Радіаційний мутагенез

   Радіаційний мутагенез (radiation mutagenesis) [лат. radiatio - випромінювання; лат. mutatio - зміна і грец. genesis - походження] - виникнення під впливом іонізуючих випромінювань і УФ-променів спадкових змін (мутацій). Розрізняють спонтанний (природний) Р.М., що відбувається під дією сонячної (космічної) радіації або радіації, не контролюється людиною (підземні радіоактивні елементи), та індукований (штучний) Р.М., здійснюваний в контрольованих людиною (як правило, експериментальних) умовах; другий тип Р.М. досить широко застосовують у селекції (особливо в селекції мікроорганізмів і рослин) для отримання широкого спектру різних мутацій, серед яких можуть бути відібрані господарсько корисні. Р.м. використовують в генетичних дослідженнях, в селекції промислових мікроорганізмів, с.-г. і декоративних рослин. Підвищення частоти шкідливих мутацій в результаті збільшення вмісту в біосфері радіоактивних ізотопів - одна з основних небезпек радіоактивного забруднення біосфери.

    Іонізуюча радіація називається «іонізуючої» тому, що при проходженні через будь-яку речовину заряджених (електрони) або нейтральних (нейтрони) часток, а також квантів електромагнітного випромінювання відбувається іонізація: електрично нейтральні атоми і молекули збуджуються, і виникають позитивні і негативні іони і вільні електрони. Дія іонізуючого випромінювання істотно відрізняється від дії хімічних речовин тим, що радіація не може «розчинятися» до все більш низької концентрації, передана енергія (іонізація) концентрується уздовж треку електрона, нейтрона або кванта електромагнітного випромінювання, і цю локальну концентрацію енергії не можна зменшити. Тому радіаційне забруднення - найнебезпечніше для живих істот.

   Вплив іонізуючої радіації (далі просто «радіації») на живі організми різноманітний, і наші знання в цій області постійно розширюються.

 

 Наслідки опромінення

   Протягом багатьох років після відкриття радіації основним вражаючим впливом опромінення вважалося лише почервоніння шкіри. До п'ятдесятих років XX століття основним чинником безпосереднього впливу радіації вважалося пряме радіаційне ураження деяких органів і тканин: шкіри, кісткового мозку, центральної нервової системи, шлунково-кишкового тракту (так звана гостра променева хвороба).

   Одним з первинних ефектів опромінення живої тканини є розрив молекул білка і утворення нових молекул, чужих організму. Ці продукти тканинного розпаду - чужі молекули - знищуються антитілами, які виробляються деякими лейкоцитами (білими кров'яними клітинами). Захищаючись від продуктів розпаду, організм до якоїсь межі здатний збільшувати число лейкоцитів (освіта підвищеного числа лейкоцитів називається лейкоцитозом). При подальшій дії радіації утворюються у великій числі для боротьби з чужорідними білками антитіла не встигають дозрівати, і настає лейкоз або лейкемія - пухлинне системне ураження крові.

   На початок шістдесятих років з'ясувалися, що численні опромінення можуть позначитися не відразу, а через кілька (іноді кілька десятків) років. Цей так званий латентний (прихований) період виявляється різним для різних видів раку, для порушень кровообігу, шизофренії, катаракти та інших захворювань, що викликаються радіацією.

   Ось ближчий приклад. Розрахунок онкозахворюваності після радіаційної катастрофи в 1957 році на Південному Уралі показав, що максимум захворювань усіма формами раку очікується для чоловіків в 2012 - 2020 рр.. (Через 55 - 63 роки), для жінок - в 2016 - 2024 рр.. (Через 49 - +67 років).

Перелік стають відомими віддалених наслідків опромінення постійно зростає.

Основні віддалені  наслідки іонізуючого опромінення

• виникнення злоякісних новоутворень (раків) практично будь-яких органів (у людини це найчастіше рак крові (лейкемія), шкіри, кісток, молочної залози, яєчників, легенів і щитовидної залози);

• порушення генетичного коду (мутації  в статевих та інших клітинах);

• розвиток імунодепресії і імунодефіциту  і, як результат, підвищення чутливості організму до звичайних захворювань;

• порушення обміну речовин і  ендокринної рівноваги;

• ураження органів зору (помутніння кришталика і виникнення катаракти);

• виникнення тимчасової або постійної  стерильності (ураження яйцеклітин, сперматозоїдів) і розвиток імпотенції;

• органічні ураження нервової системи, кровоносних і лімфатичних судин  в результаті загибелі повільно розмножуються  клітин нервової тканини і ендотелію (вистилки судин);

• прискорене старіння організму;

• порушення психічного і розумового розвитку.

 

  Доказам того, що ті чи інші захворювання можуть бути пов'язані з радіацією, присвячені численні наукові дискусії. Рясний матеріал для таких дискусій, крім тисяч і тисяч спеціальних експериментальних досліджень на тваринах і рослинах, дає вивчення наслідків радіаційних аварій і катастроф, атомних бомбардувань Хіросіми і Нагасакі в 1945 році, наслідків виробництва та випробувань тисяч атомних бомб СРСР, США, Великобританією, Францією і Китаєм, дані по наслідків рентгенодіагностики та рентгенотерапії.

   Під тиском фактів поступово офіційно визнається зв'язок з радіацією все більшого кола захворювань. Показовими у цьому зв'язку останні офіційні російські та американські переліки захворювань, виникнення або загострення яких зумовлено впливом радіації.

«Перелік захворювань, виникнення або загострення яких зумовлено  впливом радіації ...

1. Гостра і хронічна променева  хвороба;

2. Променева катаракта;

3. Місцевий променеве ураження;

4. Мієлоїдний лейкоз;

5. Ерітроміелодісплазія;

6. Апластична анемія;

7. Злоякісні лімфоми;

8. Мієломна хвороба;

9. Рак щитовидної залози;

10. Рак трахеї, бронхів, легені;

11. Рак стравоходу;

12. Рак шлунка;

13. Рак товстої кишки;

14. Рак сечового міхура;

15. Рак молочної залози;

16. Рак яєчників і яєчка;

17. Рак нирки;

18. Рак шкіри;

19. Злоякісні пухлини кісток  і суглобових хрящів;

20. Злоякісна пухлина мозку;

21. Інші онкологічні захворювання  ».

Дози і норми

   Кілька десятиліть - аж до початку п'ятдесятих років - для вимірювання кількості радіації використовувалася одиниця експозиційної дози «Рентген» (Р). Один рентген відповідав ефекту дії одного грама радію за годину на відстані одного метра і виявлявся по почервоніння шкіри руки.

   Потім з'ясувалося, що величезну роль у променевому ураженні грає не тільки кількість іонізуючого випромінювання, поглиненої тілом («поглинена доза», яка вимірюється в «Греях» (1 Гр = 1 Джоуль енергії, поглинений масою 1 кг), але і якість іонізуючого випромінювання. Якість випромінювання визначається лінійної щільністю іонізації (лінійної передачею енергії - ЛПЕ). Поки вважається, що ЛПЕ бета-, гамма - і рентгенівського випромінювання подібно, і воно приймається за одиницю, ЛПЕ повільних нейтронів -5, звичайних нейтронів - 10, а ЛПЕ альфа випромінювання та надшвидких нейтронів - 20. Тому довелося ввести поняття «еквівалентної дози» - поглиненої дози, помноженої на відповідний ваговий коефіцієнт для даного виду випромінювання.

   З'ясувалося також, що різні органи і тканини мають різну чутливість до радіації. Найменш чутливі шкіра і поверхня кісток (взвешивающие коефіцієнт 0.01), найбільш чутливі - яєчники і насінники (взвешивающие коефіцієнт 0.20). Тому довелося ввести поняття «ефективної дози» - міра ризику виникнення віддалених наслідків опромінення для всього тіла людини або окремих його органів з урахуванням цих вагових коефіцієнтів.

 

 Зовнішнє і внутрішнє опромінення

  Крім зовнішнього опромінення, є внутрішнє опромінення, яке викликається радіонуклідами, що надійшли в організм з їжею, водою, атмосферним повітрям і через шкіру. Внутрішнє і зовнішнє опромінення в конкретних умовах радіоактивного забруднення територій можуть відрізнятися в сотні разів, при цьому вище або нижче може бути і внутрішнє, і зовнішнє опромінення.

   Різні радіонукліди по-різному затримуються і концентруються в різних органах і тканинах (інкорпоровані - «включені до складу» - ра-радіонуклідів). Час виведення половини поглиненого радіонукліда з організму - період «біологічного напіврозпаду» - своє для кожного ра-радіонукліда.

  Внутрішнє і зовнішнє опромінення діють різному. Наприклад, після внутрішнього альфа-опромінення, викликаного інкорпорованим плутонієм, ефективність відновлення однониткових розривів ДНК виявляється істотно нижче, ніж після зовнішнього гамма опромінення такої ж сили.

 

 Чи є поріг в дії радіації?

 Шведська радіобіолог P.M. Зіверт в 1950 році прийшов до висновку, що для дії радіації на живі організми немає порогового рівня, тобто будь-яка, як завгодно мала доза додаткового опромінення викликає якийсь ефект. При опроміненні у великих дозах поразки неминуче виникають у кожної особини (це так званий детермінований, тобто певний ефект). При опроміненні в малих дозах ефект буде стохастичним (випадковим), тобто зміни серед групи опромінених обов'язково виникнуть, але у який саме особини - заздалегідь визначити неможливо. Оскільки радіація може порушувати роботу будь-яких систем органів, стохастичні ефекти виявляються нескінченно різноманітними.

 

 Мінливість радіочутливості

   Існують значні відмінності в радіочутливості у різних людей. Відомо, наприклад, що діти і літні люди більшою мірою схильні до дії радіації. Існує значна мінливість радіочутливості в будь віково-статевої групі: приблизно чверть всіх людей має підвищену радіочутливістю, а близько 20% - зниженою. Атомники, які з гордістю стверджують, що вони безслідно для себе перенесли великі дози опромінення, говорять тільки частина правди. Вся ж правда полягає в тому, що багато інших їх колеги, які отримали такі ж дози, і захворіли, і загинули.

 Особливо чутливі до дії радіації розвиваються зародки і плоди ссавців і людини. Серед основних наслідків такого впливу:

• загибель плода, новонароджених або  немовлят;

• відсутність (анцефалія) та / або зменшення розмірів (мікроцефалія) головного мозку та черепно-мозкових нервів;

• захворювання мозку (нейробластома, водянка); розумова відсталість і  ідіотія;

• відсутність або недорозвинення одного або обох очей (анофтальмия, микрофтальмия), ураження (аж до відсутності) кришталика; ураження райдужної оболонки, сітківки; закриваються повіки, косоокість, далекозорість, вроджена глаукома;

• порушення росту і форми  тіла: карликовість, затримка росту  і зниження маси тіла; зміна форми  черепа і грудної клітини;

• деформація і атрофія кінцівок; вроджений вивих стегна; зрощення і розщеплення фаланг пальців;

• порушення в розташуванні і  будову зубів;

• порушення у розвитку (аж до відсутності) і розташуванні внутрішніх органів (серця, нирок, яєчників, сім'яників та ін.)

 

 Синергізм у дії радіації

   Ефект радіації може багаторазово посилюватися при її впливі одночасно з іншими чинниками середовища - хімічними (пестициди, важкі метали, діоксини тощо) і фізичними (електромагнітні, температурні дії) забрудненнями. Виявилося, наприклад, що малі кількості пестицидів можуть посилювати дію радіації. Те ж саме відбувається при дії радіації у присутності невеликих кількостей ртуті. Недолік селену в організмі підсилює тяжкість радіаційного ураження. Відомо, що у курців, що піддаються опроміненню в 15 мЗв / рік, ризик захворіти на рак легенів зростає більш ніж в 16 разів порівняно з некурящими. Відомо також, що на тлі невеликого за величиною хронічного опромінення разове короткочасне додаткове опромінення дає ефект, багато більш значимий, ніж при простому підсумовуванні цих доз. Можливо, ефект такої взаємодії радіації з іншими факторами ризику заснований на сенсибілізації (підвищення чутливості) організму, що зазнав вплив малих доз опромінення до хімічних мутагенів і канцерогенів.

Радіація зачіпає всі  рівні будови живої матерії

Радіація зачіпає всі без  винятку живі системи, починаючи  з молекулярного і закінчуючи біосферним рівнем.

Схема череди післядії іонізуючої радіації на живе

Збудження на атомному рівні. Іонізація (вздовж треку електрона, нейтрона або  фотона).

Радіоліз молекул води і простих  органічних молекул. Пошкодження клітинних  мембран.

Виникнення мутацій на молекулярному (генному) рівні (розриви однієї і  двох ланцюжків ДНК).

Розрив складних органічних молекул (білків) і утворення чужорідних білків.

Окислення ліпідів. Порушення синтезу  білків. Інактивація ферментів.

Поразки внутрішньоклітинних структур. Мутації на хромосомному рівні (хромосомні аберації).

Порушення функціонування і загибель окремих клітин. Мутації на геномном рівні (зміна числа хромосом). Виникнення геномної нестабільності.

Накопичення продуктів тканинного розпаду. Порушення функціонування і пошкодження тканин і органів (у тому числі виникнення раків). Порушення ендокринної та імунної  систем.

Порушення функціонування і загибель особин (спочатку радіочуттєвих).

Збільшення дисперсії за різними  ознаками і зменшення стійкості  популяції (виникнення популяційної генетичної нестабільності).

Порушення генетичної структури популяції  і загибель популяції (спочатку радіочуттєвих).

Порушення структури і роботи екосистем, погіршення здоров'я середовища.

Вимирання видів (спочатку радіочуттєвих), скорочення біорізноманіття, руйнування біосфери.

 

 Радіаційні порушення  передаються у спадок

  Починаючи з робіт Г. Меллера двадцятих років минулого століття відомо, що всі три основних типи мутацій, що виникли при радіаційному впливі (генні, хромосомні і геномні) передаються через статеві клітини в низці поколінь. Навіть один радіоактивний атом може стати причиною мутації. Дослідження другого - третього поколінь жертв ядерних бомбардувань в Хіросімі і Нагасакі, осіб, опромінених в Південно-Уральської та Чорнобильської катастрофи та навколо Семипалатинського полігону, сучасними молекулярно-генетичними методами виявили численні передаються у спадок зміни в ДНК і хромосомах. Виявилося також, що нащадки опромінених батьків виявляють також і інші порушення, наприклад, імунологічні.

   У пошкодженні спадковості полягає найголовніша відмінність в дії радіації. Атомники часто говорять, що щорічно під колесами автомобілів гине багато більше людей, ніж від радіації. Вони замовчують, що дія радіації нескінченно небезпечніше загибелі в будь катастрофі, оскільки ставить під загрозу незліченну кількість майбутніх поколінь. У результаті розвитку атомної індустрії за останні півстоліття відбувається накопичення до пори до часу прихованих мутацій. Коли рівень мутацій в популяціях людини та інших живих істот досягне критичного, вимирання популяції може виявитися неминучим.