Введение к работе
Актуальность исследований Естественный фон ионизирующих излучений (ИИ) составляет один из важнейших компонентов в сложном комплексе факторов, постоянно воздействующих на биосферу Земли в целом. Изучение эффектов повышенного уровня радиации на биологические объекты в условиях естественной среды их обитания является одной из наиболее актуальных проблем современной радиоэкологии. Это связано с тем, что значительные территории подвергаются повышенному воздействию ионизирующей радиации в результате интенсивного развития горнодобывающей и перерабатывающей отраслей промышленности, в зонах вокруг предприятий по добыче, переработке и хранению радиоактивных материалов, на месте проведения атомных взрывов, а также в районах аварийного радиоактивного загрязнения. Особую актуальность данная проблема имеет для Республики Коми, характеризующуюся наличием участков с повышенным радиационным фоном естественного и техногенного происхождения.
В последние годы принципиально изменились представления о реакциях различных биологических систем (от клетки до популяции) на воздействие ИИ в малых дозах. В отличие от ИИ в больших дозах, которое вызывает существенные клинические нарушения, и может приводить к гибели организма, облучение низкой интенсивности не приводит к летальному исходу, но способно модифицировать клеточные и тканевые процессы, что в конечном итоге приводит к изменению многих жизненно важных функций (Calabrese and Baldwin, 2000; Мазурик, 2002; Mothersill and Seymour, 2003; Пелевина и др., 2003; Надоль-ник и др., 2004; Бурлакова и др., 2006 и др.). При этом риск проявления отрицательных последствий действия ИИ низкой интенсивности в дозах, считавшихся безопасными, специальному изучению до сих пор не подвергался, однако есть указания на возможность его значительного возрастания по сравнению с ожидаемыми результатами экстраполяции биологических эффектов из области высоких доз в область малых (Бурлакова, 1994, Гераськин, 1995; Зайнуллин, 1998).
Проблема хронического воздействия радиации на живые организмы в условиях естественной среды обитания приобретает особую значимость еще и в связи с многообразием экологических, химических и физических факторов, которые в сочетании с ИИ могут вызывать широкий спектр биологических эффектов (Маслов, 1986; Алексахин и др., 1990; Taulavuori et al., 2005). Предсказать результаты таких взаимодействий весьма сложно, т.к. во многих случаях недостаточно изучены даже эффекты их раздельного влияния. В связи с этим важным становится изучение усиления или ослабления биологического эффекта при одновременном воздействии нескольких факторов.
Приспособление вида к экстремальным условиям среды обитания - комплексное явление, в основе которого лежат экологические и морфофизиологические составляющие (Шварц и др., 1968; Шварц, 1980). К настоящему времени достаточно широко обсуждается состояние популяционных характеристик мелких млекопитающих, обитающих на радиоактивно-загрязненных территориях (Маслов, и др., 1980; Тестов, 1993; Криволуцкий, 1996; Рябоконь, 1999; Любашевский и др., 2002; Безель, 2006; Григоркина, Пашнина, 2007 и др.). Известно, что первопричиной изменений в популяциях и сообществах на радиоактивно загрязненных территориях являются радиобиологические эффекты у отдельных организмов, которые, в свою очередь, обусловлены процессами, протекающими в клетках и субклеточных структурах (Тимофеев-Ресовский и др., 1969).
Особенно важным для оценки возможных радиобиологических изменений представляется исследование эндокринной системы, как одной из важнейших регуляторных систем, играющей ключевую роль в поддержании гомеостаза и осуществлении адаптации организма к постоянно изменяющимся условиям окружающей среды (Аруин и др., 1987; Pankov, 1996). К настоящему времени в научной литературе имеется большое количество сведений о высокой чувствительности органов эндокринной системы к воздействию различных экзогенных повреждающих факторов (Воздействие на организм..., 1997; Селятицкая, Обухова, 2001; Горбачев, 2002; Павлов и др., 2005), в том числе и ИИ (Бетц, 1961; Ташходжаев, 1969; Ткачев, 1970; Иванов и др., 1981; Мизина, Ситникова, 1998; Барабой, 2006). Кроме того, по данным A.D.Tates et al.(1986), И.В.Урываевой, Г. В. Делоне (1992) в медленнообновляющихся тканях (к которым относится и паренхима эндокринных желез) развивающиеся нарушения генома клеток сохраняются значительно дольше, чем в быстро обновляющихся клеточных системах (кроветворные органы, покровные эпителии). Однако данные об изменении структуры периферических органов эндокринной системы у животных, подвергающихся хроническому воздействию низкоинтенсивного радиационного фактора крайне скудны (Григорьев и др., 1986; Маленченко, 1990; Мамина Жигальский, 2000; Надольник и др., 2004).
В связи с вышеизложенным, представляется весьма актуальным изучение влияния хронического воздействия ИИ в дозах и интенсивностях, реально существующих на загрязненных территориях, на структуру периферических эндокринных желез на основных уровнях их структурной организации. В настоящей работе использованы материалы изучения мышевидных грызунов как в ходе многолетних исследований животных из мест обитания на участках с повышенной радиоактивностью (Ухтинский район Республики Коми и 30-километровая зона ЧАЭС), так и в лабораторных опытах по оценке хронического действия ионизирующей радиации в малых дозах. Подобный комплексный подход дает возможность получить более реалистические оценки влияния ИИ на животных, обитающих в условиях радиоактивного загрязнения, позволяет избежать ошибок, возникающих при анализе изменений, наблюдаемых в природных популяциях.
Цель и задачи исследования. Цель работы - анализ структурных и функциональных перестроек периферических эндокринных желез мышевидных грызунов при длительном воздействии ИИ в естественной среде обитания и в условиях моделирования хронического воздействия внешнего и внутреннего облучения для установления закономерностей их возникновения.
В связи с поставленной целью решались следующие задачи:
1. Определение на контрольном участке (в условиях нормального радиационного фона) диапа
зона естественной вариабельности показателей структуры периферических органов эндокринной системы
(щитовидная железа -ЩЖ, надпочечник- НП и яичник-ЯЧ) полевок-экономок в зависимости от фазы ди
намики численности популяции с учетом пола и возраста животных.
Морфологический и морфометрический анализ органов эндокринной системы полевок-экономок, обитающих в условиях ПЕРФ (Республика Коми) и в районе радиационно-загрязненной 30-километровой зоны аварии на Чернобыльской АЭС.
Выявление эффектов хронического воздействия низкоинтенсивного у-излучения на структуру органов эндокринной системы и интенсивность размножения мышевидных грызунов в условиях модель-
5 ных экспериментов в диапазоне доз, наблюдающихся на радиационно-загрязненных территориях в природных условиях.
4. Оценка генотоксических эффектов хронического воздействия низкоинтенсивного у-излучения на
фолликулярный эпителий щитовидной железы.
5. Выявление особенностей раздельного и совместного действия ионизирующего излучения,
нитратов Th и Na в разных дозах/концентрациях на морфологическое состояние щитовидной железы
мышей линии СВА для выяснения сочетанного эффекта радиационного и химического факторов.
Научная новизна Впервые получен комплекс количественных данных о структурных изменениях и функциональной активности периферических органов эндокринной системы полевок-экономок в зависимости от уровня радиоактивного загрязнения, времени обитания на загрязненных участках, фазы попу-ляционного цикла, возраста животного и его физиологического состояния. Показана высокая чувствительность изученных эндокринных структур к действию радиации в малых дозах в условиях радиоактивного загрязнения среды обитания (в 10-100 раз превышающие уровень нормального фона у-излучения). Определены границы физиологической нормы морфофункциональных показателей желез внутренней секреции полевок и степень отклонения этих показателей у животных того же вида из районов с повышенной радиоактивностью. Установлено, что ионизирующее излучение оказывает модифицирующее действие на структурно-функциональное состояние ЩЖ, НП и ЯЧ полевок-экономок, способно изменять их реактивность и усиливать действие внутрипопуляционных процессов. Хроническое внешнее и внутреннее облучение в одном и том же диапазоне поглощенных доз может привести к различным эффектам у животных разного пола и возраста, а также в различные фазы популяционного цикла.
В ЩЖ мышевидных грызунов после хронического воздействия у-излучения в природных и экспериментальных условиях в одном и том же диапазоне доз установлена активизация морфогенетических процессов, проявляющаяся в усилении процессов фолликулогенеза.
Впервые экспериментально продемонстрирован генотоксический эффект хронического воздействия низкоинтенсивного у-излучения на фолликулярный эпителий ЩЖ, проявляющийся в усиленном формировании клеток с микроядрами.
Выявлены особенности формирования ответной реакции тиреоидной паренхимы мышей линии СВА в норме и после раздельного и совместного действия ионизирующего излучения и нитратов Th и Na в малых дозах. Продемонстрирован неоднозначный характер эффектов взаимодействия при сочетан-ном действии исследуемых факторов: после облучения совместно с введением нитрата Th имеет место преимущественно антагонистический характер взаимодействия факторов, тогда как сочетанное действие малых доз радиации и нитрата Na вызывало как антагонистические, так и синергические эффекты. При этом основной вклад при сочетанном действии ионизирующего излучения и нитрата 232Th вносит у-облучение, а при взаимодействии радиации с нитратом Na решающее значение имеет сочетанное действие исследуемых факторов.
Научно-практическая значимость. Результаты исследования влияния низкоинтенсивного излучения в природных условиях на структурно-функциональное состояние органов эндокринной системы значительно расширяют существующие представления о диапазоне их пострадиационных адаптивных
перестроек. Выявленные эффекты взаимодействия факторов (антагонизм, синергизм) разной природы необходимо учитывать при оценке радиационного загрязнения на организм в природной среде.
Экспериментально обоснована информативность использования цитогенетического метода определения частоты клеток с микроядрами в качестве чувствительного морфологического маркера индуцированных радиацией генотоксических повреждений железистого эпителия ЩЖ.
Определены наиболее информативные структурно-функциональные параметры ЩЖ, НП и ЯЧ, которые можно рекомендовать в качестве морфофункциональных тестов оценки состояния этих органов при проведении исследований по изучению действия антропогенных факторов. Установлено, что полевки-экономки по изученным параметрам чувствительны к хроническому действию радиации низкой интенсивности и могут быть использованы в качестве тест-объекта для биоиндикации техногенного радиоактивного загрязнения природных биоценозов.
Основные теоретические положения, выносимые на защиту:
Хроническое воздействие ионизирующей радиации в малых дозах приводит к закономерному развитию морфологических перестроек периферических органов эндокринной системы на всех основных уровнях их структурной организации (органный, структурно-функциональных единиц, тканевой, клеточный). Выраженность изменений не имеет четкой зависимости от дозы и мощности дозы, что обусловлено комплексным воздействием факторов как радиационной, так и нерадиационной (пол, возраст, физиологические особенности организма, фаза динамики численности популяции) природы.
В условиях радиоактивного загрязнения среды обитания ионизирующее излучение модифицирует влияние экзогенных (высокая плотность популяции грызунов, химические вещества) и эндогенных (беременность, половое созревание) факторов нерадиационной природы на морфофункциональное состояние периферических эндокринных желез мышевидных грызунов.
Хроническое воздействие низкоинтенсивного у-излучения вызывает повреждение генетического аппарата фолликулярных тироцитов, проявляющееся в усилении процессов формирования клеток с микроядрами.
Личный вклад диссертанта в разработку научных результатов, выносимых на защиту. Работа является частью комплексных исследований, проводимых отделом радиоэкологии Института биологии Коми научного центра Уральского отделения РАН. Автором совместно с сотрудниками Отдела радиоэкологии выполнены полевые исследования (отлов животных, учет относительной численности, определение вида, возраста и физиологического состояния грызунов). Все экспериментальные, клинические и гистологические исследования проведены диссертантом самостоятельно или при его непосредственном участии. Автором самостоятельно проведена первичная обработка и анализ всего полученного материала, сформулированы основные положения и выводы работы, осуществлена подготовка к печати научных работ, отражающих результаты диссертации. Радиохимический анализ золы животных проведен сотрудниками лаб. радиохимии Отдела радиоэкологии. Определение гормонов надпочечника проведено на базе лаборатории физиологии и биофизики Института лазерной физики СО РАН по методике О.П.Черкасовой (1999).
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на Выездной сессии Научного Совета по проблемам радиобиологии АН СССР (Сыктывкар, 1983), I, П, III, IV и V Радиобио-
7 логических съездах (М., 1989, 1997, 2006; Пущино, 1993; Киев, 1993, 2003), П Всесоюзном координационном Совещании (Сыктывкар, 1989), I Всесоюзной конференции по с.-х. радиологии (Обнинск, 1990), 6-ой Российской школе-семинаре (Ростов-на-Дону, 1990), П Международном симпозиуме «Механизмы действия сверхмалых доз» (М., 1995, 2002), Международных симпозиумах «Урал атомный» (Екатеринбург, 1995, 1996, 1998, 1999, 2005), Всесоюзных и Международных совещаниях и конференциях, посвященных радиобиологическим последствиям аварии на ЧАЭС (М., 1990, 1994, 2000; Санкт-Петербург, 1993, Зеленый Мыс, 1990, 1994, 1996; Минск, 1998, Киев, 2001), 2-ой Международной школе-семинаре «Экологические проблемы Европейского Севера» (Архангельск, 1992, 2002), Международном рабочем совещании «Радиация и эндокринная система (Минск, 1995), III Международной конференции по Арктике (Тромсо, Норвегия, 1997), Международных научных конференциях «Эндокринные механизмы регуляции функций в норме и патологии (Новосибирск, 1997, 2002), IV и V съездах Всероссийского общества анатомов, гистологов и эмбриологов (Ижевск, 1998, Казань, 2004), 7-м Международном симпозиуме «Развитие идей академика Шварца в современной экологии» (Екатеринбург, 1999), Межрегиональной научной конференции «Тоцкий ядерный взрыв» (Екатеринбург, 2000), Международных конференциях БИОРАД-2001, БИОРАД-2006 (Сыктывкар, 2001, 2006), «Радиационная безопасность территорий. Радиоэкология города» (Москва, 2003), 2nd АМАР International Symposium on Environmental Pollution of Arctic. (Finland, 2002), VII и VIII Всероссийских популяционных семинарах (Сыктывкар, 2004, Н. Новгород, 2005), VI и VII Всероссийских конференциях «Нейроэндокринология» (Санкт-Петербург, 2002, 2005), VIII и IX Конгрессах Международной ассоциации морфологов (Казань, 2004; Орел, 2006), III Северном социально-экологическом конгрессе (Сыктывкар, 2007), Международной научной конференции морфологов (Астрахань, 2007).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 108 работ (в том числе 46 статей и материалов конференций, из них 13 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ) и две монографии.
Структура и объем диссертации. Диссертация общим объемом 359 страниц машинописного текста, включая 84 рисунка и 33 таблицы, состоит из введения, 6 глав, заключения, выводов и списка литературы. Библиография включает 693 источника литературы, из них 211 - зарубежных авторов.
Благодарности. Моя искренняя признательность научным консультантам д.м.н. профессору
А.В.Ткачеву| и д.м.н. профессору А.В.Павлову за постоянную поддержку и ценные советы при подготов-
ке диссертационной работы, научным сотрудникам отдела радиоэкологии и директору Института биологии Коми НЦ УрО РАН А.И.Таскаеву за содействие в организации и проведении научных исследований.
