Степанова А. Некоторые радиобиологические эффекты у высших растений, обитающих на территории Восточно-уральского радиоактивного следа. Исследования школьников

ВВЕДЕНИЕ

29 сентября 1957 г. на производственном объединении «Маяк» произошел термохимический взрыв хранилища радиоактивных отходов. В результате этого образовался Восточно-Уральский радиоактивный след (ВУРС) — уникальный полигон для изучения эффектов хронического облучения малыми дозами. Суммарный выброс радионуклидов был равен 7,4х1016Бк (Беккерель (Бк) — единица активности нуклида в радиоактивном источнике (в системе СИ). Один беккерель соответствует одному распаду в секунду любого радионуклида). Исключительно важное радиологическое значение имело присутствие в составе смеси долгоживущего радионуклида — 90Sr с периодом полураспада 28,5 лет, что и предопределило длительную опасность этого радиоактивного загрязнения [2].

Ионизирующее излучение — удобный инструмент изучения основ жизни. В природе не существует феномена, не подверженного модифицирующему воздействию ионизирующих излучений.

Фундаментальная задача, составляющая предмет изучения радиобиологии, — вскрытие общих закономерностей биологического ответа на воздействие ионизирующих излучений, являющихся научной основой овладения искусством управления лучевыми реакциями организма. Задача эта невероятно трудна, прежде всего потому, что для ее решения необходимо, по меткому выражению Н.В.Тимофеева-Ресовского, понять и преодолеть основной радиобиологический парадокс, состоящий в большом несоответствии между ничтожной величиной поглощенной энергии и крайней степенью выраженности реакций биологического  объекта вплоть до летального эффекта [1].

С течением времени все более актуальным становится анализ видовой специфики в реакции популяций растений и животных на длительное мутагенное воздействие [3]. Актуальность этой проблемы определяется тем, что на ясном понимании закономерностей формирования биологических эффектов малых доз ионизирующего излучения должна основываться разработка новой концепции радиационной защиты человека и биоты [4].

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

Цель настоящего исследования — изучение некоторых радиобиологических эффектов у многолетних высших растений.

Основные задачи:
• изучение влияния хронического низкоинтенсивного y-облучения на спонтанный мутагенез;
• исследование эффекта неравномерного фракционированного облучения;
• межвидовые сравнения хромосомной нестабильности;
• определение роли антиоксидантных систем в формировании радиопротекторного эффекта.

Решение основных задач возможно при выполнении следующих конкретных задач:
• ознакомление с объектами исследования и условиями их обитания;
• анализ состояния проблем на сегодняшний день;
• освоение методик исследований и применение их на практике;
• применение методов вариационной статистики для обработки и анализа эмпирических данных.

2. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРНЫХ ДАННЫХ

Решающий фактор в ответной радиобиологической реакции клетки — доза. Клетка обладает способностью устранить нанесенное ей повреждение. Помимо суммарной дозы на ход реакции восстановления влияет и мощность доз. Как правило, при уменьшении мощности доз, т.е. при растягивании времени облучения во времени, процесс восстановления выражен сильнее, а лучевое поражение меньше. Способность клетки к восстановлению не безгранична, и если она исчерпана, клетка гибнет [5]. Имеются многочисленные примеры, указывающие, что для возникновения определенного биологического эффекта, не принадлежащего к типу эффектов, вызываемых одиночными воздействиями, при низкой интенсивности требуется значительно большая доза, чем при высокой [6].

Среди классических методов радиобиологии и радиационной генетики наибольший интерес представляет прием повторного действия мутагенов. При взаимодействии эффектов двух доз возможно модифицирующее влияние предыдущего облучения на результат последующего. Фракционирование дозы облучения является методом анализа процессов восстановления [1, 7], кроме того, оно неодинаково отражается на отдельных составляющих радиационного эффекта. При повторном облучении в определенных условиях возникает эффект защиты, который наиболее легко обнаружить при использовании первого облучения в небольшой дозе [7].

Радиация обладает многосторонним действием на клетку и организм и наложение двух доз отражается неодинаково на отдельных составляющих радиационного эффекта, влияя на выход цитогенетических нарушений [7]. Считается, что хроническое облучение — это частный случай фракционирования дозы [1].

Изучение мутационного процесса в природных популяциях, подвергающихся хроническому действию ионизирующих излучений, важно в связи с задачами, возникающими в теории эволюции, с разработкой проблем охраны окружающей среды, для прогнозирования отдалённых генетических последствий загрязнения биосферы радионуклидами [8].

Проблема хронического воздействия малых доз на организм всё больше привлекает серьёзное внимание радиобиологов. Малыми считаются дозы, соизмеримые с естественным фоном, превышающие его лишь на один-два порядка. Окончательно не установлено, какие проявления действия излучений могут возникнуть при любой малой, дополнительной к естественному облучению дозе и какие поражения развиваются только по достижении определенного уровня дозы (пороговое действие) [5]. Многие авторы указывают на повреждающее действие повышенного фона радиоактивности, однако положительное действие малых доз радиации, таких как стимуляция биологических процессов: роста, развития, выживаемости, плодовитости, исцеления и др., также широко известны [7, 9].

В популяциях дикорастущих растений, обитающих на загрязненных радионуклидами территориях, произошли адаптационные изменения, выражающиеся в повышенной радиоустойчивости по сравнению с популяциями тех же видов, произрастающих на чистых незагрязненных почвах [8, 10, 11, 12].

Можно предположить, что в условиях длительного повышенного фона радиации у растений выработались защитные механизмы, закрепленные в процессе эволюции, действие которых нейтрализует неблагоприятное влияние повышенных доз облучения [13]. В любом случае, произошли изменения генетической структуры популяций этих видов, в результате чего средний уровень радиоустойчивости хронически облучаемых популяций стал выше, чем контрольных. Иными словами, организм способен восстанавливать нарушения, вызванные излучением, если эти нарушения не следуют чрезмерно часто одно за другим [6]. Один из механизмов повышения радиоустойчивости облучаемых организмов — увеличенное содержание в их тканях антиоксидантов [10]. Однако мутационный процесс в облучаемых популяциях растений протекает более интенсивно по сравнению с растениями из контрольных популяций [8, 12].

Сравнение биохимических показателей у двух видов мелких млекопитающих (мышевидных грызунов), обитающих на контрольных и радиационно-загрязненных территориях ВУРСа, позволило отнести характеристики окислительно-восстановительного метаболизма к основным физиологическим детерминантам (определителям) их радиорезистентности к длительному низкоинтенсивному воздействию [14].

Приступая к экспериментам с предварительным облучением малой дозой, авторы [15] предполагали, что данное воздействие может вызвать скрытые лучевые повреждения, снижающие выживаемость объекта после дополнительного облучения массивной дозой, однако эти предположения не подтвердились. Снижение частоты хромосомных аберраций при фракционировании дозы связано с обратимыми физиологическими изменениями в клетке, которые делают хромосомы менее чувствительными ко второй экспозиции [16]. Ученые предполагают, что радиобиологические эффекты радиостимуляции и повышения радиорезистентности под влиянием предварительного облучения малыми дозами регулируются единым механизмом.

По мнению авторов [17], при фракционировании большой дозы повышение частоты мутаций объясняется увеличением вероятности выживания клеток с генетическими повреждениями, однако при фракционировании относительно малой дозы снижение частоты мутаций связано с процессами восстановления клеток от повреждений. В то же время не обнаружен и защитный (протекторный) эффект фракционирования дозы облучения, что объясняется отсутствием восстановительных процессов в постсинтетической стадии, в течение которой проводили облучение клеток [18].

Способность ионизирующих излучений разрушить любую связь в органических молекулах определяет многосторонность эффектов этих лучей. Не существует такого экологического феномена, который не подвергался бы их влиянию [7]. В основе радиационно-химических изменений молекул могут лежать два механизма. 1. Прямое действие, при котором данная молекула испытывает изменение непосредственно при прохождении через неё кванта энергии. 2. Косвенное действие — изменяемая молекула непосредственно не поглощает энергию падающего излучения, а получает ее путем передачи от другой молекулы, особо важную роль при этом играют молекулы воды, являющейся основным растворителем в клетке. Продукты радиолиза воды реагируют как между собой, так и с органическими компонентами клетки, приводя к разрушению их молекул [1, 19].

Ионизирующие излучения характеризуются незадержанным эффектом индуцирования аберраций хромосом [7], что позволяет использовать в качестве количественного показателя радиочувствительности подсчёт клеток с хромосомными перестройками. Это возможно, поскольку, с одной стороны, их число чётко зависит от дозы излучения, а с другой — они, отражая летальное действие излучений, хорошо коррелируют с выживаемостью клеток [1]. Оценка поражения может проводиться путем мета- или анафазного анализа, но первый из них весьма трудоемок. При анализе анафаз легко различимы «летальные» для клетки аберрации дицентрики и ацентрические фрагменты (Дицентрики и ацентрические фрагменты — симметричные или асимметричные транслокации, образовавшиеся в результате двойного (хромосомного) или одинарного (хроматидного) разрыва хромосом с последующим склеиванием липких концов. В результате образуются хромосомы с двумя центромерами и ацентрические фрагметы, лишенные центромер.).

Достоинство этого метода - относительная простота, делающая его доступным и в то же время достаточно корректным для оценки радиочувствительности [1]. Часть аберраций, как, например, дицентрики, механически препятствует делению клетки; появление ацентрических фрагментов приводит к неравномерному разделению и утрате генетического материала, вызывающего гибель клетки из-за нехватки метаболитов, синтез которых кодировался ДНК утраченной части хромосомы [1, 10]. Учет частоты фрагментов, однако, не является достаточно надежным показателем вследствие того, что фрагменты могут вовлекаться расходящимися хромосомами в анафазные шапки, где они не обнаруживаются, после чего элиминируются, объединяясь в микроядра; к тому же, фрагменты могут теряться в процессе приготовления препаратов [1, 7].

Классическая гипотеза возникновения аберраций хромосом предполагает, что после воздействия ионизирующей радиации возникают фрагменты с открытыми незаживленными концами. Способность этих фрагментов соединяться в новых комбинациях или не участвовать в соединениях определяет появление всех существующих видов аберраций. Классическая гипотеза смыкается с теорией мишени, в основе которой лежит концепция прямого действия радиации на структуры наследственности. Действие кванта энергии толкуется по принципу «всё или ничего».

Видимые реакции клетки — летальная и мутации — выводятся как следствие попадания ионизирующих частиц в определённый чувствительный объём клеток — мишень [1, 5, 7, 8]. Открытие модифицирующих факторов радиационного эффекта поставило вопрос об обратимости повреждений, индуцированных ионизирующими излучениями. Постепенно сложились представления о существовании некоторого периода между воздействием мутагена и разрывом хромосомы, в течение которого протекает ряд реакций, в том числе и биохимических. Попадание кванта энергии в чувствительный объем рассматривается как пусковой механизм для последующих реакций, приводящих к мутациям. Различают 3 основных момента в концепции потенциальных повреждений: 1) формирование в клетках потенциальных повреждений; 2) восстановление клеток от этих повреждений; 3) переход невосстановленных потенциальных повреждений в необратимое состояние [1, 7, 19, 20].

Структурно-метаболическая теория (СМТ) в радиобиологии является современным обобщением огромного фактического материала и ранее существовавших теорий в радиобиологии в свете представлений о неразрывном единстве и взаимовлиянии структуры и метаболизма. СМТ исходит из положения, что при действии радиации на клетку первичные процессы возникают во всех её структурах и затрагивают многие метаболические процессы, неразрывно связанные с этими структурами. Дальнейшее формирование радиобиологического эффекта происходит в клетке как в единой целостной открытой системе с присущими ей процессами хранения и реализации информации и регуляторными процессами, на фоне энергетического и вещественного обмена с окружающей средой. Любой радиобиологический эффект возникает во времени в результате взаимодействия многих процессов, как развившихся после облучения, так и нормально протекающих в клетке. СМТ подчеркивает значение фактора времени в проявлении любых радиобиологических эффектов. Скорость протекания процессов, происходящих в клетке после облучения, будет зависеть не только от места и величины поглощённой энергии, но и от состояния реагирующих систем, присутствия ингибиторов и катализаторов реакции, наличия веществ, обрывающих цепные процессы. Структурно-метаболическая теория рассматривает как механизмы поражающего действия сублетальных и летальных доз радиации, так и стимулирующего действия малы)? доз радиации. СМТ является общей теорией действия радиации на биологические объекты, начиная с клеточного уровня и заканчивая высокоорганизованными многоклеточными организмами [19].

3. МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объекты исследования — многолетние травянистые растения (Семена исследуемых растений были предоставлены сотрудниками лаборатории радиационной генетики Института общей генетики им. Н.И.Вавилова РАН.: прозанник пятнистый — Achyrophorus maculatus L. (сем. Сложноцветные; 2п = 10) и два вида подорожника: подорожник ланцетолис-тный — Plantago lanceolata L. (2n = 12) и подорожник средний — Plantago media L. (2n = 24, оба из сем. Подорожниковые) [21].

Оценка уровня спонтанного мутагенеза проводилась на всех указанных видах, эффекты фракционированного облучения — на A. maculatus, биохимические исследования — на двух видах подорожника. Семена всех видов растений были собраны на территории Восточно-Уральского радиоактивного следа как с контрольных участков, так и с загрязнённых радионуклидами 90Sr—90Y и 137Cs. В местах сбора материала первоначальное загрязнение составляло 1500—2000 Ки/км2(Кюри — Ки — внесистемная единица активности изотопа: 1 Ки = 3,7x1010 Бк); 90% дозы формируется за счёт распада 90Sr и 10% — за счёт 137Cs. В настоящее время прошло 1,7 периодов полураспада радиостронция и остаточное загрязнение составляет 525 Ки/км2 (интенсивность у-излучения 0,8 рад/сутки) [22].

Семена исследуемых растений проращивали. Проростки фиксировали по достижении длины корешка в 4—5 мм для прозанника и 2—3 мм для подорожников в смеси этанола и уксусной кислоты в отношении 3:1. Учитывали частоты хромосомных аберраций в анателофазе митоза в меристеамтических клетках корешков, для чего проростки окрашивали ацетокармином в течение 5—15 мин на водяной бане. Давленые временные микропрепараты изготовляли из кончика корешка длиной около 2 мм. Наблюдения проводили при 600-кратном увеличении с водной иммерсией, используя зеленый фильтр. Для получения статистически значимых результатов в каждом варианте просчитывали в среднем по 500 анателофаз. Микропрепараты фотографировали при 900-кратном увеличении с масляной иммерсией с помощью цифрового фотоаппарата мобильного телефона LG В2100.

Для изучения модифицирующего эффекта фракционированного облучения семена А. maculatus подвергали воздействию у-излучения 60Со при мощности дозы 219 рад/мин на у-терапевтическом аппарате «Алтай» (Российский научный центр рентгенорадиологии МЗ РФ). Применялось неравномерное фракционированное облучение (начальная доза 5 Гр (Грей – (Гр) — единица поглощённой дозы в системе СИ. Представляет собой количество энергии ионизирующего излучения, поглощенное единицей массы какого-либо физического тела. 1 Гр = 1 Дж/кг 1 рад = 0,01 Гр); разрешающая доза 30 Гр) с интервалами между фракциями 1 час или 1 сутки. Изучались варианты: без облучения, с облучением в малой дозе (5 Гр), с облучением в массивной дозе (30 Гр), а также варианты с различной временной организацией облучения (сочетание 5 Гр + 30 Гр, вторая фракция либо через 1 час, либо через 1 сутки после первой).

Биохимические исследования проводились на P. lanceolata и P. media методом йодометрии (титрование), в основе которого лежит реакция [23]: 5Н202 + Ig = 4Н20 + + 2НLO3.

Для определения активности антиокси-дантных систем приготавливались модельные растворы йода, крахмала, гидроперита. Для приготовления 0,0125-процентного раствора йода: 0,2 мл 5-процентный раствор йода, продаваемого в аптеке, разбавляли водой до 160 мл, добавив несколько кристаллов KI для улучшения растворимости йода.

Раствор индикатора (0,125-процентный раствор крахмала) готовился следующим образом: навеску крахмала (250 мг) заливали 50 мл холодной воды, все тщательно перемешивали и выливали в 150 мл кипящей дистиллированной воды, после чего кипятили в течение 1 мин [24]. Приготовление раствора гидроперита (0,0025 М): 57,82 мг гидроперита (форма выпуска — таблетки) заливали 50 мл дистиллированной воды, после чего объём доводился до 250 мл.

Отобранные для анализа растения, тщательно очищенные от земли и обсушенные фильтровальной бумагой, взвешивали и растирали со стеклянным порошком в фарфоровой ступке. Полученная смесь разводилась дистиллированной водой в расчёте 9 мл воды на каждые 100 мг растения и центрифугировалась на ручной центрифуге в течение 5 мин при скорости вращения 1200 об/мин.

В раствор гидроперита объёмом 5 мл добавляли 0,2 мл надосадочной жидкости, смесь выдерживали в течение 30 сек. для работы антиоксидантных систем, после чего приливали 3 мл раствора крахмала в качестве индикатора. Смесь титровали йодом до получения эталонной голубой окраски, сохраняющейся в течение не менее 3 сек, после чего регистрировали объём затраченного йода.

Для получения высокозначимых показателей калибровочная кривая зависимости расхода йода от объема перекиси в пробе была построена в соответствии с рекомендациями А. В . Рубеновича [25], которые заключаются в уменьшении количества исследуемых точек при увеличении просмотров на каждую точку. В ходе построения калибровочной кривой титровалась смесь, содержащая 2 мл раствора крахмала и 3, 5, или 7 мл раствора пероксида водорода, причём на каждую точку делалось не менее 15 промеров.

Для статистической обработки данных использовались следующие методы: дисперсионный анализ двухфакторных неравномерных комплексов для качественных признаков; дисперсионный анализ однофакторных комплексов для качественных признаков; критерий х2; точный критерий Фишера (F); критерий Стьюдента (td); критерий «ФИ» (Fop) и регрессионный анализ [26, 27, 28].

4. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

4.1. ЦИТОГЕНЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Результаты данных исследований позволяют выявить зависимость изменения радиочувствительности высших растений как минимум от трех факторов: хронического 6-, у-облучения; числа хромосом в кариотипе (плоидности); предварительного у-облучения при неравномерном фракционировании дозы.

4.1.1. Спонтанный мутагенез
Хроническое облучение вызывает значимое увеличение частоты аберрантных анафаз в опытных популяциях A. maculatus (р « 0,001) и P. media (р < 0,01), в то же время в популяциях P. lanceolata отмеченного феномена не наблюдается (р > 0,05), что не противоречит литературным данным [29]. Возрастание частоты аберрантных анафаз связано с ускоренным накоплением мутационного груза [8, 12, 29], так как фон от радионуклидов более чем в 1000 раз превышает естественный радиационный фон.

В хронически облучаемых популяциях прозанника по сравнению с контрольными происходит достоверное увеличение частоты дицентриков (х2 = 26,96, v = со, р < 0,001). В эксперименте облучали покоящиеся семена, поэтому двойные разрывы хромосом, приводящие к образованию дицентриков, оставались нереализованными до начала прорастания, когда, вследствие увеличения теплового движения, обломки хромосом смещаются, образуя разнообразные транслокации, т.е. из потенциальных повреждения переходят в летальные [7]. Однако в популяциях обоих видов подорожника изменения частоты дицентриков не происходит (р >> 0,05).

Не обнаружены отличия в частоте ацентрических фрагментов в опытных и контрольных популяциях A. maculatus (F = 0,98, v = 27, р >> 0,05), в то же время в опытных популяциях P. lanceolata наблюдается достоверное увеличение частоты этого вида аберраций по сравнению с контрольными (р < 0,01). Однако в хронически облучаемых популяциях P. media отмечено достоверное (р < 0,001) снижение частоты ацентрических фрагментов по сравнению с незагрязненными радионуклидами популяциями.

Не совсем ясен вопрос о влиянии плоид-ности на спонтанный мутагенез растений. С одной стороны, исходя из принципа попаданий и теории мишеней, чем больше хромосом-мишеней, тем больше вероятность поражения клетки и организма в целом. С другой стороны, известно, что растения с большей плоидностью обладают повышенной неспецифической устойчивостью к действию экстремальных абиотических факторов среды обитания, например в более высоких широтах преобладают полиплоидные формы, имеющие селективные преимущества по сравнению с диплоидными [30]. Дисперсионный анализ показал достоверное (F = 15,0; v = 1500; р < 0,001) влияние фактора плоидности на радиоадаптивный ответ исследованных растений: у P. media отмечена меньшая частота аберрантных анафаз как в контрольных (р < 0,001), так и в опытных (р < 0,01) популяциях по сравнению с популяциями P. lanceolata, произрастающими в таких же экологических условиях.

4.1.2. ВЛИЯНИЕ НЕРАВНОМЕРНОГО ФРАКЦИОНИРОВАННОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА ПРОЗАННИК ПЯТНИСТЫЙ (ACHYR0PH0RUS MACULATUS L.)

Фракционирование дозы облучения является методом анализа процессов восстановления [1, 7]. Кроме того, оно неодинаково отражается на отдельных составляющих радиационного эффекта.

Из результатов двухфакторного дисперсионного анализа следует, что как хроническое облучение (р < 0,01), так и различным образом организованное дополнительное радиационное воздействие (р « 0,001), а также сочетания этих факторов достоверно (р « 0,001) изменяют радиобиологический ответ исследованных растений.

4.1.2.1. Влияние на индуцированный мутагенез у-лучей 60Со в дозе 5 Гр

Облучение в дозе 5 Гр в контрольных популяциях не вызывает достоверного изменения частоты как аберрантных анафаз (td = 1,56, v = да, р » 0,05), так и частоты дицентриков (Гчр = 1,56, v = оо, р » 0,05) и ацентрических фрагментов (F = 0,94, v = 18, р » 0,05). Данные факты позволяют дозу у-лучей в 5 Гр считать малой для данного вида.

В опытных популяциях частоты аберрантных анафаз (td = 6,77, v = да, р < 0,001) и ацентрических фрагментов (F = 27,08, v = 19, р < 0,001) достоверно возрастают, но частота дицентриков не изменяется (Ftp = 0,69, v = оо, р » 0,05).

4.1.2.2. Влияние на индуцированный мутагенез у-лучей 60Со в дозе 30 Гр

Влияние провокационной дозы в 30 Гр на опытную и контрольную популяции проявляется в достоверном увеличении как частоты аберрантных анафаз (р < 0,001), так и общей частоты аберраций (дицентрики + фрагменты). Между контрольной и опытной популяциями по указанным показателям различий не наблюдается (р >> 0,05), что свидетельствует о достаточности этой дозы для возникновения устойчивого цитогене-тического эффекта. В то же время обращает на себя внимание отсутствие различий в эффектах доз в 30 и 5 Гр в опытной популяции, что может свидетельствовать, на наш взгляд, о действии дополнительных не учитываемых факторов при воздействии малой дозой, в противном случае мы приходим к противоречию в зависимости эффекта от дозы облучения.

4.1.2.3. Значение временной организации фракционированного облучения в формировании радиологического эффекта

Возможность усиления или ослабления конечного эффекта путем изменения условий существования облученного объекта в период между облучением и проявлением радиобиологического эффекта говорит о большом значении в формировании радиобиологических эффектов процессов, имеющих место в пострадиационный период в облученном организме.

Реакции, возникающие в облученной клетке, подчиняются кинетическим закономерностям, скорость достижения конечного состояния будет определяться не только скоростью прямых, но и скоростью обратных реакций (процессов восстановления) [19].

Из данных [31] следует, что существует два механизма адаптивного ответа у растений при неравномерном фракционированном облучении. Первый — это повышение способности репарировать повреждения ДНК после воздействия малой дозой. Второй — стимулированная репопуляция — феномен, заключающийся в замещении поврежденных клеток неповрежденными.

При часовом интервале между фракциями в контрольных популяциях наблюдается радиобиологический эффект, подчиняющийся принципу аддитивности: эффекты двух фракций суммируются, так как получено достоверное (р < 0,001) увеличение частоты аберрантных анафаз по сравнению с эффектом дозы в 30 Гр. В опытной популяции не обнаружено отличий между аналогичными вариантами (р > 0,05). Представленные данные свидетельствуют, что у растений из опытной популяции процессы восстановления протекают интенсивнее, что может быть объяснено приспособлением к действию повышенного фона радиации.

В обеих исследованных популяциях наблюдается достоверное снижение частоты аберрантных анафаз при увеличении интервала между фракциями (р < 0,001). Следует обратить внимание, что в опытной популяции частота аберрантных анафаз в варианте с суточным интервалом между фракциями достоверно (Fcp = 4,21, v = оо, р < 0,05) меньше, чем в контроле. Данные явления могут быть объяснены процессом стимулированной репопуляции, более интенсивно протекающим в растениях из загрязненной популяции.

4.2. БИОХИМИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Кинетика реакций, возникающих в облученной клетке, будет зависеть не только от места и величины поглощенной энергии, но и от состояния реагирующих систем (физиологическое состояние клетки), присутствия ингибиторов и катализаторов реакции, наличия веществ, обрывающих цепные процессы и других условий [19].
Широкое распространение получила точка зрения об общем механизме действия протекторов, состоящем в уменьшении косвенного действия радиации путём перехвата и инактивации свободных радикалов и других активных продуктов радиолиза воды [1].

По мнению авторов [1], существуют веские возражения признания общности такого механизма действия протекторов. Зависимость расхода йода от объема перекиси в пробе оказалась линейной, коэффициент линейной корреляции г = 0.998.

Расход йода при титровании опытных образцов и построении калибровочной кривой

Из результатов следует, что при добавлении 0,2 мл надосадочной жидкости, содержащей антиоксидантные ферменты, значимо снижается расход йода (р < 0,01), свидетельствующий о работе антиоксидантных систем. Эти же данные говорят о том, что в пробах обоих видов подорожника, обитающих на загрязненных территориях, антиоксидантные системы работают активнее (р < 0,001). Кроме того, у вида с 2п = 24 (P. media) по сравнению с видом с 2п = 12 (P. lanceolata) расход йода в высшей степени значимо ниже как в опытных, так и в контрольных вариантах (р < 0,001).

Сказанное свидетельствует о том, что, во-первых, хроническое низкоинтенсивное у-облучение, вызывающее образование в цитоплазме пероксидов и свободных радикалов, способно активировать антиоксидантные системы у облучаемых растений; во-вторых, у растений с большей плоидностью антиоксидантные ферменты либо активнее, либо присутствуют в клетках в большем количестве. Представленные данные показывают, что и для высших растений в определенной степени спра; ведливо предположение авторов [14], что окислительно-восстановительные характеристики являются физиологическими определителями радиоустойчивости.

Вопрос о природе повышенной радиоустойчивости хронически облучаемых популяций растений остается открытым. Несмотря на то что действие повышенного фона радиации, индуцирующего накопление мутационного груза, в исследованных районах имеет место уже в течение полувека, специфического приспособления к мутагенному действию данного экологического фактора у организмов не выработалось. Одним из ведущих механизмов выступает активация хроническим В- и у-облучением репарационных систем [7, 8]. На выход индуцированных мутаций влияют генотипические различия организмов, которые обязательно имеют место как внутри популяций, так и между популяциями в особенности. Далее, вновь возникающие наследственные изменения в природных условиях будут подвергаться естественному отбору, направленному, прежде всего, на повышение радиоустойчивости [8, 12, 25, 29]. По мнению ряда авторов [8, 11, 12, 25], ионизирующие излучения способны выступать не только мутагенным, но и новым экологическим фактором, отбирающим радиорезистентные фенотипы и гаметы, содержащие оптимальные геномы [8, 25]. Кроме того, из полученных нами данных следует, что еще одним механизмом радиопротекторного эффекта является активация антиок-сидантных систем, разрушающих продукты радиолиза воды и органических веществ. Выяснено, что у растений с большей плоид-ностью радиопротекторный эффект выражен существенно ярче, объясняющий более низкий уровень спонтанного мутагенеза у подобных растений.

5. ВЫВОДЫ

На основании полученных и проанализированных результатов можно сделать следующие выводы:
1. Хроническое облучение в течение 50 лет приводит к достоверному повышению уровня мутационного процесса в популяциях многолетних растений: Achyrophorus maculatus и Plantago media. В то же время в популяциях Plantago lanceolata аналогичный эффект отмечен на уровне тенденции.
2. Радиорезистентность высших растений на примере родственных видов подорожника зависит от их плоидности: вид с 24 хромосомами (P. media) оказывается более радиорезистентным по сравнению с видом с 12 хромосомами (P. lanceolata).
3. Впервые на высших растениях показана повышенная эффективность работы антиоксидантных систем у полиплоидных форм, вероятно, объясняющаяся их большей неспецифической устойчивостью.
4. В контрольной популяции A. maculatus в вариантах с часовым интервалом между фракциями радиационный эффект подчиняется принципу аддитивности, в то же время при суточном интервале между фракциями индуцируется высокодостоверный радиопротекторный эффект, особенно ярко проявляющийся в опытной популяции.
5. Радиопротекторные механизмы хронического и предварительного низкоинтенсивного облучения схожи, и основными из них являются: а) активация репарационных систем; б) отбор наиболее радиорезистентных фенотипов и гамет с оптимальным геномом; а также в) активация антиоксидантных систем растений, длительное время обитающих в условиях хронического низкоинтенсивного облучения.

Литература

1. Ярмоненко СП., Вайсон А.А. Радиобиология человека и животных. — М.: Высшая школа, 2004.
2. Алексахин P.M., Криволуц-кий Д.А., Соколов В.Е. Организация научных исследований по радиоэкологии на Восточно-Уральском радиоактивном следе//Экологические последствия радиоактивного загрязнения на Южном Урале. — М.: Наука, 1993.
3. Гилева Э.А. Хромосомная нестабильность у грызунов с территории ВУРСа: межвидовые сравнения//Международная конферен-
ция «Генетические последствия чрезвычайных радиационных ситуаций». Москва, 10—13 июня 2002 г. — М.: РУДН, 2002.
4. Гераськин С.А. Цитогенетические последствия облучения растений в низких дозах// Международная конференция «Генетические последствия чрезвычайных радиационных ситуаций». Москва, 10—13 июня 2002 г. — М.: РУДН, 2002.
5. Гродзенский Д.Э. Радиобиология. Биологическое действие ионизирующих излучений. — М.: Атомиздат, 1966.
6. Л и Д. Э. Действие радиации на живые клетки. — М.: Госатомиздат, 1963.
7. Митрофанов Ю.А., Олимпией к о Г. С. Индуцированный мутационный процесс эукариот. — М.: Наука, 1980.
8. Абрамов В.И. Влияние хронического облучения на природные популяции растений. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата биологических наук. — М., 1985.
9. Тимофеева-Ресовская Е.А., Тимофеев-Ресовский Н.В. Влияние разных доз у-лучей 60Со на ряску и элодею//Влияние ионизирующих излучений на наследственность.— М.: Наука, 1966.
10.Раушенбах Ю.О., Монастырский О. А. Исследование адаптации животных к повышенному естественному фону радиации// Влияние ионизирующих излучений на наследственность. — М.: Наука, 1966.
11.Абрамов В.И., Шевченко В.А. Генетические последствия хронического действия ионизирующих излучений на популяции// Радиационный мутагенез и его роль в эволюции и селекции. — М., 1987.
12. Шевченко В.А., Абрамов В.И., Печкуренков В.Л. Генетические исследования на Восточно-Уральском радиоактивном следе//Экологические последствия радиоактивного загрязнения на Южном Урале. — М.: Наука, 1993.
13. Алексахин P.M., Чережано-ва Л. В. К вопросу о цитогенетическом влиянии многолетнего воздействия повышенного фона искусственной радиации на популяции растения в природных условиях//Журнал общей биологии. — 1971. Т. 32. — №4.
14. Расина Л.Н., Орехова Н.А. Окислительно-восстановительный метаболизм как физиологическая детерминанта видовой радиорезистентности мелких млекопитающих на ВУРСе // Международная конференция «Генетические последствия чрезвычайных радиационных ситуаций». Москва, 10—13 июня 2002 г. — М.: РУДН, 2002.
15. Куликов Н.В., Тимофеева Н.А., Альшиц Л. К. Действие предварительного облучения на последующую радиочувствительность предличинок линя (Tinea tinea 1_.)//Действие ионизирующих излучений на гидробионты и наземные растения. — Свердловск, 1970.
16. Lane J. К. X-ray fractionation and chromosome breakage//Heredity, v. 5, 1951.
17. Домшлак М.Г. Мутагенный эффект быстрых нейтронов и рентгеновых лучей при однократных и фракционированных воздействиях на половые клетки самцов мыши. Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата биологических наук. — М., 1970.
18. Бочков Н.П. Частота хромосомных аберраций в зародышевых клетках мышей при однократном и фракционированном облучении // Влияние ионизирующих излучений на наследственность. — М.: Наука, 1966.
19. Кузин A.M. Методология структурно-метаболической теории в радиобиологии: клетка как динамическая система. — М.: РУДН, 2004.
20. Кор о годин В. И. Проблемы простра-диационного восстановления. — М., 1966.
21. Новиков B.C., Губанов И.А. Школьный атлас-определитель высших растений. 2-е издание. — М.: Просвещение, 1991.
22. «Радиационное наследство Советского ядерного комплекса». Аналитический обзор.
Ред.: Н.Н. Егоров и др. NASA-EARTHSCAN — Лондон: Earhtscan Publications Ltd, 2000.
23.Турова Н.Я. Справочные таблицы по неорганической химии. — Л.: Химия, 1977.
24. Алексеев В.Н. Количественный анализ. 4-е изд., перераб. — М.: Химия, 1972.
25. Рубанович А.В. Популяционные исследования растений, животных и человека в зонах радиационных аварий. Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора биологических наук. — М., 2006.
26.Плохинский Н.А. Алгоритмы биометрии. — М.: МГУ, 1980.
27. Бейли Н. Статистические методы в биологии. — М.: Мир, 1964.
28. Урбах В. Ю. Биометрические методы.— М.: Наука, 1964.
29. Абрамов В.И., Кальченко В.А. и др. Цитогенетические эффекты в популяциях растений, произрастающих на Восточно-Уральском радиоактивном следе (ВУРСе) // Международная конференция «Генетические последствия чрезвычайных радиационных ситуаций». Москва, 10—13 июня 2002 г. — М.: РУДН, 2002.
30. Рейвн П.Я, Эверт Р., Айкхорн С. Современная ботаника: В 2 т. — М.: Мир, 1990.
31. Серебряный A.M., Зоз Н.Н. Стимулированная репопуляция как основа феноменов антимутагенеза и адаптивного ответа у растений // Генетика. — 2002. Т. 38. — №3.

А.Степанова, ученица XI класса СОШ № 89,
руководитель работы: С.А.Фамелис, учитель биологии СОШ № 89, Москва