Эколого-биологические последствия Чернобыльской катастрофы 2 page

4.4.3. Частотный анализ морфогенетических изменений у растений, произрастающих в зоне повышенных уровней хронического облучения
Поскольку в контрольной группе растений многие аномалии практически полностью отсутствовали, а на опытных полигонах частота отклонений от нормы в первые 2 года после аварии колебалась от 20 до 26 %, то с полным основанием выявленные тераты могут быть отнесены к индуцированным радиацией, так как при облучении растений на гамма-поле наблюдали образование аналогичных радиоморфозов. Дозовый эквивалент для таких случаев предположительно может соответствовать дозам более 15 Гр.
Большинство морфологических изменений (морфозов) связано с изменениями в меристематических тканях, представляющих собой группу растительных клеток в стадии активного деления и роста. В упрощенной форме эта ткань состоит из двух типов клеток: с высокой степенью репродукции; с различной степенью дифференциации. Результаты изучения репродуктивной способности сосны при разных уровнях облучения показали, что в собранных семенах урожая 1986 - 1988 гг. такие признаки, как пустозерность, жизнеспособность, масса семян, энергия прорастания, колеблются в широком интервале в зависимости от дозы облучения [117]. Собранные семена сосны высевали в тепличных условиях для изучения морфологических признаков и их наследуемости в потомстве. Анализ однолетних сеянцев и двухлетних саженцев показал высокую изменчивость по широкому спектру морфологических признаков, большинство из которых наблюдали на взрослых деревьях.
Полученные данные свидетельствуют о том, что по мере увеличения продолжительности пребывания многолетних растений в зоне с радиационной аномалией, следует ожидать селективного увеличения полиморфизма и физиологической нестабильности. В этом случае пролонгированное радиационное воздействие на меристемы точек роста может способствовать преобразованию генетического и физиологического гомеостаза, что, по-видимому, может привести к микроэволюционным сдвигам.
4.4.4. Восстановительные процессы у многолетних растений, произрастающих в зоне радиационной аномалии
Хронический режим облучения, сложившийся на территории 30-километровой зоны ЧАЭС после острого периода облучения весной 1986 г., затрудняет понимание природы лучевого поражения многолетних растительных организмов, так как радиочувствительность всех их компонентов претерпевает существенные изменения в течение годового цикла развития. Интерпретация результатов осложняется и тем обстоятельством, что в ходе облучения наряду с развитием эффектов поражения протекают восстановительные процессы. После острого периода облучения восстановительные реакции у многолетних древесных и кустарниковых пород наблюдали спустя 1-1,5 года. В качестве критериев восстановления использовали интенсивность таких процессов, как корне-, побего- и порослеобразования, физиологические реакции компенсаторного характера.
Многолетние деревья сосны не способны к образованию поросли. У них мощным восстановительным потенциалом вегетативного характера обладает крона, имеющая большое количество спящих почек, защищенных круглогодично фотосинтезирующей хвоей [61,117]. Наблюдения в пострадиационный период (1986 - 1992) показали, что у сосны при дозе облучения свыше 14 Гр (сублетальная доза для сосны при остром весеннем облучении) восстановление происходило за счет дополнительного побегообразования из ранее спящих почек. Этот процесс начинался спустя год после облучения, т.е. в 1987 г., и выражался в появлении в верхней части кроны единичных побегов, представляющих собой пучки очень длинной хвои, сидящей на коротком толстом ауксибласте. Роль этих побегов заключается в обеспечении минимального уровня фотоассимиляции, необходимого для поддержания жизнедеятельности не пораженных облучением аттрагирующих органов и тканей дерева (корни, древесина ствола и ветки). Подтверждением этого является чрезвычайно высокая интенсивность фотосинтеза хвои таких побегов (в 3 - 4 раза выше контрольных), что свидетельствует о компенсаторном характере этого процесса. С каждым последующим годом количество таких побегов в кроне увеличивается, что указывает о возможности постепеного частичного восстановления исходных функций многолетнего растения. Начиная с вегетационного сезона 1988 г., в зоне сильного и среднего поражения при одних и тех же поглощенных дозах интенсивнее проходило восстановление деревьев более старшего возраста, а прирост побеговпоследнего года был выше в верхних мутовках, чем в нижних. Выживаемость сильно пораженных деревьев зависит от прироста побегов последнего года, и и если прирост составляет около 20% нормальной охвоенности при наблюдаемых темпах роста, то для восстановления таких деревьев потребуется 2-3 года. поэтомувозможно выживание отдельных деревьев, у которых количество побегов с зеленой хвоей в настоящее время составляет около 5-10%.
Смена вершины дерева - пострадиационная реакция на гибель осевого верхушечного побега; его роль берет на себя один из боковых побегов мутовки, наиболее мощный. Это явление отмечали примерно у 30% сосен (Pinus sylvestris) и елей (Picea excelsa L.), облученных в пределах 11-15 Гр. О возможности восстановления многолетних растений, произростающих в 30-километровой зоне ЧАЭС, свидетельствуюти данные о динамике компенсаторной и репродуктивной генерации при различных дозовых нагрузках. В качестве критериев компенсаторной регенерации исползовали также такие показатели, как заживление ран на ветвях многолетних растений, спилы ветвей определенного диамета, величина вторичного прироста на многолетних растениях после удаления верхшечной почкиюВ качестве критерия протекания репродуктивной регенерации у растений, произрастающих на почвах с различным уровнем загрязнения радионуклидами, использовали такой показатель, как интенсивность ризогенеза у черенков смородины черной (Ribes nigrum), ивы остролисной (Salix acutifolia). Полученные результаты свидетельствуют о том, что при тех ууровнях дозового прессинга, которые наблюдаются на территории 30-километровой зоны ЧАЭС, регистрируется достоверное увеличение интенсивности всех типов регенерационных процессов у многлетних растений.
4.4.5. Мутагенное действие
Под влиянием внешнего и внутреннего облучения радионуклидами, выброшенными при аварии, в растениях регистрировали мутации как в соматических, так ив половых клетках.
Возникновение мутаций связывается, как правило, с прямым физическим разрушением либо функциональной инактивацией под влиянием продуктов радиолиза участков хромосом и их уникальных структур. О повреждении уникальных структур может свидетельствовать увеличение рахрывов в молекулах ДНК. Используя прием дополнительного гамма-облучения растений, уже получивших определенную дозу радиации, с помощью метода электрофореза однонитевой ДНК и щелочного расплетания, обнаружили в обследованных в 1987г. популяциях травянистых растений, произростающих в окрестностях ЧАЭС, в частости, у радиочувствительного бобового растения горшка мышиного (Vicia cracca L.) повышенный выход однонитевых разрывов ДНК [136].
Формирование генетических изменений и их фиксация в последующих поколениях во многом зависят от функционирования систем репарации ДНК. При этом у растений данные системы играют особо важную роль в пыльце, что обусловлено ее особой функцией и гаплоидностью ядер. Эффективность функционирования систем репарации ДНК должна обеспечить стабильность генома, который может легко повреждаться вследствие слабой защищенности созревшего пыльцевого зерна. поэтому ослабление функционирования систем репарации является свидетельством усиления генетического действия излучения.
При излучении спонтанного обновления ДНК и индуцированного острым гамма-облучением внепланового синтеза ДНК, отражающего ее репарацию, было установлено, что формирование пыльцы березы бородавчатой (Betula pendula L.) при высоких концентрациях радионуклидов в почве (7,2·10¹³ по сравнению с 5,6·10⁹ Бк/км² в конроле) приводит к подавлению системы темновой репарации ДНК в зрелой хранящейся пыльце [22]. При сохранении у такой пыльцы способности к оплодотворению можно ожидать у растений накопление генетических повреждений.
Многими исследователями отмечено увеличение аберраций хромосом в образовательных тканях растений, произростающих в зоне аварии ЧАЭС. Так, обнаружено [40] увеличение в несколько раз числа клеток с аберрациями хромосом в корневых мерисистемах проростков ослинника двухлетнего (Oenothera biennis L.), выращенных в лабораторных условиях из семян растений, произрастающих при уровнях гамма-фона в 1986г. от 0,05 до 60мР/ч. При этом показана характерная прямо пропорциональная зависимость выхода мутаций от мощности дозы и обнаружены множественные аберрации хромосом, которые могут быть следствием действия плотноионизирущего альфа-излучения.
При проведении исследований [47] на различных по уровню загрязнения радиоактивными выпадениями участках (от 120 до 800 МБк/м^2), наблюдали линейную или близкую к ней зависимость между поглощенной в течение 26.04 - 5.06 (сбор семян) 1986г. суммарной бета- и гамма-дозой растениями озимой посевной ржи (Secale cereale L.) и выходом клеток с аберрациями хромосом в корневых меристемах проростков М2-поколениями (рис. I.4.6).
Этот же тест был использован [122] для оценки влияния радиоактивного загрязнения на семена 7 видов растений, собранных в зоне, прилегающей к ЧАЭС. Мощность дозы составила 2 - 3 мР/ч. При этом у отдельных различающихся по радиочувствительности видов было обнаружено от 1 до 8% аберраций хромосом, причем наблюдалось повышение частоты аберраций с увеличением мощности дозы. Но линейной зависимости не установлено, что, по-видимому, обусловлено неравномерным распределением радионуклидов по поверхности почвы или влиянием различных загрязнителей химической природы. Интересно, что на второй год после аварии частота аберраций хромосом у некоторых видов возросла в 1,5 - 3 раза несмотря на 2 - 3-кратное снижение радиационного фона. Этот факт имеет исключительно важное значение с точки зрения гентической опасности не только внешнего, но и внутреннего облучения за счет радионуклидов, поступающих в растения из почвы.
При выращивании высокорадиочувствительных конских бобов (Vicia faba L.) сорта Русские черные [36] в 30-километровой зоне при уровнях радиоактивного загрязнения пахотного горизонта почвы по ⁹⁰Sr около 2·10¹² Бк/км² и по¹³⁷Cs около 4·10¹² Бк/км² (поглощенная доза для корневой системы за 3 мес выращивания растений сотавляла 0,15 - 0,4 Гр) регистрировали увеличение в 2 - 3 раза количества клеток с аберрациями хромосом.

Рис. 1.4.6. Зависимость количества клеток с аберрациями хромосом (n, %) в корневой системе 24-(1), 48- (2) и 72-часовых (3) проростков семян М2-поколения озимой ржи (Secale cereale L.) от дозы хронического облучения растений М1-поколения

Кроме того, было установлено [126] увеличение количества клеток с аберрациями хромосом и хроматид в корневой меристеме проростков скерды кровельной (Crepis tectorum L.), выращенных из семян растений, собранных на территории зоны ЧАЭС при условиях гамма-фона 5-10 мР/ч в первый и 0,02 - 20 мР/ч во второй годы после аварии. В проростках первого года максимальная частота клеток с аберрациями достигала 10,2 - 15,3 %, причем нередко наблюдались клетки со множественными аберрациями. Во второй год на участках с максимальным уровнем фона ьыло обнаружено 1,4 - 2,2% клеток с аберрациями хромосом. При минимальных мощностях облучения частота клеток с аберрациями составила всего 0,3 - 0,5%; эти значения соответствуют спонтанному уровню. Кроме того, отмечали также появление растений с измененным кариотипом, что свидетельствует об активных микроэволюционных процессах в хронически облучаемых популяциях.
Имеются данные [88], свидетельствующие о повышении количества стерильной пыльцы у растений, растущих на территориях, загрязненных радионуклидами. Так, исследуя две популяции фиалки утренней (Viola matutina klok), произрастающей на двух участках 30-километровой зоны ЧАЭС, различающихся на 3 порядка по величинам поглощенных доз, выявили в 1987 и 1988 гг. увеличение в 1,5 - 2 раза количества стерильных пыльцевых зерен. При уровне мощности дозы на высоте 2 м 4 - 5 Гр/год наблюдали частичную женскую стерильность сосны (Pinus sylvestris L.), выражавшуюся в снижении гамето-фитной выживаемости семяпочек, опыленных в 1986 г. и уменьшении эмбриональной выживаемости семяпочек, опыленных в 1985 г.
Безусловно, стерильность - неспособность организма образовывать гаметы или достаточное их количество, не приводит к генетическому повреждению, а лишь снижает число потомков. Но при действии ионизирующей радиации стерильность, как правило, является следствием генных или хромосомных мутаций, обусловливающих нарушение мейоза - основного звена гаметогенеза.
Прямым свидетельством генетического действия ионизирующих излучений на пыльцу является непосредственная регистрация в них мутаций. У растений, выращиваемых на почвах 30-километровой зоны ЧАЭС с общей бета-активностью 2,6·10³- 6,3·10⁴Бк/кг, в пыльце ячменя (Hordeum vulgare L.) отмечали увеличение частоты waxy-изменений в 2 - 3 раза [34].
Таблица І.4.7
Количество хлорофилльных мутаций типа альбина у ржи (Secale cereale L.) и ячменя (Hardeum vulgare L.), %

Примечание. Семена получены в 30-километровой зоне ЧАЭС.
В первые месяцы после аварии при выращивании растений ржи (Secale cereale L.) и ячменя (Hardeum sativum jessen) в условиях закрытого грунта на почвах, привезенных из 30-километровой зоны, было обнаружено увеличение частоты встречаемости различных типов хлорофилльных мутаций. Преобладали нежизнеспособные мутации типа альбина. В последующие годы семена, собранные в зоне, высевали вновь. У ржи и ячменя, выращиваемых в 30-километровой зоне на почве с суммарной гамма-активностью 1·10⁵Бк/кг, регистрировали многократное превышение спонтанного уровня выхода хлорофилльных мутаций (табл. 1.4.7). При этом было отмечено, что в каждом последующем поколении мутации не элиминировались, поскольку высеянные семена подвергались последующему прессингу радионуклидов.
Выход морфологических аномалий у 4 сортов озимой пшеницы (Triticum vulgare L.) при их выращивании в течение 3 лет на почве с суммарной активностью гамма-излучения 5,2·10⁴- 1,8·10⁵Бк/кг в 1986 - 1987 гг. превысил 40 %, но в 1988 г. уменьшился. Спектр выявленных аномалий довольно широк: в первый год после аварии наиболее частым (до 49 %) было образование в колосьях стерильных зон - череззерница; в 1987 г. количество аномалий этого типа достигало 30 %, а в следующем поколении снижалось до 1,9 %. Часто встречались колосья с дополнительными колосками ("грыжи") и укороченные колосья. К распространенным изменениям структуры колоса следует также отнести аномалии типа скверхед. Встречались также растения с повышенной остистостью, неравномерной остистостью, колос "елка", изменения окраски стебля и другие. У разных сортов выход морфологических аномалий проявляется по-разному, что может быть связано, с одной стороны, с различной их радиочувствительностью, а с другой - с неодинаковой способностью к накоплению радионуклидов.
Безусловно, отмечаемые морфологические аномалии, отклонения от нормы, как правило, имеют место лишь в поколениях облучаемых организмов и обычно не закрепляются в потомстве. Тем не менее их стойкое проявление во все последующие годы, вплоть до 1994 г., позволяет предполагать, что многие из этих изменений носят генетический характер и свидетельствуют о том, что под влиянием ионизирующих излучений радионуклидов, выброшенных при аварии на ЧАЭС, в популяциях растений идет мутационный процесс.
4.4.6. Действие на растения инкорпорированных радионуклидов
Радиочувствительность растений к облучению, создаваемому в результате накопления в тканях радионуклидов, изучена меньше, чем радиочувствительность к облучению от внешних источников. Главным образом это обусловлено тем, что большинство видов растений обладает более высокой по сравнению с млекопитающими радиоустойчивостью, и даже при накоплении радионуклидов в значительных количествах действие излучений у них проявляется гораздо в меньшей мере. Растениям обычно отводится роль переносчиков радионуклидов по пищевой цепочке "почва - растение - животное - человек" или "почва - растение - человек".
Тем не менее при поступлении и накоплении радионуклидов в относительно радиочувствительных видах растений в зависимости от физико-химических характеристик радиоактивных веществ, их количества, мест локализации могут наблюдаться те же радиобиологические эффекты, что и при эквивалентных поглощенных дозах внешнего облучения: радиационная стимуляция, морфологические изменения, лучевая болезнь, ускорение старения и сокращение продолжительности жизни, гибель, генетическое действие. Однако поступившие внутрь растений радиоактивные вещества могут обладать повышенной по сравнению с внешним облучением опасностью, вызванной рядом причин. Первая и основная из них - способность некоторых радиоактивных веществ избирательно накапливаться в отдельных тканях и органах, что приводит к относительно высоким локальным уровням облучения. Вторая причина - увеличение опасности действия альфа-и бета-излучателей, которые мало влияют на растения в условиях внешнего облучения, но могут стать необычайно сильным источником ионизирующей радиации при поступлении внутрь клеток и клеточных структур. Третьей причиной являются, как правило, длительные сроки облучения. Ввиду специфики метаболизма растений радионуклиды, кумулируясь в тканях, практически не выводятся из них в отличие от животных. При огромных периодах полураспада⁹⁰Sr,¹³⁷Cs,²³⁹Pu даже у многолетних растений эти радионуклиды будут обусловливать облучение в течение всего онтогенеза.
И если в первый год аварии облучение растений было обусловлено в значительной степени за счет внешнего облучения, то в последующие годы с начавшейся миграцией радионуклидов по трофической цепочке, оно почти исключительно обусловливается внутренним облучением. Но если у одно-двухлетних растений за сравнительно короткий период вегетации не всегда успевают сформироваться достаточно высокие дозы облучения, то у многолетних растений в течение десятков лет могут сложиться сравнительно высокие уровни облучения. Более того, подавляющее количество видов многолетних растений, как правило, чувствительнее к действию радиации, чем одно-двухлетние травянистые виды.
В зоне Чернобыльской катастрофы в кроне древесных растений первоначально было задержано от 60 до 90 % выпавших на лес радионуклидов. После выпадения радиоактивных осадков на лесную растительность начинается их вертикальная миграция под влиянием сил гравитации, атмосферных осадков, движения воздуха, с листовым опалом. в результате чего радионуклиды перемещаются в нижние слои крон, под полог леса. Скорость вертикальной миграции зависит от физико-химических характеристик радиоактивных выпадений, типа и возраста древостоя, метрологических условий, времени года. Спустя некоторый период, который в хвойных лесах может измеряться несколькими годами, основная масса радиоактивных веществ переходит в лесную подстилку и в верхний слой почвы. Именно из него через 4 - 5 лет в лиственном лесу и через 8 - 10 лет в хвойном (что обусловлено особенностями в скорости вертикальной миграции радионуклидов и более быстрой минерализацией листьев по сравнению с хвоей) начинается активное поступление радионуклидов в древесные растения через корни.
Если механизмы поступления и усвоения радионуклидов однодвухлетними травянистыми и многолетними древесными растениями в основном не различаются, то характер из накопления имеет принципиальные различия. Многолетние древесные способны к существенному накоплению радионуклидов во всех органах - листьях, ветках, коре, древесине. Многолетний замкнутый цикл радионуклидов по цепочке "листья - лесная подстилка - почва - корни - ствол - листья" и так далее может приводить к существенному радиоактивному загрязнению всех органов. У одного из самых радиочувствительных видов - сосны - это может приводить к самым различным типам нарушений. Повреждаться могут и другие виды. Ель, например, обладает более высокой радиоустойчивостью, но она является кальциефилом и способна накапливать -Sr в больших количествах, чем сосна и другие виды.
Различные радионуклиды не только по-разному накапливаются отдельными видами растений, но и по-разному концентрируются в различных органах, приводя к различной степени облучения. На радиоавтографах целых растений, полученных при введении различных радионуклидов, как правило, бывает хорошо определена неравномерность их распределения по отдельным органам. Четко прослеживаются места концентрации, сосредоточенные, как правило, в тканях, которые обладают высокой метаболической активностью (меристема и генеративные органы) и наиболее высокой радиочувствительностью. Именно поэтому как при внешнем, так и при внутреннем облучении радиобиологические эффекты, в первую очередь, проявляются на этих группах клеток. В частности, в меристемах наблюдаются замедление или ускорение деления клеток, формирование различного рода морфологических изменений, замедление роста органов и растения в целом, гибель меристем и др.
В год аварии в пяти областях Украины (Киевской, Черниговской, Житомирской, Черкасской и Винницкой), в том числе в различных местах 30-километровой зоны, были собраны образцы семян 9 сортов озимой пшеницы (Tviticum vulgare L.), растения которой в течение 3 мес - с фазы кущения (время аварии) до созревания - подвергались облучению радиоактивными выбросами. Максимальный уровень суммарной бета- и гамма-активности семян достигал 3,7·10⁴Бк/кг. По общепринятым методикам экспериментального мутагенеза в последующих б поколениях изучались частоты и спектр мутационной изменчивости растений. У 18,4 % образцов выявили достоверное увеличение (более чем в 2,7 раза) частоты хромосомных аберраций в клетках меристемы первичного корешка прорастающих семян. В одном случае у проростков из семян растений, выросших в 16 км от станции, наблюдали увеличение в 32 раза количества аберраций. Регистрировали увеличение в 2,7 - 8,7 раза частоты видимых мутаций. Их спектр охватывал 27 типов мутаций по признакам структуры стебля, листа и колоса, физиологическим признакам. Спецификой спектра были сравнительно частые мутации по генам карликовости, а также редко встречающиеся в обычных условиях мутации типа "ощипанный колос" и "разветвленный колос". Мутации полимерных генов по элементам структуры урожая в последующих поколениях привели к изменению продуктивности мутантов и в итоге к потере типичности сортов.
При выращивании проростков гороха (Pisum sativum L.) и кукурузы (Zea mays L.) на водных вытяжках почв из 10-километровой зоны ЧАЭС, имеющих суммарную бета-активность 5·10^-9- 5·10^-8Ки/л, наблюдали [46] заметное снижение относительной скорости роста растений.
Радиационную стимуляцию, выражавшуюся в ускорении прорастания семян, роста растений, прохождении фаз развития, повышении фотохимической активности хлоропластов, увеличении содержания хлорофилла, наблюдали у желтого люпина (Lupinus luteus L.), выращенного из семян, которые были собраны в 30-километровой зоне ЧАЭС при уровне загрязнения по¹³⁷Cs Ки/км². Такие семена содержали¹³⁷Cs 2,31·10³и⁹⁰Sr 1,65·10²Бк/кг [115].
Наибольшую чувствительность к радиоактивному загрязнению проявили сосновые леса по причине высокой радиочувтвительности этого вида растений, значительной задерживающей способности хвои и, как следствие, высокого вклада бета-излучения в дозовую нагрузку [49]. Общая поглощенная доза в хвое и почках примерно в 10 раз больше дозы внешнего гамма-облучения. Именно поэтому на участках с высоким уровнем загрязнения в активно растущих меристемах обнаруживали наиболее сильные повреждения, приводящие к их массовой гибели, пролифирации боковых почек с неупорядоченной ориентацией, образованию укороченных побегов с мелкой или гигантской хвоей, искривлению иголок хвои, нарушению ориентации молодых вегетативных побегов. К концу лета 1986 г. проявились летальные эффекты облучения сосны. В течение последующего осенне-зимнего периода было выявлено, что общая площадь погибшего лесного массива, примыкающего с запада к промплощадке АЭС, достигает 500 га.
Спустя 4 года после аварии наблюдалось снижение в 5 - 10 раз продуктивности семян у аборигенной популяции подорожника ланце-толистного (Plantago lanceolata L.), произрастающей в местах с уровнем гамма-фона от 2,8 до 1334 пА/кг [120]. По-видимому, данный тип радиационного поражения растений можно связать с угнетающим действием многолетнего хронического облучения на популяцию этого радиочувствительного представителя травяного покрова, не выделяя вклад внешнего и внутреннего облучения. Кроме того, без сомнения, можно утверждать, что на 4-й год после аварии, когда внешнее облучение по сравнению с первоначальным поставарийным периодом уменьшилось во много раз, фактор внутреннего облучения в радиационном повреждении растений играет определяющее значение. Особенно это касается травянистых растений с мочковатой корневой системой, формирующих основную массу корней в верхнем, наиболее загрязненном радионуклидами слое почвы.
Тем не менее следует признать, что главная опасность накопления растениями радионуклидов состоит не в их традиционной угрозе для растений, а в том, что они являются главным звеном миграционной цепочки на пути передачи радионуклидов более радиочувствительным видам живых организмов - млекопитающим и, в первую очередь, человеку. При оценке функциональной активности лимфоцитов крови и периферических лимфоидных органов выявлены: нарушения реакции на поликлональный Т-клеточный митоген [98] при одновременной активации функции К-клеток (антителозависимая цитотоксичность); подавление кооперативных Т-клеточных реакций - трансплантационного иммунитета, гиперчувствительности замедленного типа [97]. Достаточно типичны волнообразные изменения способности лимфоцитов к контактному взаимодействию с аллогенными тканевыми базофилами. Такое взаимодействие, согласно современным представлениям, определяется степенью дифференцировки лимфоидных клеток и опосредует их участие в регуляции аллергических реакций немедленного и замедленного типов, а также регуляции гуморального иммунитета [37]. К биологическим эффектам постоянного облучения относится и прогрессирующее со временем снижение "спонтанной" антигеннеспеци-фической Т-супрессии [97].
Показатели, характеризующие В-систему иммунитета, более стабильны. При обследовании нескольких поколений линейных мышей, постоянно содержащихся в Чернобыле, не выявлено существенных изменений содержания и пролиферативной активности В-лимфоцитов в периферических лимфатических узлах. Ответ на поликлональный В-митоген (декстрансульфат) и уровни сывороточных иммуноглобулинов, а также специфический гуморальный иммунный ответ на заражение вирусом гриппа у этих животных также значительно не изменялись. О сохранении способности к активному антителообразованию свидетельствует и выраженная стимуляция аллергической реакции немедленного типа - достоверное повышение содержания Jg E-антител в органах дыхания мышей в ответ на иммунизацию аллергеном амброзии [99]. В отдаленные сроки радиационного воздействия выявлено и возрастание уровня аутоантител к собственным эритроцитам и эпителиальному ретикулуму тимуса [20]. Эти данные указывают не только на большую сохранность гуморального иммунитета по сравнению с клеточным, но и на срыв толерантности к собственным тканям. Последнее свидетельствует о высокой вероятности развития ау-тоиммунных поражений облученного организма.
Поздние реакции на постоянное действие факторов радиационной аварии другой группы клеток иммунной системы - моноцитов (макрофагов) - изучены в меньшей степени. Известно, что в костном мозгу страдают клетки моноцитарного ряда кроветворения [8]. Выявлены усиление поглотительной активности макрофагов брюшной полости и активация ферментов "дыхательного взрыва" фагоцитирующих клеток до критических уровней. Наряду с этим обнаруживается четкая тенденция к истощению функционального резерва клеток [101,106].
В детальном изучении на экспериментальных моделях нуждается продукция моноцитами (макрофагами) цитокинов, играющих важную роль в развитии воспалительной реакции, в процессах пролиферации и дифференцировки клеток иммунной системы, в противоопухолевой резистентности, межсистемных взаимодействиях, развитии компенсаторных процессов. Важность фундаментальных исследований такого рода, помимо теоретических посылок, обусловлена и тем, что к настоящему времени показано, что у ликвидаторов к числу отдаленных эффектов относится изменение концентрации сывороточных цитокинов этой группы (в первую очередь ИЛ-1b) [19]. Получены предварительные результаты об изменении уровней регуляторных цитокинов и у постоянно облучаемых экспериментальных животных [21, 107].
При изучении показателей естественной резистентности выявлено снижение лизоцимной активности сыворотки крупного рогатого скота [18, 53].
При интегральной оценке иммунологической реактивности животных, постоянно подвергающихся действию вредных факторов аварии на ЧАЭС, установлено развитие иммунодефицитов, проявлениями которых являются: снижение антимикробной устойчивости кожи у крупного рогатого скота [18] и диких мышевидных грызунов [60]; повышение чувствительности к экспериментальным вирусным инфекциям и прививке экспериментальных штаммов опухолевых клеток у лабораторных мышей [96,98].
Важно отметить, что развитие иммунодефицитных состояний наблюдается на протяжении всего срока проведения исследований (1986- 1993), т.е. иммунодепрессивное действие факторов аварии на ЧАЭС - долговременный биологический эффект.
Существенное теоретическое и практическое значение имеет тот факт, что, хотя иммунологическая недостаточность развивается вне зависимости от того, в каком периоде индивидуального развития началось радиационное воздействие, степень нарушений иммунного статуса возрастает, а сроки их появления сокращаются тем значительнее, чем моложе организм. Наибольшие изменения иммунной реактивности обнаружены у потомков облученных родителей, в свою очередь начинающих подвергаться постоянному облучению уже с эмбрионального периода. Анализ динамики изменений в иммунной системе показывает, что на ранних этапах (первые месяцы) постоянного облучения в малых дозах наряду с повреждающим действием факторов радиационной аварии наблюдаются признаки функциональной напряженности, компенсаторной и репаративной реакций. За счет последних отдельные иммунологические показатели могут превышать контрольный уровень, создавая, на первый взгляд, впечатление активации иммунной системы [72]. Однако полноценная адаптация системы иммунитета, видимо, отсутствует, ее компенсаторно-репаративные возможности истощаются и, по мере увеличения возраста животных либо числа поколений, выявляются нарушения преимущественно деструктивного характера, а также значительные нарушения иммунного гомеостаза.
Изучение возрастной динамики характеристик иммунокомпетентных органов и иммунных реакций у животных, содержащихся на экспериментальной базе в Чернобыле, позволило высказать предположение об ускорении темпов старения иммунной системы при постоянном внешнем и внутреннем облучении малыми дозами радиации низкой интенсивности [98]. Ускоренное развитие возрастной супрессии прямо показано в модельных экспериментах на линейных мышах, облучаемых дважды в неделю дозой 0,07 сГр в течение месяцев [35]. Следует отметить, что признаки "радиационного старения" тимуса обнаружены при обследовании облученных - "ликвидаторов" и пациентов с проявлением отдаленных последствий острой лучевой болезни [20]
Совокупность результатов, полученных разными исследованиями, показывает, что структура и выраженность иммунодефицитов может очевидно, варьировать в зависимости от дозы облучения, спектра и распределения радионуклидов в организме, генетических особенностей (данные, полученные на инбредных мышах разных линий) и исходного физиологического состояния последнего. Однако в большинстве исследований наблюдается преимущественная связь отдаленных эффектов факторов Чернобыльской катастрофы с повреждением тимусзависимого (Т-) звена системы иммунитета. Важно, что подобные закономерности выявлены и в исследованиях, посвященных иммунному статусу взрослого и детского населения, пострадавшего в результате аварии на ЧАЭС, в том числе лиц, принимавших участие в ликвидации последствий аварии [5].
На основании накопленной в настоящее время информации можно предполагать, что патогенез постчернобыльских иммунодефицитов имеет, вероятно, сложный комплексный характер и включает ряд компонентов: прямое и непрямое повреждающее действие ионизирующих излучений на клетки иммунной системы, включая стромальные элементы и вспомогательные клетки; нарушение процессов созревания и дифференцировки иммунокомпетентных клеток (преимущественно Т-лимфоцитов); нарушение функций центрального органа иммунитета - тимуса; развитие аутосенсибилизации (в том числе и к клеткам эпителиального ретикулума тимуса); глубокую дискоординацию иммунорегуляторных процессов и взаимодействий в рамках иммунной системы; изменение гормональной регуляции иммунной реактивности, связанное с нарушением в эндокринной системе. Приведенный перечень может быть далеко не исчерпывающим; не вполне ясно также, какие из перечисленных феноменов первичны, а какие вторичны. Однако более детальное обсуждение механизмов развития иммунодефицитов при постоянном воздействии на организм млекопитающих факторов аварии на ЧАЭС преждевременно.
4.2.5. Влияние на кроветворную систему
Костномозговое кроветворение (КМК) относится к тем системам, которые благодаря наличию стволового пула и относительной автономии пролиферации сравнительно быстро реагируют на воздействия ионизирующей радиации. При исследовании системы крови у животных после аварии на ЧАЭС обнаружен ряд особенностей реакции КМК при постоянном пребывании их в условиях внешнего и внутреннего облучения в полях низкой интенсивности и различного качества. Наблюдения велись с июня 1986 г. на диких мигрирующих животных, на экспериментальных животных в условиях вивариев Чернобыля и Киева. Некоторые ветеринарные хозяйства организовали наблюдения над крупным рогатым скотом и овцами. Наблюдения продолжаются по настоящее время, особенно в местах с плотным загрязнением по цезию. Выявленные гематологические эффекты, как правило, превышают ожидаемые для дозовых нагрузок, исходящих из экстраполяции данных, описанных при воздействий на организм больших доз. Некоторые различия в степени выраженности изменений КМК обусловлены особенностями проведения опытов (временем, прошедшим после аварии, удаленностью от реактора места проведения экспериментов, продолжительностью самого эксперимента).
С октября 1986 г. систематически проводятся исследования КМК на белых беспородных крысах, завозимых в половозрелом трехмесячном возрасте в Чернобыль и наблюдаемых до момента их естественной гибели. Дозовые нагрузки не превышали 3 сГр за жизнь животного. К настоящему времени систематизирован материал о состоянии КМК у крыс трех серий экспериментов: 1986 - 1989, 1989 - 1991, 1991 - 1993 гг. Наиболее выраженные количественные изменения клеточного состава костного мозга и периферической крови зарегистрированы в первой серии опытов. У животных чернобыльской группы отмечались: умеренно выраженная гипохромная анемия; прогрессирующая с третьего месяца пребывания в зоне лейкопения, преимущественно за счет лимфоцитарной фракции, достигающая к моменту гибели 30 - 40 % от исходного уровня; снижение числа миелокариоцитов на 50 - 60 %. Однако наиболее существенным было наличие гранулоцитопении с очень высоким содержанием эозинофилов. Изменения в миелограмме наблюдались по гипопластическому типу (уменьшение молодых дифференцирующихся элементов с возрастанием доли зрелых гранулоцитов, ретикулярных и плазматических клеток). При этом в киевской группе животных гематологические изменения носили однонаправленный характер, но развивались значительно более медленно. В последующих сериях экспериментов ни в чернобыльской, ни в киевской группах на протяжении жизни животных не наблюдалось значительного снижения клеточности костного мозга и лейкоцитов периферической крови. Обращает на себя внимание тот факт, что в каждой последующей серии снижается исходный уровень лейкоцитов. Это свидетельствует о тенденции к постоянному уменьшению плацдарма КМК под влиянием ухудшившейся радиоэкологической обстановки.
К стабильным явлениям, наблюдаемым в каждой серии опытов, относятся относительная и абсолютная эозинофилия и наличие патологических клеток, обычных для радиационных поражений (гигантские гиперсегментированные нейтрофилы, клетки с фрагментозом ядер, косматой структурой хроматина, включением ядерного вещества в цитоплазму, дву- и многоядерные лимфоциты, полиморфно-ядерные лимфоциты, мононуклеары и др.).
Эозинофилию и атипичные клетки регистрируют практически все исследователи, изучающие систему КМК у животных. Наблюдаются они и у лиц, принимавших участие в ликвидации последствий аварии и у проживающих на загрязненных радионуклидами территориях. Этот феномен требует тщательного изучения, являясь показателем наличия в организме аутоиммунных реакций и развития эндогенной интоксикации.
К особенностям реакции КМК относятся также выявленные изменения пролиферативной активности костного мозга. У животных всех серий экспериментов после 3 - 6-месячного пребывания в Чернобыле отмечалось первичное значительное увеличение митотической активности, в ряде случаев сопровождаемое нарастанием клеточности костного мозга, с последующим выраженным снижением числа митозов. Механизм этого процесса остается невыясненным.
Аналогичные результаты получены при изучении системы КМК у Диких грызунов, отлавливаемых в зоне аварии, получавших внешнее гамма-облучение от 5,16·10^-9до 5,16·10^-5Кл/кг. В реакции крови отмечено две фазы: усиление компенсаторных процессов (активация эритро- и миелопоэза) и декомпенсация (на фоне лейко- и эритропений происходит обильный выход в периферическое русло бластных форм и атипичных клеток). В работах [53 - 55] приведены изменения гематологических показателей крупного рогатого скота, в течение 2 мес пребывавшего на расстоянии 9 - 12 кмј от ЧАЭС. У животных наблюдалась эритропения, снижение концентрации гемоглобина, уменьшение процентного содержания нейгрофилов и моноцитов, эозинофилия, качественные изменения клеток белой крови. У крупного рогатого скота, свободно обитавшего в радиусе 3 - 6 км от аварийного блока до октября 1987 г., в лейкограмме выявлена выраженная эозинофилия, сдвиг в формуле влево, лимфопения, наличие ретикулярных, недифференцированных клеток, фигур митозов, распадающихся форм; отмечалась гаперхромная анемия [б].
Количественные и качественные изменения показателей КМК отмечались и у лабораторных животных, кратковременно экспонированных в реперных точках 30-километровой зоны ЧАЭС. Например, отмечено, что у крыс после их экспонирования в течение 30 дней в с. Янов (доза 0,6 Гр) наблюдаются уменьшение лейкоцитов с 8,8 до 3,0·10^-9 кл./л и тенденция к снижению клеточности костного мозга, содержание эритроцитов не изменилось [48]. У мышей, экспонируемых в этой же точке, в периферической крови обнаружили уменьшение числа лимфоцитов и лейкоцитов [81].
Исследования по изучению стволового пула КМК единичны. По данным ряда авторов [82,92], у мышей, экспонируемых на реперных точках в 30-километровой зоне ЧАЭС в 1991 и 1992 гг. (суммарные дозы 24 и 120 мГр), наблюдается изменение стволовых потенций костного мозга. На основании экспериментов с дополнительным облучением животных в дозе 1,5 Гр установлено, что пребывание в зоне повышает радиочувствительность колониеобразующих единиц селезенки, т.е. отсутствует адаптивный ответ при остром облучении после экспозиции мышей в зоне аварии.
Основные механизмы поражения КМК, по-видимому, следующие:
1) внешний гамма-фон всей совокупности среды обитания;
2) соприкосновение циркулирующей крови со всем спектром нуклидов, вдыхаемых легкими. При этом все газообразные и аэрозольные радионуклиды могут проникать в кровь через альвеолярные мембраны и мембраны сосудистого эндотелия традиционным путем транскапиллярного обмена. Иными словами, в сосудистом русле, в том числе и в межтрабекулярных полостях и синусах костного мозга, где располагаются кроветворные клетки, может создаваться определенная концентрация не тропных по отношению к костной или кроветворной ткани радионуклидов, постоянно воздействующих на организм, как бы Облучая "извне" кровь и кроветворные органы. Тот же механизм попадания в кровь и соединений, содержащих радионуклиды, заглатываемые с пищей: через ворсинки кишечника, имеющие так назывемые окончатые капилляры, они попадают в систему воротной вены печени, откуда разносятся по всему организму, и, в свою очередь, являются одной из слагаемых лучевого воздействия на костномозговое кроветворение и периферическую кровь;
3) постоянное воздействие излучения на кровь и кроветворные органы имеет и геометрически "обратный" путь воздействия - либо непосредственно путем пробега частиц из фиксированных в тканях радиоизотопов, либо из радионуклидов, находящихся в тканях и клетках в растворимых соединениях, и проникающих обратно в кровь всеми классическими путями транскапиллярного обмена. Иными словами, осуществляется постоянный обмен энергии ионизирующего излучения между циркулирующей кровью и тканями организма с поддержанием относительного постоянства концентрации суммарных радионуклидов в капиллярах и синусоидах костного мозга, непосредственно кровоснабжающих межтрабекулярные полости, в которых содержатся стволовые и дифференцирующиеся элементы КМК;
4) действие остеотропных радионуклидов, таких, как⁹⁰Sr и²³⁹Pu накапливающихся в эндостальной поверхности; кости, т.е. непосредственно прилегающей к трабекулярным поверхностям или поверхностям костномозговых каналов, при том, что все стволовые и бластные клетки костномозговой ткани располагаются строго по периферии. Кроме радиобиологических эффектов, развивающихся по канонам взаимодействия ионизирующего излучения от инкорпорированного.источника с веществом живой ткани, 239Ри, обладая альфа-излучением, имеющим энергию, превышающую 5 мэВ с пробегом частиц до 250 мкм в жидкой фазе, будет обладать и выраженным прямым повреждающим действием на все клетки КМК с преобладанием повреждения стволового и коммитированных пулов, но могущим повредить клетки любой степени дифференцировки, в том числе и зрелые, а,также стромальные клетки кроветворного микроокружения;
5) и, наконец, соприкосновение всех классов дифференцирующихся в. костном мозге клеток стромального микроокружения, а также клеток периферической крови с "горячими" частицами, создающими.колоссальное энергетическое поле вокруг себя и обладающими очень большим прямым повреждающим действием, прямо зависящим от суммарной энергии ионизирующего излучения "горячей" частицы.
Кроме перечисленных механизмов прямого повреждения клеток КМК инкорпорированными радионуклидами, в патогенезе костномозгового синдрома существенную роль играет развивающаяся эндогенная интоксикация [85].
4.2.6. Отдаленные последствия, заболеваемость и продолжительность жизни
Биологические эффекты, причинно обусловленные действием радиогенного фактора на организм животных и человека, классическая радиобиология относит к стохастическим или нестохастическим.
Стохастические реакции имеют определенную вероятность появления, преимущественно с линейно-квадратической зависимостью от дозы радиации, существенно зависят от качества излучения и проявляют беспороговую закономерность. В основе механизма реакций лежат повреждения генетического.материала, инициирующие такие специфические эффекты, как мутации или предраковые состояния. Эти эффекты связаны с повреждением одной или нескольких клеток. К стохастическим реакциям, как правило, относят генетические и канцерогенные эффекты.
Нестохастические эффекты, как считают, имеют пороговую дозу, превышение которой усиливает тяжесть реакций; они тканеспецифичны. К этим эффектам относят как соматические, так и наследственные, Нестохастические реакции являются следствием повреждения определенного количества клеток. Тяжесть эффекта зависит от количества таких повреждений. При фракционировании дозы радиации с низкой линейной потерей энергии (ЛПЭ) величина эффектов уменьшается. Для излучений с высокой ЛПЭ этой зависимости не существует.
Однако эта классификация чисто условная и относительная, поскольку многие нестохастические эффекты могут быть следствием стохастических; они взаимосвязаны и взаимообусловлены многообразием индивидуальных реакций, зависимостью от времени наблюдения и пр. Так, в более ранних сообщениях американских и японских исследователей при традиционных подходах к оценке рисков отдаленных последствий у людей, перенесших атомную бомбардировку, отмечено три класса эффектов: не зависимые от дозы радиации (ускорение старения, бесплодие, врожденные дефекты, увеличение смертности в первом поколении, остеосаркомы, хронические лимфолейкозы); предполагаемо зависимые от дозы (изменение иммунного статуса, некоторые злокачественные новообразования кишечника, пищевода, нервной системы, слюнных желез и лимфомы); с выраженной зависимостью от дозы излучений (катаракта, абберации хромосом, злокачественные опухоли, микроцефалия, дефекты умственного и физического развития у облученных внутриутробно). На основании этих наблюдений рассчитаны риски отдаленных последствий. Однако с учетом дополнительных данных, более тщательного и всестороннего их анализа Комитет до биологическим эффектам ионизирующей радиации Национальной академии наук США (БЭИР-5) пришел к выводу о существенной недооценке рисков многих заболеваний, в частности опухолевого генеза. Согласно другим данным, биологические эффекты малых доз радиации низкой интенсивности могут быть увеличены в 100 - 1000 раз по отношению к ожидаемым при экстраполяции их из области больших доз радиации.
Отличительная особенность Чернобыльской катастрофы при сравнению с ранее имевшими место случаями переоблучения людей состоит в том, что огромные контингенты населения, включая его критические группы и потомков облученных родителей, вынуждены постоянно находиться в надфоновых радиационных полях. Эти поля формируются не только за счет внешней g-компоненты, но, что особенно важно, и радионуклидов, попадающих в организм ингаляционным путем и с пищей, инкорпорирующихся в органах и тканях. Особенности стохастических и нестохастических отдаленных последствий такого рода радиационного воздействия в настоящее время изучены недостаточно. В настоящей главе приведены результаты исследования некоторых из них, в частности, заболеваемости и смертности у лабораторных животных, в течение всей жизни (1986 - 1989) находившихся в реальных условиях радиоактивных выпадений после аварии на ЧАЭС. В качестве биологической нормы использованы результаты исследований, полученные до аварии на ЧАЭС (1980 - 1986) у животных того же вида и разводки того же вивария (доаварийная норма).
Понимая некоторую относительность выбранного контроля к опытным группам животных, при планировании эксперимента исходили из практических трудностей создания условий, обеспечивающих адекватную биологическую норму. Кроме того, учитывалось, что в доаварийный период на больших выборках этих животных выполнены обширные исследования многих биологических показателей, включая половые, возрастные особенности, а также суточные и сезонные ритмы, не только в норме, но и при однократном воздействии на них радиацией разного вида и в разных дозах.
Следует отметить, что значительная часть опытных животных погибла в относительно молодом возрасте (до 2 лет), что не могло не сказаться на общем выходе новообразований. До аварии основная часть неопухолевых животных погибала после 30 мес, и их общая гибель составила 41,7 %. Животные чернобыльской группы без опухолей,начали погибать с 14 мес, а в киевской группе - с 18 мес. Для этих групп характерно быстрое нарастание во времени процента погибших животных. Так, например, к 30-му месяцу жизни у интактных животных (до аварии) погибло 8 % животных без опухолей, а в киевской и чернобыльской группах соответственно 57 и 52,5 %. В киевской и чернобыльской группах животных значительно отличаются интервалы времени, в течение которых отмечена максимальная скорость гибели (20 - 23 и 19 мес соответственно). Следовательно, увеличение радиационной нагрузки у животных сдвигает пик их гибели на более ранний возраст. Общая гибель животных, у которых не выявлены опухоли, составила в чернобыльской группе 53,4 %, в киевской несколько выше - 58 % исходного числа крыс, взятых в эксперимент.
При анализе средней продолжительности жизни (СПЖ) крыс отмечено ее сокращение на 7 - 8 мес по сравнению с биологической нормой. Так, СПЖ до аварии составляла 28,2±0,6 мес, в киевской группе - 21,6±0,5 мес, в чернобыльской - 20,3±0,8 мес. Сокращение продолжительности жизни животных под влиянием постоянного действия радионуклидов в значительной мере связано с общими повреждающими эффектами радиации на различные системы и органы (табл. 1.4.5).
Непосредственной причиной гибели крыс чаще всего были воспалительные процессы в легких и кишечнике. Заболевания дыхательной системы у киевских животных составили 43,3 %, в чернобыльской группе - 64,3 %. Характерной особенностью заболеваний дыхательной системы у животных, находящихся в Чернобыль, был высокий процент абсцедирующих, геморрагических пневмоний и кровоизлияний в легкие (35,3 %). У киевских животных на этот вид заболеваний приходится 10,3 %. Заболеваемость органов желудочно-кишечного тракта у крыс, находившихся в Киеве и Чернобыле, в процентном отношении Практически совпадает (26,2 и 26,7 % соответственно). Среди заболеваний желудочно-кишечного тракта, аналогично легочной патологии у чернобыльских животных, преобладали геморрагические, язвенно-некротические колиты и энтероколиты (13,6 % по сравнению с 7,2 % в Киеве).
Обращают на себя внимание относительно часто встречающиеся изменения в лимфоидных органах. Гиперплазия лимфоузлов, селезенки, тимуса наблюдалась у 12,7 % киевских животных и у 17,6 чернобыльских. Известно, что геморрагические и язвенно-некротические процессы типичны для воздействия на организм больших доз ионизирующего излучения. Значительное количество животных с данной патологией в чернобыльской группе, при незначительном вкладе внешней гамма-компоненты, может быть обусловлен существенным внутренним облучением инкорпорированными радионуклидами с высокой биологической эффективностью.
Таблица 1.4.5
Заболеваемость у крыс, постоянно находившихся на экспериментальных базах в Киеве и Чернобыле (1986 - 1989), %