4. Излучение

Все живые организмы находятся под воздействием разных видов излучений. Эффекты, вызываемые облучением живых организмов, зависят от длины волны излучения и его дозы, т.е. от энергии и количества поглощенных квантов. Важнейшим источником естественного излучения является солнечная радиация. Основная масса падающей на Землю солнечной энергии (около 75%) приходится на долю видимых лучей, почти 20% - на ИК-область спектра и только около 5 % - на УФ.

Видимый свет. Электромагнитные волны, имеющие длину 400 — 740 нм, соответствуют видимому свету. Видимый свет в качестве источ•ника энергии используют фототрофиые бактерии.

Цианобактерии осуществляют оксигенный фотосинтез, в процессе которого выделяется молекулярный кислород. Адаптация к разнообразным физико-химическим условиям среды, способность к азотфиксации, термофильность или галофильность некоторых форм определяют весьма широкое распространение цианобактерий на Земле. Oscillatoria Umnetica иногда способна и к аноксигенному фотосинтезу с использованием в качестве донора электронов H2S и устойчива к очень высоким концентрациям сероводорода. Пурпурные и зеленые бактерии осуществляют аноксигенный фотосинтез. Он приурочен к анаэробным условиям, и большинство этих бактерий строгие анаэробы, многие нуждаются в восстановленных соединениях азота и серы. Некоторые формы способны к аэробному дыханию, но в присутствии молекулярного кислорода не могут осуществлять фотосинтез, так как уже в низких концентрациях молекулярный кислород репрессирует синтез бактериохлорофиллов.

Развитие бактерий, осуществляющих аноксигенный фотосинтез, происходит главным образом в сильно загрязненных водоемах и гиполимнионе озер. Здесь содержатся соединения, специфически необходимые для аноксигенных фототрофов,— сероводород, молекулярный водород, простые органические вещества, образующиеся в результате брожений, которые осуществляются анаэробными бактериями, обитающими в осадках. Пурпурные и зеленые бактерии часто развиваются в водоемах на глубине под слоем водорослей и циаиобактерий, в котором происходит рост высших растений. Перечисленные фототрофы поглощают значительную часть света в областях спектра, соответствующих адсорбционной способности их светособирающих антенн. Светособирающие антенны аноксигенных фототрофов имеют другие спектральные характеристики, это позволяет им осуществлять фотосинтез за счет света, профильтрованного через клетки эукариот и циаиобактерий (табл. 1).

Бактериохлорофиллы имеют максимумы поглощения в красной и инфракрасной частях спектра. Этот свет не используется для оксигеиного фотосинтеза. Бактериохлорофилл Ь поглощает световые волны, длина которых близка к максимальной, еще допускающей их использование в процессе фотосинтеза. Кванты могут участвовать в фотохимических реакциях. Существенной особенностью бактериохлорофиллов является также то, что их включение в мембранный светособирающий комплекс приводит к смещению максимумов поглощения в красную область спектра в гораздо большей степени, чем это характерно для хлорофилла а оксигенных фототрофов Некоторые виды пурпурных бактерий живут на мелководье под слоем влажного песка толщиной в несколько сантиметров, который играет роль красного фильтра. Однако на более значительную глубину в водоем красный свет не проникает. Представители зеленых, серобактерий имеют каротиноиды, улавливающие световые волны длиной около 460 нм, и способны развиваться в водоемах на глубинах более 20 м, куда проникает свет только этой длины волны.

В конце 70-х годов были обнаружены аэробные гетеротрофные бактерии, содержащие бактериохлорофилл а. Они отнесены к нескольким родам. Представители рода Erythrobaoter— мелкие грамотрицательные палочки с субполярным жгутиком. Кроме бактериохлорофилла они синтезируют кэротиноидные пигменты. Ряд штаммов Erythrobacier выделен с поверхности морских макрофитов. Для Erythrobacter свет не может быть единственным источником энергии ни в аэробных, ни в анаэробных условиях, однако используется этой бактерией в качестве дополнительного источника энергий. При освещении усиливается синтез АТФ, включение С02 в органическое вещество клетки, наблюдается фотоингибироваиие дыхания, что свидетельствует о существовании у этих бактерий регуляторных механизмов энергетического обмена, позволяющих при освещении более экономно расходовать органический энергетический субстрат.

При исчерпывании органического субстрата в условиях освещения жизнеспособность клеток сохраняется значительно дольше, чем в темноте. В противоположность тому, что наблюдается у пурпурных зеленых бактерий, синтез бактериохлорофилла а у Erythrobacter стимулируется молекулярным кислородом. Бактериохлорофилл а содержится и в мембранах гетеротрофной аэробной бактерии Protatmnobacier ruber, также синтезирующей АТФ за счет энергии света. Подобная способность обнаружена и у некоторых штаммов бактерий из рода Psetidoтопаз.

Энергия видимого света может быть использована экстремально галофильными архебактернямд, которые, однако, не являются настоящими фототрофами, поскольку не могут расти, используя свет как единственный источник энергии. Экстремально галофильная архебактерия рода Hatobacteriuni — аэробный гетеротроф, основное количество АТФ у которой образуется в результате процесса аэробного дыхания. Halobucterium обитает в поверхностных слоях соленых озер, заливов, лиманов, где растворимость кислорода значительно ниже, чем в пресной или морской воде. При истощении в среде кислорода происходит дерепрессия генов, ответственных за синтез хромопротеина бактериородопсина, который включается в состав клеточной мембраны, образуя участки, обозначаемые как пурпурные мембраны. Под действием света происходит выброс протонов во внешнюю среду, создающийся при этом трансмембранный градиент концентрации протонов используется для синтеза АТФ. В тех же мембранах содержится второй пигмент — галородопсин, который при поглощении фотонов осуществляет транспорт ионов хлора в клетку, что также приводит к увеличению мембранного потенциала. Это позволяет бактериям поддерживать жизнеспособность в анаэробных условиях. Экстремально галофильные архебактерии обитают в соленых озерах, расположенных в районах с постоянной высокой инсоляцией.

Видимый свет влияет на поведение фототрофных бактерий. У фототрофных эубактерий и архебактерии ffalobacteriumsalinarium наблюдается явление фототаксиса; бактерии способны реагировать на изменение спектральногосостава света или освещенности. У эубактерий фоторецепторами служат бактерио- и каротиноиды, т. е. те же пигменты, которые поглощают свет в процессе фотосинтеза. У архебактерии обнаружены специальные сенсорные пигменты. Бактериальные клетки, (Способные к фототаксису, резко изменяют направление движения, если попадают из более освещенного участка в менее освещенный или в совсем неосвещенный. В результате бактерии двигаются к свету — это положительный фототаксис. В некоторых условиях наблюдается отрицательный фототаксис — движение в сторону уменьшения освещенности. Подобные реакции иногда определяют как фотофобные. При резком снижении освещенности также происходит изменение направления движения клеток, т. е. они реагируют па изменение освещенности не в пространстве, а во времени, как и в' случае реакции на изменение концентрации хемоэффекторов при хемотаксисе (см. с. 126).

Изменение силы света может привести к изменению скорости движения бактери^, это явление определяют как фотокинез, В реакциях фототаксиса эубактерий участвуют реакционные центры фотосинтеза. Мутанты с нарушенными реакционными центрами теряют способность к фототаксису. В этом отношении фототрофные бактерии отличаются от подвижных фототрофных зукариот, фототаксис которых не связан с фотосинтезом. Клетки архебактерии Halobacteritun satinarium проявляют фототаксис, причем красный свет действует как аттрактант, а синий —как репеллент. Оба эффекта определяются адсорбцией света одним и тем же пигментом — сенсорным родопсином (на рис, 1). В отсутствие света сенсорный родопсин имеет максимум поглощения при 587 нм; поглощая фотон красного света молекула переходит в состояние, при котором максимум смещается в область 680 нм и затем 373 нм. При этом генерируется сигнал, приводящий к снижению частоты кувырканий клетки, т. е. к аттракции. Форма может вернуться в исходное состояние за счет чисто термальной релаксации, и так фотоцикл заканчивается. Но если молекула 8373 успеет поглотить фотон синего света, она переходит в промежуточное состояние из него — в исходное. При этом генерируется сигнал, приводящий к увеличению частоты кувырканий бактерий, т. е. репеллентному эффекту. Очевидно, что в отсутствие красного света синий не вызывает этого эффекта. При освещении эффекты суммируются, и конечный результат будет зависеть от относительной интенсивности света тон или; иной длины волны.

Таким образом, энергия света может быть использована бактериями. Пути ее использования прокариот значительно разнообразнее, чем у эукариот, где 'известен только один тип оксигекного фотосинтеза. Для некоторых бактерий, не способных использовать энергию света, он служит в качестве регулятора определенных процессов обмена. Так, у водной бактерия Pseudomonas риtida наблюдали активацию светомнекоторых ферментов метаболизма, что можно рассматривать как адаптацию, поскольку именно при освещении начинается фотосинтез фитопланктона, продукты которого используются гетеротрофными водными бактериями.

Под фотохромностыо понимают зависимость образования пигментов некоторыми микроорганизмами от освещения. Фотохромность свойственна миксобактерии Myxococcus xanthus и; особенно характерна для многих актиномицетов и близких к ним организмов. В частности, синтез каротиноидов некоторым микобактериями стимулируется синим светом, причем процессы синтеза пигментов имеют светозависимые и темнвые этапы. Фотохромность может контролироваться как хромосомными, так и плазмидными генами. Кроме того, пигменты способны защищать микроорганизмы от действия видимого света.

Солнечный свет может оказывать сильный антимикробный эффект. Так, более 99,9% клеток штамма E.coli нарушенными репарационными механизмами погибают после облучения солнечным светом в течение трех минут. Правда, при этом более 80% летальных повреждений связано с действием света длиной волны менее 312 нм, действие видимого света ответственно менее чем за 1 % летальных повреждений. Видимый свет длиной волны 450 нм индуцирует замены пар оснований и мутации сдвига рамки у Е. coli. Световые волны длиной 550 нм и особенно 410 им вызывают фотолизис клеток Мухоcoccus xanthus. Эффект определяется поглощением света железопорфиринами.

Существуют вещества фотосенсибилизаторы, в молекуле которых имеется хромофор, поглощающий свет и передающий его энергию другим молекулам, не способным поглощать свет. Через бесцветные клетки свет проходит без последствий, но если в такую клетку введен фотосенсибилизатор, она повреждается. Известно более 400 веществ, обладающих свойствами фотосенсибилизаторов. Их хромофорами обычно оказываются циклические ядра. Фотосенсибилизаторы содержатся в промышленных стоках, смоге, многие лекарства представляют собой фотосенсибилизаторы, в том числе сульфаниламиды, ряд антибиотиков, хинин, рибофлавин, метиленовый синий и другие красители.

Среди природных веществ фотосенсибилизаторами являются псоралены (фурокумарины), хлорофилл, фикобилины, порфирины и др. Многие растения содержатпсоралены, свет в их присутствии повреждает ДНК. Порфирины находятся во всех аэробных и некоторых анаэробных клетках". При нарушениях в путях метаболизма могут накапливаться промежуточные продукты синтеза порфиринов, также действующие как фотосенсебилизаторы. Некоторые фотосенсибнлизаторы действуют только в присутствии кислорода — это так называемый фотодинамический эффект (см. с. 92).

Ультрафиолетовые лучи. Ближний ультрафиолет (УФ) — излучение с длиной волн 400 — 320 нм — даже в невысоких дозах оказывает на бактерии определенное действие. Так, при освещении ближним УФ подвижных клеток Е. coli или Salmonella typliimurium сначала наблюдается увеличение частоты кувырканий клеток, т, е. релеллентиый эффект, но затем кувыркания полностью прекращаются, и в конце концов наступает паралич жгутиков, т. е. свет нарушает механизмы движения и таксиса. При этом хромофором является флавопротеин.

В сублетальиых дозах ближний УФ вызывает замедление роста культур, главным образом за счет удлинения лаг-фазы. Скорость деления клеток также несколько снижается, подавляется способность бактерий поддерживать развитие фага и угнетается индукция ферментов. Эти эффекты определяются в основном поглощением УФ-лучей 4-тиоуридином — необычным основанием, присутствующим в 8-й позиции у многих тРНК прокариот (но не у эукариот). Наибольший эффект оказывает свет длиной волны около 340 нм. Возбужденный светом 4-тиоуридин образует сшивки с цитозином, находящимся в 13-м положении в тРНК, что препятствует связыванию тРНК с аминокислотами и приводит к увеличению образования гуанозинтетрафосфата на рибосомах и к приостановке синтеза РНК и соответственно белка. У Bacillus subtilis обнаружена и другая чувствительная к ближнему УФ система, у которой воспринимающим свет хромофором является менахинон.

При относительно высоких дозах облучения ближним УФ наблюдаются мутагенный и летальный эффекты. При этом нарушения ДНК вызывают не столько сами УФ-лучи, сколько различные другие возбужденные светом молекулы. И в этих эффектах имеет значение поглощение ближнего УФ 4-тиоурйди-ном. Мутагенное и летальное действие ближнего УФ в значительной степени зависит от присутствия кислорода. Летальный эффект при облучении ближним УФ может быть связан с повреждением не только ДНК, но и мембран, в частности их транспортных систем. Чувствительность к ближнему УФ бактерий может сильно зависетьот стадии роста культуры, что не наблюдается в случае действия дальнего УФ.

Эффект действия ближнего УФ может быть опосредован фотосенсибилизатором. Та'к, в присутствии акридина у Е.coli ближний УФ вызывает нарушения как ДНК, так и внешней и цитоплазматической мембран, в результате чего клетки становятся чувствительными к лизоциму, детергентам, осмотическому шоку. Ближний УФ может при невысоких дозах облучения вызывать фото протекцию, т. е, снижать биологический эффект последующего облучения дальним УФ. Представления о механизме этого эффекта противоречивы. При относительно высоких дозах облучения ближним УФ может наблюдаться и противоположный эффект, т. е. усиление действия последующего облучения дальним УФ.

Средний УФ—это излучения с длинами волн 320 — 290 нм и дальний УФ-—излучения с длинами волн 290 — 200 нм, Биологические эффекты действия среднего и дальнего УФ сходны. Как уже было упомянуто, при облучении солнечным светом гибель бактерий связана в основном с действием УФ. Однако нужно иметь в виду, что нижний предел длины волны света, попадающего на земную поверхность, около 290 нм. В многочисленных исследованиях используются источники света с меньшей длиной волны. Считают, что резистептность организма к солнечной радиации, как правило, соответствует его устойчивости к неионизирующему излучению от искусственных источников. ДНК интенсивно поглощает УФ в области 240 — 300 нм, т. е. в области среднего и дальнего УФ, с пиком поглощения в области 254 нм. Этим объясняется высокая мутагенная и летальная эффективность облучения средним и дальним УФ. Образование пиримидиновых димеров в ДНК является основным механизмом, обусловливающим летальный и мутагенный эффекты. В состав димеров могут входить два соседних тиминовых или цитозиновых остатка либо один тиминовый и один цитозиновый остатки. Под влиянием УФ-облучения происходит также гидроксилирование цитозина и урацила, образование цитозин-тиминовых аддуктов, сшивок ДНК с белком, формирование поперечных сшивок ДНК, разрывы цепей и денатурация ДНК. Значение таких повреждений возрастает при повышении интенсивности облучения.

Ионизирующие излучения составляют определенный компонент естественной радиации, определяемый нестабильными изотопами, постоянно находящимися в почве, атмосферных осадках. В областях залегания радиоактивных минералов естественный фон радиации повышен. Изотопы могут попадать в живые организмы и тогда они подвергаются внутреннему облучению. Бактерии иногдаспособны накапливать некоторые элементы в очень больших количествах. Ионизирующее излучение возникает также под влиянием космических лучей. Космическое пространство служит источником первичных космических лучей. Первичные космические лучи дают начало вторичным, воздействию которых и подвергаются живые организмы. Интенсивность такого излучения зависит от географической широты, но особенно от высоты над уровнем моря, и приблизительно удваивается каждые 1500 м. В период солнечных вспышек фон космической радиации повышен. Искусственное ионизирующее излучение возникает в результате испытаний ядерного оружия, работы АЭС, применения радиоизотопов в медицинских, научных и других целях. Наличие таких источников —причина того, что микроорганизмы в наши дни подвергаются весьма высоким дозам облучения. Ионизирующие излучения также вызывают повреждения ДНК, которые принято подразделять на прямые и опосредованные, возникающие в связи с образованием свободных радикалов. Повреждения преимущественно представляют собой одноцепочечные или двухцепочечныс разрывы молекулы ДНК.

Радиорезистентность различных бактерий варьирует в очень широких пределах (рис. 2) и контролируется многими генами. Сравнительно легко могут быть получены мутанты, более радиорезистентные или радиочувствительные (рис. 3). Степень радиорезистентности зависит прежде всего от работы различных систем репарации и регуляции; степени устойчивости организма к излучениям различных типов, особенно УФ и ионизирующим излучениям, могут не совпадать. Различные репарационные системы бактерии будут рассмотрены нами ≪иже. В некоторых случаях удается обнаружить связь радиоустойчивости бактерии с особенностями ее местообитания. Так, микроорганизмы, выделенные из родоновых минеральных источников, оказываются в 3—10 раз более резистентными к радиации, чем организмы тех же видов, выделенные из нерадиоактивной воды. В охладительных системах ядерных реакторов, где средняя доза излучения превышает 106 ФЭР (физический эквивалент рентгена), обитают разные бактерии, в частности представители рода Pseudomonas. В большинстве случаев, однако, трудно найти разумное объяснение адаптационного значения высокой радиоустойчивости некоторых бактерий. Особенно высока радиоустойчивость некоторых кокков, выделенных из облученных продуктов. Очевидно, что в данном случае облучение могло служить фактором отбора, но не фактором, вызвавшим адаптацию. Так, доза УФ, необходимая для инактивации 90% клеток УФ-резистентного штамма Е, colt, составляет около' 1000 эрг-мм"2, в то время как, для достижения такого лее эффекта у Deinococcus radlodurans требуется доза в 10000 — 15000 эрг-мм-2 или 5-Ю5 рад в случае радиоактивного облучения. Еще большей устойчивостью к УФ- и -у-излучению облада ет другой кокк —Deinococcus radtopHHus. Как уже упоминалось, уровень радиорезистентности определяется главным образом степенью развитости репарационных систем. Deinococcus raatodttrans, видимо, способен репарировать даже двухнитевые разрывы ДНК, летальные для большинства микроорганизмов.

Степень- радиоустойчивости некоторых бактерий значительно превышает предельный уровень радиации, с которым организмы могут сталкиваться в природе. Наиболее вероятным объяснением этого несоответствия может быть предположение о том, что радиоустойчивость — лишь одно из многообразных проявлений действия систем широкого назначения. Правильнее было бы говорить о степени устойчивости бактерий к определенным нарушениям в структуре их клеток, чем об устойчивости к воздействию определенных факторов среды, поскольку одинаковые нарушения могут быть вызваны разными причинами. Это относится прежде всего к системам репарации повреждений ДНК.