Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Радиационная экология. Учебное пособие
.pdf
51
Большое влияние на степень поглощения продуктов радиоактивного де-
ления оказывает химический состав корма для сухопутных животных или во-
ды для водных организмов. Например, с увеличением концентрации стабильного цинка в корме животных уменьшается резорбция цинка-65 в ЖКТ. Корм, богатый кальцием, снижает поступление стронция-90, а снижение кальция в пище
увеличивает аккумуляцию стронция.
У холоднокровных животных накопление радионуклидов возрастает с
увеличением температуры окружающей среды.
Установлено значение каждого из каналов загрязнения для растений.
В первые годы после ядерных взрывов значительная часть радионуклидов поступает через листья. В Англии, например, только 20 % радиостронция, обнаруженного в молоке коров, поступило в корм через корневое питание растений,
а 80 % было усвоено через листву и из дернины. В США В 1959 Г. подсчитали,
что 90 % радиостронция в зерне пшеницы было накоплено через листву. В последующие годы в связи с резким сокращением ядерных взрывов в атмосфере и
постоянным истощением стратосферного резервуара радионуклидов относительно большее значение приобрел корневой путь усвоения радиостронция из
кумулятивных запасов радионуклидов в почвах.
Поглощение растениями радиоактивных продуктов деления из почвы за-
висит от таких ее свойств, как механический и минералогический состав, химизм, количество гумусовых веществ и т.д. Например, в одном из опытов в
зерне овса, выращенного на супесчаной дерново-подзолистой почве, содержание строндия-90 оказалось в 4 раза выше, чем на суглинистой, и в 36 раз выше,
чем на черноземе; хотя во всех трех типах почв содержание стронция было
одинаково.
Радионуклиды стронция и цезия интенсивно поступают в растения
и в значительных количествах накапливаются в вегетативных органах, а иногда
и в семенах. В то же время Zr95, Ru
106
, Ce
144
, Y91 сравнительно слабо поглоща-
ются растениями и в очень малых количествах поступают в надземные части.
Еще слабее поглощается из почвы самый опасный продукт атомного производства ― плутонйй-239, который к тому же почти целиком задерживается корневой системой. Но плутоний-239 может накапливаться в растениях за счет поступления через листву.
Радиоактивные изотопы, выпадающие в виде слабо растворимых соеди-
нений, плохо аккумулируются растительностью и всасываются в желудочнокишечном тракте сельскохозяйственных животных, а хорошо растворимые соединения относительно легко включаются в биологический круговорот веществ.
52
Коэффициенты концентрации продуктов
радиоактивного распада и распределение
продуктов радиоактивного распада
Способность организмов накапливать радионуклиды определяется коэф-
фициентами концентрации, в которых выражено отношение содержания ра-
диоизотопа в растении или животном к его содержанию в питательном растворе, пище или среде обитания. Если коэффициент концентрации больше 1, про-
исходит накопление радионуклида, если меньше — его дискриминация. Коэффициенты концентрации могут изменяться в зависимости от физикохимических условий среды, возраста организма, особенностей его питания и
других причин.
Растения на суше могут накапливать радиоактивные элементы в концен-
трации на 2‒4 порядка выше, чем их содержание в питательном растворе. Очень
большие количества некоторых радионуклидов способны накапливать водорос-
ли: известны случаи, когда их активность в 7‒10 тыс. раз превышала активность
воды, в которой они обитали. Еще больше радиоактивных веществ накапливают
животные-фильтраторы: например, устрицы аккумулировали в своих тканях
в 200 тыс. раз больше цинка-65, чем была его концентрация в морской воде.
У наземных животных резко проявляется закономерносгь уменьшения
коэффициента концентрации по мере увеличения размеров организмов. Хищ-
ники, переваривающие скелет жертв, могут накапливать стронция-90 в 10 раз
больше на единицу веса, чем у их жертв, и в 300 раз больше, чем содержится
радионуклидов в растительности.
Коэффициенты концентрации показывают, что у водных животных коли-
чество накопленных радионуклидов превышает в сотни и тысячи раз содержание
их в воде. Для сухопутных животных коэффициенты концентрации невелики.
Биологически значимые элементы (например, фосфор) аккумулируются
животными в большей степени, чем второстепенные.
Сравнительная радиочувствительность организмов
Сравнительная радиочувствительность организмов зависит от многих
факторов [4]:
1. От уровня организации. Как правило, чем проще организован орга-
низм, тем ниже его радиочувствнтельность, которая особенно низка у бактерий. Ионизирующие излучения поражают сильнее всего интенсивно размножа-
53
ющиеся клетки или же клетки с крупными ядрами и хромосомами. Видимо, немалую роль в радиочувствительности играет и степень интеграции, а также
уровень организации нервной системы, так как замечено, что более высокоорганизованные в этом отношении животные являются наиболее радиочувствительными.
Микроорганизмы — бактерии, простейшие, дрожжи и др. — в целом
наиболее радиоустойчивы, и их радиочувствительность может варьировать
в очень широких пределах. Среди представителей этого класса встречаются организмы, выдерживающие миллионы рад, и чувствительные уже к нескольким
рад. Известны случаи, когда бактерии жили в воде охлаждающего контура
атомных реакторов.
Растения в целом несколько более радиочувствительны, но диапазон радночувствительности почти на порядок сужен. Радиочувствительность растений
в самых общих закономерностях ниже, чем у животных, но и среди растений
есть крайне чувствительные к ионизирующей радиации виды, например, сосна
(не намного отличается в некоторые периоды по этому показателю от человека).
При переходе в мир животных значительно повышается чувствительность, резко суживается и область различий. К самым радиочувствительным
организмам принадлежат теплокровные животные, и человек почти венчает по
радиочувствительности эту лестницу.
Из приведенных цифр мы видим, как значительно разнится
радиочувствительность одноклеточных организмов, сильно варьируясь даже у
различных штаммов одного и того же вида.
Большой материал по радиочувствительности растений был получен при
облучении семян и наблюдении за их развитием вплоть до гибели, а также при
изучении развития растений на гамма-полях (т.е. в условиях постоянного облучения в течение всего вегетационного периода).
Представители животного мира также сильно разнятся по радиочувствительности, и она может отличаться в сотни и тысячи раз.
Степень чувствительности животных определяется величиной дозы ионизирующей радиации, вызывающей гибель половины облученных животных за
30 дней (LD50/30). Полулетальная доза рентгеновых и γ-лучей для млекопитающих, наиболее радиочувствительных животных лежит между 200‒1 500 рад.
Наиболее устойчивы к ионизирующим излучениям насекомые.
Очень часто по непонятным причинам резко отличаются по радиочувствительности даже близкие виды животных. Отличия в радиочувствительности касаются и отдельных органов, и систем органов в сложном организме.
О радиочувствительности органов и систем органов человека мы уже говорили.
54
При облучении животного в первую очередь страдают кроветворная
ткань (костный мозг, лимфатические узлы, селезенка) и эпителий кишечника.
Именно в этих тканях идет постоянное деление клеток, поставляющих смену
недолговечным клеткам крови (лимфоцитов в первую очередь) и кишечного
эпителия. Прекращение деления, размножения этих клеток и приводит организм к гибели. Клетки мышечной ткани с невысоким митотическим индексом
относительно устойчивы и могут перенести значительную дозу облучения без
утраты своих функций.
Особое положение у млекопитающих занимает ткань мозга —
центральной нервной системы (ЦНС). У взрослого организма клетки головного
мозга не делятся, поэтому они морфологически не гибнут даже при высоких
дозах облучения. Долгое время ткань ЦНС рассматривалась как самая
радиоустойчивая ткань высших организмов. Однако дальнейшие исследования
показали, что функции ЦНС, регулирующие, интегрирующие все процессы в
организме млекопитающих, видоизменяются даже при небольших дозах
облучения. Наблюдаются изменения в поведении, условных рефлексах, в
регуляции обмена веществ ЦНС. Облучение ЦНС изменяет функции желез
внутренней секреции, в тканях развиваются процессы, сходные с таковыми при
непосредственном их облучении [4].
2. От возраста. Имеются определенные возрастные отличия в радиочувствительности животных. Например, 3-часовые эмбрионы дрозофилы погибают
при дозе в 170‒200 рад, 5-часовые — при ~500 рад, а эмбрионы в возрасте
7,5 ч — при 810 рад. Куколки дрозофилы гибнут при дозе 2 800 рад, взрослые
мушки — только при 85 000 рад [4].
3. От географических условий (высоты над уровнем моря, величины
инсоляции и химического состава почв). Интересно, что некоторые виды
млекопитающих, живущие в суровых условиях пустынь, значительно более
устойчивы к ионизирующим излучениям по сравнению с млекопитающими из
других ландшафтных зон. Поэтому при облучении биоценоза и популяции от
внутренних и внешних источников в разных географических районах биологическое действие радиации будет неодинаковым. Более устойчивы к действию
радиации и животные, обитающие на территории геохимических провинций с
повышенным содержанием в почве естественных радиоактивных элементов:
урана, радия, тория [4].
Можно ожидать, что более высокой радиоустойчивостью будут
отличаться и многие виды высокогорных животных и растений, ибо в процессе
эволюции им пришлось долгое время обитать в условиях значительно более
высокого фона космического излучения.
55
Если говорить о сложном организме млекопитающих и судить о
радиочувствительности по выживаемости, то решающее значение будет иметь
облучение так называемых критических систем, к которым в первую очередь
принадлежит система кроветворения ― костный мозг и лимфатическая ткань.
Быстроделящиеся клетки костного мозга очень радиочувствительны. После
облучения даже в малых дозах падает содержание белых клеток крови
(лейкоцитов, лимфоцитов).
Процессы восстановления зависят от количества сохранившихся при облучении так называемых стволовых клеток, дающих начало новому ряду делящихся. Стволовые клетки в состоянии покоя более устойчивы к действию радиации. Количество покоящихся стволовых клеток и их устойчивость к действию
радиации могут быть неодинаковы у разных организмов, что существенно
скажется и на выживаемости организма в целом.
Так же и при облучении растений: в первую очередь страдают делящиеся
клетки меристемной ткани, кончиков корней, верхушек роста. Однако в целом
в растении всегда имеются клетки, находящиеся в глубоком покое (например,
осевые клетки корня). Они более устойчивы и, переходя к делению, могут
обеспечить выживание всего растения и его дальнейшее развитие.
Из этих примеров видно, что различная радиоустойчивость сложных организмов в конечном итоге сводится к различной радиоустойчивости клеток.
Таким образом, разгадку тайны различной радиочувствительности в живом мире надо искать в причинах неодинаковой радиочувствительности клеток.
1.7. Радиоэкология популяций
Условия накопления радионуклидов в популяциях
Накопление радионуклидов в популяции зависит от многих факторов, в
том числе [4]:
1. От рельефа местности. Радиоактивные вещества неравномерно за-
грязняют поверхность суши даже на ограниченных участках. Рельеф местности,
наличие лесов, водоемов, изрезанность опушек и т.п. существенно влияют на
количество оседающих радионуклидов, переносимых ветром в виде аэрозолей.
При локальных аварийных выбросах наибольшие уровни загрязнения отмечены
в понижениях рельефа, с наветренной стороны опушек леса или строений. Ес-
ли степень загрязнения ровного задернованного участка почвы при прохожде-
56
нии радиоактивного облака принять за единицу, то на наветренной опушке леса
степень загрязнения составит 2,8, в лесу — l,4, на пашне — 0,3, а на асфальтовом шоссе — 0,05.
Продукты радиоактивного деления из глобальных выпадений больше
всего осаждаются в местах с повышенным количеством атмосферных осадков
и на возвышенностях. При выпадении осколков деления со снегом обнаружи-
вают более высокие уровни радиоактивности почвы в местах зимних ветровых
наносов. Естественно, что с наветренной стороны плотность осаждения радио-
активных элементов будет выше, чем с подветренной.
2. От размера индивидуальных кормовых участков животных. Вели-
чина накопления радионуклидов популяциями при загрязнении продуктами радиоактивного деления небольших участков определяется размерами индивиду-
альных кормовых участков животных. Животные с большими индивидуальными участками (лоси, медведи, волки, орлы) будут относительно мало контактировать с пораженными участками и потреблять немного загрязненного радионуклидами корма. Мелкие животные, такие как грызуны, насекомоядные, некоторые птицы, многие насекомые, обитающие на загрязненных территориях,
постоянно находятся в загрязненном биоценозе и потребляют загрязненную
пищу, во всяком случае в период выведения потомства. На местах захоронений
радиоактивных отходов в США мелкие животные — мыши и крысы — концентрировали намного большее количество радиоизотопов, чем калифорнийские
зайцы, у которых индивидуальные участки были значительно больших размеров. Наконец, самые мелкие животные, главным образом почвенные (дождевые
черви, личинки насекомых, многоножки), обитающие на очень ограниченной
площади, часто не более 1 м2, испытывают воздействие даже от самых незначительных колебаний в загрязненности почвы [4].
В связи с неравномерностью выпадения радионуклидов на суше перечисленные животные в пределах своего индивидуального участка сталкиваются с
разными уровнями загрязнения.
3. От возрастной и половой структуры популяции. Популяция живот-
ных одного вида состоит из разных возрастных и половых групп. Эти группы
отличаются по морфологическому строению, поведению, а главное, по физиологическим свойствам (наблюдаются различия солевого и водного обмена, различия интенсивности обмена веществ), поэтому у них имеются отличия и в
накоплении радионуклидов [4].
57
В естественных популяциях мелких млекопитающих и птиц, обитающих
на участках, локально загрязненных радиоактивными стронцием и цезием,
найдены различия в концентрации этих радионуклидов разными возрастными
группами животных.
Половые различия в накоплении радиоизотопов в популяциях животных
найдены только в период размножения, когда у самок значительно изменяются
интенсивность и характер обмена во время беременности и лактации;
4. От сезона года. Сезонная зависимость накопления радионуклидов
связана с сезонными изменениями интенсивности обмена веществ и сезонной
сменой кормовой базы животных. Интереснейшие данные по сезонным
изменениям содержания радионуклидов получены в тундрах Аляски для
северных оленей и оленей карибу [4].
В мышцах оленей больше всего радионуклидов зимой, когда они
питаются в основном лишайниками, хорошо сорбирующими изотопы из
воздуха. Летом при переходе на питание травой и ветвями кустарников
концентрация радионуклидов надает. То же самое в популяции грызунов.
Действие радиоактивных изотопов
и ионизирующих излучений на популяцию
В популяциях при воздействиях на них ионизирующих излучений от
депонированных особями радионуклидов или от внешних источников
возникают изменения в продолжительности жизни, плодовитости и других
показателях [4]:
1. Увеличивается смертность. Даже сравнительно небольшие дозы
стронция-90 увеличивают смертность животных в популяции. Содержание
в воде 10-5 Ки/л стронция вызывало быструю гибель пресноводных дафний.
Из населения рыб оз. Уайт-Ок в США, загрязненном продуктами
радиоактивного распада, очень быстро исчез ушастый окунь.
Известны случаи, когда при облучении леса γ-лучами при ежедневной
дозе 50 рад отмечалась гибель птиц.
На участках, загрязненных стронцием-90 с плотностью 1,8‒3,4 мКи/км2,
обнаружена повышенная смертность в популяции грызунов, причем
наибольшая ― в осенний и зимний периоды. Эти периоды, особенно зима, в
условиях средних широт являются неблагоприятными и особенно суровыми
для животных, и именно в это время года в пораженной ионизирующей
радиацией популяции полевок гибнет больше половины животных —
58
значительно больше, чем в контроле. Это может служить косвенным
доказательством ослабления животных в результате постоянного воздействия
ионизирующих излучений.
2. Ослабляются адаптационные механизмы и снижается устойчивость
(резистентность). Радиационное поражение наземного биоценоза приводит
к ослаблению входящих в него видов. Следствием этого ослабления является
большая пораженность животных эктопаразитами, например, млекопитающих ― блохами и клещами-кровососами. В свою очередь повышенная интенсивность поражения кровососами вместе с ослаблением иммунитета животных
создает благоприятные условия для широкого распространения очагов трансмиссивных и других природноочаговых болезней и к оживлению циркуляции
вируса в существовавших очагах. Так как к природноочаговым болезням относятся такие, как чума, клещевой энцефалит, клещевой сыпной тиф и другие тяжелейшие болезни человека, надо иметь в виду и этот аспект действия радиации на естественные биоценозы;
3. Снижается продолжительность жизни животных. В оз. Уайт-Ок в
США, загрязненном продуктами радиоактивного распада, продолжительность
жизни всех видов рыб уменьшилась по сравнению с длительностью жизни этих
видов в незагрязненных водоемах.
4. Обычно у облученных животных снижается плодовитость и
сокращается период размножения.
5. Ионизирующее излучение влияет на поведение животных. Радио-
экологи США в течение нескольких лет облучали γ-лучами муравейник. В
наиболее сильно облучаемом месте муравьи построили траншею, крытую различными растительными остатками. Сложилось впечатление, что они умышленно защищались от облучения, но возможно, что строительство траншеи явилось результатом нарушения, вызванного радиацией в травяном покрове, а не
прямым действием излучения.
В лабораторных экспериментах удалось установить, что млекопитающие
могут определить местоположение источника ионизрующей радиации. Так,
в специальных клетках, где был расположен точечный цезиевый источник
мощностью 0,001 рад/с, полевки строили свои гнезда на наибольшем расстоянии (которое было возможно) от источника.
Величина мощности дозы, которую начинают избегать животные, различна для разных видов. В лабораторных опытах было найдено, что морские
свинки избегают дозу, равную 0,0017 рад/с, крысы — 0,0127, а обезьяны —
0,008 рад/с [4].
59
Облучение лесного биоценоза γ-лучами средней дозой за 21 день
4 308 рад вызвало у грызунов изменения в поведении: снижение агрессивности
и осторожности, повреждение двигательных рефлексов и равновесия, потерю
ориентировки и общее сокращение подвижности;
6. Высокие уровни загрязнения территории неблагоприятно дей-
ствуют на растения. У растений наблюдается угнетение роста, быстрое ста-
рение, морфологические нарушения, иногда и исчезновение некоторых видов из
биоценоза. Даже невысокие дозы облучения (3,5 рад за вегетационный период)
неблагоприятно сказываются на развитии бобов, а концентрации урана и радия
в размере 10-2‒10
-7
% вызывали задержку роста стебля и листьев, а также со-
кращение урожая [4].
После взрыва американцами термоядерной бомбы в районе нескольких
коралловых рифов около Маршалловых островов в 1954 г. в растительном
покрове атоллов через год-два не было замечено серьезных изменений.
Но более поздние (а может быть, и более тщательные) исследования позволили
выявить множество патологических изменений отдельных растений — гибель,
усыхание верхушек, хлороз, потерю листвы — и полное исчезновение
некоторых видов. Ослабленные в результате действия ионизирующей радиации
растения сильнее поражаются вредителями.
Поглощение радионуклидов растениями зависит от свойств почвы и химических особенностей соединений, в состав которых входит радиоизотоп.
Реакции человеческой популяции
Популяция — это население, занимающее определенные климатографические пространства и воспроизводящее себя на занимаемой территории в течение большого (не менее пяти) числа поколений.
Как и при формировании иммунитета, процесс приспособления популяции к факторам среды развивается по принципу «ключ к замку». Замком (закон
Либиха) является специфичный для данной среды набор факторов, в том числе
микроэлементный, витаминный, аминокислотный, радионуклидный состав среды, мощность и спектр электромагнитных (ионизирующих, ультрафиолетовых,
СВЧ) радиационных, звуковых (информационных) воздействий. Ключом является популяционный фенотип, т.е. сформировавшиеся генетически фиксированные ферментно-гормональные особенности обмена веществ, традиции питания и поведения [4].
60
Как и функции отдельного организма (дыхание, кровообращение,
выведение), человеческий популяционный фенотип имеет мощные
функциональные резервы, позволившие адаптироваться на практически всех,
чрезвычайно разных, в том числе и радиоактивных, геохимических и
климатических провинциях Земли.
Исследования адаптивных реакций показывают, что адаптационная
перестройка обмена веществ у населения, осваивающего Север, протекает не
менее 10‒15 лет. Окончательная адаптация, судя по обследованиям староверов,
с полной генетической фиксацией фенотипа происходит в пяти-шести
поколениях переселенцев.
Аналогичные процессы прослеживаются и у населения Западной Европы,
США. Внезапная техническая революция XIX в. сопровождалась техногенными
загрязнениями, концентрацией населения в городах (урбанизацией), ломкой
устоявшихся отношений и критериев ценностей. Наблюдалась резкая иммунная
напряженность (рост частоты воспалительных процессов органов дыхания, мочевыделения), нейроэндокринная напряженность, снижение продолжительности
жизни до 40‒50 лет. Но в последующих пяти-шести поколениях ситуация сменяется ростом продолжительности жизни до 80 лет и выше, стабилизацией здоровья при неизменных, а в ряде случаев ухудшившихся характеристиках среды.
Радиационный фактор, стационарный на протяжении последнего миллиона лет, ведет в случае перемены к аналогичным адаптационным последстви-
ям. Процесс протекает по двум эволюционно отработанным вариантам [4]:
1. Экстренная энергоемкая детоксикация токсических метаболитов.
Метаболиты накапливаются вследствие конфликта нового уровня радиационных воздействий и генетически закрепленного дорадиационного типа обмена
«в ― в» (несоответствие старого «ключа» новому «замку»).
При этом мобилизуются > 30 дополнительных ферментов (трансфераз),
наблюдаются постоянные неадекватные функциям клеток энергозатраты. Все
это сопровождается дополнительным смещением энергетики клеток в сторону
пероксидного окисления липидов (ПОЛ), повышенным выходом свободных радикалов, ускоренным старением клеток, организма в целом и популяций;
2. Реорганизация обмена веществ. Параллельная цепь реакций направ-
лена на эффективную, более «рентабельную» реорганизацию обмена «в ― в»
(использование ПОЛ в качестве ведущего ферментозащищенного процесса
энергопродукции у аборигенов Севера, повышенная цитохромная активность у
жителей высокогорья и др.). С наибольшей скоростью такие процессы протекают в микрофлоре.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]