Радиочувствительность организмов. 
Биологическое действие ионизирующих излучений

Причины и механизмы, определяющие естественную радиочувстви-тельность биологических объектов, пока полностью не раскрыты, но многие аспекты хорошо изучены. Например, факторы, влияющие на радиоустойчивость растений по классификации Гродзинского Д. М., разделяются на 3 группы. К первой группе отнесены факторы, обусловленные филогенезом вида, которые нельзя модифицировать: анатомическое строение растений, размер семян, объем клеточных ядер и хромосом, число хромосом и плоидность. Во вторую группу входят факторы, характеризующие функциональное состояние отдельных структур клетки и физиологическое состояние генома: этап онтогенеза, содержание сульфгидрильных групп (SH-групп), наличие антиоксидантов и макроэргов, способность к пострадиационному восстановлению. Третью группу факторов представляют факторы внешней среды, такие, как погодно-климатические условия и условия минерального питания растений. Радиобиологические эффекты растений и животных имеют ряд сходных реакций, таких, как наличие критических (наиболее радиочувствительных) клеток, тканей и органов, одинаковые типы хромосомных аберраций, потеря контроля над обменом веществ, образование соматических и генетических мутаций, трансформация клеток, радиационный канцерогенез (опухоли органов).

Реакции живых организмов на ядерное излучение весьма многообразны и определяются параметрами излучения и особенностями организма. Отношение организма к ионизирующему излучению характеризуется радиочувствительностью и радиоустойчивостью (радиорезистентностью). Эти два термина взаимосвязаны и с разных сторон отражают одно и то же явление — если организм обладает высокой радиочувствительностью, то он характеризуется низкой радиоустойчивостью, и наоборот.

Радиочувствительность — способность организма реагировать на малые дозы радиации, которая проявляется через нелетальные радиобиологические эффекты в организме. Радиоустойчивость — способность организма переносить высокие уровни облучения (летальные и полулетальные дозы). Чем меньше дозы, вызывающие нелетальные радиобиологические эффекты, тем выше радиочувствительность организма. Чем больше доза, вызывающая гибель организма, тем выше его радиоустойчивость.

Для характеристики радиочувствительности растений используются следующие критерии: лабораторная и полевая всхожесть, длинна корней у проростков, высота растений, число сформировавшихся органов, цветков и семян, масса растения, количество и масса семян на одном растении, выживаемость растений, а также выход хромосомных аберраций в метаи анафазе.

Радиочувствительность оценивается летальной и полулетальной дозами. Летальная доза — ЛД₁₀₀ (или ЛД_100/30) — это минимальная доза облучения, вызывающая смерть 100% облученных организмов в течение 30 дней. Соответственно ей определяется полулетальная доза ЛД₅₀ (или ЛД_50/30) — минимальная доза облучения, вызывающая смерть 50% облученных организмов в течение 30 дней. Величины ЛД₅₀ в природе различаются довольно значительно даже в пределах одного вида.

Наиболее высокой радиочувствительностью среди растений обладают растения семейства лилейных. Самые радиоустойчивые растения относятся к семейству крестоцветных (табл.2).

Таблица 2.

Радиочувствительность семян некоторых высших растений.

В настоящее время имеются сведения о радиочувствительности более чем 2000 растений, принадлежащих к разным семействам, родам и видам. Однако радиочувствительность оценена у семян — стадии онтогенеза растения, в которой оно находится в состоянии глубокого вынужденного покоя и поэтому обладает высокой устойчивостью к ионизирующим излучениям и ко всем повреждающим факторам.

При прорастании семян их радиочувствительность возрастает в 15−20 раз, потому что прорастание сопровождается активным делением клеток, а делящиеся клетки более чувствительны к облучению, чем клетки, находящиеся в стадии покоя. Кроме этого обязательным условием для прорастания семян является наличие воды. Высокая обводненность объектов при облучении способствует гораздо большему выходу свободных радикалов (Н^о и ОН^о), что усиливает радиационное поражение.

В мире низших растений и организмов самой высокой радиоустойчивостью обладают микроорганизмы, грибы и лишайники. Некоторые виды микроорганизмов выдерживают облучение в дозах 10⁴ — 10⁵ Гр. Среди древесных растений менее радиоустойчивы хвойные породы. После аварии на ЧАЭС в хвойных лесах, находящихся в 30-километровой зоне от АЭС, наблюдался широкий спектр морфологических аномалий вегетативных и генеративных органов, частота появления и степень тяжести которых зависели от дозы облучения.

В определенном диапазоне доз (5−20 Гр) ядерные излучения обладают стимулирующим действием. Радиостимуляция обнаружена у всех биологических объектов, начиная с одноклеточных и кончая растениями и животными. Впервые эффект радиационной стимуляции был получен на растениях в 1898 году. Облучение семян вызывает активацию многих процессов обмена: усиливается синтез нуклеиновых кислот, белков, гормонов, повышается активность некоторых ферментов, изменяется проницаемость мембран, увеличивается поступление в растения питательных веществ и т. д. Одним из важнейших механизмов общего стимулирующего действия излучения является образование неспецифических веществ хиноидной природы, которым А. М. Кузин дал название триггер-эффекторы. Хиноны образуются из полифенолов в результате радиационно-химических реакций окисления и активации полифенолоксидаз. При облучении высокими дозами хиноны возникают в растительных объектах в больших концентрациях и оказывают угнетающее действие на их развитие. В малых концентрациях (10^-7-10^-8 М) эти вещества действуют как стимуляторы. Проникая в ядра клеток, они соединяются с гистонами и тем самым снимают неспецифическую блокаду генома этими белками, т. е. происходит дерепрессия (активация) определенной группы генов. Начинается усиленный синтез информационных РНК, белков, ферментов, фитогормонов, индуцирующих метаболические процессы. Это в свою очередь существенно сокращает фазы клеточного цикла на ранних стадиях развития. Стимулирующий эффект облучения обнаружен не только при облучении семян, но и при облучении клубней, луковиц, черенков, корневищ, усов. Повышенный уровень триггер-эффекторов вызывает дерепрессию (перевод в активное состояние) генома не только у клеток верхушечной точки роста, но и в боковых почках, что приводит к интенсивному росту и увеличению числа боковых побегов. Таким образом, образование неспецифических триггер-эффекторов хиноидной природы составляет один из важнейших механизмов общего стимулирующего действия излучения. Облучение семян различных культур стимулирующими дозами перед посевом приводит к повышению урожая на 10−25% и к улучшению его качества, т. е. к повышению содержания белка, сахара, крахмала, витаминов, аминокислот и других веществ, которые сформировались у растений различных видов в процессе эволюции. Стимуляция картофеля происходит при облучении клубней в дозах 0,5−5,0 Гр за 2−6 суток до посадки, при этом возрастает урожайность на 18−25% и увеличивается содержание крахмала на 15%. Гамма-облучение черенков или подвоя виноградной лозы увеличивает выход полноценных прививок на 11−34%. При этом отмечается интенсивное деление клеток в камбиальном слое на месте срастания подвоя с привоем, что способствует более быстрому срастанию тканей привоя с подвоем. Облучение может снимать тканевую несовместимость подвоя с привоем. Гамма-стимуляция применяется при выгонке зеленных культур, для ускорения развития и цветения луковичных и цветочных растений и при разведении редких и лекарственных растений.

Радиостимуляция у животных изучена меньше, чем у растений. По мнению ряда ученых механизм стимулирующего действия малых доз ионизирующих излучений на организм животных на молекулярно-биологическом уровне не может существенно отличаться от механизма действия на растения. Интенсивность процессов обмена веществ, ускорения развития, роста и повышение продуктивности животных осуществляются за счет активации стероидных гормонов, которые контролируют эти процессы. В условиях эксперимента радиостимуляция изучена на мышах и крысах. Радиостимуляционный эффект проявляется в повышении плодовитости в два раза, в ускорении роста и массы тела. Радиостимуляцию изучают в птицеводстве, скотоводстве, свиноводстве и звероводстве. Широкий радиостимуляционный эффект выявлен при облучении яиц, цыплят и кур несушек. При облучении куриных яиц перед закладкой в инкубатор дозой 0,03−0,05 Гр усиливалась интенсивность роста и развития эмбрионов, увеличивалась выводимость, выживаемость цыплят и повышалась яйценоскость кур. Стимулирующее действие выявлено при облучении цыплят бройлеров (при облучении дозой 0,25 Гр и 0,5 Гр масса цыплят возрастала на 12−15%) и кур-несушек (яйценоскость при облучении дозой 0,5 Гр возрастала на 10−18%). Механизм стимулирующего действия на яйценоскость кур и мясную продуктивность связывают с возникновением триггер-эффекторов (гонадолиберинов), которые воздействуют на гипофиз и стимулируют выработку стероидных половых гормонов, что ускоряет рост и развитие. Облучение ягнят тонкорунных овец в одно-, двухи трехмесячном возрасте малыми дозами приводило к повышению живой массы, выживаемости, настригу, густоты и длины шерсти. При облучении суточных поросят дозами 0,1−0,25 Гр наблюдалось увеличение массы тела на 10−15% в первые три месяца жизни. Облучение такими же дозами норок и черно-бурых лисиц повышало выживаемость потомства, сопротивляемость его болезням, улучшало качество пушнины и длину шкурки. Таким образом, радиостимуляция общебиологическое явление, присущее многим организмам.

В настоящее время ионизирующие излучения широко используются для получения мутантных форм растений. Под влиянием ионизирующих излучений возникают хромосомные и генные (точковые) мутации. Хромосомные мутации вызывают летальный исход. Генные мутации являются источником мутантных форм как полезных, так и вредных для растений. Известно, что вся совокупность свойств, которые характерны для конкретного биологического вида, запрограммирована в ДНК в виде последовательного чередования нуклеотидов, т. е. в виде генетического кода. Облучение ДНК вызывает окисление пиримидиновых и распад пуриновых оснований. В процессе редупликации на поврежденной матрице возможна ошибочная репарация, т. е. замена пуриновых оснований пиримидиновыми и наоборот, что приводит к нарушению генетического кода и появлению генных мутаций. Выход мутаций с увеличением дозы возрастает, но вместе с этим увеличивается стерильность растений, подавляются ростовые и формообразовательные процессы. Используются дозы, при которых сохраняется способность растений формировать полноценные репродуктивные органы. Хозяйственно полезные мутанты, сочетающие высокую продуктивность с другими признаками, появляются, как правило, очень редко. Селекционно-ценные мутантные формы растений выделяются содержанием питательных веществ, скороспелостью, устойчивостью к болезням, устойчивостью к полеганию, повышенной продуктивностью и другими признаками. Мутантные формы используются в качестве донора полезного признака в селекции растений. В мировой селекционной практике наибольшее количество сортов с участием радиационных мутантов получено на ячмене (68), рисе (64), пшенице (31), арахисе (14) и фасоли (10).

Наибольший интерес в мире животных представляют млекопитающие. Известно, что млекопитающие (человек и животные) обладают наибольшей чувствительностью к облучению по сравнению с птицами, рыбами, земноводными и др. (табл.3). Причины разной радиочувствительности организмов пока неизвестны. Однако общая тенденция такова: начиная от зародыша до половозрелого состояния радиочувствительность организма и его органов постепенно понижается, в среднем возрасте стабилизируется и к старости вновь понижается.

Различие радиочувствительности проявляется также в органах, составляющих организм как целое. Клетки одного органа имеют неодинаковую радиочувствительность и способность к регенерации после лучевого повреждения. По радиочувствительности условно все органы и ткани можно разделить на три группы.

Таблица 3.

Радиочувствительность живых организмов.

К первой, наиболее чувствительной к излучениям группе, относятся костный мозг, половые железы, селезенка, лимфоидная ткань. Стволовые клетки этих тканей полностью погибают при дозе облучения 10 Гр. Морфологически регистрируемые изменения в них возникают при облучении дозой 0,25 Гр.

Ко второй, более резистентной к излучениям группе, относятся пищеварительный тракт, печень, органы дыхания, органы выделения, органы зрения, мышечная ткань. Клетки этих тканей выдерживают дозу облучения до 40 Гр.

К третьей группе относятся нервная ткань, кожные покровы, хрящевая и костная ткань, которые выдерживают дозу облучения до 80 — 100 Гр.

Наиболее радиочувствительные органы и системы называются критическими. С их поражением связана гибель организма в определенные сроки после облучения. Клетки критических органов имеют короткий жизненный цикл и высокие темпы обновления (за одну минуту отмирают и вновь образуются десятки и сотни тысяч клеток). Большую скорость обновления имеют кроветворная система и желудочно-кишечный тракт. Центральная нервная система состоит из высокодифференцированных клеток, которые после отмирания не восстанавливаются.

К кроветворным органам относятся костный мозг, лимфатическая ткань, селезенка, вилочковая железа (тимус). Нарушение процессов кроветворения в этих органах наступает очень рано — непосредственно в ходе лучевого воздействия, а дальнейшее развитие и проявление нарушений носят фазовый характер, что связано с разной радиочувствительностью клеток и с процессами восстановления в клетках.

Самый высокорадиочувствительный орган — костный мозг, при общем облучении он поражается в первую очередь. При внешнем облучении животных дозами ЛД_50/30 и выше прекращается митоз клеток, появляются дегенеративные формы некоторых видов клеток, в крови снижается количество эритроцитов. К ранним изменениям костного мозга при внешнем облучении относятся также уменьшение незрелых форм красной и белой фракции, тромбоцитов и увеличение гранулоцитов. Установлено, что костный мозг обладает достаточно большой способностью к регенерации (т. е. к восстановлению), которая при среднелетальных дозах наступает через 4−7 суток, и к концу 4-й недели картина костного мозга или структура крови становится близкой к нормальной. При летальных и сверхлетальных дозах радиации нормальное содержание клеток не восстанавливается и происходит аплазия костного мозга.

Радиационное воздействие на лимфотическую ткань приводит к раннему разрушению лимфобластов и лимфоцитов в самой ткани и лимфоцитов в периферической крови. Полулетальные и летальные дозы облучения вызывают нарушения структуры ткани, различные изменения лимфоузлов и других лимфоидных образований.

Облучение полулетальной дозой селезенки приводит к прекращению митоза и гибели части лимфоцитов. В результате разрушения клеточных элементов орган уменьшается в размере и массе.

Клетки вилочковой железы — тимоциты (лимфоциты) — погибают практически все в течение первых суток. Восстановление клеток до исходного уровня происходит за счет единичных неповрежденных клеток.

Характерной реакцией организма на лучевое воздействие является изменение количества лейкоцитов: в первые минуты и часы наблюдается незначительное уменьшение; через 6−8 часов — увеличение на 10−15% от исходного уровня; через 24 часа — резкое снижение от исходного уровня. Степень и фазность изменения количества лейкоцитов находятся в прямой зависимости от дозы, а также от вида животных. Время восстановления количества лейкоцитов до нормы составляет 2−3 месяца.

Облучение животных полулетальными дозами приводит к изменению количества эритроцитов. В первые сутки увеличиваются количество клеток и содержание гемоглобина в крови на 10−15%, затем на 15−20-е сутки содержание снижается в 2−3 и более раз от нормы. Параллельно с количественными нарушениями происходят морфологические и биохимические нарушения: увеличение размеров клеток, пикноз ядер и вакуолизация цитоплазмы, а также образуются двуядерные клетки и клетки аномальных форм. Эритроциты восстанавливаются до нормального количества за 2−5 месяцев.

По радиочувствительности тромбоциты занимают промежуточное положение между лейкоцитами и эритроцитами. Облучение дозой ЛД₅₀ приводит к резкому снижению количества тромбоцитов в первые сутки. Появляются клетки с различными аномалиями: двуядерные, с непропорциональными размерами ядра и цитоплазмы. В организме нарушаются такие процессы, как поглощение протромбина, свертываемость крови, рекальцификация плазмы и другие. Восстановление тромбоцитов наблюдается на 35−45 день после облучения.

Наиболее радиочувствительными клетками крови являются лимфоциты. Регистрируемое уменьшение содержания лимфоцитов отмечается при облучении дозой 0,6 Гр. При облучении дозой ЛД_50/30 наибольшее снижение наблюдается через 1−3 суток. Для этого периода характерны морфологические изменения клеток, нарушение соотношения малых форм, появление двуядерных клеток, зернистость и вакуолизация ядра и протоплазмы, изменение активности ферментов. Фазность изменения, характерная для лейкоцитов, у лимфоцитов отсутствует.

Наряду со значительными изменениями в структуре крови и кроветворных органах отмечаются структурные изменения стенок кровеносных сосудов, особенно капилляров. Это сопровождается различными кровоизлияниями (точечные и разлитые) и кровотечениями (наружные и внутренние).

Все органы пищеварения проявляют функциональные и морфо-логические реакции на облучение. По степени радиочувствительности они распределяются следующим образом: тонкий кишечник, слюнные железы, желудок, прямая и ободочная кишки, поджелудочная железа, печень. Наибольшая чувствительность у железистого эпителия и эпителия ворсинок. Облучение приводит к прекращению деления и отмиранию клеток, к оголению клеток ворсинок и крипт, что сопровождается выходом плазмы крови в кишечник, а также приводит к снижению барьерно-иммунной функции кишечной стенки, в результате чего микрофлора кишечника попадает в организм и вызывает токсикоз и бактериемию. Лучевое поражение проявляется через тошноту, рвоту, понос. Большие дозы лучевого воздействия угнетают секрецию желудочных желез, что приводит к морфологическим изменениям — кровоизлияниям, катарам, язвам, рубцовым стенозам, свищам. Нормализуется функциональное состояние желудочно-кишечного тракта в разные сроки, доходящие до нескольких месяцев.

Половые железы млекопитающих реагируют на облучение в принципе однотипно. Основное видовое отличие — величина повреждающей дозы, которая тесно связана с видовой радио-чувствительностью организмов. При действии радиации на половые железы сильнее повреждается генеративная функция и менее нарушается их гормональная деятельность. Степень постлучевых изменений в половых железах зависит в основном от дозы и способа облучения. Половые клетки семенников по радиочувствительности располагаются в следующем убывающем порядке: спермиогонии, спермиоциты, спермиды, зрелые спермии. Гистологическое исследование выявляет многочисленные кровоизлияния в паренхиму железы, в просветах семенных канальцев — скопление некротических клеток, единичные измененные спермиогонии и спермиоциты. Сперматогенез восстанавливается за счет выживших спермиогоний через несколько месяцев, но при этом отмечается большое количество дефектных спермиев, а в паренхиме семенников — развитие склеротических процессов. У молодых неполовозрелых животных семенники и яичники более чувствительны к облучению, чем у половозрелых. По степени уменьшения радиочувствительности клетки функционирующего яичника располагаются в следующем порядке: ооциты II порядка в зрелых фолликулах, ооциты I порядка, зрелые яйцеклетки, эпителий вторичных и первичных фолликулов, желтое тело, покровный эпителий. Радиационное повреждение яичников одинаково у всех животных: вначале повреждаются и погибают наиболее радиочувствительные клетки, происходит деструкция эпителия, фиброзное разрастание соединительной ткани яичника, нарушение половых циклов, гормональные отклонения. Восстановление функций яичников идет очень медленно. Радиочувствительность ооцитов млекопитающих определяется морфологией стадии диплотены, т. е. конфигурацией хромосом в ядре. Ооциты с диффузным расположением хромосом более радиочувствительны (ооциты мышей, хомячков), чем ооциты с компактным расположением (ооциты собаки, человека).

Таким образом, внешнее облучение растений и млекопитающих приводит к формированию у них различных радиационных эффектов.