книги из ГПНТБ / Рачинский, В. В. Курс основ атомной техники в сельском хозяйстве учебное пособие

при облучении в больших дозах установлен выход из клеток ионов калия, натрия и хлора.

Исследования показали, что некоторые ферментные системы живых организмов довольно устойчивы к действию радиации. Например, нарушение такого важного метаболического процес­ са, как дыхание, в ранние сроки после облучения, почти не об­ наруживается. Это относится и к процессу гликолиза. Впрочем, литературные данные, полученные при изучении этих процессов, довольно противоречивы.

Интересно отметить, что, хотя функция клеточного дыхания обладает довольно высокой радиационной устойчивостью, одна­ ко другой сопряженный с дыханием процесс — окислительное фосфорилирование — оказался менее устойчивым. Во многих опытах на животных и микроорганизмах обнаружено заторма­ живание при облучении синтеза АТФ. Таким образом, энергия, высвобождаемая при дыхании, в меньшей степени используется на синтетические процессы.

Литературных данных о действии излучений на процессы обмена веществ еще недостаточно для того, чтобы построить законченную биохимическую теорию последовательности и взаи­ мосвязанности процессов нарушения метаболизма веществ под действием облучения.

М орфологические изменения в клетках. Радиоустойчивость разных клеток различна. Например, В-сперматогонии мыши гиб­ нут при облучении в дозе 5 рад, тогда как большинство клеток дрозофилы выдерживает облучение в дозе до 104 рад, а некото­ рые микроорганизмы выдерживают облучение в дозе до 106 рад и более. Клетки разных тканей многоклеточных организмов также обладают различной радиоустойчивостью, а последняя за­ висит от их стадии развития. Также разнообразна радиоустой­ чивость и различных морфологических компонентов клетки.

В настоящее время общепризнано, что живая клетка реаги­ рует на облучение как целое. Это означает, что в живой клетке как в строго отрегулированной биологической системе измене­ ние в какой-либо части клетки соответственно отражается на функционировании всей клетки в целом.

Установлено, что после облучения изменяются вязкость и оптические свойства протоплазмы, происходит ее вакуолиза­ ция, набухают хондриосомы у растений, повышается проницае­ мость мембран для электролитов, воды и неэлектролитов.

Морфологические изменения в клетках обнаруживаются не сразу после облучения, а лишь через некоторое время, неоди­ наковое для разных клеток. Это естественно, ибо эти измене­ ния— есть результат многочисленных сложных процессов в обмене веществ и невидимых изменений биоструктур. Чтобы морфологические последствия облучения начали проявляться, необходимо определенное время. Под действием облучения на­ блюдаются следующие морфологические изменения клеток:

120

увеличение клеточных ядер и клеток в делом, изменение формы клеток (гигантские ядра, тройные звезды при митозе), дробле­ ние ядер, округленность формы клеток и другие аномалии,- У клеток, испытывающих размножение путем клеточного деле­ ния (митоза), после облучения эта важнейшая физиологичес­ кая функция нарушается.

Еще в 1901 г. французский ученый Беккерель, открывший явление радиоактивности, обнаружил, что излучение радия тормозит прорастание семян горчицы. Аналогичное явление наблюдал русский ученый Е. С. Лондон. В 1906 г. французские ученые Бергонье и Трибоидо сформулировали правило: радио­ устойчивость в отношении гибели клеток обратно пропорцио­ нальна их способности к делению и прямо пропорциональна их уровню дифференциации.

Это означает, что часто делящиеся клетки, например эмбрио­ нального типа, особо чувствительны к облучению. Вместе с тем клетки, выполняющие строго специализированные функции, менее радиочувствительны. Действительно, в организме живот­ ных наибольшей радиочувствительностью обладают кроветвор­ ные органы (костный мозг, лимфатические железы), зобная же­ леза, слизистая кишечника, яичники, семенники, клетки которых интенсивно делятся.

Обнаруженная закономерность послужила теоретической ос­ новой для рентгено- и радиотерапии злокачественных опухолей. Раковые клетки быстро делятся, обладают меньшим уровнем дифференциации, чем клетки близлежащих тканей, и поэтому они менее радиоустойчивы.

Правило Бергонье и Трибондо не всегда выполняется. Есть клетки, которые медленно делятся или совсем не делятся (на­ пример, клетки нервных тканей, лимфоциты), и тем не менее ■они.довольно чувствительны к облучению.

Остановимся на ряде закономерностей, характеризующих влияние облучения на митоз.

Прежде всего отметим, что действие излучения на митоз су­ щественно зависит от того, на какой стадии митоза клетка подвергается облучению — на стадии, предшествующей делению (в интерфазе), или на стадии непосредственного деления.

Ранние стадии митоза обладают неодинаковой радиоустой­ чивостью. Наименее радиоустойчива стадия профазы.

Степень нарушения митоза клетки может быть различной у разных клеток. В зависимости от степени нарушения структур клетки и обмена веществ, ответственных за митоз, клетка мо­ жет оправиться от поражения и возобновить свою нормальную

.деятельность (обратимое действие радиации) или погибнуть (необратимое действие). Существует мнение, что нарушение ми­ тоза может быть причиной смерти клетки.

Нарушение митотической активности клеток зависит от вида излучения и его энергии. Радиобиологический эффект излуче-

121

иий разного вида и неодинаковой энергии, но в одной и той же поглощенной дозе может быть различным.

Биохимическая природа радиационного нарушения в митозе клеток пока неизвестна. Предполагается, что в результате на­ рушения обмена веществ в клетке накапливаются метаболиты,, ингибирующие деление клетки. Например, есть данные, что накопление АТФ тормозит митоз. Установлено, что при облуче­ нии нарушается обмен нуклеиновых кислот. По-видимому, эти нарушения также ответственны за торможение или блокаду митоза клеток. Однако убедительных доказательств о связи между радиационным нарушением синтеза ДНК и торможе­ нием митоза еще нет.

Установлено, что облучение клеток на стадии интерфазы митоза приводит к замедлению процесса и даже его полной остановке. Однако митотические последствия облучения имеют ритмический характер: после уменьшения числа митозов мито­ тическая активность или восстанавливается или даже усили­ вается, затем наступает новый спад ее и новое возвращение к норме или стимуляция и т. д. Объяснение этого эффекта весьма дискуссионно. По крайней мере с внешней стороны, в этом процессе наблюдаются признаки, столь характерные для фи­ зиологической реакции торможения и возбуждения биологи­ ческой системы.

Пострадиационное (после облучения) уменьшение митоти­ ческой активности клеток имеет еще ряд закономерностей. Вре­ мя наступления минимума митотической активности клеток,, длительность и степень торможения митоза зависят от биоло­ гической специфики облучаемых клеток, от дозы излучения и в определенных пределах от мощности дозы излучения. Мито­ тическая радиоустойчивость также значительно различается: для разных клеток. У дрожжей митотическая активность. на­ рушается при дозах около 1000 рад, а у растительных и жи­ вотных организмов — при дозе 50 рад. Падение митотической активности в эпидермисе мыши обнаруживается уже при облу­ чении в дозе около 5 рад.

Вообще следует отметить, что пострадиационное нарушениемитотической активности — весьма чувствительный тест на био­ логическое действие радиации.

Другим морфологическим эффектом, наблюдаемым в клет­ ках после облучения, являются повреждения хромосом (сли­ пание, образование комков, набухание). Такое действие излу­ чения на хромосомы называют диффузным, так как оно не локализовано, а распространяется на всю хромосому. Предпо­ лагается, что диффузное действие излучения на хромосому объясняется какими-то нарушениями в белковой части нуклео* протеидов. Как правило, это действие обратимо: деление клеток продолжается, и образование комков хромосом при последующих делениях не возобновляется. Однако могут быть

122

ограничивающиеся одним или несколькими участками хромо­ сом. Такие морфологические изменения хромосом называются

аберрациями.

Можно указать два типа хромосомных аберраций: поломки, разрывы хромосом и соединение фрагментов разных хромосом. Если нарушенная хромосома восстанавливает свое первона­ чальное состояние, то такой процесс называется реституцией. Соединение фрагментов хромосом приводит к появлению струк­ турно новой хромосомы. Имеющиеся данные показывают, что разрывы хромосом являются следствием не только прямого по­ ражения хромосом ионизирующими частицами, но главным образом следствием косвенного действия через радиационнохи­ мические эффекты. О косвенном действии излучения на появле­ ние хромосомных аберраций свидетельствует кислородный эф­ фект. Установлено, что с увеличением дозы облучения число хромосомных аберраций увеличивается. Наблюдается также зависимость числа хромосомных аберраций от мощности дозы излучения. Облучение в одной дозе, но при большей мощности дозы вызывает больше аберраций, чем при облучении меньшей мощности дозы.

Хромосомные аберрации могут приводить к разным послед­ ствиям: нарушению обмена веществ, задержанию митоза, появле­ нию морфологически видоизмененных клеток и новых генотипов. Крайним случаем является гибель клетки.

Д ействие излучений на целый организм . Выше рассматрива­ лись основные эффекты действия излучений на клетку. Необ­ ходимо отметить, что физиологическое действие радиации на клеточном уровне изучено еще очень мало. Несомненно, что нарушения обмена веществ в клетках, мембранах и других ■структурных элементах клетки приводят к нарушению всего механизма регуляторных физиологических функций клетки, проявляющемуся в ее реакции на внешние условия, в прохож­ дении фаз и стадий роста и развития'клетки. Наиболее изу­ ченным радиобиологическим эффектом, как уже отмечалось,

•является нарушение физиологической функции митоза.

Более изучено физиологическое действие излучений на уров­ не целого многоклеточного организма.

Прежде всего отметим, что у растений и животных нет ка­ ких-либо органов, которые были бы избирательно чувствитель­ ны к радиации. Хотя и могут быть местные локальные радиа­ ционные нарушения тех или иных тканей или органов много­ клеточного организма, однако организм реагирует на любое действие ионизирующих излучений как единое целое.

Используются различные физиологические тесты для опре­ деления радиоустойчивости растений и животных. Наиболее

123

легко учитываемым показателем является смерть организма. Поэтому обычно радиоустойчивость организма характеризуют величиной дозы излучения, при которой происходит его ги­ бель— это есть летальная доза (ЛД). Часто радиоустойчи­ вость организмов оценивают посредством дозы, при которой наступает смерть 50% взятых для испытания особей в течение 30 дней наблюдения — это так называемая доза ЛД^. Возмож­

ны и другие оценки радиоустойчивости организмов. Любая оценка, конечно, условна. Существенное значение имеет воз­ раст организма, во время которого проводится радиобиологи­ ческое исследование, а также его пол. Многочисленные иссле­ дования показывают, что радиоустойчивость зависит от физио­ логического состояния организма и статистический разброс в радиоустойчивости организмов данного вида, данного пола и данного возраста может быть весьма значительным-— как пра­ вило, в пределах целого порядка (табл. 4.1).

Причины различной радиоустойчивости организмов пока не выяснены. Предполагается, что существенное значение имеет содержание в организме веществ, обладающих защитным дей­ ствием. О таких защитных веществах уже говорилось выше. Так как действие радиации на субстрат живых клеток имеет преимущественно косвенный характер (радиолиз воды, обра­ зование свободных радикалов и т. п.), наличие в клетке акцеп­ торов свободных радикалов, выводящих их из дальнейших цепных химических реакций, должно уменьшать. биологическое действие радиации.

Можно отметить лишь общую тенденцию, касающуюся за­ висимости радиоустойчивости от степени организации организ­ мов: чем выше степень биологической организации живых ор­ ганизмов, тем меньше их радиоустойчивость. Крайними члена­ ми биологической систематизации являются микроорганизмы и человек. Некоторые виды микроорганизмов способны выдер­ живать облучение в дозах 106— 107 рад, тогда как для челове­ ка доза в 300—400 рад является летальной. Очень близка к человеку по радиоустойчивости собака.

Опыты показали, что действие излучения на живые орга­ низмы во многом подобно действию других внешних физиче­ ских и химических агентов. В частности, например, действие радиации подчиняется общефизиологической закономерности, характеризующей зависимость физиологического эффекта от дозы: малые дозы стимулируют физиологические функции жи­ вого организма, а большие — угнетают.

Если в качестве меры физиологического эффекта взять отклонение от нормы какого-либо количественного физиологи­ ческого показателя, то указанную закономерность можно схе­

124

(метод предпосевного облучения семян). Облучение семян ряда культур в относительно небольших дозах (порядка 500—- 1000 рад) ускоряет созревание последних, увеличивает массу сельскохозяйственного продукта. Наблюдаются положительные изменения в накоплении в растениях таких ценных веществ, как белки, жиры, витамины и др. В рассмотренных случаях радиостимуляционный эффект имеет интегральный, статистиче­ ский характер. Он проявляется как результат накопления стимуляционных эффектов многих биологических объектов.

Наблюдаются также такие явления, характерные для раз­ дражимых систем, как смена состояния возбуждения и тормо-

Т а б л и ц а 4. 1

Радиоустойчивость некоторых организмов

125

жения. Например, Н. М. Сисакян обнаружил, что рентгеновское

а через сутки тормозит, угнетает. Возможен и обратный физио­ логический эффект: на облучение живой организм отвечает реакцией торможения физиологических функций, а затем тор­ можение сменяется возбуждением. Живой организм может возвратиться в нормальное состояние через прохождение одной

фазы возбуждения и одной фазы торможения (две фазы) или через прохождение нескольких фаз возбуждения и торможения (многофазный процесс восстановления). Такие пострадиацион­ ные явления наблюдаются только при облучении в относитель­ но небольших дозах, при которых возможны эффекты постра­ диационного восстановления нормального функционирования организма. Однако существуют такие критические дозы, кото­ рые организм не может «пережить» — наступает полное расстрой­ ство его функциональной деятельности, развивается так назы­ ваемая лучевая болезнь.

Есть еще одна физиологическая особенность явлений стиму­ ляции и ингибирования при облучении. Дело в том, что если радиоингибцрование — всегда воспроизводимый физиологиче­ ский эффект, то радиостимуляция — более «капризное» явление, оно не всегда наблюдается и не всегда воспроизводится. При­ чины этого еще не ясны. Предполагается, что радиостимуляционные эффекты могут быть столь незначительными, что они прак­ тически не наблюдаются (в пределах погрешности измерений или в пределах чувствительности методов регистрации).

126

Кроме того, живой организм как реактивная, раздражимая система, постоянно подвержен действию других внешних фак­ торов, часто не контролируемых, которые могут оказать, более сильное, чем облучение, воздействие на живой организм

итем самым «затемнить» действие ионизирующих излучений. При рассмотрении физиологического действия радиации

следует различать два случая облучения: общее (тотальное) облучение живого организма и местное (локальное) облучение отдельных его органов и тканей.

Исследование локальных облучений различных органов растений и животных показало, что органы и ткани обладают разной радиоустойчивостью. Обычно в качестве критерия, покоторому определяют радиоустойчивость органов и тканей, бе­ рут появление морфологических изменений в тканях и органах. Например, на основании исследований установлен следующий ряд морфологической радиоустойчивости различных органов млекопитающих: нервная ткань>хрящевая и костная ткань> мышечная ткань>соединительная ткань>щитовидная желе-

этот ряд может измениться. Например, имеются данные о ма­ лой радиоустойчивости (высокой радиочувствительности) нерв­ ной системы с точки зрения ее физиологической актив­ ности.

Если учитывать не только морфологические, но и физиоло­ гические и генетические изменения в органах и тканях, то в общем менее радиоустойчивыми органами являются половые, лимфатические железы, кроветворные органы, более радио­ устойчивыми — мышечная ткань, легкие и печень, промежуточ­ ное положение занимает кожа.

Зависимость радиоустойчивости от возраста обычно связы­ вают с митотической активностью тканей и способностью их к пострадиационному восстановлению. Так, молодые организмы (ранний возраст) более радиочувствительны вследствие боль­ шой скорости деления клеток. Высокая радиочувствительность старых органов связана с ухудшением пострадиационных вос­ становительных свойств старых клеток, старых тканей и орга­ нов. Действие ионизирующих излучений на многоклеточные организмы, подобное действию излучения на отдельные клетки, зависит также от вида излучения, его физических характери­ стик, от внешних условий облучения (температуры, содержания кислорода, питания и т. п.). Например, при одной и той же поглощенной дозе биологическое действие у и a-излучений нео­ динаково. Поражающее действие a-излучения сильнее, чем у-излучения.

Понижение температуры ведет к уменьшению радиобиоло­ гического эффекта.

127

Присутствие кислорода усиливает действие ионизирующих излучений. Улучшение питания организма обусловливает боль­ шую радиоустойчивость организма. Существенное значение имеет распределение дозы облучения во времени. Одну и ту же дозу можно дать организму или за короткое время — боль­ шая мощность дозы излучения, «ударное» облучение («лучевой удар»), или распределить ее на длительный период — малая мощность дозы излучения (хроническое облучение).

Исследования показывают, что чем меньше мощность дозы излучения или чем больше заданная доза «растянута» во вре­ мени (непрерывно или дробно), тем больше вероятность вос­ становления нарушений в организме и тем меньше поражаю­ щее действие излучения.

§ 4. ГЕНЕТИЧЕСКОЕ ДЕЙСТВИЕ ИЗЛУЧЕНИЙ *

Первые сообщения о влиянии ионизирующих излучений на наследственность относятся к 1903— 1925 гг. Наиболее убеди­ тельные доказательства генетического действия излучений получили в 1925 г. советские ученые Г. А. Надсон и Г. С. Фи­ липпов в опытах по рентгеновскому облучению дрожжей, а также Мёллер в 1927 г. в опытах по облучению плодовой мушки (дрозофилы).

В настоящее время имеется достаточно доказательств, что наблюдающееся генетическое действие излучений связано с прямым или косвенным повреждением наследственного аппара­

та хромосом— ■молекулярной и надмолекулярной структур

днк.

Структурные изменения в хромосомах, вызванные воздей­ ствием ионизирующих излучений и приводящие к появлению новых биологических форм в процессе размножения клеток или организмов, получили название радиомутаций.

При рассмотрении мутагенного действия ионизирующих излучений следует различать: 1) действие радиации на сома­ тические клетки, размножающиеся путем автономного деле­ ния-митоза; 2) действие радиации на половые клетки, испы­ тывающие деление после процесса оплодотворения.

В первом случае возникающие радиомутации называются

соматическими, во втором — гаметическими. Гаметические му­ тации, обусловленные структурными изменениями в хромосомах половых клеток, приводят к появлению новых биологических форм у нового поколения.

У растений и животных могут возникнуть соматические му­ тации в тканях облучаемого растения или животного — появле­ ние в различных органах видоизмененных клеток. Если при

* П р е д п о л а га е т ся , ч то у ч а щ и е ся зн а к ом ы с о с н о в а м и о б щ е й и м о л е к у ­ л я р н ой генети ки .

128

этом не затрагиваются клетки генеративных органов, то воз­ никшие соматические мутации новому поколению не переда­ ются. Предполагается, например, что одной из причин возник­ новения раковых опухолей являются соматические мутации, в частности соматические мутации, вызванные ионизирующими излучениями.

Мутации могут возникать и в естественных условиях под действием различных физических и химических природных фак­ торов, а также самопроизвольно (спонтанно) в результате естественных статистических погрешностей в биосинтезе ДНК. Эти естественные мутации — одна из причин наследственной изменчивости живых организмов. Все мутации, вызываемые экспериментальным путем, называются искусственными, или экспериментальными (экспериментальный мутагенез). Естест­ венные и искусственные мутации неразличимы. Не обнаружено до сих пор каких-либо факторов, способных создавать специ­

и случайные явления, подчиняющиеся статистическим законо­ мерностям. Поэтому надо зарегистрировать достаточно много случаев, чтобы получить достоверные доказательства мутаген­ ного действия того или иного экспериментального фактора, например, радиации или химических веществ (химический мутагенез).

По структурному механизму возникновения различают то­ чечные и аберрационные мутации. К точечным мутациям отно­ сят такие нарушения хромосом, которые не могут быть обнару­ жены доступными техническими средствами. К аберрационным мутациям относятся такие мутации, которые обусловлены хро­ мосомными аберрациями. Это могут быть изменения числа хромосом (гаплоидность, полиплоидность, анеуплоидность), изменения структуры хромосом (выпадение участка хромосо­ мы, удвоение участка хромосомы, инверсия участков хромосом, ббмен участками хромосом, или транслокация).

По фенотипическому эффекту различают видимые и леталь­

хромосомах могут быть восстановлены. Однако вероятность та­ ких обратимых процессов очень мала. При этом вероятность восстановления точечных мутаций значительно больше, чем аберрационных, так как последние представляют собой более глубокие нарушения хромосомного аппарата клеток. Часто для интерпретации данных по экспериметальному мутагенезу ис-