Тема 3 (частина 1). Вплив іонізуючого випромінювання на життя живих організмів та захворювання, які виникають внаслідок підвищеного вмісту радіонуклідів у навколишньому середовищі.
Питання теми та основні терміни
Ø Детерміністичні й стохастичні радіобіологічні ефекти.
Ø Радіостійкість видів, що належать до різних таксонів.
Ø Радіочутливість рослин.
Ø Радіочутливість тварин.
Ø Біологічна реакція організму людини на дію іонізуючого опромінення.
Основні терміни теми: радіонукліди, іонізуюче опромінення, порогів рівень, рослини, тварини, радіочутливість, радіаційний ефект.
Інформаційні матеріали теми
Вплив іонізуючого випромінювання на життя живих організмів та захворювання, які виникають внаслідок підвищеного вмісту радіонуклідів у навколишньому середовищі
Проблемна ситуація. З метою оцінки небезпеки дії іонізуючого випромінювання на різні живі організми є необхідність дослідити питання впливу цих факторів на них.
Чорнобильська катастрофа яскраво показала неоднозначність такого впливу щодо рослин та тварин різного рівну розвитку.
Розглянувши види радіобіологічних ефектів зможемо більш конкретно розділити всі радіаційні впливи за видами.
1 н.п. Детерміністичні й стохастичні радіобіологічні ефекти
За характером дозових залежностей розрізняють радіобіологічні реакції двох типів:
1) від значення дози залежить інтенсивність їх прояву;
2) від значення дози залежить частота їх прояву.
Ефекти першого типу називають детерміністичними. До них належать, наприклад: променева хвороба, яка являється комплексом патологічних змін – радіаційним синдромом, а також численні прояви радіаційного ураження. За дуже малих доз опромінення детерміністичні ефекти можуть не проявляться.
Інтенсивність прояву радіобіологічного детерміністичного ефекту є функцією дози.
Ефекти другого типу називають стохастичними (імовірнісними). До них належать такі реакції біологічної системи на опромінення, прояв яких характеризується імовірнісною величиною: після опромінення ефект може проявитися, а може й ні, при чому інтенсивність стохастичного ефекту не залежить від дози, від неї залежить частота його прояву.
Стохастичними ефектами є цитогенетичні ушкодження, поява мутації, трансформація клітин, що супроводжується канцерогенезом. Трансформація клітин відбувається внаслідок перетворення у хромосомах, для чого необхідне втручання іонізуючого опромінення в певні її ділянки, що є ймовірним явищем. Тому зміна клітин – стохастичний ефект.
2.н.п. Радіостійкість видів, що належать до різних таксонів
Різні за рівнем організації живі організми по-різному переносять вплив іонізуючого опромінення. Найповніше досліджено вплив іонізуючого опромінення на бактеріофаги, для яких розрізняють три основних типи негативного ефекту опромінення:
1) інактивація;
2) зміна властивостей культури вірусу щодо її вірулентності без генетичних наслідків;
3) не летальний мутагенний ефект (мішенню у вірусах є нуклеїнова кислота вірусу).
Ушкодженні опроміненням віруси відновлюються при залученні до репарації систем клітини-хазяїна (реактивація клітиною-хазяїном).
Радіостійкість різних видів бактерій варіює в дуже широких межах (LД90 коливається в межах 36 – 10000 Гр.). У стані спори бактеріальні клітини виявляють високу стійкість до різних факторів, в т.ч. і до радіації. Досліди, що були проведені на бактеріях, остаточно довели, що ДНК хромосоми є мішенню до дії радіації (основне положення радіобіології). Проте радіостійкість контролюється генетичним станом. До найважливіших генетичних змін бактерій належать генні мутації, причинами яких є зміни деяких нуклеотидів.
Особливістю розмноження грибків та організацією їх апарату пояснюють досить високу радіостійкість цих організмів ( складає 475-2550 Гр)
Визначають підвищену радіостійкість грибів, що мають темне забарвлення міцелію меланінами. Серед клітин є такі, що не здатні до необмеженої кількості поділів і приречені на загибель.
3. н.п. Радіочутливість рослин
Царство рослин представлено дуже різноманітними життєвими формами широкого кола відмінних щодо радіостійкості таксонів. Синьо-зелені водорості-прокаріоти, подібні до бактерій, мають надзвичайну (!) радіостійкість (не втрачають життєздатності в епіцентрі ядерного вибуху). 20 кГр. Про радіочутливість зелених водоростей судять за ростом клітинної популяції в рідкому середовищі =83 –390 Гр. Внаслідок опромінення в дозах порядку 30 Гр. хромосоми зазнають фрагментації, проте поділ клітин триває, оскільки вздовж хромосом розташовані не одна, а кілька центромер. Водорості здатні ліквідувати сублетальні та потенційно летальні ушкодження.
Мохоподібні папороті мають високо ефективну систему репродукційного відновлення. Повне інгібування росту спостерігається при 280-800 Гр. Проте навіть і за таких випадків інактивація верхівкових клітин спонукала утворення додаткових бічних розгалужень.
Голонасінні та покритонасінні характеризуються дуже великою варіабельністю радіостійкості у межах класу, родини, а іноді і роду. Як основний критерій радіостійкості використовують виживаність рослин наприкінці вегетації.
Радіостійкість вищих рослин залежить від стану в якому перебуває рослина в момент опромінення: радіостійкість насіння на 1-2 порядки вища ніж рослини, що вегетує. Найвищу радіостійкість мають рослини родини хрестоцвітних, найнижчу - родину бобових.
Основні закономірності радіобактеріологічних ефектів рослин:
1) підвищена радіочутливість клітин у стані профілеративної активності;
2) прояв детерміністичних та стохастичних ефектів;
3) сукупна дія простих і опосередкованих ефектів дії радіації;
4) генетичні і соматичні зміни;
5) формування віддалених ефектів.
Критичними органами рослин є: еристеми пагона й коренів. У насінні - тканини зародку. Радіостійкість рослин характеризується напівлетальною дозою ; критичною дозою , летальною дозою . Проміжок часу коливається для однорічних і багаторічних.
За ступенем радіостійкості насіння рослин поділяють:
1) радіочутливі ( =510 кГр.).
2) середньорадічутливі ( =1520 кГр.)
3) високорадіостійкі ( >20 кГр.).
Окрім ефектів опромінення, що виражаються в гальмуванні росту, є також фізіологічні порушення:
- індукція органогенезу;
- гігантизм клітин;
- морфологічні аномалії;
- формування радіаційних химер;
- зміна тривалості вегетативного періоду;
- зміна плідності клітин.
4. н.п. Радіочутливість тварин
Найпростіші мають дуже високу радіостійкість, що доведено на різних клітинах амеб та інфузорій. сягає порядку кілька тисяч грей. Післярадіаційна загибель клітин інфузорій спостерігається як без поділу, так і з кількома поділами.
Безхребетні виявляють порівняно високу радіостійкість (на два порядки вища, ніж для хребетних). Разом з ними клітини понад дорослих комах є дуже чутливими до дії радіації 1000 Гр.
Радіостійкість хребетних тварин коливається в надзвичайно широких межах. Плазуни й земноводні мають вищу радіоактивність порівняно з птахами. Риби і птахи менш радіочутливі порівняно із ссавцями =1,5-15 Гр.
Радіочутливість рослин значно залежить від типу розмноження, морфогенезу і рослинну.
Радіаційні синдроми ссавців:
Синдром 1 - спричинений інактивацією кісткового мозку (генетичний).
Синдром 2 - ураження клітин епітелію шлункового тракту (гастроінтектинальний).
Синдром 3 - ураження клітин центральної нервової системи (нервово-паралітичний).
Загибель тварин безпосередньо в процесі опромінення зумовлена масовими радіаційно-хімічними перетвореннями – смерть під променем (молекулярна).
До 50-х років основним фактором безпосереднього впливу радіації вважалося пряме радіаційне ураження деяких особливо радіо чутливих організмів і тканин – шкіри, кісткового мозку і центральної нервової системи, шлунково-кишкового тракту ( так звана променева хвороба).
З’ясувалось що велику роль в променевому ураженні грають такі основні шляхи:
1. Зовнішнє опромінення;
2. Внутрішнє опромінення:
• через органи дихання;
• через органи травлення.
Основні наслідки радіаційного ураження організму представлені на рис 1.
Рис. 1. Основні шляхи та наслідки радіаційного ураження організму (за Яблоковим)
Вплив на розвиток плоду.
Ембріон та плід більш раді чутливі ніж організм та більш пізніх стадіях розвитку.
Наприклад, вірогідність захворіти на рак крові при опроміненні ембріону або плоду майже в 4 рази більша, ніж при опроміненні такою дозою в 11-24 роки. Доза в 2мЗв викликає вірогідність народження малюка з уродствами. Період найбільшої радіочутливості ембріону складає38 діб. Фракціоване опромінення призводить до більш тяжких уражень (саме в цей період). Опромінення ембріону може викликати (в малих дозах) такі функціональні зміни, які неможливо зареєструвати на сучасних апаратах.
Вплив малих доз: Семіпалатинський регіон в 1957р. аварія в Киштині (Південний Урал) – число опромінених 472 тис. Поглинена доза радіації протягом тривалого терміну призводить до більш суттєвих уражень, ніж така ж доза, що отримується одразу (Ефект Петко). При зменшенні дози опромінення ризик захворювання не зменшується пропорційно. Тобто порушується монотонність залежності доза-ефект.
Ушкодження хромосом і злоякісні зміни при малих дозах на порядок вищі, ніж можна було б очікувати екстраполяції від високих доз.
При впливі малих доз, необхідно врахувати такі положення :
• вплив малих мутацій, які поки не враховуються при дослідженнях генетичних ефектів;
• вплив підвищеної чутливості деяких етапів розвитку полових клітин і ранніх етапів розвитку;
• вплив опромінення в малих дозах на виникнення спадкових ракових забруднень.
5. н.п. Біологічна реакція організму людини на дію іонізуючого опромінення
Всі наслідки впливу опромінення на організм людини розділяють на:
1)гострі ураження;
2)віддалені наслідки.
Гострі ураження :
а) променева хвороба
• 1 стадія-легка 100-200 бер;
• 2 стадія-середньої важкості 200-300 бер;
• 3 стадія-важка 300-500 бер;
• 4 стадія-надзвичайно важка більше 500 бер;
б)променеві опіки;
в) хронічна променева хвороба.
Віддалені наслідки: а) лейкемія
б) злоякісні новоутворення і т.д.
Іонізуюче опромінення викликає всі види мутацій (хромосомні, генні, цитогенетичні). Величина дози, яка збільшує вдвічі частоту природного появлення мутацій називається подвійною величиною ця доза для людини складає 10-100 р.
З питанням захисту ядерного апарату клітини пов’язана проблема пострадіаційного відновлення. У відповідності із сучасними уявленнями, радіація поряд з прямими змінами спадкових структур викликає передмутаційний стан, яким може реалізуватись у справжні ушкодження, або повернутись у вихідний стан.
Видатний шведський радіобіолог Зіверт ще в 1950 р. прийшов до заключення безпорогової дії радіації.
Пороговий рівень - це такий, нижче якого не спостерігається ураження у кожного опроміненого організму (детермінований ефект).
З моменту початку офіційного регулювання максимальна доза зменшилась у 78 разів. Ще 30 р. назад-30 рентген (300 мЗв), сьогодні-20 мЗв.
Узагальнення.
Вплив іонізуючого випромінювання на життя живих організмів та захворювання, які виникають внаслідок підвищеного вмісту радіонуклідів у навколишньому середовищі – тема яка показує загальний ризик, що може спричинювати радіаційне опромінення.
Узагальнивши всі дані щодо зміни стану живих організмів під впливом іонізуючого опромінення можна зробити висновок, що для нормального розвитку людської популяції необхідний жорсткий контроль радіаційної забрудненості та відпрацювання методів захисту людини від впливу не тільки великих але й малих доз радіації.
Література для самоосвіти: 1, 2, 5, 8, 10, 12, 14.
Питання для самоконтролю:
1. Які радіобіологічні реакції називаються детерміністичними?
2. Які радіобіологічні реакції називаються стохастичними?
3. Які основні типи негативного впливу радіаційного опромінення на бактеріофаги?
4. Як характеризується радіочутливість рослин?
5. Які основні закономірності радіобактеріологічних ефектів рослин?
6. Як поділяють за ступенем радіостійкості насіння рослин?
7. У чому проявляється радіочутливість тварин?
8. Які основні наслідки радіаційного ураження організму?
9. Яка біологічна реакція організму людини на дію іонізуючого опромінення?