<![endif]-->

Лекція №2-3. Біологічна дія іонізуючого випромінювання

1.Особливості дії випромінювання на організм

2. Клітина - як об’єкт опромінення

3.Стадії біологічних пошкоджень

4. Дія іонізуючого випромінювання на с/г рослини.

5. Дія  іонізуючого випромінювання на с/г тварин.          

 

1.Особливості дії випромінювання на організм

При вивченні дії випромінювання на організм відзначено такі особливості :

1)       Висока ефективність поглинутої енергії. Малі кількості поглинутої енергії  випромінювання можуть визвати глибокі біологічні зміни в організмі.

2)       Наявність прихованого або інкубаційного періоду прояву дії іонізуючого

випромінювання. Цей період часто називають періодом так званого надуманого                ( уявного ) благополуччя. Тривалість його зменшується при опроміненні у великих дозах.

3)       Дія від малих доз може сумуватися або накопичуватися. Цей ефект називається кумуляцією. Чим більше часу організм був під опроміненням, тим більша кількість радіонуклідів буде накопичуватись

4)       Випромінювання діє не тільки на даний живий організм, але і на його потомство. Це так званий генетичний ефект. В результаті цього можуть відбуватись зміни в генетичному коді живих організмів і народжуватись мутанти.

5)       Різні органи живого організму володіють своєю чутливістю до опромінення. При щоденній дії дози 0,002-0,05 Гр ( грей ) вже наступають зміни в крові.  (1 Грей = Дж/кг – поглинута доза випромінювання, яка передається масі опроміненої речовини вагою 1 кг). В межах одного організму найбільш чутливими є недиференційовані клвтини та тканини, які характеризуються підвищеною ферментативною активністю. У тварин та людини – це кровотворні тканини та залози внутрішньої секреції, у рослин – це меристема.

6)       Не кожний організм в цілому однаково реагує на опромінення. Це залежить від стану організму, його імунної системи, віку, статі.

7)       Опромінення залежить від частоти. Одноразове опромінення у великій дозі викликає більш глибокі наслідки, ніж багаторазове – в незначних кількостях.

Енергія, що випромінюється радіоактивними речовинами, поглинається навколишнім середовищем. В результаті іонізуючого опромінення в тканинах людського організму можуть відбуватися складні фізичні, хімічні і біохімічні процеси.

 

              Розрізняють пряму дію радіації і непряму, коли іонізується вода організмів. Радіоліз – процес розкладу хімічних сполук під дією іонізуючого випромінювання. Можна виділити  два види радіолізу (води і органічних сполук).

                                                                                Радіоліз води.

            У процесі відбуваються такі перетворення:

А) Н2О     Н2О+ + е-  (іонізація);

Б) Н2О →  Н+  + ОН-  ;   Н2О    Н+ + ОН- (збудження і дисоціація). Інколи утворюються інші сполуки (Н2О2,  НО2,  Н2О3); 

Радіоліз органічних сполук.

 А) RH → RH+ + е-  (іонізація);

Б) RH → R + H (утворення вільних радикалів).

Амінокислоти розкладаються як правило, з відщепленням  NH3 (дезамінування), ДНК руйнується з розривом міжмолекулярних та водневих зв’язків, і відносна радіостійкість вільних основ виражається в такому порядку: аденін > гуанін > цитозин > тимін.

 Ці первинні фізико-хімічні процеси діють паралельно й призводять до складних взаємопов’язаних змін, які порушують функціонування біосистем.

 

 

 

2.Клітина - як об’єкт опромінення

            Процеси променевого опромінення організму формуються на рівні клітини. Багато пошкоджень клітинних структур залишаються назаміченими або швидко відновлюються. Клітинні реакції такого типу називаються фізіологічними або кумулятивними ефектами опромінення. З часом вони зникають. До них можна віднести порушення процесів обміну, злипання хромосом, радіаційне блокування

мітозів.Фізіологічні реакції відрізняються  тим, що ступінь їх прояву пропорційний дозі опромінення.

            Виявлені в клітинах опроміненого організму біологічні ефекти розділяються на дві групи: стохастичні і нестохастичні.

            Стохастичні реакції спостерігаються в окремих клітинах опромінюваних органів або тканин, і доля цх клітин зростає по мірі збільшення дози опромінення. Стохастичні ефекти признаються безпороговими і тому можуть спостерігатись в окремих клітинах тварин після мінімальних доз опромінення.

            Для нестохастичних реакцій із зростанням дози опромінення зростає ступінь проявлення дії опромінення і існує порогова доза, нижче якої зміни відсутні.

            До числа стохастичних ефектів відносять:

·         репродуктивну загибель клітини

·         виникнення генних мутацій

·         поява хромосомних абберацій

·         злоякісну трансформацію клітин.

Прикладами нестохастичних ефектів в опромінених клітинах організмів є:

·         радіаційна затримка чи стимуляція поділу клітин

·         пригнічення синтезу ряду речовин, процесів дихання і окислювального фосфорилювання

·         пострадіаційна руйнація ДНК, яка визиває інтерфазну загибель клітин

·         зміна проникнення і інших функцій біологічних мембран

·         порушення обміну Са, регулювання метаболічних процесів циклічними нуклеотидами і функціонування ферментативних систем.

Кінцевими радіобіологічними ефектами на клітинному рівні при опроміненні тварин летальними або сублетальними дозами є загибель клітин, виживання клітин при наявності порушень структурно – функціонального стану (сублетальні пошкодження) або виживання клітин без прояву відхилень від фізіологічної норми (приховані або латентні пошкодження).

3. Стадії біологічних пошкоджень

   Механізм дії іонізуючих випромінювань на тканини організму полягає в слідуючому.

Заряджені частинки, проникаючи в тканини організму, втрачають енергію внаслідок електричних взаємодій з електронами тих атомів, біля яких вони проходять. При цьому гама-випромінювання і рентгенівські промені передають свою енергію речовині різними способами, що в кінцевому результаті також призводять до електричної взаємодії.

Фізико-хімічні зміни. Вільний електрон чи іонізований атом, звичайно, не можуть довго перебувати у такому стані і протягом наступних десяти мільярдних долей секунди беруть участь у складному ланцюгу реакцій, в результаті яких утворюються нові молекули, серед них і такі надзвичайно реакційно здатні, як “вільні радикали”.

Хімічні зміни. В наступні мільйонні долі секунди утворені вільні радикали реагують як один з одним, так і з іншими молекулами, і через ланцюг реакцій, ще не вивчений до кінця, можуть викликати хімічну модифікацію важливих у біологічному відношенні молекул, необхідних для нормального функціонування клітин.

Біологічні ефекти. Біохімічні зміни можуть виникнути як через декілька секунд, так і через десятиріччя після опромінення і стати причиною раптової загибелі клітин або таких змін в них, які можуть призвести до онкологічних захворювань.

 

            Розрізняють три основні форми радіаційної загибелі клітин :

·         мітотичну або репродуктивну (після 1-го або наступних поділів загибель частини клітин, що діляться)

·         інтерфазна (до поділу клітини або без поділу)  загибель високорадіочутливих клітин (наприклад, лімфоїдної тканини тварин)

·         інтерфазна загибель радіочутливих клітин при великих дозах опромінення.

 

Визвані опроміненням двохниткові розриви ниток ДНК, глибокі пошкодження хромосом – хромосомні аберації за думкою багатьох вчених є одним з найбільш ймовірних і найбільш розповсюджених механізмів репродуктивної форми променевої загибелі клітин..

            Значить, не вся клітина, а тільки ядро є мішенню для радіоактивних променів.

       Доведено, що поглинута доза 10 Грей (1000 рад) може бути практично летальною для всіх ссавців і людини.

Для оцінки токсичні дози вживають поняття  середня смертельна доза (ЛД50), коли гине 50% організмів, які постраждали від радіації чи отруєння. Для прикладу, внаслідок одноразового опромінення гамма-променями ЛД50 для вірусів та бактерій становить 4500 – 7000 Гр; для найпростіших (амеба, інфузорія) – 3000 - 7000; вищих рослин – 10 - 1500; водоростей - 180;  молюсків – 120-200; голубів, тритонів – 25-30; курей, черепах – 10-15; жаб, риб, гризунів, собак – 2,5 - 10; мавп, людей – 3 – 5 Гр.

З цього випливає закономірність: чим простіший організм, тим він є більш стійким до дії іонізуючого випромінювання.

       Радіобіологічний ефект є результатом спільної дії багатьох різнонаправлених процесів, кінцевий результат яких визначається рядом факторів (зовнішніх і внутрішніх по відношенню до клітини).

            При опроміненні генеративних органів ефекти, як правило, не є небезпечними для опроміненої особини, але можуть проявитись в наступних поколіннях і називаються генетичними. А зміни в органах і тканинах організму, які розвиваються в різні строки після опромінення, називаються соматичними.

            Деякі реакції організму на дію іонізуючого опромінення – лейкози, катаракта, недоброякісні пухлини, зниження тривалості життя  - можуть проявитись через деякий проміжок часу (10 – 20 років і більше).

Той факт, що наслідки опромінення в малих дозах мають в основному характер генетичних порушень, а саме збільшення частоти канцерогенних захворювань і генетичних аномалій у потомстві опромінених батьків, загальноприйнято світовою науковою спільнотою і закріплено в публікаціях МАГАТЕ і НКДНР ООН. Тим не менш проблема коректної оцінки генетичного ризику опромінення в малих дозах на фоні забруднення середовища проживання людини комплексом стресів різної фізичної, хімічної  і біологічної природи далека від свого розв’язку

            Важливою особливістю динаміки мутаційного процесу при хронічному опроміненні є адаптація, яка проявляється у зростанні радіорезистентності популяції.

4. Дія іонізуючого випромінювання на с/г рослини.

Біологічні процеси,  які визвані опроміненням рослин,  пов’язані з великою кількістю обмінних реакцій в клітинах,  що діляться, що змінює структуру  ДНК і РНК.

На відміну від тварин органогенез у вищих рослин не закінчується ембріональним періодом, а протікає на протязі всього життя. Це можливо завдяки наявності у них ембріональних тканин – меристем, які зберігають здатність до клітинного поділу на протязі всього онтогенезу. Радіочутливість меристем в десятки і сотні разів більша, ніж в диференційованих і спеціалізованих тканинах, загибель їх означає загибель всього організму.

Радіаційні ефекти на клітинному рівні проявляються у вигляді цитогенетичних пошкоджень, які оцінюються по зниженню мітотичної активності, збільшення кількості хромосомних абберацій і тд.

Реакція рослин на опромінення залежить від таких факторів, як генетичний потенціал сорту і режим дії опромінення.

Таблиця 1

Морфологічні зміни органів рослин при дії випромінювання

 

Органи рослин

Типи морфологічних змін

Листок

 

Збільшення або зменшення кількості і розмірів, зміна

форми, зморшкуватість, порушення жилкування,

 потовщення листкової пластини, пухлини, некроз

Стебло

Пригнічення або прискорення росту, зміна кольору, пухлини,

 порушення порядку розміщення листків, поява аерального коріння

Корінь

Прискорення або пригнічення росту, розщеплення головного

 кореня, загибель його, пухлини, звертуваність

Квітка

Прискорення або затримка цвітіння, збільшення або зменшення

 кількості, зміна кольору, опадання квітів, зміна форми,

 пухлини, стерильність

Плід

Зростання або зниження кількості, зміна кольору, форми

Насіння

Збільшення або зменшення кількості, зміна розмірів, форми

і кольору, зморшкуваність, стерильність, опадання аномальне

Візуально ефект пригнічення ростових процесів у рослин виявляється після разового опромінення на 5-7 добу  ( дозою 20-30 Гр ). В рослин виникають різноманітні аномалії і мутації. В ряді випадків дія великих доз опромінення на рослини перевищує темпи розвитку внаслідок активації процесів старіння – рослина швидше зацвітає і достигає ( табл.1 ).При дії на насіння або вегетуючі рослини великими дозами опромінення в діапазоні  104-105 Гр наступає так звана загибель під променем.

В принципі, глобальні викиди обумовили незначне забруднення рослин радіоактивними речовинами на теренах СНД (табл.2).

                                                                                                   Таблиця 2

Середній вміст 90Sr і 137Cs в рослинах, які вирощуються на території

СНД, Бк/кг сухої маси

Культура

90Sr

137Cs

Пшениця(зерно)

2,85

10,73

Жито(зерно)

2,7

7,4

Ячмінь(зерно)

3,1

6,2

Морква

0,55

1,89

Капуста

0,47

2,11

Картопля

0,19

1,41

Буряк

0,67

1,70

Яблука

0,33

1,99

 

 

        

При дії випромінювання в інтервалі невисоких доз ( 5-10 Гр для насіння і 1-5 Гр для вегетуючих рослин ) темпи росту і розвитку рослин прискорюються. Це явище носить назву радіостимуляції. Звичайно роблять даний прийом γ-випромінюванням або рентгенівськими променями. При цьому відбувається загальна активація організму (табл.3)  

 

Таблиця 3

Стимулюючі дози опромінення деяких видів с/г рослин

Вид рослин

Стимулююча доза, Гр

Вид рослин

Стимулююча доза,

 Гр

 Горох

3-10

  Огірки

3-40

 Кукурудза

5-10

  Люпин

40-160

 Жито

10

  Морква

20-40

 Пшениця

25

  Льон

20

 Томати

2,5-10

  Капуста

2,5-80

 

Радіаційне опромінення  використовується ще в різних напрямах народного господарства.

Наприклад, для боротьби із комахами – шкідниками (проводиться статева стерилізація дозою 1-10 крад). Але не вивчено вплив такої роботи на інші біологічні об'єкти.

Дерев’янисті культури умовно розділяють на 3 групи:

а) високорадіочутливі – кедр сибірський, пихта, сосна, ялина, кипарис, дуб, смородина (оптимальна D = 0,5 – 5 крад);

б) середньочутливі – груша, слива, мигдаль, персик, горіх, береза

(оптимальна D = 6 – 15 крад);

      в) радіостійкі (оптимальна D >15 крад).

      При будь-якому використання радіації необхідно чітко дотримуватись правил радіаційної безпеки.

 

5. Дія  іонізуючого випромінювання на с/г тварин.

Радіочутливість тваринного організму – здатність реагувати на дію опромінення – визначається генетично і обумовленими особливостями реактивності тварин.

Для оцінки радіочутливості тварин прийнято використовувати ЛД100/30 і ЛД50/30 – летальні дози опромінення, які визивають загибель відповідно 50 і 100 процентів тварин на протязі місяця ( 30 діб ).

Діапазон ЛД 50/30 для різних видів с/г тварин відносно невеликий і складає 1,25-3,9 Гр. ЛД 50 є функцією потужності дози: чим більше потужність дози, тим, як правило,  менша ЛД 50.

Радіочутливість залежить від віку с/г тварин. Телята більш чутливі ( в 2 роки ) за дорослих. Так ЛД50  для новонароджених ягнят оівна 900 Р, тоді як для овець вона складає 330-360 Р. Для поросят і дорослих свиней ЛД – однакова величина (табл.4 )

Таблиця 4

Напівлетальні дози γ-випромінювання для с/г тварин.

 

 

Вид тварин

 

Потужність дози, Р/хв.

ЛД50/30

 

Середня тривалість

життя, діб

Доза в повітрі по середній лінії тварин, Р

Тканева поглинута доза, Гр

ВРХ

0,9-6,6

200-543

1,25-1,60

20

Вівці

250-500

0,5-4,4

276-352

318-363

1,47

1,94

-

23

Кози

1,3-7,5

395-550

2,4-3,5

27

Свині

10-50

313-450

1,4-2,7

35

Коні

1,5

400

1,6

-

Птиця доросла

1,5

1100

-

-

Радіаційне випромінювання діє на кровоносну систему ( еритроцити ) тварин, з ним пов’язані структурно-метаболічні порушення в самих клітинах ( пригнічення біоенергетичних реакцій, порушення іонного балансу, подавлення синтезу ДНК, РНК, білків, деградація ядерних хромосом ), прискорення серцебиття при дозі 100-200 Р.

Крім цього порушується поведінка тварин ( нервова система ), знижується імунітетна здатність організмів, визивається стерильність або патологічні зміни при народженні (безхвості,  безшерсті,  відстаючі в рості, із зниженою на 30-50 % продуктивністю ).

Радіонукліди, які всмоктались в шлунково-кишковий тракт, надходять в кров, розподіляються в компонентах її сировотки і ін. елементах. Розподіл радіонуклідів в органах і тканинах с/г тварин визначається їх видом, віком, тривалістю надходження радіоречовин в організм і ін.

Наприклад, більше 70 % 131І в сировотці крові зв’язано з білками - альбумінами. За міцністю зв’язку з білками 131І переважає інші продукти поділу, які утворюють ряд :  131 І > 132 Te > 141 Ce > 89 Sr > 140 Ba. Тип розподілу радіонуклідів в організмах с/г тварин показано в табл.5.

В умовах тривалого надходження радіонуклідів в організм, концентрація їх в органах і тканинах зростає, але через певний проміжок часу встановлюється рівновага між радіонуклідами, які надійшли в організм та радіонуклідами, які вийшли з організму. В цей період, незважаючи на продовження процесу надходження радіонуклідів, подальшого зростання їх концентрації в м’ясі, молоці, яйцях – не відбувається.

Рівноважний стан 90Sr в м’яких тканинах с/г тварин встановлюється на 5-7 добу( ВРХ,  вівці, кози ) і на 60-90 добу ( свині, кури ), для 137 Сs він наступає пізніше : у вівців через 105

діб, у ВРХ – через 150 діб.

                                                                                                                                         Таблиця 5

Тип розподілу радіонуклідів в організмах с/г тварин.

Тип розподілу

Радіонукліди

Рівномірний

Радіонукліди I основної  групи Періодичної системи –         3 Н,   7 Li,, 22 Na, 40 K, 85 Rb, 137 Cs

Скелетний

Радіонукліди лужноземельних елементів – 7 Be, 45 Ca, 90 Sr, 140 , 226 Ra

Печінковий

48 V, 75 Se, 76 As, 125 Sb, 238 U

Тіреотропний

131 I, 211 At

Найбільша концентрація в щитовидній залозі тварин 131I при тривалому надходженні в організм спостерігається через 10-15 діб. Коефіцієнт накопичення йоду в щитовидній залозі  в порівнянні з іншими органами приблизно в 100 разів більший. Після тривалого орального надходження радіонуклідів, основна  їх кількість концентрується в скелеті, а йод і цезій – в м’яких органах і тканинах.

            При організації ведення тваринництва на територіях,  забруднених радіонуклідами,основні профілактичні заходи повинні бути спрямовані на виробництво продукції, яка б відповідала допустимим рівням вмісту в ній радіоактивних речовин.

            Радіоактивні речовини надходять в організм тварин трьома шляхами: через ротову порожнину,з водою і кормами,дихальні шляхи,шкіряний покрив.

            Перехід радіонуклідів з кормів у молоко і м"ясо,а також інші види тваринницької продукції залежить від режиму  годівлі,складу раціонів,віку тварин,їх фізіологічного стану та інших факторів.

            Надходження  стронцію-90 і цезію-137 залежить від періоду лактації і продуктивності кормів:чим більший добовий надій,тим менша концентрація даних радіонуклідів в молоці.

Перехід цезію –137 в молоко корів коливається від 0,4 до 1,2% на 1 літру від добового споживання з кормами.

Встановлено,що при хронічному надходженні радіонуклідів іх кількість в організмах тварин зростає (табл. 6 ).

                                                                                                                                            Таблиця 6.

 Поглинуті дози в кістковій тканині тварин при одноразовому ( 2 кБк/добу) і хронічному надхоженні 90 Sr в кількості 1кБк/раціон щодоби,мкГр. 

Види  тварин

Характер розход-   ження

Тривалість спостереження,діб

 

 

10

20

30

90

365

В Р Х

одноразове

0,6

1

1,2

2,4

6

 

хронічне

2

10

20

128

1360

 

Вівці

одноразове

4

8

10

20

52

 

хронічне

22

82

166

1080

11320

 

Свині

одноразове

40

140

300

1920

20400

Поглинуті дози в м"язах тварин 137 Сs

В Р Х

одноразове

0.07

0.12

0.17

0.37

0.56

 

хронічне

0.32

1.25

2.7

19.7

160

 

Вівці

одноразове

0.5

1

1.4

3.1

4.7

 

хронічне

2.8

10.5

22.6

165

1330

 

Свині

одноразове

0.32

0.6

0.9

1.9

2.8

 

хронічне

1.6

0.3

113.5

98.5

800

 

 

 

Ураження кишечника визначає важкість хвороби в гострий період. Хворобу за клінічною протяжністю можна характеризувати як гострий гастроентероколіт.

Органи кровотворення відносяться до числа найбільш радіоуражених і характеризуються вираженою здатністю до генерації. Нормалізація цитологічного складу крові звичайно настає значно пізніше клінічного одужання і часто затягується на роки. У собак, які ураженні ПЯП, процеси відновлення клітинного складу крові проходили повільно і характеризувалися нестійкістю. Середній вміст числа лейкоцитів залишався зниженим навіть після 8 років. В окремі строки число їх було на рівні 4-5 тис. в 1 мкл, а кількість лімфоцитів – 0,8-1,0 тис. в 1 мкл.

Серце вважається достатньо радіорезистентним органом. Дегенеративні зміни в міокарді спостерігали при фракціонованому α-опроміненні в дозі 40 Гр. Здатність серцевого м’яза елімінувати пошкодження шляхом клітинної регенерації незначна. При променевих пошкодженнях серце довго залишається неповноцінним у функціональному відношенні внаслідок розвитку міокардіодистрофічних і кардіосклеротичних процесів. У їх основі лежать судинні пошкодження.

Прямий і непрямий вплив випромінювань на біологічно важливі молекули призводить до великих біологічних змін в опроміненому організмі, які можна схематично представити як зміни на різних рівнях біологічної організації від молекули до цілісного організму.