Введение к работе
Актуальность проблемы. Рост населения и масштабы производственной деятельности человечества выдвинули антропогенное воздействие на природные процессы в число наиболее значимых экологических факторов, определяющих новые условия существования и эволюции всей биоты, включая человека. С этих позиций важнейшим является вопрос о возможных последствиях для всего живого такого глобального и быстрого (с точки зрения биологической эволюции) изменения уровня техногенной нагрузки на биосферу. Результаты наших экспериментов и анализ литературных данных свидетельствуют о существенном ускорении мутационного и рекомбинационного процессов в подвергшихся внешнему воздействию популяциях растений и животных, увеличении генетического груза. Опыт изучения генетических последствий радиационных аварий на Южном Урале и в Чернобыле позволяет заключить, что перечисленные явления служат отражением происходящих на загрязненных территориях сложных адаптационных процессов, результатом которых является перестройка генетической структуры популяций. Фактическое отсутствие научно обоснованных экологических нормативов и весьма смутное представление о том, где и в какой мере превышен допустимый уровень воздействия, ведущего к разрушению экосистем и снижению биоразнообразия, делает актуальным анализ закономерностей формирования и разработку количественных методов оценки генетических эффектов, индуцированных малыми дозами ионизирующего излучения и других техногенных токсикантов.
Анализ причин полученных в независимых исследованиях 20-30-кратных расхождений в оценках медицинских последствий аварии на Чернобыльской АЭС показал, что они не могут быть следствием относительно небольших отклонений в оценке ожидаемой коллективной дозы, а обусловлены главным образом различиями в оценке выхода генетических и канцерогенных нарушений в области малых значений экспозиции. Таким образом, оценка генетических последствий крупных радиационных аварий и, в частности, аварии на Чернобыльской АЭС, существенным образом зависит от того, какой концепции в отношении биологического действия малых доз ионизирующего излучения придерживается автор.
Решение практических задач охраны окружающей среды невозможно без создания прочной научной основы для оценки биологических эффектов комбинированных воздействий факторов разной природы и разработки соответствующих количественных критериев, которые носили бы по возможности универсальный характер. Сложные, разнонаправленные процессы, индуцируемые в клетке комбинированным воздействием факторов разной природы, включающие, в частности, как индукцию систем репарации, так и подавление их работы, способны, в зависимости от их соотношения, формировать самые разные ответные реакции - от антагонизма до синергизма. Подтверждением этого являются многочисленные примеры нелинейного изменения величины и характера отклика биологической системы при изменении порядка, уровней и времени воздействия. Поэтому ре-
эультирующий отклик биологической системы на комбинированное воздействие нельзя предвидеть исходя только из информации об эффектах раздельного действия каждого из факторов.
Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы являлось выявление закономерностей формирования цитогенетических эффектов малых доз ионизирующего излучения.
В числе основных задач исследования рассматривались:
-
Формулировка и обоснование концепции биологического действия малых доз ионизирующего излучения на клетки.
-
Изучение закономерностей индукции малыми дозами ионизирующих излучение цитогенетических повреждений в корневой меристеме облученных семян и проростков, с также в листовой интеркалярной меристеме сельскохозяйственных растений.
-
Изучение закономерностей формирования цитогенетических эффектов в условиях комбинированного действия малых доз ионизирующего излучения и малых концентраций мутагенов химической природы (тяжелые металлы).
-
Изучение цитогенетических последствий аварии на Чернобыльской АЭС на примере растительных компонентов аграрных экологических систем.
Научная новизна. В результате экспериментальных исследований и теоретических обобщений выявлены новые закономерности формирования цитогенетических эффектов малых доз ионизирующего излучения в условиях раздельного и комбинированного с химическими мутагенами воздействия, имеющие принципиальное значение для понимания механизмов биологического действия низкодозового облучения. Впервые показано, что закономерности выхода цитогенетических нарушений в области малых доз характеризуются ярко выраженной нелинейностью и имеют универсальный характер, различаясь для разных объектов значениями доз, при которых происходит изменение характера зависимости. Дан анализ экспериментально наблюдаемых ракций клеток на облучение в низких дозах и рассмотрены возможные молекулярно-клеточные механизмы формирования их ответной реакции на низкодозовое облучение. Показано, что используемые для оценки генетического риска малых доз модели, основанные на линейной беспороговой концепции, носят экстраполяционный характер, не имеют прочного биологического обоснования и входят в противоречие с имеющимися экспериментальными данными. Предложена концепция биологического действия малых доз ионизирующего излучения на клетки. Дан анализ проблемы индуцированной внешним воздействием нестабильности генома и предложена стохастическая модель этого процесса. Экспериментально изучены закономерности индукции малыми дозами ионизирующего излучения структурных мутаций в корневой меристеме проростков и семян, а также в листовой интеркалярной меристеме сельскохозяйственных растений. Экспериментально изучены закономерности формирования цитогенетических эффектов в условиях комбинированного воздействия ионизирующего излучения и тяжелых металлов и показано, что синергические эффекты индуцируются преимущественно в условиях сочетанного действия малых экспозиций поврежда-
ющих агентов. На примере растительных компонентов аграрных экологических систем дан анализ цитогенетических последствий аварии на Чернобыльской АЭС.
На защиту выносятся следующие группы результатов:
-концепция биологического действия малых доз ионизирующего излучения на клетки;
-закономерности формирования цитогенетических эффектов малых доз ионизирующего излучения в условиях раздельного и комбинированного с химическими мутагенами воздействия;
-результаты анализа цитогенетических последствий аварии на Чернобыльской АЭС на примере растительных компонентов аграрных экологических систем.
Теоретическая и практическая значимость. В радиобиологии давно назрела проблема принципиального пересмотра взглядов на характер радиационного воздействия на клетки. Регистрируемые в экспериментах ответные реакции на облучение являются отражением определенных принципов организации и функционирования эукариотической клетки. С этих позиций закономерности выхода цитогенетических повреждений представляют собой эпифеномен индуцированных низкодозовым облучением глобальных структурных и функциональных перестроек генома. Неспецифический характер анализируемых закономерностей и широкий спектр объектов, на которых они наблюдаются, свидетельствует о том, что мы имеем дело с общебиологическим феноменом. В основе этого типа реакций клеток лежат фундаментальные механизмы, появившиеся задолго до дифференциации высших многоклеточных организмов и отражающие эволюционно закрепленный комплекс адаптивных реакций клетки на внешнее воздействие. С этих позиций повышенная генетическая эффективность низкодозового облучения имеет простое и естественное объяснение как одно из проявлений процессов цитогенетической адаптации, происходящих в популяциях живых организмов в ответ на стрессовое воздействие. Так же, как открытое радиобиологами явление репарации молекул ДНК переросло масштабы этой науки и имеет несомненное общебиологмческое значение, так и установленные в радиобиологических исследованиях закономерности биологического действия малых доз ионизирующего излучения являются не артефактом или какой-то экзотической "аномальной" реакцией, а служат одним из естественных проявлений лежащих в основе жизни фундаментальных механизмов обеспечения устойчивости живых систем, что позволяет с иных позиций оценить место радиобиологии в системе естественных наук.
Дальнейшее теоретическое и экспериментальное развитие сформулированных в настоящей работе представлений должно привести к смене доминирующей сегодня научной парадигмы в отношении закономерностей биологического действия малых доз ионизирующего излучения, природы радиационной надежности живых организмов и, в качестве нового теоретического базиса, может быть использовано для оценки генетического риска низкодозового облучения на фоне антропогенного загрязнения среды. Результаты выполненных в ходе подготовки диссертационной работы исследований и разработанные подходы использовались при оценке биологических последствий аварии на Черно-
быльской АЭС (программа TF-5 Международного союза радиоэкологов), при подготовке Национального доклада Российской Федерации "Десять лет после аварии на Чернобыльской АЭС" и научного приложения к докладу НКДАР Генеральной Ассамблее ООН за 1996 г. "Effects of radiation on the environment". В настоящее время разработанные в ходе выполнения диссертационной работы методические подходы используются для оценки воздействия предприятия по переработке и хранению радиоактивных отходов ЛСК "Радон" на растительные компоненты природных экологических систем (Проект МНТЦ N 535).
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на Международном совещании "Генетическое действие корпускулярных излучений" (Дубна, 1988), III симпозиуме по современным проблемам биологии, посвященном памяти Н.В.Тимофеева-Ресовского (Нор-Амберд,1989), 1 Всесоюзном съезде радиобиологов (Москва, 1989), III Всесоюзной конференции по сельскохозяйственной радиологии (Обнинск, 1990), Конференции "Радиобиологические последствия аварии на Чернобыльской АЭС" (Минск,1991), XV Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (06-нинск,1993), II Международной конференции "Радиобиологические последствия аварий на атомных электростанциях" (Москва, 1994), Конференции "Экологические проблемы сельскохозяйственного производства" (Воронеж,1994), Рабочем совещании "Биологическое действие малых доз" (Дубна, 1995), X Международном конгрессе по радиационным исследованиям (Вюрцбург,1995), Международном симпозиуме "Protection of the Natural Environment" (Стокгольм, 1996), IV Международном симпозиуме по радиационной безопасности (Обнинск, 1996), Конференции "Научные основы ведения агропромышленного производства в условиях крупных радиационных аварий" (Обнинск,1996), Конференции "Хромосомы и радиация", посвященной памяти Н.В.Лучника (Обнинск,1997), Международной конференции "Health Effects of Low Dose Radiation: Challenges for the XXI Century" (Стредфорд-на-Эйвоне,1997), III съезде no радиационным исследованиям (Москва.1997), Международной конференции "Low Doses of Ionizing Radiation: Biological Effects and Regulatory Control" (Севилья, 1997), Международной конференции по биодозиметрии (Обнинск, 1998).
Публикации. Основные результаты исследований изложены в 86 публикациях, в том числе в монофафии "Генетические основы радиорезистентности и эволюция" и в 42 статьях.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения, приложения и списка литературы. Работа изложена на 203 страницах машинописного текста, включает 26 таблиц и 31 рисунок. Список литературы содержит 210 источников.
