговой грыж, полидактилии, редукции конечностей, артезии пищевода и ануса, множественных пороков развития.
После Чернобыльской катастрофы частота генетических эффектов возросла на всей территории Республики Беларусь, особенно в зонах радиоактивного загрязнения. Частота врожденных пороков развития по республике к 2004 г. возросла в 1,5–2 раза. Общая частота врожденных пороков развития (процентное содержание на 1000 детей) по городу Минску с 1986 по 1996 гг. составляла 4,9 %, а в зонах радиоактивного загрязнения – 7,2 %. В Гомельской области в 1994 г. частота врожденных пороков развития была в 6 раз выше, чем в 1986 г.
При анализе генетических эффектов у детей и взрослых, проживающих в зонах радиоактивного загрязнения, установлена взаимосвязь между частотой хромосомных аберраций в соматических клетках периферической крови с частотой генетических мутаций в половых клетках и с частотой пороков развития. В клетках крови частота хромосомных мутаций (фрагментация хромосом и кольцевые хромосомы) у детей возросла в 1,5–2 раза, а у взрослых – в 6 раз. Чем выше уровень хромосомных мутаций в клетках крови, тем выше частота психических расстройств, врожденных пороков развития, рака щитовидной железы, нарушения иммунной, воспроизводительной, сердечно-сосудистой и желудочно-кишечной систем. Для генетических эффектов нет пороговой дозы, однако их возникновение можно уменьшить снижением дозы.
Отдаленные последствия – это проявление радиобиологических эффектов в отдаленные сроки после облучения. К настоящему времени установлено, что, во-первых, отдаленные последствия возникают после локального и общего острого и хронического облучения спустя длительное время, во-вторых, имеют латентный период, который зависит от характера лучевого воздействия, радиочувствительности организма, состояния систем репараций и продолжительности жизни, в-третьих, проявляются через неопухолевые и опухолевые формы патологий. Выделяют два типа отдаленных последствий: первый тип – соматические последствия, которые проявляются в соматических клетках у облученных лиц; второй тип – генетические последствия, которые проявляются в виде наследственных заболеваний у потомков, облученных лиц.
К отдаленным последствиям облучения относят следующие: злокачественные новообразования; лейкозы, катаракту; морфофункциональные нарушения кожи, соединительной ткани, кровеносных сосудов, почек и легких; фиброз и склероз органов; нарушение эндокринного равновесия; нарушение эмбрионального развития; стерильность; ускорение процесса старения и сокращение продолжительности жизни; генетические нарушения. Причинами отдаленных последствий на клеточном уровне являются: 1) гибель клеток; 2) «консервация» наследственных нарушений в клетках; 3) нелетальные наследственные изменения.
Неопухолевые формы отдаленных последствий включают три основных вида патологий:
1) гипопластические состояния – анемия, лейкопения, атрофия слизистой оболочки желудочно-кишечного тракта и половых желез, гастрит и бесплодие. Эти патологии трудно излечиваются и плохо восстанавливаются;
2) склеротические процессы – цирроз печени, нефросклероз, хронические лучевые дерматиты, атеросклероз, катаракта, некроз кости, поражение нервной системы;
3) дисгормональные состояния – ожирение или истощение, нарушение секреторной и гормональной функций, которые вызывают сдвиги в половых циклах и кистозные изменения в яичниках, матке и молочной железе, различные поражения щитовидной и поджелудочной желез.
Опухолевые формы возникают при внутреннем облучении инкорпорированными альфа- и бета-излучающими радионуклидами и развиваются в критических органах, т. е. в органах, в которых происходит максимальное накопление радионуклидов, а также в других органах.

4.10. Радиобиологические эффекты инкорпорированных
радионуклидов

Инкорпорированные радионуклиды – это радионуклиды, которые находятся в тканях и органах организма, куда они поступают при радиоактивном загрязнении территории в естественных условиях с кормом через желудочно-кишечный тракт и с воздухом через органы дыхания, а в экспериментальных условиях – с кормом и путем инъекций.
Действие ионизирующих излучений инкорпорированных радионуклидов в принципе не отличается от действия излучений внешних источников ионизирующего излучения. Ядра инкорпорированных радионуклидов в организме распадаются с выделением ионизирующих излучений (альфа-, бета- и гамма-излучения), которые взаимодействуют с атомами и молекулами клеток, что приводит к различным физическим и химическим реакциям, а в конечном итоге – к формированию очень широкого спектра радиобиологических эффектов. Длительное нахождение на загрязненной территории формирует хроническое внешнее и внутреннее облучение всего организма и органов, при этом хроническое внутреннее облучение в десятки и сотни раз опаснее, чем внешнее.
Биологическое действие инкорпорированных радионуклидов зависит, во-первых, от физических свойств радионуклидов (вид радионуклида, величина энергии излучения, тип излучения, период полураспада радионуклида), во-вторых, от дозы и мощности дозы, в-третьих, от особенностей поведения радионуклидов в организме (тип распределения в организме, путь и скорость выведения из организма), в-четвертых, от биологических особенностей организма (видовая, возрастная и индивидуальная радиочувствительность организма).
Специфическое действие инкорпорированных радионуклидов обусловлено следующими особенностями:
1) инкорпорированные радионуклиды – цезий и стронций, являясь химическими аналогами соответственно калия и кальция, распределяются в организме, подобно своим аналогам. Цезий распределяется в организме по калиевым каналам и накапливается в мышечной ткани и во внутренних органах. Стронций мигрирует в организме по кальциевым каналам и концентрируется преимущественно в костной ткани;
2) максимальное поражение инкорпорированными радионуклидами наблюдается от радионуклидов, относящихся к альфа- и бета-излучателям;
3) распределение радионуклидов в организме происходит неравномерно с концентрацией в отдельных органах и тканях, что приводит к неравномерному хроническому облучению самого органа и соседних органов невысокими дозами, которые принято называть малыми дозами радиации;
4) с возрастанием дозы во времени при длительном периоде облучения организма скорость формирования поглощенной дозы зависит от периода полураспада радионуклида и периода его полувыведения из организма;
5) радионуклиды переносятся с током крови, участвуют в процессах обмена веществ, накапливаются и выводятся из организма;
6) действие излучений при внутреннем облучении от инкорпорированных радионуклидов характеризуется более широким разнообразием радиобиологических эффектов, чем действие излучений при внешнем облучении организма;
7) инкорпорированные радионуклиды формируют специфические отдаленные последствия, которые проявляются в виде различных заболеваний органов и систем;
8) восстановительные процессы в организме начинаются сразу после поступления радионуклидов и происходят в условиях непрерывного облучения;
9) в организме со временем устанавливается равновесие между поступлением и выведением радионуклидов, а также между процессами поражения и восстановления.
В настоящее время выявлены следующие количественные закономерности формирования радиобиологических эффектов при действии инкорпорированных радионуклидов:
1) в проявлении ранних реакций организма на облучение радионуклиды с большим периодом полураспада оказывают меньшее поражение, чем короткоживущие радионуклиды в такой же дозе;
2) при хроническом поступлении радионуклидов восстановление поражений происходит в 2–3 раза дольше, чем при однократном поступлении;
3) при ежедневном хроническом поступлении радионуклидов восстановление «картины крови» составляет 4 % в сутки, что в 3–4 раза меньше, чем при однократном поступлении;
4) чем больше продолжительность хронического облучения, тем выше эффекты восстановления;
5) латентный период выхода опухолей и снижение их частоты при хроническом облучении выше, чем при однократном.
Хорошо изучено действие на организм таких инкорпорированных радионуклидов, как йод-131, цезий-137, стронций-90 и плутоний-239 при искусственном введении в организм.
Йод-131 относится к короткоживущим радионуклидам (период полураспада 8,06 суток, при радиоактивном распаде йода-131 выделяются бета-частицы, по радиотоксичности входит в группу Б – радионуклиды с высокой радиотоксичностью). При попадании в организм концентрация йода-131 в тканях по отношению к концентрации йода-131 в крови, принятой за 1, распределяется в следующем порядке: кровь, мышцы, селезенка, поджелудочная железа – 1; почки, печень, яичники – 2–3; слюнная железа, моча – 3–5; кал, молоко – 5–15; щитовидная железа – 10000.
Токсическое действие радиоактивного йода проявляется, прежде всего, в поражении щитовидной железы. В малых дозах изотопы йода не вызывают видимых нарушений в тиреоидной ткани. Большие дозы приводят к разрушению щитовидной железы и замещению ее паренхимы соединительной тканью. Нахождение йода-131 в тканях щитовидной железы вызывает значительное снижение РНК и ДНК в железе, снижение щелочной фосфотазы, нарушение активности некоторых ферментов, нарушение расположения и структуры комплекса Гольджи. Йод-131 вызывает существенные изменения в центральном и периферическом отделах нервной системы, в эндокринной системе и обусловливает возникновение бронхитов и пневмоний. Поражение щитовидной железы сопровождается повышением температуры тела, повышением нервной возбудимости, замедлением сердцебиения, увеличением проницаемости сосудов, жировым перерождением печени, функциональными и морфологическими изменениями в почках, органах размножения и эндокринных железах. Йод-131 вызывает существенные изменения гормональной регуляции различных физиологических процессов в организме, в частности, нарушение функций яичников и органов размножения. Радиоактивный йод способен вызывать изменения в кроветворных органах, что проявляется нарушением «картины крови», снижением количества нейтрофилов, лимфоцитов и развитием анемии. В тяжелых случаях поражения наблюдаются острые лейкемии, тромбоцитопения. Йод-131 индуцирует опухоли в щитовидной железе, гипофизе, половых железах и других органах, а также способствует сокращению продолжительности жизни. Таким образом, в поражающем действии радиоактивного йода можно выделить прямое действие на критические органы и опосредованное действие через нейро-эндокринную систему.
Стронций-90 – долгоживущий радионуклид (период полураспада составляет 28 лет, входит в группу В – радионуклиды со средней радиотоксичностью), при радиоактивном распаде испускаются бета-частицы. В организме стронций-90 распределяется неравномерно, накапливается преимущественно в костной ткани, а также в почках, печени и легких. До 40 % стронция-90 связывается с белками сыворотки крови. В костной ткани вследствие ее высокой плотности пробег бета-частиц значительно меньше, чем в мягких тканях, поэтому большая часть энергии бета-частиц поглощается костной тканью и костным мозгом, таким образом, в этих органах происходит больше нарушений, чем в других органах и тканях организма. Введение в организм высоких концентраций стронция-90 формирует высокие дозы внутреннего облучения, которые вызывают развитие острой лучевой болезни. Длительное поступление стронция-90 в организм в относительно малых концентрациях также способствует развитию лучевой болезни, характер течения которой отличается от острой лучевой болезни, развивающейся при остром облучении. В желудочно-кишечном тракте регистрируются значительные изменения функционального и морфологического характера: усиление слюновыделения, рвота, диарея, паралич кишечника, кровоизлияние в слизистую оболочку кишечника, уменьшение размеров лимфатических фолликулов, изменения в железистых клетках, повреждение эпителия и крипт тонкого кишечника, при этом воспалительные процессы носят нетипичный характер.
Инкорпорированный стронций-90 вызывает серьезные изменения в
кроветворных органах и «картине крови». Изменения в крови регистрируются с первых часов и выявляются спустя 3–5 лет после поступления стронция в организм. Максимальное снижение количества эритроцитов наблюдается к 4–7-му месяцу, затем постепенно увеличивается и через 2–3 года незначительно превышает норму. Количество лейкоцитов резко снижается через неделю и через 4–5 недель их количество составляет 40–70 % от нормы.
Действие стронция-90 на костную ткань также проявляется через различные патологические процессы, которые развиваются очень медленно. В начальное время они проявляются своеобразно угнетением процессов остеогенеза, разрушением костной ткани и сосудов, изменением сформированного костного вещества, нарушением процессов регенерации кости с появлением атипичных незрелых костных структур, что в более позднее время способствует развитию злокачественных костных опухолей или сарком.
Реакция сердечно-сосудистой системы на инкорпорированный стронций в первую очередь проявляется в поражении кровеносных сосудов, в которых в отдаленные сроки развиваются склеротические процессы – гиалиноз, утолщение стенок сосудов и сужение их просветов, поэтому регистрируется повышение артериального давления. В сердце происходит набухание мышечных волокон миокарда и их жировое перерождение.
Действие инкорпорированного стронция-90 снижает иммунобиологические и защитные функции организма, задерживает выработку антител, снижает иммунитет и угнетает фагоцитарную активность крови и тканевых элементов, снижает все виды обменных веществ, изменяет функции желез внутренней секреции – гипофиза, надпочечников, щитовидной, половых и других, а также поражает органы зрения и органы дыхания.
Цезий-137 относится к долгоживущим радионуклидам (период полураспада – 30 лет, распад ядер сопровождается бета- и гамма-излучением, по степени радиотоксичности входит в группу В – радионуклиды со средней радиотоксичностью). Установлено, что около 90 % цезия-137, поступившего в организм, находится в свободном состоянии, что обеспечивает высокую скорость обмена, равномерное распределение по организму и выведение его из организма. Клиническое проявление лучевого синдрома, развивающегося от инкорпорированного цезия-137, во многом сходно с признаками лучевой болезни, развивающейся при общем внешнем гамма-облучении, при котором поражаются основные системы: кроветворения, желудочно-кишечная, нервная, эндокринная, иммунная, воспроизводительная и другие, а также происходят морфологические, физиологические и функциональные изменения в тканях и органах.
Плутоний-239 также относится к долгоживущим радионуклидам (период полураспада – 24360 лет, распад ядер сопровождается альфа-излучением, по степени радиотоксичности входит в группу А – радионуклиды особо высокой радиотоксичности). При поступлении в организм плутоний-239 до 45 % оседает в печени, поэтому уже через 2– 3 месяца в печени возникает диффузный некроз, гематомы и аденомы желчных протоков и цирроз печени. Попавший в организм плутоний вызывает подавление процесса кроветворения, нарушение лимфоидных фолликул селезенки, атрофию лимфоузлов, сокращение продолжительности жизни эритроцитов, подавление образования антител в лимфоузлах и образование остеосарком. Формирование остеосарком зависит от возраста: у взрослых животных они образуются в основном в конечностях, а у молодых – в голове или в позвонках. Плутоний-239 накапливается в половых железах, вызывая в них морфологические нарушения и функциональные изменения.
Инкорпорированные радионуклиды вызывают облучение организма малыми дозами радиации, действие которых на организм человека находится в стадии глубокого и всестороннего изучения.

4.11. Медицинские последствия катастрофы на Чернобыльской АЭС для населения

Особенностью оценки медицинских последствий является трудность получения достоверных данных по объективным и субъективным причинам. Среди субъективных причин можно выделить следующие причины:
– секретность информации и фальсификация данных медицинской статистики заболеваемости населения в первые годы после аварии;
– отсутствие достоверной медицинской статистики и учета здоровья сотен тысяч людей, уехавших с загрязненных территорий.
К объективным причинам относят:
– трудность реконструкций доз облучения в первые дни, недели и месяцы, когда изотопы йода и теллура создавали дозы, в сотни и тысячи раз большие, чем изотопы цезия, которым уделялось основное внимание;
– трудность учета влияния горячих частиц, неравномерности выпадения радионуклидов и суммарного влияния всех радионуклидов;
– трудность учета доз облучения каждого человека (все дозы были расчетные);
– недостаточность современных знаний (специфики действия основных дозообразующих радионуклидов, их совместного действия и сочетания их действия с действием других факторов, индивидуальной радиочувствительности человека, влияния ультрамалых доз внутреннего облучения от инкорпорированных радионуклидов);
– трудность доказательства связи здоровья человека с последствиями Чернобыльской катастрофы обычными статистическими методами.
При оценке влияния Чернобыльской катастрофы на здоровье населения было установлено, что на более загрязненных радионуклидами территориях общая заболеваемость населения была выше, чем на менее загрязненных.
Медицинские последствия Чернобыльской катастрофы изучаются у жителей Беларуси, России и Украины. При этом медицинские последствия аварии исследуются у различных групп населения: ликвидаторов и их потомков, детей разного возраста и взрослого населения, эвакуированных из 30-километровой зоны на более чистые территории, а также у всех групп населения, проживающих в условиях радиоактивного загрязнения. У всех групп населения анализируется, во-первых, нераковая заболеваемость (заболевание кровеносной и лимфатической систем, органов эндокринной системы, органов дыхания, органов мочеполовой системы, костно-мышечной системы, органов нервной системы и органов чувств, пищеварительной системы и внутренних органов, кожной и подкожной клетчатки, нарушение иммунитета и лимфоидной системы, генетические изменения, врожденные пороки развития, инфекции и инвазии и другие заболевания), во-вторых, онкологические заболевания (общая онкологическая заболеваемость, рак щитовидной железы, рак крови – лейкемия и другие раки), в-третьих, смертность населения.
Заболеваемость участников ликвидации последствий аварии, как в целом, так и по основным классам болезней, в 1986–1993 гг. была выше среднереспубликанской и имела тенденцию к росту. При этом рост наблюдался по онкозаболеваемости, болезням эндокринной системы, системам кровообращения, органам пищеварения, выделительной системы. Органы по частоте проявления рака распределялись следующим образом: рак легких (первое место), рак желудка, щитовидной железы, прямой кишки, мочевого пузыря и почек. Относительный риск заболеваемости новообразованиями всех локализаций среди ликвидаторов начал неуклонно возрастать с 1997 г., при этом наиболее часто регистрировался рак желудка, ободочной кишки, легких, мочевого пузыря, щитовидной железы
Через 10 лет после катастрофы у ликвидаторов наблюдался рост общей заболеваемости. Например, заболеваемость сахарным диабетом увеличилась в 2–3 раза, слизистой оболочки желудка и двенадцатиперстной кишки и язвой желудка – в 3,5 раза, хроническим гепатитом и циррозом печени – в 1,6 раза, заболеваемость кожных покровов (псориаз и диатез) – в 16 раз, катарактой – в 4,5 раза, заболеваемость органов дыхания – в 2,5 раза, а также возросли случаи рождения детей с врожденными пороками развития.
В 2003 г. у ликвидаторов первые два места занимали рак почки и рак мочевого пузыря. Скорость роста заболеваемости злокачественными новообразованиями всех локализаций, в том числе легкого, желудка, почки и мочевого пузыря среди ликвидаторов была достоверно выше аналогичного показателя среди населения контрольной группы. При этом у ликвидаторов отмечался значительный рост заболеваемости, а у населения контрольной группы – снижение заболеваемости.
У населения, эвакуированного из 30-километровой зоны, также наблюдалась тенденция к увеличению заболеваемости как среди взрослых, так и среди детей. Первичная онкозаболеваемость в 1994 г. эвакуированных взрослых и подростков возросла в 3,5 раза, заболеваемость эндокринной системы – в 5,7 раза, системы кровообращения – в 5,3 раза, нервной системы – в 4,6 раза, зобом, катарактой, бронхитом – в 7,2 раза. Смертность эвакуированного населения превосходила смертность населения контрольных групп, при этом причинами смерти были болезни системы кровообращения и новообразования.
У группы населения, проживающего в условиях радиоактивного загрязнения цезием-137 более 555 кБк/м2 (15 Ки/км2), отмечался рост заболеваемости по всем основным классам болезней. Наиболее часто встречались болезни бронхолегочной системы, систем кровообращения, пищеварения, нервной и эндокринной и органов чувств. У этой группы населения в послеаварийный период возросла заболеваемость раком и другими болезнями щитовидной железы.
В Гомельской и Могилевской областях, в том числе и в наиболее загрязненных радионуклидами районах, отмечался рост заболеваемости всеми формами хронических лейкозов в 1993–2003 гг. по сравнению с доаварийным периодом (табл. 12).

Т а б л и ц а 12. Заболеваемость острыми и хроническими лейкозами взрослого населения Гомельской области (на 100 тыс. жителей)

Нозологии
Гомельская область в целом
Пострадавшие районы


до
аварии
после аварии
до
аварии
после аварии

Острый лимфобластный лейкоз
0,28
0,78
0,35
0,96

Острый нелимфобластный лейкоз
1,23
1,83
1,07
2,30

Другие острые лейкозы (неуточненного клеточного типа)
1,77
0,29
2,03
0,21

Острые лейкозы (суммарно)
3,28
2,91
3,45
3,46

Хронический лимфолейкоз
3,53
4,83
3,88
5,42

Хронический миелолейкоз
1,41
2,07
1,46
2,42

Эритремия
0,59
0,93
0,36
1,25

Другие хронические лейкозы
0,18
1,00
0,22
0,84

Хронические лейкозы (суммарно)
5,72
8,83
5,91
9,94

Лейкоз неуточненный
0,05
0,04
0,09
0,04

Все лейкозы
9,05
11,79
9,45
13,44


Аналогичная закономерность заболеваемости острыми и хроническими лейкозами выявлена у взрослого населения Могилевской области. Острые лейкозы до аварии по Могилевской области составляли 2,8 случая на 100 тысяч жителей, после аварии – 3,3 случая. В пострадавших районах частота проявления острых лейкозов до аварии и после аварии была одинакова – 3,7 случая. Хронические лейкозы до аварии по области составляли 6,9 случая, а после аварии – 8,7. При этом в пострадавших районах эти показатели были выше и составляли 7,3 и 9,1 случая соответственно. В пострадавших районах Гомельской области частота заболеваемости всеми формами лейкоза составляла 13,4 случая и была выше, чем в Могилевской области, где было зарегистрировано 12,7 случая.
В сравниваемых периодах не отмечалось роста заболеваемости острыми формами лейкоза. За период 1986–2004 гг. заболеваемость раком щитовидной железы взрослого населения увеличилась более чем в 6 раз.
У мужского населения республики скорость роста заболеваемости раком щитовидной железы за послеаварийный период по сравнению с доаварийным возросла в 1,5 раза, у женского – в 18 раз. По Гомельской области скорость роста заболеваемости у мужчин увеличилась в 6 раз, у женщин – в 73 раза. В Могилевской области эти показатели ниже и составляли у мужчин – 5,3 раза, а у женщин – 11,3 раза. В настоящее время (т. е. через 25 лет после аварии на ЧАЭС) у взрослого населения среди всех раков на первом месте стоит рак молочной железы. Средний уровень заболеваемости в доаварийные годы (1977–1985 гг.) составлял 20,5 случая, а в послеаварийные (1986–1994 гг.) – 28,7 случая на 100 000 человек. Частота рака молочной железы связана прямой зависимостью с плотностью загрязнения почвы радионуклидами и с дозой облучения.
Среди женщин контрольной группы и женщин, проживающих на территориях с плотностью загрязнения цезием-137 37–185 кБк/м2, заболеваемость ежегодно увеличивалась в среднем на 1,2 и 5,7 %, в то же время на территориях с плотностью загрязнения более 555 кБк/м2 среднегодовой прирост заболеваемости был значительно выше и составлял 32,7 %.
За прошедшие после аварии годы изменилась структура заболеваемости у населения, проживающего на загрязненных территориях. У взрослого населения значительно увеличилась заболеваемость органов пищеварения, системы кровообращения, нервной системы, органов дыхания и эндокринной системы.
У детей, подвергшихся радиационному воздействию за период с 1987 по 1994 г., отмечался рост первичной и общей заболеваемости по большинству классов болезней, а также постоянное увеличение числа детей с хронической патологией, наблюдался дальнейший рост заболеваемости новообразованиями, в том числе и злокачественными. Первое место среди раковых болезней занимает рак щитовидной железы. Следует отметить, что за период 1971–1985 гг. рак щитовидной железы был выявлен только у 14 детей, т. е. ежегодно заболевал 1 ребенок на 2 млн. детей. Рост заболеваемости раком щитовидной железы начался через 4 года после аварии, сначала в Гомельской области, затем в Брестской, и других областях и продолжается до сих пор. В 1994 г. частота заболеваемости раком щитовидной железы детского населения в Гомельской области составляла 11,7, в Брестской – 5,9 случая на 100 тыс. детского населения.
Среднегодовая заболеваемость раком щитовидной железы у детей возросла приблизительно в 50 раз. По Республике Беларусь этот показатель был значительно выше среди европейских стран, где рак щитовидной железы является большой редкостью – 0,1 случая на 100 тысяч детей. Пик заболеваемости раком щитовидной железы детей приходился на 1995–1996 гг., когда заболеваемость по сравнению с 1986 г. увеличилась в 39 раз.
На втором месте в структуре заболеваемости детей находятся болезни органов пищеварения, частота заболеваемости которыми почти в 3,7 раза выше в Могилевской и Гомельской областях, чем по республике. Среди болезней желудочно-кишечного тракта ведущее место занимают болезни желудка, 12-перстной кишки и желчевыводящих путей. Болезни органов уха, горла и носа, а также эндокринной системы и кроветворных органов превышали республиканский уровень в 1,9 и 6,3 раза. Сравнение показателей заболеваемости у эвакуированных детей и детей Минской области показало, что у последних заболеваемость болезнями крови и кроветворных органов, эндокринной системы и органов пищеварения значительно ниже, чем у детей, эвакуированных из зоны отчуждения.
За период с 1990 по 2004 г. в Республике Беларусь у детей не наблюдалось увеличения как общего количества лейкозов, так и острого лимфобластного лейкоза. В Беларуси заболеваемость лейкозами, в том числе острым лимфобластным и острым миелобластным не превышала таковую по странам Европы. Общее количество лейкозов в Беларуси в 1990–1999 гг. составляло 3,8 случая, а в 2000–2004 гг. – 4,0 случая при среднем показателе по всей Европе – 4,4.
Важнейшим показателем генетических нарушений является частота рождаемости детей с врожденными пороками развития (ВПР). Показатель частоты ВПР за 1986–1994 гг. на загрязненной территории составлял 4,62 и на контрольной территории – 2,55 случая на 1000 рожденных детей. Частота рождения детей с ВПР строгого учета (СУ) увеличилась по всей республике и зависела от плотности загрязнения цезием-137.
Анализ динамики частоты ВПР в 1981–2004 гг. показал, что в республике после катастрофы количество зарегистрированных ВПР строгого учета из года в год возрастало. Частота рождения детей с ВПР в доаварийном периоде составляла 5,58 %, а в послеаварийном периоде за 2001–2004 гг. – 9,38 %. Среди ВПР строгого учета в первые годы после аварии наблюдался наибольший рост доминантных de novo мутаций – полидактилия, редукционные пороки конечностей и множественные ВПР. При плотности загрязнения более 185 кБк/м2 частота регистрации этих пороков в 1981–1986 гг. составляла соответственно 0,22; 017 и 1,27 на 1000 детей, а в 1990–2004 гг. – 0,10; 0,49 и 2,31 соответственно. Среди врожденных пороков развития в 1990–2004 гг. преобладали множественные ВПР (2,31), спинномозговые грыжи (1,15), расщепление губы и неба (1,08), анэнцефалия (0,75) и редукция конечностей (0,49). Увеличение рождения детей с ВПР после катастрофы можно объяснить увеличением частоты мутаций, индуцированных ионизирующим излучением, в половых клетках, среди которых преобладают фрагментация хромосом и кольцевые хромосомы. Наряду с воздействием ионизирующей радиации не исключено влияние на эмбриогенез и частоту ВПР у детей также и других факторов, например, неполноценное питание с дефицитом витаминов и белков, высокий уровень нарушения у населения функций щитовидной железы и др.
Диспансеризация населения, а также высокоэффективные обследования, проводимые в республике в последние годы, позволяют выявить онкозаболеваемость на ранних стадиях, что способствует увеличению продолжительности жизни. В Беларуси по-прежнему наблюдается увеличение заболеваемости раком щитовидной железы, раком молочной железы, а также пищеварительной, сердечно-сосудистой, эндокринной, нервной и мочеполовой систем как среди взрослого, так и среди детского населения.

4.12. Защита организма от радиационного воздействия
при внешнем и внутреннем облучении

Для проведения эффективных мер защиты и снижения дозы облучения следует учитывать химическую форму соединения радионуклидов, содержание радионуклидов в источниках поступления в организм и в самом организме, длительность и пути поступления радионуклидов в организм и состояние пострадавшего.
Защита включает проведение всех мероприятий по предотвращению детерминированных эффектов и максимальному снижению стохастических эффектов. Эффективность защитных мероприятий в значительной мере зависит от своевременной оценки сложившейся радиационной обстановки. Необходимо комплексное проведение физико-дозиметрических, санитарно-гигиенических и лечебно-профилактических мероприятий, объем которых определяется масштабами аварий. К основным путям решения указанных задач относятся: физико-дозиметрическая оценка обстановки, нормирование облучения, снижение доз облучения, ограничение действия других негативных факторов нерадиационной природы, своевременное оказание всех видов медицинской помощи, обеспечение мониторинга здоровья лиц, подвергшихся облучению, и выявление лиц повышенного риска, их эффективное лечение и оздоровление, повышение радиоустойчивости организма, повышение уровня радиационно-гигиенических знаний, формирование здорового образа жизни, социальная, экономическая и правовая защита.
Нормирование облучения персонала, участников ликвидации последствий аварии и населения проводят согласно Нормам радиационной безопасности (НРБ–2000). При поступлении радиоактивного йода в организм необходимы срочное промывание верхних дыхательных путей, желудка, назначение рвотных, мочегонных средств и препаратов стабильного йода – йодидов калия или натрия, настойки йода, раствора Люголя. Дозы йодных препаратов, режим их применения устанавливаются врачом в зависимости от возраста и состояния пострадавшего, концентрации инкорпорированного радиоактивного йода в организме. Препараты йода применяют до исчезновения угрозы поступления в организм радиоактивного йода. Поступление и накопление радиоактивного йода в щитовидной железе контролируется радиометрическим и спектрометрическим измерением гамма-излучения, которое наряду с бета-излучением возникает при радиоактивном распаде атомов йода. Для этих целей используют специальные спектрометры излучения человека (СИЧ). Относительную концентрацию йода в организме можно также определить радиометрическими методами исследования биосубстратов – крови, мочи и кала – путем регистрации бета-излучения. Своевременное применение препаратов стабильного йода снижает накопление радиоактивного йода в щитовидной железе и уровни ее облучения.
В случае поступления значительных количеств радиоактивного цезия в организм человека диагностику проводят путем измерения гамма-излучения от тела и измерения бета-, гамма-излучения выделений (мочи и кала). Для этих целей используют спектрометры излучений человека (СИЧ), бета- и гамма-радиометры. Экстренная дезактивация при поверхностном загрязнении тела включает дезактивацию тела с водой и специальными пастами, промывание глаз, полости рта, носоглотки водой или изотоническим хлоридом натрия. При поступлении цезия в организм в первую очередь проводят обильное промывание желудка, назначаются рвотные средства, солевые слабительные препараты и сорбенты цезия.
Первая помощь при загрязнении кожных покровов радиоактивным стронцием включает дезактивацию тела с водными моющими средствами, растворами лимонной и соляной кислот и других средств. При поступлении радиостронция в ЖКТ проводится обильное промывание желудка, назначаются рвотные и мочегонные средства и клизмы, сульфат бария, альгинат натрия и альгинат кальция. При поступлении стронция в органы дыхания – обильное промывание носоглотки и полости рта, отхаркивающие препараты.
В промежуточной и поздней восстановительной фазах аварии снижение доз облучения достигается путем постоянной или временной эвакуации населения с загрязненной территории (при необходимости), ограничения функционирования населения на отдельной площади загрязненных территорий, снижения содержания радионуклидов в местных продуктах питания, проведения соответствующих мероприятий в животноводстве и растениеводстве и технологической переработки, радиационного контроля продуктов питания и содержания радионуклидов в организме человека.
В защите организма выделяют экстренную (неотложную) медицинскую помощь облученным лицам и массовую профилактику населения. Оценка тяжести поражения и оказание неотложной медицинской помощи в ближайшие сроки после аварии определяют последующее лечение пострадавших. В условиях крупной радиационной аварии с большим числом пострадавших первостепенное значение имеет их группировка с учетом сложившейся радиационной обстановки, условий облучения, данных дозиметрического контроля, выраженной первичной реакции организма на облучение, действия нерадиационных факторов (механические травмы, термические и химические ожоги и др.). Оценив тяжесть поражения, выделяют лиц, нуждающихся в неотложной медицинской помощи, и устанавливают очередность их транспортировки для госпитализации в специализированные клиники, где лечение пострадавших проводят по специальным инструкциям. Пострадавших с острой лучевой болезнью второй – четвертой степени тяжести направляют в специализированные стационары. Оказание экстренной помощи при поступлении радионуклидов в организм проводят с учетом пути поступления радионуклидов, данных дозиметрических измерений, физико-химических свойств радионуклидов, уровня загрязнения кожных покровов, применения средств защиты, включая радиопротекторы, и состояния пострадавших.
Экстренная помощь включает:
1) удаление радионуклидов из мест поступления в организм (органов дыхания, желудочно-кишечного тракта, кожных покровов, ран и ожоговых поверхностей);
2) снижение всасываемости поступивших в организм радионуклидов;
3) блокирование инкорпорации (накопления) всосавшихся в кровь радионуклидов в органах и тканях;
4) ускорение выведения радионуклидов из организма;
5) санитарную обработку и дезактивацию;
6) эвакуацию пострадавших в специализированные медицинские учреждения.
Защита организма от радиационного воздействия осуществляется путем следующих методов:
1) использование защитных сооружений для массовой защиты населения и средств индивидуальной защиты человека;
2) использование радиопротекторов различного происхождения, повышающих радиоустойчивость организма;
3) уменьшение поступления радионуклидов в организм;
4) ускорение выведения радионуклидов из организма.
Выделяют физическую и фармакохимическую противолучевую защиту.
При радиационных инцидентах физическая защита осуществляется тремя способами.
Первый способ – защита временем. Этот способ обеспечивает снижение дозовых нагрузок от ионизирующих излучений во времени путем сокращения времени нахождения в зоне действия излучений.
Второй способ – защита расстоянием. Этот способ обеспечивает снижение дозовых нагрузок путем удаления облучаемого объекта на большее расстояние от источника излучения.
Третий способ – защита организма с использованием средств массовой защиты и средств индивидуальной защиты, которые препятствуют прямому контакту ионизирующих излучений с организмом.
К средствам массовой защиты относят специальные сооружения (убежище), здания, а также защитные экраны из легких материалов (стекло, плексиглас) и воды. Средства индивидуальной защиты должны обеспечивать защиту органов дыхания (противогазы всех модификаций, респираторы, тканевые маски и ватно-марлевые повязки), защиту глаз (защитные и закрытые очки), защиту кожи (защитный костюм, закрытый комбинезон, комплект фильтрующей одежды).
Под фармакохимической лучевой защитой понимают ослабление лучевого поражения организма при использовании радиопротекторов, применяемых в разные сроки перед облучением, которые одновременно действуют на состояние организма и иммунную систему. Защита организма радиопротекторами происходит на следующих уровнях – молекулярном, субклеточном, клеточном и тканевом. В настоящее время известно более 1000 химических соединений, которые можно использовать в качестве радиопротекторов. Однако практическое применение на человеке имеют далеко не все протекторы, потому что мало изучены механизмы их действия как в конкретных, так и в разных условиях облучения. Среди радиопротекторов наиболее перспективными и высоко эффективными являются два класса соединений – индолилалкиламины и меркаптоалкиламины. К классу индолилалкиламинам относят производные триптамина – серотонин и мексамин. К классу меркаптоалкиламинам относят продукты декарбоксилирования цистеина – цистеинамины (цистеамин, 2-меркапто-этиламин – МЭА, бекаптан, меркамин).
Радиопротекторы иммунной терапии разделяются на пять групп.
Первая группа – препараты микробного происхождения, которые являются стимуляторами иммунитета. К этой группе относят препараты, состоящие из целых микробных клеток, бактериальных полисахаридов, экстрактов веществ, содержащих сульфгидрильную группу, препараты рибосом микробных клеток, препараты клеточной стенки микробов, а также грибковые гликаны. Среди этих препаратов широко используются рибомунил и ликопид. Введение в организм рибомунила обусловливает образование специфических антител, повышение функциональной активности фагоцитов и макрофагов, стимулирует деятельность всей иммунной системы, а также Т- и В-лимфоцитов. Ликопид стимулирует все формы противоинфекционной защиты организма (фагоцитоз и гуморальный иммунитет), а также обладает способностью разрушать различные токсины и ксенобиотики.
Вторая группа – препараты тимического происхождения. Это очищенные экстракты из тимуса телят, ягнят, тюленей, которые содержат биологически активные вещества. Из этой группы препаратов чаще используют Т-активин и тималин, которые усиливают функциональную активность Т-лимфоцитов, что приводит к повышению антиинфекционной и противоопухолевой устойчивости, замедлению старения иммунных клеток.
Третья группа – препараты костномозгового происхождения, которые выделяют из клеток костного мозга млекопитающих. Наиболее распространенным препаратом является миелопид, который способствует самовосстановлению или регенерации костного мозга.
Совместное применение препаратов тимуса и костного мозга способствует более быстрому восстановлению кроветворной и иммунной систем.
Четвертая группа – химически чистые препараты, представленные химически чистыми молекулами различных биологически активных веществ. Эти препараты включают индолилалкиламины, меркаптоалкиламины, 3 белковые молекулы (ИЛ-1, ИЛ-1а, ИЛ-1р), цитокины, производные пиримидинов, интерферон, иммуноглобулин, витамины (В1, В6, В12, Е, С), сульфгидрильные соединения (цистин, цистеамин, цистамин, цистеин, серотонин, гистамин, резерпин), комплексы поливитаминов и антиоксидантов. В настоящее время используются белковые молекулы (особенно ИЛ-1), интерферон, цитокины, которые стимулируют защитные реакции организма, направленные на ограничения распространения инфекций, и способствуют угнетению вторичных иммунодефицитов.
Пятая группа – биогенные стимуляторы и адаптогены. Это продукты растительного и животного происхождения, а также синтетические препараты, которые повышают общую сопротивляемость и адаптацию организма при действии на него различных факторов. В качестве биостимуляторов используют мед и другие продукты пчеловодства (маточное молочко, прополис), а также цветочную пыльцу и ее различные препараты. В качестве биогенных стимуляторов растительного происхождения используют такие лекарственные растения, как женьшень, элеутерококк, левзею, родиолу, аралию, лимонник, подорожник, шиповник, а также микроводоросль спирулину. Среди биогенных стимуляторов животного происхождения наибольшее распространение получил пантокрин, полученный из рогов оленя, изюбря, а также выделенный из млекопитающих морей и океанов, рыбы, моллюсков и ракообразных. К адаптогенам относят гормоны, поливитамины, витамины группы В, антиоксиданты и др.
При хроническом облучении организма малыми дозами радиации, которые население получает на радиационно загрязненных территориях, наиболее эффективны препараты, которые защищают иммунную систему и повышают радиоадаптацию организма.
После чернобыльской катастрофы возникла необходимость защиты организма человека, проживающего в условиях радиоактивного загрязнения и постоянно подвергающегося хроническому внутреннему и внешнему облучению. Для этой цели необходим поиск и применение специальных радиопротекторов, защитное действие которых направлено на нейтрализацию первичных свободных радикалов, возникающих в клетках при облучении молекул воды и других молекул.
Защите организма человека, проживающего в условиях радиоактивного загрязнения территории, способствуют:
во-первых, соблюдение Норм радиационной безопасности и Основных санитарных правил (НРБ–2000 и ОСП–2002) всеми юридическими лицами;
во-вторых, соблюдение радиационной гигиены при проведении работ в сфере агропромышленного производства;
в-третьих, радиационный мониторинг и радиационный контроль продуктов питания и содержания радионуклидов в организме человека;
в-четвертых, полноценный рацион питания человека;
в-пятых, проведение организационных, агротехнических, агрохимических, технологических, зооветеринарных и информационных мероприятий.


5. ПРИКЛАДНАЯ РАДИОБИОЛОГИЯ

5.1. Области применения радиационно-биологической технологии

Применение ионизирующих излучений в растениеводстве, животноводстве и ветеринарии, а также в других отраслях сельского хозяйства развивается в следующих направлениях:
во-первых, ионизирующее излучение используют как процесс радиационно-биологической технологии (РБТ), в том числе:
а) мутагенное действие ионизирующего излучения применяется в селекционно-генетических исследованиях в области растениеводства, животноводства, микробиологии и вирусологии;
б) стимулирующее действие радиации используют для радиационной стимуляции растений с целью ускорения их развития и повышения урожайности, повышения хозяйственно полезных качеств птицы, радиационной стимуляции животных, рыбы и других организмов с целью повышения их выживаемости, ускорения роста, увеличения массы тела и улучшения качества продукции;
в) ионизирующее излучение используют при производстве кормов и кормовых добавок для сельскохозяйственных животных;
г) бактерицидное или летальное действие ионизирующих излучений применяют для радиационной стерилизации ветеринарных принадлежностей, бактерийных препаратов, получения радиовакцин, радиационной стерилизации сельскохозяйственных животных и насекомых-вредителей, продления сроков хранения продукции животноводства и растениеводства, ускорения медленно идущих процессов в пищевой промышленности, радиационного обеззараживания навоза и навозных стоков животноводческих, птицеводческих и звероводческих комплексов, а также сырья животного происхождения при инфекционных заболеваниях;
во-вторых, ионизирующие излучения используют в медицинской промышленности, для диагностики и лечения болезней человека и животных;
в-третьих, радионуклиды применяют как индикаторы (меченые атомы) в исследовательских работах в области физиологии и биохимии животных и растений, а также в разработке методов диагностики и лечения болезней животных;
Радиационно-биологические технологии широко используются в растениеводстве. При этом применение ионизирующих излучений для облучения объектов растениеводства основано на эффектах радиостимуляции, которые проявляются при облучении в дозах 3-40 Гр. РБТ в растениеводстве наиболее часто применяют для предпосевного гамма-облучения семян с целью ускорения роста и развития, увеличения урожайности и улучшения его качества, а также для повышения всхожести некондиционных семян и семян, требующих стратификации (семена косточковых растений).
Для методов гамма-облучения характерно, во-первых, простота и постоянство действия облучения, во-вторых, точная доза облучения, в-третьих, равномерное облучение большой массы семян благодаря высокой проникающей способности, в-четвертых, совместимость облучения с обычными агроприемами при посеве, в-пятых, низкая энергоемкость процесса облучения.
В качестве источников излучения используют гамма-установки с радионуклидами кобальта-60 и цезия-137, ускорители электронов с энергией до 10 МэВ, источники излучения, связанные с ядерными реакторами (радиационные контуры, частично или полностью отработанные ТвЭЛЫ, которые являются радиоактивными отходами атомной энергетики. Наиболее широкое применение в РБТ получили гамма-установки радионуклидов кобальта-60 и цезия-137. Эти радионуклиды имеют длительный период полураспада, который у цезия-137 составляет 30 лет, у кобальта-60 5,27 года, а также сравнительно высокую проникающую способность гамма-излучения, которое не создает наведенной радиоактивности в облучаемых объектах. Физико-механические свойства гамма-установки с этими радионуклидов можно длительно эксплуатировать. Использование ускорителей дает возможность получения высокой мощности пучка, экономичность и безопасность, потому что излучения генерируются периодически, а не постоянно, как у гамма-нуклидных установок. Радиационные контуры и ТвЭЛЫ применяют в РБТ только для экспериментальных целей. Для нужд сельского хозяйства и научных исследований в области РБТ создан ряд передвижной и стационарной техники: передвижные гамма-установки типа «Колос», «Стебель», «Гамма-панорама», которые монтируются на автомобилях или автоприцепах. Источником излучения у них является цезий-137, запаянный в двойную ампулу из нержавеющей стали, и находящийся за защитным экраном в нерабочем положении установок. «Колос» и «Стебель» используется для предпосевного облучения семян зерновых, зернобобовых, технических и других культур в условиях хозяйств, а «Гамма-панорама» – для облучения сельскохозяйственных растений и животных с целью мутагенеза и стимуляции их роста и развития. Стационарные установки типа «Гамма-поле» и «Стерилизатор» с источником кобальта-60 предназначены соответственно для длительного и разового облучения растений в селекционной работе и для стерилизации в промышленных масштабах ветеринарных и медицинских материалов и инструментов. Стационарная установка типа «МХР» используется для микробиологических и радиационно-химических исследований, а «Генетик» – для стерилизации насекомых-вредителей.

5.2. Использование ионизирующих излучений при хранении продукции

При облучении продуктов питания с целью увеличения сроков хранения к их качеству предъявляются следующие требования:
1) обеспечение безопасности для здоровья человека;
2) отсутствие наведенной (индуцированной) радиоактивности в облученном продукте;
3) сохранение пищевой ценности облученного продукта;
4) отсутствие токсических, химических изменений в облученном продукте;
5) обеспечение безопасности облученных продуктов в отношении микробного заражения.
Ионизирующее излучение применяют в различных отраслях пищевой промышленности для следующих целей:
– продления сроков хранения пищевых продуктов и лучевого консервирования;
– изменения качества сырья для улучшения его технологической обработки;
– ускорения медленно идущих процессов в пищевой технологии.
Достижение поставленных целей базируется на различных процессах, вызываемых ионизирующем излучением.
Ионизирующее излучение для продления сроков хранения пищевых продуктов и лучевого консервирования используют, во-первых, для продления хранения пищевого картофеля, лука, чеснока и корнеплодов в весенне-летние месяцы.
Гамма-облучение клубней картофеля в малых дозах (1–3 Гр) ускоряет прорастание глазков и стимулирует рост ростков и корней, т. е. наблюдается эффект радиостимуляции. При увеличении дозы облучения возрастает концентрация продуктов окисления полифенолов и наблюдается ингибирующий эффект, что продлевает состояние покоя. Облучение в дозе 50 –150 Гр вызывает задержку прорастания клубней в весеннее время на 1–2 месяца. При облучении в дозе 80–100 Гр повреждается ДНК в клетках глазков, поэтому деление их клеток и прорастание клубней задерживается. Облученный картофель хранится при температуре 2 єС более года, при этом не теряются питательные вещества и товарный его вид. При облучении клубней ингибиторы роста образуются не только в клетках глазков, но и в окружающей их ткани, откуда они поступают также в глазки и усиливают ингибирующий эффект. Хиноидные токсины нарушают реакцию окислительного фосфорелирования, что приводит к дефициту макроэргов, необходимых для роста и развития.
Клубни картофеля обрабатывают через 2 месяца после уборки. За это время выявляются крупные механические повреждения и болезни, а мелкие повреждения, благодаря образованию раневой паренхимы, залечиваются. Для облучения пригодны только здоровые клубни. Проведенные исследования выявили мутагенные свойства радиотоксина регактенона, образующегося в облученных клубнях. Однако через 2– 3 месяца хранения мутагенные свойства исчезают полностью. При варке как необлученного, так и облученного картофеля все мутагены полностью разрушаются.
Прорастание лука задерживается при гамма-облучении в диапазоне доз 60–100 Гр на 9–12 месяцев, при этом в нем сохраняются летучие вещества и витамины. Гамма-облучение способствует задержке прорастания чеснока (100–120 Гр), сахарной свеклы (100 Гр), моркови (80–100 Гр), поэтому сроки их хранения продляются на 3–6 месяцев.
Радиационное облучение картофеля, луковичных культур и корнеплодов электронами с энергией 1 МэВ позволяет воздействовать только на поверхностные слои, поэтому в запасных тканях лучше сохраняются питательные вещества.
Во-вторых, ионизирующее излучение используют для продления хранения скоропортящихся ягод и фруктов на сроки их транспортировки от производителя к потребителю, а также для хранения фруктовых соков.
Гамма-облучение свежесобранных ягод и фруктов, снижая численность патогенных возбудителей, способно продлить сроки их хранения. Наиболее благоприятной для этих целей считается доза 200–300 Гр и последующее хранение облученных продуктов при пониженной температуре, что способствует продлению сроков хранения с 5–6 суток до 12–30 суток, а это особо важно при транспортировке ягод и фруктов. Рекомендуемые дозы гамма-облучения для увеличения сроков хранения земляники и малины составляют 200–300 Гр, черешни и вишни – 250 Гр, персиков и абрикосов – 200–300 Гр, мандаринов, апельсинов и авокадо – 100 – 150 Гр, винограда – 200 Гр, томата – 250 Гр. Упаковка сочных ягод и фруктов перед облучением в специальную тару и последующее хранение в холодильниках почти в 2 раза увеличивают сроки хранения, снижают потери с 15–25 % до 1 % и не ухудшают их пищевую ценность.
При облучении ионизирующим излучением южных фруктов одновременно уничтожаются плодовые мушки во всех стадиях развития, некоторые микроорганизмы и гнилостные грибы, а также продляются сроки хранения на 1–3 месяца.
Продлению времени хранения фруктовых соков с сохранением свежего вида и вкуса способствует радиационный метод пастеризации. Основная причина быстрой порчи фруктовых соков – это наличие в них различных рас дрожжей, которые интенсивно размножаются при хранении и вызывают брожение сахаров, всегда имеющихся в соках. Дозы, необходимые для радиационного подавления жизнедеятельности дрожжей, составляют 15–20 кГр. Однако при таких дозах значительно изменяются органолептические качества соков, количество органических кислот и аминокислот, появляются различные продукты окисления, что не позволяет использовать такие соки в рационе питания человека. Для снижения дозы облучения, устранения этих недостатков и продления сроков хранения используют температурный эффект, т. е. облучают соки, предварительно нагретые до 50 єС. В этом случае доза, в зависимости от вида сока и предполагаемого срока хранения, снижается до 300–500 Гр (хранение сока более года) и до 160 – 180 Гр (хранение сока до трех месяцев). Совместное действие облучения и температуры резко усиливает процессы, подавляющие деление дрожжевых клеток, и снижает процесс брожения соков. В облученных соках быстрее происходят процессы, связанные с их осветлением. Они менее вязкие и мутные, быстрее фильтруются и содержат меньше коллоидных веществ. Радиационная обработка сока приводит к значительному уменьшению дубильных веществ. При радиационной консервации соков и напитков их облучают в упакованном виде.
Кроме ягод, фруктов и соков ионизирующим излучением облучают также специи, приправы, сухие фрукты, бобы какао, орехи, муку, грибы, семена и другие сухие продукты питания дозой 10 кГр.
В-третьих, ионизирующие излучения используются для продления сроков хранения и обеззараживания мяса, птицы, рыбы и других продуктов моря, а также их полуфабрикатов и кулинарных изделий. Радиационная технология обработки и хранения мяса, птицы, рыбы основана на методах пастеризации и стерилизации.
Радиационные методы хранения этой продукции имеют ряд преимуществ: 1) увеличиваются сроки хранения продукции; 2) уменьшаются потери при хранении и транспортировке; 3) продукция не загрязняется химическими препаратами; 4) создается возможность обработки продукции в любой упаковке; 5) появляется возможность механизировать и автоматизировать весь технологический процесс.
Ионизирующее излучение успешно используют для продления сроков хранения сырого охлажденного и замороженного мяса говядины, свинины, кроликов, птицы. Мясо для продления сроков хранения предварительно охлаждают до температуры 2–4 єС, упаковывают в пластиковую упаковку и облучают гамма-излучением в дозе 5–6 кГр. При этом срок хранения свежего мяса составляет 6–8 недель с сохранением вкусовых и питательных качеств (за счет снижения обсемененности микрофлорой). Рекомендуемые дозы почти полностью убивают такие группы микроорганизмов, как Pseudomonas, Achromobacter, Lactobacillus Proteus, Coli, Staphilococcus. Однако незначительное количество гнилостных микроорганизмов не погибает, поэтому порча мяса продолжается, но идет менее интенсивно. Повышение дозы облучения до 10–20 кГр приводит к повышению содержания в мясе аммиака, карбонильных соединений, сульфидов, меркаптанов, которые изменяют запах и вкус продукта. Более серьезным препятствием для длительного хранения облученного мяса являются автолитические ферменты, сохраняющие свою активность даже при стерилизующих дозах. Поэтому при хранении в облученном мясе замедляются процессы автолиза и денатурации белков, изменяется большинство окислительно-восстановительных реакций, что в конечном итоге проявляется в виде изменения запаха и цвета мяса (говядины – до буро-коричневого, а свинины – до серо-коричневого).
Для мяса мелких животных (кролик) и птицы (куры, гуси, утки) используют метод предубойного гамма-облучения в сублетальных дозах. Например, кур облучают дозой 8,5 Гр за 24 часа до забоя, при этом содержание гликогена в мясе снижается с 750 до 50 мг, повышается рН, поэтому значительно падает активность автолитических ферментов, что способствует сохранению свойств мяса и увеличению времени хранения. Для длительного хранения упакованных мясных полуфабрикатов и инактивации протеолитических ферментов гамма-облучение проводят совместно с кратковременной тепловой обработкой. Для длительного лучевого консервирования облучают мясо, замороженное при температуре - 30 єС, высокими дозами 35–40 кГр. Снижение дозы облучения при консервировании мясных продуктов достигается одновременной обработкой продукта различными консервантами (смесью нитратов и нитритов с поваренной солью, хлористым кальцием) и пищевыми добавками, разрешенными для использования в продуктах питания.
В настоящее время РБТ, используемые для продления сроков хранения мяса, включает пять процессов:
первый процесс – консервирование мяса в растворе поваренной соли и фосфатов;
второй процесс – бланширование мяса при температуре 70–75 єС;
третий процесс – вакуумная расфасовка в банки или гибкую упаковку;
четвертый процесс – замораживание упакованного мяса при температуре – 40 єС;
пятый процесс – облучение упакованного замороженного мяса.
Облучение яиц птицы в дозе 5 кГр убивает сальмонеллу и увеличивает сроки хранения в 3–5 раз.
Рыба и морепродукты относятся к скоропортящимся продуктам, потому что микроорганизмы, содержащиеся в их составе, быстро размножаются при температурах, незначительно превышающих оптимальную среду их обитания. Для продления сроков хранения рыбы и морепродуктов используют сушку, вяление, соление, копчение, замораживание, консервирование в различном виде, изготовление различных полуфабрикатов. Общеизвестно, что сроки хранения свежей рыбы при нормальной температуре не превышают нескольких часов. Ежегодные потери морепродуктов из-за порчи в процессе хранения могут составлять миллионы долларов. Применение РБТ для сохранения рыбы и различных морепродуктов может значительно уменьшить их потери, удлинить сроки хранения и способствовать применению современных методов консервирования.
Наиболее значимым в рыбной промышленности при использовании РБТ является сохранение рыбы и различных видов морепродуктов в свежем и консервированном виде.
Гамма-облучение свежей рыбы, креветок, крабов и других продуктов моря в дозах от 1 до 6 кГр продлевает сроки хранения на холоде (0 єС – +5 єС) в 3–10 раз без потери товарной ценности, при этом срок хранения возрастает с увеличением дозы облучения. Например, треска при температуре 0 єС – +5 єС без облучения хранится 1 неделю, а при дозах облучения, равных 2, 4, 6 кГр, соответственно 4, 6 и 8 недель. При облучении рыбы в дозе 15 кГр значительно возрастают сроки хранения, однако до 22 % растворимых белков денатурируют, поэтому снижаются гидрофильные свойства мяса, увеличивается потеря влаги, возрастает содержание летучих азотистых веществ в 3–4 раза и изменяются органолептические свойства мяса.
При дозах, используемых для продления сроков хранения свежих продуктов моря, составляющих 1–6 кГр, практически полностью угнетается размножение вызывающих порчу грамм-отрицательных микроорганизмов видов Pseudomonas, Achromobacter, Proteus, Aeromonas, а также значительно снижается обсемененность вегетативными формами наиболее опасного для здоровья микроорганизма Clostridium botulinum.
Для продления сроков хранения свежей рыбы и морепродуктов используют радиационный метод консервирования в сочетании с тепловой и кулинарной обработкой.
Использование ионизирующего излучения не только удлиняет сроки хранения, но и позволяет производить обработку продукции в упакованном виде. Процесс заключается в следующем: свежую рыбу разделывают, упаковывают в герметичную упаковку, подвергают радиационной обработке и отправляют на хранение или реализацию.
Аналогично продлеваются сроки хранения копченой рыбы. При этом свежую рыбу сначала коптят, а затем проводят выше перечисленные процессы. Радиационная обработка свежей рыбы в дозе 2 кГр увеличивает срок хранения до 30 суток, а в дозе 4 кГр – до 60 суток при 2 єС. Радиационная обработка свежей рыбы увеличивает срок хранения в  2–5 раз, что позволяет снабжать свежей рыбой отдаленные районы.
В связи с увеличением производства зерна большое значение приобретает проблема сохранения собранного урожая без порчи и потерь. Важное место в деле сохранности зерна занимает борьба с насекомыми-вредителями хлебных запасов. Большое значение в этой борьбе приобретает радиационная дезинфекция зерна при хранении. Метод основан на разной радиочувствительности видов насекомых, а также на разной радиочувствительности насекомых в различных стадиях развития.
Устойчивость разных видов насекомых к летальному действию гамма-излучения не одинакова, при этом установлен убывающий ряд: зерновой точильщик, булавоусый малый хрущак, малый мучной хрущак, амбарный долгоносик, рисовый долгоносик, рыжий мукоед и короткоусый мукоед. Личинки амбарного долгоносика погибают при дозе 55 Гр, малого мучного хрущака – 58 Гр, а куколки и имаго соответственно при дозе 200 и 350 Гр. Для уничтожения всех видов на разных стадиях развития насекомых дезинсекционная доза гамма-излучения составляет 200 Гр, а энергия ускоренных электронов – до 10 мэВ. При дезинсекции зерна не изменяется его качество, не увеличивается содержание вредных веществ как при химической дезинсекции.
Облучение успешно используется для дезинсекции бобов, орехов, сухофруктов, специй, пряностей. При этом уничтожаются все вредители этих продуктов на разных стадиях развития.

5.3. Использование ионизирующих излучений при переработке продукции

При гамма-облучении растительного и животного сырья в относительно высоких дозах проявляются последствия радиолиза высокополимерных (сложных) веществ, составляющих структуру ткани сырья. В результате изменяется ряд ее свойств: проницаемость, сорбируемость, жесткость, экстрагируемость, набухаемость, которые представляют интерес при технологической обработке сырья.
Основной процесс для растительного сырья – радиолиз полимерных углеводов, таких, как целлюлоза, гемицеллюлоза, пектины, галактаны, крахмал, пентозаны, полифруктозы, липиды, а для животного сырья – радиолиз мукосахаридов, белков, липидов, таких, как коллаген и проколлаген, кератин, эластин, которые являются основными компонентами соединительной и основной ткани и биомембран.
При облучении полисахаридов (клетчатки, крахмала, инулина, пектина) в дозах сотни кГр как в растворах, так и в составе сырья происходит реакция деполимеризации, т. е. образование более простых соединений, приводящих к изменению вязкости, растворимости, механической прочности и других их физических свойств. При облучении клетчатки, наряду с деполимеризацией, наблюдается образование органических кислот, радиационный выход которых снижается с увеличением дозы облучения. Деполимеризация молекул крахмала сопровождается снижением температуры набухания крахмальных зерен, появлением олигосахаридов и редуцирующих сахаров, повышением их растворимости в воде. При этом одновременно образуется небольшое количество различных нерастворимых веществ, возникающих в результате реакции полимеризации. Облучение инулина в чистом виде не вызывает значительного разрушения молекул. Однако, при облучении водного раствора инулина в присутствии кислорода, радикалы инулина реагируют с кислородом и продуктами радиолиза молекулы воды (ОНє, Нє и е-aq), что приводит к быстрой и значительной деградации его молекул.
Деполимеризация инулина сопровождается выходом сахарозы, фруктозы, глюкозы, дезоксисахаров, формальдегида, щавелевой кислоты. Пектин очень чувствителен к гамма-облучению, при этом уже при дозе 10 кГр происходит деградация молекул с образованием низкомолекулярных фрагментов и изменением вязкости. Он наряду с липидами входит в состав оболочек растительных клеток. Поэтому предварительное облучение растительного сырья значительно повышает проницаемость клеточных оболочек и увеличивает выход ягодного и плодового соков, алколлоидов, эфирных масел, лекарственных веществ.
В технологической обработке сырья животного происхождения важная роль отводится разрушению соединительной ткани, одним из компонентов которой является талуроновая кислота, относящаяся к высоковязким полимерам. Облучение сырья в кислых растворах дозой 5 кГр сопровождается полной потерей вязкости этой кислоты, потому что происходит быстрый радиолиз молекулы до свободных радикалов и их взаимодействие с радикалом ОНє и е-aq.
Существенную роль в улучшении обрабатываемого сырья играет радиолиз белков (коллагена, желатина). Облучение коллагена в сухом виде приводит к распаду молекул, нарушению структурного состояния и повышению растворимости, а в присутствии воды – к образованию межмолекулярных сшивок с участием ее радикалов. Радиолиз коллагена имеет большое значение при радиационной обработке кожи, сухожилий, костно-хрящевой ткани. Технологически используемый желатин – это смесь продуктов деградации коллагена. Растворы желатина имеют устойчивую желеобразную структуру, что широко используется в пищевой промышленности. Для продления сроков хранения, сохранения вязкости и желеобразования сухой желатин облучают дозой 15–20 кГр.
В разных областях пищевой технологии для получения продуктов с высокими показателями качества требуется значительное время. Длительность процесса обусловлена:
- слабой проницаемостью и медленной экстракцией нужных веществ;
- медленным процессом взаимодействия кислорода воздуха с нужными веществами;
- низкой активностью ферментов, участвующих в ферментативных процессах.
В то же время установлено, что под влиянием облучения длительность этого процесса сокращается по следующим причинам:
- увеличивается проницаемость мембран тканевых клеток;
- происходит деполимеризация высокомолекулярных веществ, что облегчает экстракцию многих компонентов природного сырья;
- благодаря образованию свободных радикалов молекул облучаемого вещества ускоряется реакция окисления с участием кислорода воздуха;
- в облученной ткани происходит активация определенных ферментов, что приводит к ускорению ряда ферментативных процессов.
Типичным примером ускорения медленно идущих процессов является ускорение созревания коньячных спиртов. Для этого коньячный спирт настаивают на дубовых стружках, облученных в дозе 200 кГр, что позволяет через 20 суток получить коньяк, который по ряду показателей занимает место между коньяком 3- и 5-летней выдержки. Радиационное ускорение созревания коньяка обусловлено следующими основными причинами:
1) частичным радиолизом высокополимерных веществ древесины (клетчатки, гемицеллюлозы, лигнина и др.), что приводит к усилению экстракции ряда веществ из дубовых стружек, в том числе и дубильных веществ;
2) образованием свободных радикалов веществ дубовой древесины, которые при доступе воздуха образуют активные перекиси, гидроперекиси и семихионы, ускоряющие процессы окисления;
3) радиолизом лигнина с образованием свободных радикалов лигнина, которые при настаивании спирта взаимодействуют с кислородом, образуя ряд ароматических альдегидов – ванилина, сиреневого альдегида и др.;
4) радиолизом белков древесины и повышенной экстракцией аминокислот;
5) радиолизом простых сахаров и радиационным окислением продуктов гидролиза глюкозидов.
Ионизирующие излучения используют для ускорения ферментативных процессов. При облучении растительного сырья чая и табака гамма-излучением ускоряется процесс ферментации листьев за счет усиления активности ферментов пероксидаз и полифенолоксидаз, поэтому ускоряется послеуборочное созревание и улучшается качество.
В хлебопекарной промышленности для ускорения размножения стимулирующими дозами облучают дрожжи, при этом ускоряется подъем теста, увеличивается высота выпечки и улучшаются вкусовые качества. Облучение дрожжей, плесеней, грибов, бактерий в относительно малых дозах может стимулировать ряд метаболических процессов и, в частности, синтез ценных веществ – аминокислот, ферментов, антибиотиков, которые с успехом используются в пищевой промышленности для разных целей.

5.4. Использование ионизирующих излучений для предпосевного облучения семян и посадочного материала

В растениеводстве среди РБТ, основанных на стимулирующем действии ионизирующего излучения, выделяют шесть следующих процессов.
1. Предпосевное облучение семян зерновых, овощных и других, культур, с целью повышения урожая и улучшения качества продукции.
Явление эффекта стимуляции развития можно объяснить образованием в клетках семени биологически активных веществ хиноидной природы, которые в малых концентрациях активизируют рост и развитие путем неспецифической дерепрессии генома, т. е. путем перевода генов в активное состояние. Эти вещества были названы триггер-эффекторами. При этом активизируются определенные зоны ДНК, что способствует в дальнейшем более интенсивному синтезу и активности ферментов, в том числе триптофансинтетазы, которая регулирует синтез триптофана, а также синтез ростового гормона гетероауксина, что ускоряет интенсивность деления клеток, поэтому усиливаются ростовые процессы в проростках. Эффект стимуляции может сохраняться в процессе всего онтогенеза, поэтому ускоряется рост и развитие растений, что в конечном итоге приводит к повышению урожайности (рис.7) или проявляться только в начальных стадиях онтогенеза, что не сопровождается ростом урожайности.




Рис. 7. Роль триггер-эффекторов в радиационной стимуляции развития (поэтапная передача первичного импульса на последующие стадии онтогенеза): НТЭ – неспецифический триггер-эффектор; ГПВ гиббереллиноподобные
вещества

Основной эффект предпосевного облучения семян гамма-излучением – это увеличение урожайности. При облучении семян увеличивается не только урожайность, но и улучшается его качество, т. е. повышается содержание белка, витаминов, масла, каротина, крахмала, сахарозы, клетчатки и жиров на 15–30 %.
В настоящее время определены стимулирующие дозы облучения семян для многих культур (табл. 13). Стимуляционный эффект, оцененный по величине урожайности в сравнении с контролем, по приведенным в таблице культурам составляет от 7 до 40 %, при максимальном эффекте у картофеля – 8–40 %, гороха – 15–40 % и огурцов – 10–40 %.
2. Предпосевное гамма-облучение семян овощных культур, выращиваемых в условиях закрытого грунта для более раннего созревания и повышения урожайности. При выращивании овощных культур в тепличных хозяйствах облучаются небольшие партии семян овощных и зеленных культур. Облучение семян способствует более быстрому росту растений и формированию более высокой массы товарной части. Повышение урожайности капусты белокочанной и томатов составляет до 20 %, редиса и салата – до 26 %, сельдерея – до 11 %. Сроки созревания овощных культур сокращаются на 5–10 суток.

Т а б л и ц а 13. Стимуляционные дозы и эффект радиостимуляции
при облучении семян сельскохозяйственных культур

Культура
Стимулирующая доза, Гр
Стимуляционный эффект, %

Кукуруза на силос
5
10–30

Кукуруза на зерно
5–10
10–15

Пшеница
5–8
9–11

Ячмень
10–30
7–15

Рожь
5–10
25–30

Гречиха
5–7
15–20

Горох
3
15–40

Люпин
10
18–27

Клевер
5–10
25–30

Картофель
1–5
8–40

Капуста
20
13–20

Томаты
5–10
10–15

Морковь
25–40
25–35

Огурцы
3
10–40

Сахарная свекла
10–20
15–20


3. Предпосевное облучение семян кормовых трав и силосных культур с целью увеличения урожайности зеленой массы и улучшения ее качества. Предпосевное облучение семян многолетних злаковых кормовых трав способствует повышению урожайности зеленой массы на 25 %, а облучение семян клевера приводит к росту урожайности зеленой массы на 25–45 %. В зависимости от почвенно-географических зон и степени окультуренности почвы урожайность зеленой массы кукурузы повышается на 10–18 %. При этом в зеленой массе кукурузы содержание белка, жира и сахаров увеличивается, поэтому количество кормовых единиц возрастает на 25 %. При выращивании подсолнечника на силос урожайность зеленой массы и содержание кормовых единиц увеличивается на 17 %.
4. Предпосевная обработка гамма-излучением или электронным излучением клубней семенного картофеля для повышения его качества и урожайности. Облучение клубней картофеля гамма-излучением в дозе 3 Гр или потоком ускоренных электронов в дозе 1 Гр за 2–6 суток до посадки приводит к выведению из состояния покоя большего количества глазков, потому что быстрее пробуждаются точки роста, в которых начинается интенсивное деление клеток, что в конечном итоге способствует более интенсивному корнеобразованию и более высокой кустистости наземной массы с повышенной фотосинтетической активностью. Повышение фотосинтетической активности наземной массы растений способствует лучшему образованию клубней и повышению их урожайности на 18–25 %. В клубнях картофеля также повышается содержание крахмала, белков и витамина С на 15–30 %.
5. Предпосевная обработка семян корнеплодов (сахарной свеклы, брюквы, турнепса, кормовой свеклы), семян технических культур (льна, хлопка, джута, кенафа), корневищ лекарственных растений (мяты, солодки и др.) и луковиц луковичных растений (лука, чеснока, цветочных луковичных растений) с целью повышения содержания ценных веществ, ускорения процессов развития, повышения урожайности и сокращения времени выгонки луковичных культур. Урожайность корнеплодов сахарной свеклы увеличивается на 25 %, а содержание сахара в корнеплодах повышается от 0,2 до 1 %. Выход волокна у технических культур возрастает на 10–15 %. Выгонка луковичных культур сокращается на 5–10 дней.
6. Предпосевная обработка рассады и черенков для ускорения приживаемости, устранения несовместимости привоя и подвоя в плодоводстве и увеличения выхода полноценных прививок. Предпосадочное облучение черенков плодовых культур приводит к усиленному образованию и росту корневой системы. Это способствует увеличению выхода полноценных саженцев и их лучшему укоренению. Облучение черенков винограда, сливы, яблони, крыжовника, черной и красной смородины повышает их способность к укоренению на 15–20 %, улучшает ростовые процессы корней, увеличивает длину и количество побегов, площадь листьев и увеличивает интенсивность фотосинтеза. В последующем стимуляционный эффект от облучения черенков наблюдается у плодоносящих кустов черной и красной смородины, крыжовника, где урожай ягод повышается на 40–60 %. В практике виноградарства часто наблюдаются процессы несовместимости подвоя и привоя, поэтому в производственных условиях может выбраковываться до 75 % привитых саженцев винограда.
Одним из эффективных способов преодоления тканевой несовместимости при прививках является применение ионизирующего излучения. При гамма-облучении в определенном интервале доз отмечается ослабление тканевой несовместимости, что увеличивает выход качественных прививок. В основе преодоления барьера несовместимости лежит подавление иммунных свойств образовательных тканей под действием определенных доз и сроков облучения.
Вторым важным и трудоемким процессом в технологии производства привитых саженцев винограда является процесс «ослепления» глазков на черенках перед прививкой, которая обычно проводится ручным способом. Проведение «ослепления» основывается, во-первых, на том, что между развитием глазков и каллусообразованием на апикальной части черенка-подвоя существует прямая зависимость, которая выражается в том, что развивающиеся глазки на подвое резко тормозят процессы каллусообразования в верхней части черенка. Отсутствие кругового каллуса на подвое приводит к недостаточному образованию сосудов и плохому их срастанию между привоем и подвоем, что в конечном итоге обуславливает значительную часть гибели прививок. Во-вторых, проведение «ослепления» основывается на том, что наибольшей радиочувствительностью обладают делящиеся клетки меристем, в частности, и меристемы глазков. Поэтому можно подобрать невысокие дозы облучения для «ослепления» глазков подвоя, которые не будут повреждать основные ткани черенка. Высокая проникающая способность гамма-излучения позволяет проводить эту операцию одновременно на большом количестве черенков, упакованных в пакеты или связанных в пучки. Для снижения дозы облучения и повышения качества «ослепления» глазков, а также регенерирующей и корнеобразующей способности черенков применяют комбинированное воздействие гамма-излучения и регуляторов роста (гибберилиновая и индолилуксусная кислоты), которые усиливают деление клеток, т. е. способствуют активации меристем конусов нарастания глазков, что повышает радиочувствительность их клеток. В то же время регуляторы роста усиливают корнеобразовательную способность черенков. Таким образом, комбинированный метод обработки черенков подвоя винограда вызывает эффективное подавление способности почек к прорастанию при отсутствии раневой реакции в местах повреждения тканей глазков. При этом способе обработки сохраняется каллусообразующая способность прививок, нормально протекают регенерирующие процессы и образование корней. Радиационный способ предпрививочной обработки существенно увеличивает сроки отрастания подвойной поросли на виноградных кустах в 5–10 раз. Облучение черенка или подвоя виноградной лозы в дозах 10–30 Гр увеличивает выход полноценных прививок на 11–34 %.


5.5. Использование ионизирующих излучений для получения мутантных форм растений

Действие мутагенов на наследственные структуры клеточного ядра неодинаково, поэтому возникают различные мутации трех типов, вызванные изменением количества хромосом, изменением структуры хромосом и изменением структуры гена.
Мутации также разделяются на морфологические, физиологические и биохимические. Они могут изменять проявление любого внешнего признака, влиять на функции отдельных органов, рост и развитие организма, вызывать различные изменения химического состава клеток и тканей.
По проявлению мутации бывают доминантные и рецессивные, при этом рецессивные мутации возникают значительно чаще, чем доминантные. Мутационный процесс, как правило, идет от доминантности к рецессивности. Доминантные мутации проявляются сразу же в гетерозиготном состоянии, рецессивные – только тогда, когда мутированный ген окажется в гомозиготном состоянии.
По относительному влиянию на жизнеспособность и плодовитость организма мутации делятся на полезные, нейтральные и вредные. Полезные мутации повышают устойчивость организма к неблагоприятным факторам внешней среды (к повышенной или пониженной температуре, возбудителям болезней и т. д.). Вредные мутации задерживают рост, развитие, вызывают гибель организма. Летальные мутации бывают доминантные, которые проявляются в первом поколении и быстро удаляются из популяции естественным отбором, и рецессивные, которые накапливаются в генотипе и проявляются в последующих поколениях.
Совокупность всех мутаций, возникающих у организма под действием мутагенного фактора, называют спектром мутаций. Большое разнообразие мутаций указывает на широкий спектр мутагенеза, а однотипные мутации – на узкий спектр.
Мутационная изменчивость происходит на разных этапах развития организма и во всех его клетках. Мутации, возникающие в половых клетках в гаметах и клетках, из которых образуются организмы, называются генеративными. Мутации, возникающие в соматических клетках организма, называются соматическими. По своей природе генеративные и соматические мутации ничем не отличаются, так как их возникновение связано с изменением структуры хромосом, и образуются они примерно с одинаковой частотой. Однако, по характеру проявления и значимости для эволюции и селекции различия между этими видами мутаций очень существенны. Генеративные мутации при половом размножении передаются следующим поколениям организмов. При этом доминантные мутации проявляются уже в первом поколении, а рецессивные – только во втором и последующих поколениях при переходе их в гомозиготное состояние. Соматические мутации возникают в диплоидных клетках, поэтому проявляются только по доминантным генам или по рецессивным генам в гомозиготном состоянии. Они имеют большое значение для эволюции организмов с вегетативным размножением.
Все мутации по степени их фенотипического проявления делят на два класса: крупные (или видимые) и малые. Крупные мутации легко обнаруживаются по появлению различных наследственных морфологических аномалий. Малые мутации проявляются через незначительные изменения физиологических, морфологических и любых количественных признаков. Крупные мутации выделяют путем отбора отдельных измененных растений во втором мутантном поколении (М2). Малые мутации выявляют в результате математической обработки данных изменчивости изучаемого признака по семьям растений в третьем мутантном поколении (М3). Благодаря малым мутациям создается огромная наследственная изменчивость различных признаков в популяциях растений, что имеет большое значение в селекции и эволюции вида. Крупные мутации, за редким исключением, не дают начала новым сортам и видам, потому что по причине низкой адаптации к внешним условиям удаляются естественным отбором.
От мутаций следует отличать морфозы или фенотипическое проявление признаков, которые являются одной из форм ненаследственной индивидуальной изменчивости организма, поэтому в последующих поколениях они не проявляются.
Для получения хозяйственно-ценных мутаций облучают от 2 до 4 тысяч семян. Отбор мутантных форм чаще всего проводят в М2. В связи с тем, что в М2 выявляются не все мутации, отбор проводят и в М3. Иногда отбор мутаций начинают проводить в М1, при этом отбирают доминантные мутации по интересующему признаку (например, высокопродуктивные растения) для последующего отбора всех полезных мутаций. Для ускорения и облегчения выделения полезных мутаций все выделенные в М1 растения высевают как индивидуальные потомства отдельных растений (семьи) для получения второго мутантного поколения. В М2 отбирают мутанты с хорошо выраженными хозяйственно-ценными признаками и растения для получения малых мутаций в М3. В дальнейшем из ценных мутантов формируются новые улучшенные популяции, их используют в селекции (при скрещивании друг с другом или с другими сортами). Эффективность селекции повышается при обязательном экологическом испытании мутантов.
Радиационная селекция, как метод получения новых ценных сортов сельскохозяйственных растений и высокопродуктивных штаммов микроорганизмов, широко используется в практике. Радиационная селекция в растениеводстве включает два этапа:
1) использование ионизирующего излучения для получения селекционно-ценных мутантных форм растений, которые используются в дальнейшем в селекционном процессе в качестве исходного материала;
2) включение мутантных форм растений в селекционную работу по созданию новых сортов, обладающих селекционно-ценными признаками мутантных форм.
Для получения мутантов в растениеводстве используют рентгеновское излучение и гамма-излучение, нейтронное излучение (быстрые нейтроны – 0,2-26 МэВ и медленные нейтроны – 0,025 МэВ) и радиоактивные изотопы (фосфор-32 и серу-35) и др. Вероятность возникновения мутаций при облучении различных биологических объектов возрастает с увеличением поглощенной дозы. Однако, с увеличением дозы возрастает и гибель особей в облученной популяции, при этом многие возникшие мутации не выявляются. При радиационной селекции растений часто используют дозы, при которых погибает 70 % растений. Эти дозы называются критическими. У 30 % выживших растений можно наблюдать большое количество мутаций различного характера. Наиболее часто хозяйственно ценные мутанты образуются при меньших дозах облучения, при которых погибает только 20-30 % растений. Величина дозы облучения зависит от радиочувствительности биологических объектов. Например, дозы облучения семян рентгеновским и гамма-излучением для выхода полезных мутаций у пшеницы, ячменя и кукурузы составляют 50-100 Гр, у овса – 70-100 Гр, у люпина – 140-160 Гр.
Под действием ионизирующего излучения возникают генные (или точечные) мутации и хромосомные мутации (или геномные мутации). Геномные мутации, сопровождающиеся уменьшением количества хромосом (анедплоидия) и увеличением количества хромосом (полиплоидия) в 2 или 4 раза наблюдаются редко. Анеуплоидные формы растений имеют резкие морфологические дефекты и не представляют интереса для радиационной селекции. Полиплоидные формы растений несут летальные мутации, поэтому погибают. Для селекционной работы жизнеспособные полиплоидные формы растений получают с использованием метода химического мутагенеза, при этом в качестве мутагенного препарата часто используют колхицин. Для радиационной селекции наибольший интерес представляют генные мутации. Следует напомнить, что ген – это определенный участок молекулы ДНК. Генные мутации индуцируются в пуриновых и пиримидиновых основаниях молекулы ДНК при ее радиолизе, что приводит к изменению генетического кода и, в конечном итоге, к появлению новых признаков, сформированных под действием облучения. В образовании мутаций немаловажную роль играют также процессы ошибочной репарации одиночных разрывов молекулы и процессы репарации повреждений оснований.
Выход радиационных мутаций зависит от величины дозы облучения, мощности дозы облучения, вида излучения и величины линейной передачи энергии (ЛПЭ) и от стадии онтогенеза растений. Частота возникновения мутаций возрастает пропорционально дозе облучения. Однако, с увеличением дозы увеличивается частота хромосомных аберраций и гибель клеток, поэтому возникшие мутации не выявляются. Абсолютная величина дозы зависит от радиочувствительности конкретного облучаемого организма. Часто хозяйственно полезные мутанты растений образуются при облучении семян дозой, вызывающей гибель 20-30 % растений.
Возникновение мутаций, как и любого радиобиологического эффекта, – это многостадийный процесс, в котором участвуют, с одной стороны, вещества, повышающие выход мутаций, а, с другой стороны, ферменты репарации, снижающие выход мутаций. При большой мощности дозы облучения образуется больше мутаций, потому что при малой мощности дозы уже в процессе облучения успевают произойти репарационные процессы. При хроническом облучении развивающихся растений (при малой мощности дозы), растения облучаются в разных по радиочувствительности фазах развития, поэтому спектр мутаций разнообразнее, или при облучении растений в конкретной стадии развития высокой мощностью дозы. С уменьшением мощности дозы снижается количество хромосомных нарушений, поэтому уменьшается гибель клеток и растений.
Установлено, что при облучении излучением с низкой ЛПЭ (рентгеновское и гамма-излучение), большинство хромосомных повреждений восстанавливаются. Среди мутантных растений выявляют формы с признаками устойчивости к болезням, повышенного содержания ценных веществ. Излучения с высокой ЛПЭ (нейтроны) вызывают более глубокие нарушения в хромосомах, которые не восстанавливаются, поэтому у выживших мутантных растений выявляются многообразные нарушения морфологических признаков.
Выход и качество мутаций зависит не только от физических свойств излучений, но и от состояния генома как в момент облучения, так и в пострадиационный период окончательного формирования мутации.
В радиационной селекции растений наиболее часто облучают покоящиеся воздушно-сухие семена растений. Облучение семян в различные периоды формирования, начиная с момента образования оплодотворенной семяпочки и до состояния глубокого покоя, дает неидентичные результаты. Частота и эффективность мутаций значительно возрастает при облучении растений в период слияния половых гамет и образования зиготы, в фазе завершения формирования зародыша и в фазе усиления ростовых процессов зародыша при прорастании семени.
Для получения мутантных растений используют метод облучения пыльцы в период ее созревания с последующим искусственным опылением необлученных растений облучаемой пыльцой.
Хозяйственно полезные мутанты растений, сочетающие высокую продуктивность с другими признаками, появляются, как правило, очень редко. Селекционно-ценные мутантные формы растений выделяются содержанием питательных веществ, скороспелостью, устойчивостью к болезням, устойчивостью к полеганию, повышенной продуктивностью и другими признаками. Мутантные формы используются в качестве донора полезного признака в селекции растений. На основе радиационного мутагенеза в растениеводстве решаются вопросы получения новых сортов сельскохозяйственных растений, которые характеризуются высокой урожайностью, устойчивостью к неблагоприятным условиям среды и действию патогенных вредителей. Селекционеры, используя мутагенный эффект, гамма-облучения почти в 5 раз сокращают сроки выведения новых сортов зерновых культур.
К настоящему времени зарегистрировано более 1000 сортов различных растений, созданных с использованием мутантных форм растений, полученных при использовании ионизирующих излучений. Больше всего таких сортов получено у ячменя (72 сорта), риса (65 сортов), пшеницы (38 сортов), фасоли (10 сортов), арахиса (15 сортов), в которых сочетается высокая урожайность и улучшенное качество зерна с высокой экологической пластичностью. У декоративных растений получено более 500 радиационных мутантов, отличающихся прекрасными декоративными формами, устойчивостью к болезням и хорошей адаптационной способностью к неблагоприятным факторам внешней среды.
В микробиологической практике обычно используют дозы, при которых остается 1-5 % выживших микроорганизмов. Радиационным методом был получен штамм микроорганизма для производства молочного порошка нислактин, при добавлении которого к плавленым сырам улучшается их качество и продлевается срок хранения. Нислактин используют в кормовых добавках при вскармливании поросят, при этом повышается прирост массы поросят и улучшается их общее состояние. Методом радиационной селекции были получены новые формы микроорганизмов, которые являются возбудителями заболеваний у ряда вредителей сельскохозяйственных культур. Например, был получен возбудитель мускардиноза для более 60-ти видов насекомых-вредителей (яблоневой плодожорки, хлебного клопа-черепашки, фасолиевой зерновки и др). Особый интерес и практическую ценность при радиационных мутациях микроорганизмов представляют генные мутации, которые косвенно влияют на деятельность ферментов. При этом фермент активизируется, и реакции, катализируемые этим ферментом, проходят интенсивнее, чем в норме, поэтому у микроорганизмов усиливается продукция того и иного метаболита – антибиотиков, аминокислот и др.
При облучении культуры дрожжей были получены расы, вырабатывающие в 2 раза больше эргостерина, что имеет большое значение для витаминной промышленности.
Комбинированным воздействием радиации и химических мутагенов получено много штаммов высоко активных плесневых грибов, которые вырабатывают пенициллин, стрептомицин, ауреомицин, эритромицин и альбомицитин. Некоторые штаммы плесневых грибов дают выход стрептомицина в 20, а пенициллина в 50 раз больше исходных рас. Производство антибиотиков промышленным способом значительно расширило их доступность для населения.

5.6. Использование ионизирующих излучений в медицине для диагностики и лечения болезней человека

При практическом использовании ионизирующих излучений в медицинской промышленности и медицине выделяется два направления:
1) использование процессов радиационно-биологической технологии (РБТ) для производства изделий и препаратов в медицинской промышленности, применяемых в медицинской практике;
2) использование ионизирующих излучений и процессов для диагностики и лечения некоторых заболеваний.
Радиоактивные изотопы и ионизирующие излучения для диагностики и лечения широко применяются в медицине, а в ветеринарии – для практического использования они не нашли широкого применения.
Радиоактивные изотопы, используемые для диагностики, должны отвечать следующим требованиям: иметь короткий период полураспада, низкую радиотоксичность и возможность для регистрации их излучений, а также накапливаться в тканях обследуемого органа. Например, для диагностики патологических состояний костной ткани используют изотопы галлия (67Ga), для диагностики первичных и вторичных опухолей скелета – изотопы стронция (85Sr и 87Sr), для диагностики печени – изотопы технеция (99Tc) и индия (113In), почек –изотопы йода (131I), для щитовидной железы – изотопы натрия (24Na) и йода( 131I), селезенки – железа (53Fe) и хрома (52Cr).
Радиоактивные изотопы используют для определения функционального состояния сердечно-сосудистой системы по скорости кровотока и объему циркулирующей крови. Метод основан на регистрации перемещения меченной гамма-радиоактивной меткой крови в сердце и в разных участках сосудов, что позволяет определить минутный объем крови в сердце и объем крови, циркулирующей в сосудах и тканях органов. С помощью радиоактивных газов, из которых чаще используется радиоизотоп ксенона (133Хе), определяют функциональное состояние внешнего дыхания – вентиляции, диффузии в легочном кровотоке.
Изотопный метод очень эффективен при исследовании водного обмена как в норме, так и при нарушении обмена веществ, инфекционной и неинфекционной патологии. Сущность этого метода состоит в том, что в состав молекулы водорода (1Н) вводят радиоактивный изотоп тритий (3Н). Меченую воду в виде инъекций вводят в кровь, с которой тритий быстро разносится по организму и проникает во внеклеточное пространство и клетки, где вступает в реакции обмена с биохимическими молекулами. При этом, прослеживая путь и скорость обменных реакций трития, определяют динамику водного обмена.
При некоторых заболеваниях крови возникает необходимость исследования функций селезенки, для этих целей используют радиоизотоп железа (59Fe). Радиоактивное железо вводят в кровь в виде метки в составе эритроцитов или плазмы, из которых оно поглощается селезенкой пропорционально функциональному нарушению органа. Концентрация 59Fe в селезенке определяется путем регистрации гамма-излучения, сопровождающегося радиоактивным распадом ядер 59Fe, с помощью гамма-щупа, приложенного к области исследуемого органа.
Широкое применение в клинической практике получило сканирование исследуемых органов – печени, почек, селезенки, поджелудочной железы и т. д. При помощи этого метода изучают распределение радиоизотопов в исследуемом органе и функциональное состояние органа. Сканирование дает наглядное представление о месте расположения органа, о его размерах и форме. Диффузное распределение радиоактивного вещества позволяет обнаружить в органе участки интенсивного накопления («горячие» очаги) или пониженной концентрации изотопов («холодные» зоны).
Лечебное применение радиоизотопов и ионизирующих излучений основано на их биологическом действии. Известно, что наиболее радиочувствительны молодые, интенсивно делящиеся клетки, к которым также относятся раковые клетки. Поэтому радиотерапия оказалась эффективна на злокачественных новообразованиях и болезнях кроветворных органов. В зависимости от локализации опухоли проводят внешнее гамма-облучение с помощью гамма-терапевтических установок; накладывают на кожу аппликаторы с радиоактивным калифорнием (252Cf) для контактного действия; вводят непосредственно в опухоль коллоидные растворы радиоактивных препаратов или полые иглы, заполненные радиоизотопами; вводят внутривенно короткоживущие радионуклиды, которые избирательно накапливаются в опухолевых тканях.
Задачей лучевой терапии рака является подавление способности опухолевых клеток к неограниченному размножению. При небольшом размере опухолевого очага эта задача решается путем облучения опухоли дозой, способной очень быстро подавить клоногенную активность всех клеток опухоли. Однако, в большинстве случаев, при лучевой терапии в зоне облучения неизбежно оказывается не только опухоль, но и окружающие ее здоровые ткани. Часть нормальных тканей подвергается облучению специально с целью подавления роста опухолевых клеток, которые проникают в нормальные ткани.
В лучевой терапии необходимо совершенствование аппаратуры и источников облучения, способных обеспечивать лучшее пространственное распределение дозы между опухолью и окружающими ее тканями. На начальном этапе развития лучевой терапии основной задачей являлось повышение энергии рентгеновского излучения, что позволяло перейти от лечения поверхностно расположенных новообразований к глубоко расположенным в тканях опухолям.
Большое влияние на эффективность лучевой терапии оказывает исходная радиоустойчивость раковых клеток, которая значительно изменяется как среди опухолей различного происхождения, так и в пределах одной опухоли. К радиочувствительным новообразованиям принято относить лимфомы, миеломы, семиномы, опухоли головы и шеи. К опухолям с промежуточной радиочувствительностью относят опухоли молочной железы, рак легкого, рак мочевого пузыря. К наиболее радиоустойчивым опухолям относят опухоли нейрогенного происхождения, остеосаркомы, фибросаркомы, рак почки. Низкодифференцированные опухоли более радиочувствительны, чем высокодифференцированные. В настоящее время имеются данные о высокой изменчивости радиочувствительности клеточных линий, полученных из одной и той же опухоли. Причины широкой вариабельности радиочувствительности раковых клеток к облучению остаются невыясненными до настоящего времени.
Важной задачей раковой терапии является разработка методов селективного (избирательного) управления тканевой радиочувстви-тельности, направленных на повышение радио-чувствительности опухолевых клеток и увеличение радио-устойчивости клеток здоровых тканей. Фактором, значительно увеличивающим радиоустойчивость опухолевых клеток, является гипоксия, возникающая вследствие дисбаланса в скоростях размножения клеток и роста сосудистой сети, питающей эти клетки. Это было доказано на основании того, что радиоустойчивость облученных клеток значительно возрастает при дефиците кислорода или гипоксии, а также на основании того, что развитие гипоксии является логическим следствием неуправляемого роста злокачественных опухолей. Клетки опухоли растут быстрее питающей их сосудистой сети, поэтому сосудистая сеть опухолевых клеток, по сравнению с сосудистой сетью нормальных клеток, физиологически неполноценна. Плотность капиллярной сети неравномерно распределена по объему опухоли. Делящиеся клетки, расположенные около сосудов, раздвигают капилляры, и на расстоянии 150–200 мкм от них возникают зоны хронической гипоксии, в которые не доходит кислород. Кроме этого неуправляемое деление клеток приводит к периодическому повышению внутриопухолевого давления, из-за которого происходит временное сдавливание отдельных капилляров и прекращение в них микроциркуляции крови. При этом напряжение кислорода (рО2) может падать до нулевых значений, и поэтому наблюдается состояние острой гипоксии. В таких условиях часть наиболее радиочувствительных клеток опухоли погибает, а радиоустойчивые клетки остаются и продолжают деление. Эти клетки называются гипоксическими опухолевыми клетками.
Методы управления тканевой радиочувствительностью при лучевой терапии основаны на различиях в кровоснабжении и кислородных режимах, метаболизме и интенсивности деления клеток опухолей и нормальных тканей. Для повышения радиочувствительности гипоксических опухолевых клеток в качестве сенсибилизатора используется кислород. В 1950 году английскими учеными был разработан метод оксибарорадиотерапии, при котором на время сеансов лучевой терапии больной помещается в барокамеру, в которой находится кислород под давлением в три атмосферы. В этом случае кислородом насыщается гемоглобин и значительно увеличивается напряжение кислорода, растворенного в плазме крови. Использование этого метода позволило значительно улучшить лечение нескольких видов опухолей, в первую очередь рака шейки матки и новообразований головы и шеи.
В настоящее время используется другой метод насыщения клеток кислородом – дыхание карбогеном, смесью кислорода и 3–5 %-ного углекислого газа, которые усиливает легочную вентиляцию за счет стимулирования дыхательного центра. Улучшению лечебного эффекта способствует назначение больным никотинамида – препарата, расширяющего кровеносные сосуды. Большое внимание уделяется разработке химических соединений, обладающих электронакцепторными свойствами имеющих, как и кислород, неспаренный электрон, благодаря которому обеспечивается высокая реакционная способность. В отличие от кислорода, электронакцепторные сенсибилизаторы не используются клеткой в процессе энергетического метаболизма и поэтому они более эффективны.
Кроме гипоксии в радиационной онкологии используют гипертермию, т. е. кратковременный, в пределах одного часа, локальный нагрев отдельных участков тела (локальная гипертермия) или нагрев всего тела, за исключением головного мозга, до температуры 40–43,5 єC (общая гипертермия). Такая температура вызывает гибель некоторой части клеток, которая увеличивается в условиях пониженного напряжения кислорода, характерного для гипоксических зон злокачественных новообразований.
Гипертермия применяется для лечения только отдельных злокачественных и доброкачественных новообразований (главным образом аденомы простаты). Для достижения более высоких эффектов лечения гипертермию используют в сочетании с лучевой терапией и химиотерапией, при этом ее проводят до или после облучения. Сеансы гипертермии проводят 2–3 раза в неделю, при этом чаще используется прогрев опухоли после сеанса облучения, чтобы обеспечить в опухоли более высокую температуру, чем в нормальных тканях.
При высокой температуре в опухолевых клетках синтезируются особые белки (белки теплового шока), которые участвуют в радиационном восстановлении клеток, поэтому часть повреждений в облученных клетках опухоли восстанавливается, а повторное облучение вызывает гибель этих восстановленных клеток и вновь образующихся клеток. Установлено, что одним из факторов усиления эффекта облучения с помощью гипертермии является подавление репарационных способностей раковой клетки.
При разработке методов облучения опухоли встает проблема противолучевой защиты нормальных тканей, поэтому необходимо разрабатывать методы, способствующие повышению радиоустойчивости нормальных тканей, что, в свою очередь, позволит увеличить дозы облучения и повысить эффективность лечения. В настоящее время доказано, что в условиях гипоксии лучевое поражение опухолевых клеток значительно усиливается по сравнению с облучением на воздухе. Это дает основание использовать для избирательной защиты нормальной ткани методы облучения опухолей в условиях газовой (кислородной) гипоксии. В настоящее время продолжается поиск химических радиопротекторов, которые бы оказывали избирательное защитное действие только на нормальные ткани и в тоже время не защищали опухолевые клетки от поражения.
При лечении многих онкологических заболеваний используется комплексная терапия, т. е. совместное применение облучения и химиотерапевтических препаратов, которые оказывают радиомодифицирующее действие. Облучение используется для подавления роста основной опухоли, а лекарственная терапия – для борьбы с метастазами.
В лучевой терапии широко используются тяжелые ядерные частицы – протоны, тяжелые ионы,
·-мезоны и нейтроны разных энергий. Пучки тяжелых заряженных частиц создаются на ускорителях и имеют малое боковое рассеяние, что позволяет формировать дозовые поля с четким контуром по границе опухоли. Все частицы имеют одинаковую энергию и, соответственно, одинаковую глубину проникновения в ткань, что позволяет меньше облучать нормальные ткани, находящиеся по ходу пучка за пределами опухоли. У тяжелых заряженных частиц линейные потери энергии увеличиваются в конце пробега, поэтому создаваемая ими физическая доза в тканях не уменьшается с увеличением глубины проникновения, как при облучении редко ионизирующими излучениями, а возрастает.
Корпускулярную терапию (облучение ускоренными протонами, ионами гелия и водорода) используют при облучении опухолей, расположенных вблизи критических органов. Например, опухоль локализована рядом со спинным мозгом, тканями головного мозга, вблизи радиочувствительных органов малого таза, в глазном яблоке.
Нейтронная терапия оказалась наиболее эффективной при лечении нескольких видов медленно растущих опухолей (рака простаты, саркомы мягких тканей, рака слюнных желез). Для облучения используют быстрые нейтроны с энергией до 14 МэВ. В последние годы возрос интерес к нейтронзахватной терапии, для которой используются тепловые нейтроны с низкой энергией (0,25–10 кэВ), которые образуются в атомных реакторах и по отдельным каналам выводятся в расположенные рядом с реактором процедурные помещения.
Разные виды опухоли значительно различаются по скорости роста. Скорость опухолевого роста определяется не только длительностью клеточного цикла, но и долей постоянно погибающих и удаляемых из опухоли клеток. В нормальных тканях, оказавшихся в зоне облучения, также имеются клетки в разных стадиях цикла, причем соотношение между делящимися и покоящимися клетками не одинаково в начале и в конце облучения. Глубина поражения клеток опухоли и нормальных тканей после однократного облучения определяется их исходной радиочувствительностью, а при фракционированном облучении – дополнительно и эффективностью восстановления клеток от сублетальных поражений. Если перерыв до второй фракции облучения составляет шесть и более часов, тогда возможна практически полная репарация повреждений данного вида клеток, поэтому эти клетки не погибают. Одновременно с восстановлением у некоторых видов клеток регистрируется гибель. Например, клетки лимфоидного происхождения начинают погибать уже в первые сутки после облучения. Гибель летально пораженных клеток другого происхождения (т. е. нелимфоидного), как опухолевых, так и здоровых тканей, растягивается на несколько дней и происходит как во время очередного деления, так и спустя несколько часов после него. Клетки опухолей, находящиеся вне цикла, также как и покоящиеся клетки нормальных тканей в течение определенного времени могут не проявлять признаков летального поражения. Большинство опухолей продолжает расти даже после облучения высокой дозой, которая впоследствии приведет к гибели значительной части клеток. Это происходит по причине деления клеток, сохранивших жизнеспособность, а также по причине нескольких делений летально пораженных клеток.
Сразу после лучевого воздействия в опухоли возрастает доля относительно радиоустойчивых клеток, находящихся в момент воздействия в состоянии гипоксии, и клеток, находящихся в наиболее радиоустойчивых фазах клеточного цикла. При получении стандартного курса лучевой терапии, когда фракции проводятся с интервалом 24 часа, к моменту очередного облучения клетки проходят следующие процессы. С одной стороны, благодаря восстановлению от потенциально летальных и сублетальных поражений, радио-устойчивость опухолевых и нормальных клеток повышается. С другой стороны, одновременное возобновление деления и переход клеток из наиболее радиоустойчивых стадий в более радиочувствительные, приводит к повышению радиочувствительности или к усилению поражения. Эти процессы воспроизводятся после каждой фракции облучения, поэтому через некоторое время после начала курса облучения количество погибших клеток начинает превышать количество вновь образовавшихся клеток, поэтому опухоль уменьшается в объеме. По мере продолжения курса облучения наступает момент ускоренного деления клеток опухолевой и нормальной тканей, которое приводит к репопуляции этих тканей (или к самовосстановлению). Репопуляция осуществляется благодаря сохранившимся опухолевым клеткам, способным к делению, которые при этом получают достаточное количество питательных веществ и кислорода, поэтому рост опухоли возобновляется. При фракционированном облучении необходимо знать скорость репопуляции опухолей, потому что при фракционировании дозы незначительное увеличение интервала между фракциями может привести к возникновению динамического равновесия, при котором степень подавления роста опухоли на единицу дозы будет падать.
В настоящее время наиболее широко применяют курс лечебной терапии с ежедневным облучением опухоли дозой 2 Гр, при этом общая суммарная доза составляет 60 Гр, а общая длительность курса – 6 недель. Для повышения эффективности лучевой терапии используют новые режимы фракционирования дозы – мультифракционирование – ежедневное проведение 2–3-х фракций вместо одной, что способствует снижению тяжести отдаленных лучевых поражений. При лучевой терапии большинства злокачественных опухолей пока не возможно 100 %-ное излечение онкобольных.

СОДЕРЖАНИЕ


Введение.
4

1.
Рекомендации по изучению дисциплины..
5

2.
Содержание дисциплины

6

3.
Экзаменационные вопросы.

13

4.
Краткая теория курса для подготовки к экзамену и входному контролю....
20

4.1.
Биологическое действие ионизирующих излучений

24

4.2
Радиобиология клетки..

28

4.3
Радиобиология растений..
54

4.4
Радиобиология животных и человека.
107

4.5.
Прикладная радиобиология.
152

































13PAGE 141215


13PAGE 14415



Число мутаций
на локус/на поколение


I

II

III

10-3

10-6

10-7

10-8

10-2

10-4

10-5

10-1

5

1

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

Поколение



Root Entry

Приложенные файлы

  • doc 83545686
    Размер файла: 2 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий