Радиобиология с основами радиоэкологии

10. Радиочувствительность организмов различных таксономических групп 291

в том числе и гибели всего организма. Они получили название критических органов, под которыми понимают отдельные органы, ткани и структурные образования, повреждение ко­ торых при облучении организма вызывает нарушения жизне­ деятельности. С.П. Ярмоненко (1988), конкретизируя данное понятие, дает ему такую формулировку: «Под критическими органами понимают жизненно важные органы или системы, первыми выходящие из строя в исследуемом диапазоне доз из­ лучения, что обусловливает гибель организма в отдаленные сроки после облучения».

Понятие о критических органах впервые сложилось в радиобиологии животных, и к ним относятся такие постоянно обновляющиеся органы и ткани, как кроветворные – красный костный мозг, селезенка и др., эпителий крипт желудочно-ки- шечного тракта, половые железы, эндотелий кровеносных сосудов, бронхиальный эпителий, эпидермис кожи, активные остеобласты скелета, хрусталик глаза и др., их клетки находятся в состоянии деления. Именно они являются самыми радиочувствительными тканями млекопитающих, в том числе и человека, ответственными за исход заболевания, возникающего при определенных формах радиационного поражения, именно их повреждение приводит к развитию костно-мозгового, желудоч- но-кишечного и других синдромов, обусловливающих лучевую болезнь и гибель организма.

Красный костный мозг наряду с половыми железами – гонадами у животных относится к наиболее радиочувствительным из всех критических органов. Основное назначение костного мозга – продукция зрелых высокодифференцированных клеток крови, гонад – продукция яиц и сперматозоидов.

Вследствие крайне высокой радиочувствительности костного мозга поражение системы кроветворения является едва ли не первым симптомом радиационного поражения млекопитающих. При облучении человека в дозе всего 0.1 Гр удается отмечать нарушения в делении клеток костного мозга (напомним, что признаки легкой формы лучевой болезни наблюдаются лишь при дозе, в 10 раз большей). Именно поэтому характерной реакцией на облучение при любых формах радиационного поражения являются изменения в соотношении между отдельными элементами крови.

В то же время если защитить путем экранирования свинцом небольшой участок костного мозга (трубчатых костей, позвонков, грудины) или пересадить смертельно облученному индивидууму костный мозг здорового донора, то можно полностью предотвратить гибель при дозе 10 Гр (летальная доза для человека 5–6 Гр).

Таким образом, составляя всего около 1.5% массы человека, костный мозг является одним из главных органов, определяющих его радиоустойчивость.

292Радиобиология с основами радиоэкологии

Увысших растений аналогичными свойствами обладают меристемы – образовательные ткани, длительное время, иногда всю жизнь сохраняющие способность к делению и образованию новых клеток, а также дифференцированных производных. Именно клетки меристем обусловливают постоянный рост и увеличение биомассы на протяжении всей жизни растения. Вследствие высокой пролиферативной активности клетки меристем, как и критических органов животных, обладают высокой чувствительностью к облучению. Радиационное повреждение меристем приводит к повреждению и лучевой болезни всего растения, а гибель этих органов – к гибели растения. Экранирование апикальных меристем корня и побега трехчетырехдневных проростков конских бобов (у взрослого растения защитить многочисленные меристемы, находящиеся во

всех органах, невозможно) позволяет сохранить жизнеспособность при g-облучении в дозах, в десятки раз превышающих летальные.

Именно поэтому меристемы растений были совершенно обоснованно названы критическими органами растительного организма (И.Н. Гудков, 1975). С этих позиций радиоустойчивость растений следует рассматривать прежде всего как радиоустойчивость их меристем, которая определяется способностью сохранять постоянный клеточный состав и поддерживать нормальные темпы клеточного размножения при облучении.

По аналогии с животными к критическим органам эукарио­ тических растений следует отнести и их генеративные органы, выполняющие функцию полового размножения, которые также обладают высокой радиочувствительностью.

10.3. Причины широкой вариабельности радиочувствительности организмов

Как свидетельствуют данные, приведенные в предыдущих разделах, живые организмы не только разных царств, но и разных классов, семейств, родов, видов и даже сортов могут весьма существенно различаться по радиочувствительности. Каковы же причины этих различий? Первое, что совершенно очевидно, связь радиочувствительности и степени сложности организации живой системы. Самые простые организмы – вирусы и бактерии, обладают наиболее высокой радиоустойчивостью. При переходе от одноклеточных к многоклеточным организмам их радиоустойчивость понижается. Она становится еще ниже у простейших, амеб, кишечнополостных, насекомых и так далее, достигая минимального уровня, т.е. максимальной радиочувствительности, у самых высокоорганизованных животных – млекопитающих и высших цветковых растений.

10. Радиочувствительность организмов различных таксономических групп 293

Но ведь не существует принципиальных отличий в строении и организации морской свинки и кролика, радиочувствительность которых различается почти на порядок. Тем более нет существенной разницы между хомяком и монгольской песчанкой, принадлежащей к подсемейству хомяковых. Однако значения их полулетальных доз различаются в два раза. Еще порази­ тельней примеры из подцарства высших растений. Нет особых отличий в строении и организации растений из семейства бобовых и сложноцветных. Это достаточно сложные дифференцированные живые системы – высшие организмы, размножающиеся половым путем, характеризующиеся подобными морфологическими признаками (корень, стебель, листья, цветки, плоды). Тем не менее, радиочувствительность представителей отдельных видов может различаться в десятки раз. Это крайне удивительно и не перестает поражать исследователей. Тем более, что основные процессы обмена веществ на клеточном уровне, такие как синтез нуклеиновых кислот, анаэробный и аэробный гликолиз, цикл трикарбоновых кислот, окислительное фосфорилирование и многие другие, очень сходны не только для животных и растений, но и бактерий. Основные компоненты живой клетки различных организмов, несущие ответственность за радиационное поражение, – нуклеиновые кислоты, белки-ферменты – обладают примерно одинаковой чувствительностью к ионизирующим излучениям. По-видимому, различия в радиочувствительности организмов отдельных таксономических групп следует объяснять состоянием, организацией и свойствами структур, в состав которых входят эти биополимеры.

К настоящему времени известно довольно большое количество факторов, от которых в той или иной степени зависит радиочувствительность. Их можно разделить на две основные группы – структурные и функциональные факторы. К первым следует отнести объем клеточных ядер и хромосом, число хромосом и плоидность, ко вторым – интенсивность метаболизма, функциональное состояние отдельных тканей и органов, физиологическое состояние генома, этап онтогенеза, содержание различных природных соединений, влияющих на радиочувствительность (антиоксидантов, макроэргов, физиологически активных веществ, природных радиопротекторов и радиосенсибилизаторов), способность к пострадиационному восстановлению, к образованию при облучении токсических веществ.

Неоднократно делались попытки найти корреляцию между каким-либо из этих факторов и радиоустойчивостью для организмов различных систематических подразделений. Эти поиски лишь убеждают, что радиочувствительность является комплексным признаком, обусловленным перечисленными факторами и, по-видимому, некоторыми другими. Тем не менее, отдельные корреляции заслуживают того, чтобы на них остановиться.

Наиболее интересна попытка группы американских исследователей во главе с А. Спэрроу найти связь между радиочувствительностью и размерами ядер и хромосом – структурными признаками, которые являются самой стабильной генетической предопределяемой характеристикой видов. Такая работа была начата с высшими растениями, потому что давно уже было известно, что их виды различаются по этим показателям в десятки раз. Вначале было показано, что существует определенная корреляция между средним объемом клеточного ядра в интерфазе у меристематических клеток и мощностью дозы ежедневного g-облучения, необходимого для определенного замедления роста растений. Эта зависимость для 23 диплоидных видов растений показана на рис. 10.6. Объем ядра меняется от 23 до 1000 мкм3. Виды растений с меньшим объемом ядра, как правило, обладали более высокой радиоустойчивостью. В целом, при общей тенденции данная закономерность далеко не всегда имеет место.

Более тесная связь установлена между радиочувствительностью растений и объемом их хромосом. Растения отдельных видов обладают очень варьирующими по величине хромосомами. Это видно на микрофотографии рис. 10.7, на которой изображены, с одной стороны, хромосомы триллиума (расте-

Рис. 10.6. Связь между объемом ядра и мощностью дозы γ-облучения, обусловливающей одинаковую степень угнетения ростовых процессов (А. Спэрроу, 1966):

1 – лук репчатый, 2 – укроп огородный, 3 – львиный зев садовый, 4 – резушка Таля, 5 – бординея ярко-красная, 6 – граптопеталюм Бартрама, 7 – хавротия полосатая, 8 – подсолнечник однолетний, 9 – недотрога обыкновенная, 10 – ожика пурпуровая, 11 – табак культурный, 12 – кислица прямая, 13 – горох посевной, 14 – редька посевная, 15 – клещевина обыкновенная, 16 – фиалка африканская, 17 – очиток едкий, 18 – традесканция приречная, 19 – традесканция виргинская, 20 – триллиум крупноцветковый, 21 – тульбагия душистая, 22 – бобы конские и 23 – кукуруза кремнистая.

10. Радиочувствительность организмов различных таксономических групп 295

Рис. 10.7. Микрофотография хромосом различных видов растений, иллюстрирующих широкие колебания их размеров (увеличение в 1850 раз, А.Х. Сперроу, 1966): 1 – триллиум, 2 – ноголист, 3 – скерда, 4 – очиток.

ние из семейства лилейных), обладающего высокой радиочувствительностью, а с другой – едва видимые хромосомы очитка (заячья капуста, растение из семейства толстянковых), отлича-

ющегося высокой радиоустойчивостью. Глубоко округленную величину объема хромосом растений разных видов А. Спэрроу получал путем деления значения объема ядра в интерфазе на число хромосом, подсчитывая в метафазе. Была продемонстрирована четкая корреляция между этим признаком и радиочувствительностью: чем больше объем хромосомы, тем выше радиочувствительность.

Сначала эта зависимость была показана для нескольких сотен видов высших растений. В последующем работа была расширена – для изучения были взяты организмы самых различных систематических групп: млекопитающие,­ амфибии, дрожжи, бактерии,­ вирусы. И во всех случаях удалось найти корреляцию между объемом хромосом и радиочувствительностью. В логарифмической системе координат эта связь с хорошим приближением описывается прямой линией. Обобщив все свои результаты, А. Спэрроу объединил различные организмы в зависимости от их радиочувствительности в отдельные группы, которые он назвал радиотаксонами (рис. 10.8).

В биологии под термином таксон понимают группу организмов, связанную той или иной степенью родства и достаточно обособленную, чтобы ей можно было присвоить определенную таксономическую категорию того или иного общепринятого в систематике ранга. В восьми радиотаксонах А. Спэрроу объединил живые организмы по их определенному свойству – радиочувствительности. Некоторые из них включают представителей нескольких классов и даже царств организмов – например, таксон 5 объединяет дрожжи, бактерии и млекопитающих. В то же время вирусы занимают первые три радиотаксона и даже включены в четвертый. По четырем таксонам распределены бактерии.

Не стоит судить о данном подходе с позиций современной биологической номенклатуры. Главное в нем то, что достоверно в пределах отдельных систематических групп, например, высших растений, водорослей, бактерий, показана вполне удов-

Рис. 10.8. Связь между объемом хромосом и дозой облучения для восьми радиотаксонов (А.Х. Сперроу и соавторы, 1968): 1 – РНК-вирусы, 2, 3 – ДНК-вирусы, 4 – вирусы, 5 – дрожжи, бактерии, млекопитающие; 6 – бактерии, водоросли, амфибии; 7 – бактерии, растения, 8 – водоросли, папоротники.

летворительными зависимостями связь между объемом хромосом и радиочувствительностью, позволяющая по характерному морфологическому признаку прогнозировать это свойство организма.

Предпринимались попытки связать радиочувствительность с количеством хромосом и плоидностью. В радиобиологической литературе имеется немало данных о том, что с кратным возрастанием количества хромосом в клетках (полиплоидия) поражающее действие облучения снижается. Установлено, что увеличение числа хромосом (или плечей хромосом) также оказыва­ ет существенное влияние на радиоустойчивость. Например, два вида растений, имеющих одинаковый средний объем ядра, но разное число хромосом, различаются по радиочувствительности, причем вид с большим количеством хромосом оказывается более устойчивым к действию ионизирующей радиации. Так, у очитка при увеличении числа хромосом с 20 до 68 без изменения плоидности радиоустойчивость повышается почти в два раза.

Тем не менее, хотя структурные факторы клетки являются крайне важными в оценке радиочувствительности, они далеко не единственные параметры, ответственные за нее. Еще в ранних работах по изучению различных радиобиологических эффектов было обращено внимание на то, что важную роль в их формировании играют физиологическое состояние клеток, тканей, органов и организма в целом, этап его развития, наличие эндогенных веществ, обладающих радиомодифицирующими свойствами.

10. Радиочувствительность организмов различных таксономических групп 297

Так, высокая радиоустойчивость некоторых червей, насекомых, паукообразных связывается с тем, что в их соматических тканях нет или почти нет делящихся клеток. Постоянство клеточного состава является специфической особенностью этих беспозвоночных на протяжении всей жизни после завершения развития. В отдельные периоды онтогенеза (например, подготовки к линьке) у таких животных на определенное время появляются в большом количестве делящиеся клетки и их радио­ устойчивость резко снижается.

Некоторые исследователи отмечают связь радиочувствительности растений с содержанием в их клетках жира, ненасыщенных жирных кислот, аскорбиновой кислоты, ауксинов, сульфгидрильных соединений, являющихся перехватчиками свободных радикалов разной химической природы. Важное значение в обеспечении радиоустойчивости отводится способности к пострадиационному восстановлению.

Итак, радиочувствительность организма определяется многими факторами. Поэтому вряд ли удастся обнаружить четкую и определенную зависимость между ее значением и каким-ли- бо признаком организма. Тем не менее, неравнозначность их очевидна. Вполне возможно, что накопив достаточный экспериментальный материал о зависимости радиочувствительности от самых разнообразных факторов, можно будет выделить основные из них и, внеся соответствующие поправки, выразить количественно корреляции между радиочувствительностью различных видов и комплексом их определенных биологических свойств.

Проблема радиочувствительности организмов является одной из ведущих в радиобиологии. И не только с точки зрения изучения уровней радиочувствительности организмов разных систематических групп, что крайне важно и интересно, но и с позиций исследования причин их различной радиочувствительности. Ибо понимание феномена необычайно высокой радиоустойчивости некоторых видов – это один из важнейших подходов к решению основной задачи радиобиологии: овладению управлением радиобиологическими реакциями путем поиска средств противорадиационной защиты. Эти вопросы и результаты будут рассмотрены в одной из последующих глав.

Контрольные вопросы к главе 10

1.Суть понятий «радиочувствительность» и «радиоустойчивость».

2.Диапазон радиобиологических доз.

3.Полулетальные,летальныеикритическиедозыионизирующейрадиации и способ их исчисления.

4.Наиболее радиочувствительные и наиболее радиоустойчивые представители культурных растений.

11. ДЕЙСТВИЕ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ЖИВОТНЫХ И ЧЕЛОВЕКА

Общие закономерности поражения при тотальном облучении животных. Классификация уровней доз для разных типов поражения. Малые дозы. Сублетальные дозы. Летальные и полулетальные дозы. Изменения в критических органах при лучевом поражении. Радиационные синдромы. Желудочно-кишечный синдром. Лучевая болезнь человека и животных. Особенности реакции на хроническое облучение. Нарушения нуклеинового, белкового, углеводного, липидного и минерального обмена веществ. Изменения в нервной и эндокринной системах и их значение в развитии поражения и восстановления. Нарушения иммунных функций и значение инфекционных осложнений в исходе поражения. Отдаленные последствия (сокращение продолжительности жизни, злокачественные опухоли, лейкемия, катаракты).

11.1. Общие закономерности поражения при тотальном облучении животных.

Классификация уровней доз для разных типов поражения

Закономерности воздействия ионизирующей радиации на организм млекопитающих обусловлены ответной реакцией отдельных его систем и, в первую очередь, реакцией организма как единого целого, со связями всех его частей. В результате общего (тотального) облучения ни один участок организма не остается неповрежденным. Но радиационное поражение организма не является простой суммой повреждений, нанесенных отдельным органам, тканям, клеткам. Поражение какогонибудь органа тотчас же нарушает согласованную работу всех частей тела и проявляется на деятельности всех органов. При облучении целого организма ионизирующей радиацией страдают в большей или меньшей степени все органы и ткани, но причиной гибели, как правило, является поражение какогото одного из них – критического в данной ситуации. Как было сформулировано в предыдущей главе, критическим называют жизненно важный орган (систему), который первым выходит из строя в данном диапазоне доз радиации. В диапазоне доз 3–9 Гр критической для большинства видов млекопитающих является кроветворная система. Так называемая костномозговая гибель облучения животных наблюдается, как правило, на 7–15-е сут. после облучения, когда угнетение кроветворения достигает максимума и становится несовместимым с

жизнью. Отсюда следует, что закономерности поражения целостного организма определяются двумя основными факторами: степенью радиочувствительности тканей, органов и систем и величиной поглощенной дозы излучения и ее распределением в пространстве и времени. В зависимости от сочетания этих факторов радиационное поражение может быть общим (тотальным) или местным (локальным), развиваться тотчас после облучения либо в отдаленные сроки.

При определении понятия радиочувствительности подчеркивалось, что под ним понимают способность организма реагировать на минимальные дозы излучений. Какие дозы радиации считать малыми? Ведь радиочувствительность различных видов растений и животных чрезвычайно широко варьирует. То, что можно считать малой дозой для растений, для животных, в особенности млекопитающих и человека, может оказаться смертельной. Например, для семян гороха малой может быть доза в 3 Гр, а для проростков гороха – на порядок меньше, всего 0.35–0.5 Гр. Таким образом, понятие «малая доза», или минимальная, способная вызвать какой-либо радиобиологический эффект, – относительное, зависящее от радиочувствительности организма.

Чтобы понятие «малая доза» приобрело желаемую четкость, остановимся на количественных критериях лучевого воздействия в больших дозах, позволяющих сравнивать радиочувствительность разных организмов.

Первый показатель – полулетальная доза, так называе­ мая доза половинной выживаемости, действие которой опре­ деляет гибель половины облученных организмов данного вида (растений, животных, микроорганизмов) в течение определен­ ного срока (для млекопитающих — 30 сут.). Обозначается до­

за – ЛД50/30.

Второй показатель – минимальная абсолютная летальная доза радиации. Это наименьшее количество радиации, вызыва­ ющее гибель всех облученных животных в течение 30 сут., –

ЛД100/30.

Пользуясь данными показателями, было установлено, что по радиочувствительности человек занимает среднее место среди млекопитающих. Ниже приведены значения ЛД100/30 для рентгеновской и γ-радиации (табл. 11.1).