Тема 4 (частина 1). Радіоекологія популяцій і спільнот.

Питання теми та основні терміни

Ø Вплив абіотичного фактору на накопичення радіонуклідів у популяціях і спільнотах.

Ø Вплив статевих та вікових відмінностей при накопиченні радіонуклідів в популяціях.

Ø Шляхи міграції радіонуклідів за трофічними ланцюгами.

Ø Еволюційні аспекти радіології.

Основні терміни теми: радіонукліди, популяції, трофічні ланцюги, накопичення радіонуклідів, радіаційне забруднення.

Інформаційні матеріали теми

Радіоекологія популяцій і спільнот

Проблемна ситуація. Найбільш суттєвий вплив іонізуючого випромінювання в умовах малих доз радіації можливий при внутрішньому опроміненні організму.

У зв’язку з цим вивчення питання накопичення радіонуклідів в організмі і в плив різноманітних факторів на цей процес є дуже важливий.

1. н.п. Вплив абіотичного фактору на накопичення радіонуклідів у популяціях і спільнотах

Іонізуюча радіація при впливі на організм людини може викликати два види ефектів: детермініровані граничні ефекти (променева хвороба, променевий опік, променева катаракта, променева безплідність, аномалії в розвитку плоду та інше) і стохастические, беспорогові ефекти (злоякісні пухлини, лейкози, спадкоємні хвороби).

Після ядерних вибухів та аварії на АЕС основний внесок в очікувану колективну ефективну еквівалентну дозу опромінення населення дають 4 радіонукліди — вуглець-14, цезій-137, плутоній-239 і стронцій-90.

Період напіврозпаду йоду-131 складає 8,04 доби, цезію-134 — 2,06 роки, а цезію-137 — 30 років. Таким чином, найбільшу небезпеку з цих ізотопів для опромінення організму складає саме цезій-137.

Цезій-137 має як бета, так і гамма-випромінювання із середньою енергією бета-частинок 0,525 Мэв (92%) і 0,66 Мэв для гамма-квантів.

 Продукти радіоактивного розпаду, що надійшли в зовнішнє середовище, стають джерелом тривалого іонізуючого опромінення. Радіонукліди можуть потрапити в організм інгаляційно, перорально, через шкіру, рани, опікові поверхні. Найбільше значення має пероральний шлях надходження радіонуклідів в організм.

При попаданні радіонуклідів в організм із їжею нерозчинні речовини виводяться протягом 1—2 доби, розчинні всмоктуються в тонкому кишечнику, потрапляючи в кров і лімфу. У криптах кишечнику радіонукліди можуть затримуватися на тривалі терміни, формуючи локальні зони з високим рівнем випромінювання.

Продукти ядерного розпаду, що надійшли в організм, викликають своєрідну форму радіаційного ураження, відмінну по своєму генезу, клініці, проходженню відновлювальних процесів і формуванню віддалених патологий, відмінних від класичної форми гострої променевої хвороби, що виникає при зовнішньому гамма-опроміненні.

Характерна слабка виразність первинної реакції, ранній прояв порушень функцій критичних органів (органів травлення), повільне проходження віднорвлювальних  процесів і виражена віддалена патологія.

При пероральному надходженні радіонуклідів спостерігається ураження слизистої  оболочки травного тракту, паренхіми печінки, лімфатичних вузлів, які розташовані по ходу травневої системи. Дія радіонуклідів приводить до порушення обміну вуглеводів, ліпідів, білків, зміні активності ферментів і нагромадженню в організмі активних метаболітів.

Відомо, що цезій-137 є хімічним аналогом калію і включається в більшість метаболістичних шляхів в організмі. Будучи аналогом кальцію, стронцій-90, проникаючи в організм, фіксується, в основному, у кістковій тканині. Оскільки цезій є одновалентним катіоном і утворить слабкі зв'язки з білками, частина його знаходиться в зв'язаному стані, а частина в іонному.

Проблема розробки засобів масової профілактики нагромадження в організмі радіоактивних речовин з метою зниження дози внутрішнього опромінення людини — одна з актуальних задач радіоекології і радіаційної медицини. Особливу важливість ця проблема придбала після аварії на Чорнобильської АЕС, у результаті якої забруднено великі регіони країни. Включення радіонуклідів у харчовий ланцюжок створює умови їхнього хронічного надходження в ЖКТ, що обумовлює необхідність створення захисних засобів тривалого застосування.

Накопичення радіонуклідів в популяціях тварин залежить від місцевих умов.

Радіоактивні речовини нерівномірно забруднюють поверхню суші, навіть на обмежених ділянках, що залежить від:

1) рельєфу місцевості;

2) наявності лісів, галявин;

3) наявності водойм;

4) найбільш ймовірного напряму вітру тощо.

Це істотно впливають на кількість радіонуклідів, що переносяться у воді аерозолем та осідають.

При локальних аваріях найбільші рівні забруднень відміченні в пониженнях рельєфу, з підвітряного боку галявини, лісу та будівель. Якщо прийняти за одиницю ступінь забруднення рівної задернованої  ділянки ґрунту при проходженні радіоактивної хмари, то

на підвітряній галявині лісу ступінь забруднення -  2,8

в лісі - 1,4

на поляні -  0,3

на асфальтовому шосе - 0,05

При випаданні радіонуклідів із снігом, спостерігаються більш високі рівні радіоактивності ґрунту в місцях зимових вітрових насосів.

Першою реакцією популяцій тварин на підвищений рівень радіації є:

1) зниження плодючості (плодовитості);

2) скорочення періоду розмноження.

Рослин:

1) пригнічення росту, зменшення накопичення біомаси (зменшення врожаю);

2) швидке старіння;

3) морфологічні зміни.

Величина накопичення радіонуклідів популяціями при забрудненні продуктами радіоактивного розпаду невеликих розмірів визначається розмірами індивідуальних кормових ділянок для тварин. На місті захоронення радіоактивних відходів у США дрібні тварини - миші, пацюки, концентрували набагато більше радіоізотопів, ніж зайці, які мають набагато більші за розмірами індивідуальні ділянки.

2. н.п. Вплив статевих та вікових відмінностей при накопиченні радіонуклідів в популяціях

Популяції одного виду складаються з різних вікових та статевих груп. В результаті фізіологічної різноякісності організмів, які входять в ці групи (вона враховується у відмінностях сольового і водного обмінів, інтенсивності обміну речовин) спостерігається відмінність і в накопиченні радіонуклідів. Крім того, визначена відмінність в динаміці накопичення різних радіонуклідів на прикладі червоної та темної польовки  (рис. 1.).

 

Рис. 1.Вікові та статеві відмінності в концентрації радіонуклідів у тілі тварин.

Статеві відмінності відміченні тільки в період розмноження, коли значно змінюється інтенсивність і характер обміну.

Значні коливання спостерігаються в різні періоди року.

Наприклад, у м’язах оленів спостерігається збільшення вмісту радіонуклідів взимку, коли вони споживають в основному лишайники. Останні мають добрі сорбуючі властивості щодо  ізотопів, які знаходяться у повітрі. Влітку вони переходять на харчування травою та гілками кущів, тому концентрація знижується.

У популяціях при впливі на них іонізуючого випромінювання від зовнішніх джерел виникають зміни в тривалості життя, та інших показників.

Непрямим показником впливу іонізуючого випромінювання на популяції тварин є величина смертності в холодні періоди року (рис. 2).

 

Рис. 2. Смертність тварин в холодні періоди року в залежності від забрудненості території

Як правило, у молодих тварин виведення радіоактивних ізотопів відбувається більш енергійно, ніж у дорослих.

Час, за який організм звільняється від половини депонованого в ньому радіонукліду за рахунок біологічного напіввиведення і фізичного розпаду радіоізотопу, називається ефективним періодом напіввиведення.

Для радіонуклідів із великим терміном напіврозпаду, ефективний період напіввиведення зележить тільки від біологічного періоду напіввиведення, а для коротко живучих - від швидкості радіоактивного розпаду ізотопу.

3. н.п. Шляхи міграції радіонуклідів за трофічними ланцюгами

Усі радіоактивні речовини, що потрапили до біосфери включаються в біологічний кругообіг речовин. Якщо їх активність і період напіврозпаду значні, то при певному рівні акумуляції вони викличуть зміни в біогеоценозі.

Так, Цезій -137, що потрапив в атмосферу відносно швидко фіксується в ґрунті і потім повільно поглинається з нього рослинами, накопичуючи, в основному, у їхніх надземних частинах, тому в корінні кількість цезію відносно мало.

Накопичений у рослинах цезій попадає з кормом до тварин, концентруючись, наприклад, у молоці корів, і далі (по харчових ланцюгах) попадає в організм людини. Іншим прикладом харчових ланцюгів, через які цезій-137 попадає в організм людини, є лишайники — олені — людина на Крайній Півночі, причому потужність поглиненої дози в пастухів-оленярів за рахунок цезію-137 вище приблизно в 30—170 разів, чим у жителів середніх широт.

Оскільки радіонукліди розповсюджуються неоднорідно по компонентах ландшафту і вибірково накопичуються окремими вадами, то і вплив радіації на біоценоз призведе до різної реакції різних видів.

Радіоактивні продукти розпаду в біоценозах мігрують за харчовими ланцюгами:

Рослини  Тварини-фітофаги ® Тварини-зоофаги

Дендрит  Сапрофаги  Мікроорганізми

В першій ланці першого ланцюга при переході стронцію-90 від рослин до травоїдних в сухопутних біоценозах відбувається збільшення його концентрації, але цезію-137-навпаки.

В наступній ланці при міграції Sr з тіла травоїдних тварин до хижаків концентрація збільшується як по Sr так і по Cs.

Це вказує на те, що їде концентрація радіонуклідів по мірі збільшення кількості ланок харчового ланцюга. На накопичення радіо ізотопів впливають особливості харчування тварин. Монофаги (харчуються одним видом рослин) концентрують радіоактивні речовини  в кількостях, пропорційних їх вмісту у рослинах.

Концентрація Sr-90 у кістках хижаків менша, ніж у гризунів, якими вони харчуються, оскільки скелет своїх жертв вони не перетравлюють. Отже ссавці акумулюють  Sr-90, що знаходиться у м’яких тканинах ( найбільший вміст в кістках Sr). Цезій-137 концентрується в м’язах, з яких легко переходить до тіла хижаків. На Алясці у тілі росомах і вовків, які харчуються оленями, вміст Cs в 2-3 рази більший, ніж в м’ясі оленів. На відміну від хижаків-ссавців, хижаки риби завдяки особливостям перетравлення споживають рибу цілком із скелетом і лускою. Тому у них збільшується як вміст цезію так і стронцію.

Можна підвести деякі підсумки концентрації радіонуклідів в тваринах:

- Тварини з великими індивідуальними ділянками  будуть відносно мало контактувати з ураженими ділянками  і споживати менше радіонуклідів.

- Дрібні тварини будуть постійно знаходитись на забруднених територіях (гризуни, комахи), але  за рахунок нерівномірності опадів перераховані тварини у межах своєї індивідуальної ділянки стискаються з різними рівнями забруднення.

- Ґрунтові тварини ( дощові черв’яки, багатоніжки), що мешкають на обмеженій території підлягають впливу навіть самих незначних коливань.

За цією ознакою розрізняють такі групи тварин:

- тварини, що випадково контактують із радіонуклідами  ( птахи на перельоті);

- тварини, що постійно контактують.

 Радіаційне забруднення викликає непрямі наслідки :

- в результаті ослаблення видів біоценозу відбувається значне ураження паразитами ( блохами, кліщами).

До природньоочагових хвороб відносяться небезпечні для людини: чума, кліщовий енцефаліт, кліщовий сипний тиф тощо.

- захворювання рослин (хлороз, усихання верхівок, інші патологічні зміни).

4. н.п. Еволюційні аспекти радіології

Структура біоценозів в результаті впливу іонізуючого опромінення змінюється, оскільки випадають найбільш радіоактивно заражені види. А їх місце займають більш стійкі форми. Радіація представляє собою сильний  мутагенний фактор, який може викликати навіть утворення нових аксонометричних одиниць. Поки що не доказана направленість мінливостей організмів ( яка служить ознакою початку мікро еволюційного процесу). Причому  більшість випадків мутантів є недієздатною. Якщо відбувається хронічне надходження радіації, це викликає пристосованість популяції, а після закінчення дії радіації, популяція очищається від негативного впливу і відновлює свій біологічний потенціал.

Узагальнення. Як видно з представленого матеріалу існує явне накопичення радіонуклідів у популяціях та спільнотах, хоча і кількісний склад їх суттєво залежить від статевих та вікових відмінностей організмів.

Не допустити попадання радіонуклідів організм надзвичайно складно оскільки вони мігрують за трофічними ланцюгами. В зв’язку з цим існують різні аспекти еволюційного розвитку видів, які найбільш уражені радіонуклідами.

Література для самоосвіти: 1, 2, 4, 5, 6, 8, 9, 10, 11, 12.

Питання для самоконтролю:

1. Які радіонукліди дають основний внесок в очікувану колективну ефективну еквівалентну дозу опромінення населення?

2. Які шляхи попадання радіонуклідів в організм людини?

3. У чому небезпека внутрішнього опромінення стронцієм та цезієм?

4. Від чого залежить накопичення радіонуклідів в популяціях тварин?

5. В чому проявляється перша реакція популяцій тварин на підвищений рівень радіації?

6. У чому проявляється вплив статевих та вікових відмінностей при накопиченні радіонуклідів в популяціях?

7. Як радіоактивні продукти розпаду в біоценозах мігрують за харчовими ланцюгами?

8. У чому проявляються еволюційні  аспекти радіології?