Мутации живых организмов под воздействием радиации

 

Наследственные признаки всех живых организмов не являются неизменными. Ни один механизм деления и созревания половых клеток не застрахован от ошибки, а ошибки приводят к генетическим изменениям – мутациям.

 

Мутация – (от лат. mutatio – изменение, перемена), внезапно возникающие естественные (спонтанные) или вызываемые искусственно (индуцированные) стойкие изменения наследственных структур живой материи, ответственных за хранение и передачу генетической информации.

 

Способность мутировать – это универсальное свойство всех форм жизни от вирусов и микроорганизмов до высших растений, животных и человека. Различают два вида мутации:

1.     Мутации, возникающие в половых клетках или спорах (генеративные мутации), передаются по наследству.

2.     Мутации, возникающие в клетках, не участвующих в половом размножении (соматические мутации), приводят к генетическому мозаицизму, т.е. часть организма состоит из мутантных клеток, другая – из немутантных. В этих случаях мутации могут наследоваться только при вегетативном размножении с участием мутантных соматических частей организма (почек, черенков, клубней и т.п.).

По характеру изменения генетического аппарата мутации делят на три типа:

1.       Геномные мутации заключаются в изменении числа хромосом в клетках организма. К ним относятся: полиплоидия – увеличение числа наборов хромосом, когда вместо обычных для диплоидных организмов 2 наборов хромосом их может быть 3, 4 и т.д.; гаплодия – вместо 2 наборов хромосом имеет лишь один; анеуплоидия – одна или несколько пар гомологических хромосом отсутствуют или представлены не парой, а лишь одной хромосомой либо, напротив, 3 или более гомологичными партнерами;

2.       Хромосомные мутации. К ним относятся: инверсии – участок хромосомы перевернут на 180°, так что содержащиеся в нем гены расположены в обратном порядке по сравнению с нормальным; транслокации – обмен участками двух или более негомологичных хромосом; делеции – выпадение значительного участка хромосомы; нехватки – выпадение небольшого участка хромосомы; дупликации – удвоение участка хромосомы; фрагментации – разрыв хромосомы на 2 части или более;

3.       Генные мутации представляют собой стойкие изменения химического строения отдельных генов и, как правило. Не отражаются на наблюдаемой в микроскоп морфологии хромосом. Известны также мутации генов, локализованных не только в хромосомах, но и в некоторых самовоспроизводящихся органеллах цитоплазмы.

Мутацию у живых организмов может вызывать радиация. Радиация по самой своей природе вредна для жизни. В органах и тканях биологических объектов (человек, животное, растение) как в любой среде при облучении в результате поглощения энергии идут процессы ионизации и возбуждения атомов. Данные процессы лежат в основе биологического действия излучения. Человек подвергается облучению двумя способами. Радиоактивные вещества могут находиться вне организма и облучать его снаружи; в данном случае говорят о внешнем облучении. Или же они могут оказаться в воздухе, которым дышит человек, в пище или в воде и попасть внутрь организма. Такой способ облучения называют внутренним. Облучению от естественных источников радиации подвергается любой живой организм Земли, однако одни из них получают большие дозы, чем другие. Это зависит от того, где они живут. Уровень радиации в некоторых местах земного шара (в местах, где есть радиоактивные породы) оказывается выше среднего, а в других местах – соответственно ниже. Земные источники радиации в сумме ответственны за большую часть облучения живых организмов. Организм реагирует на облучение по-разному, существует 4 фазы реакции:

·        физическая фаза ионизации и возбуждения атомов;

·        химико-физическая фаза. Образуются высокоактивные радикалы, которые при взаимодействии с различными соединениями дают начало вторичным радикалам (имеют увеличенные сроки жизни по сравнению с первыми);

·        химическая фаза. Радикалы вступают в реакцию с органическими молекулами клеток, это приводит к изменению биологических свойств молекул;

·        биологическая фаза. Все химические изменения молекул преобразуются в клеточные изменения.

Существует три пути поступления радиоактивных веществ в организм:

1.     при вдыхании воздуха, загрязненного радиоактивными веществами;

2.     через зараженную пищу или воду;

3.     через кожу (в том числе при заражении открытых ран).

Наиболее опасен первый путь, поскольку объем легочной вентиляции очень большой и коэффициенты усвоения в легких более высоки.

Наиболее чувствительным к облучению является ядро клетки, а наибольшие последствия вызывает повреждение ДНК, содержащей наследственную информацию. В результате облучения в зависимости от величины поглощенной дозы клетка гибнет или становится неполноценной в функциональном отношении. Предполагается, что значительная часть первичных повреждений в клетке возникает в виде так называемых потенциальных повреждений, которые могут реализоваться в случае отсутствия восстановительных процессов. Реализации этих процессов способствуют процессы биосинтеза белков и нуклеиновых кислот. Пока реализация потенциальных повреждений не произошла, клетка может в них «восстановиться». Это связано с ферментативными реакциями и обусловлено энергетическим обменом. В основе этого явления лежит деятельность систем, которые в обычных условиях регулируют интенсивность естественного мутационного процесса.

Мутагенное воздействие ионизирующего излучения впервые установили русские ученые Р.А. Надсон и Р.С. Филиппов в 1925 году в опытах на дрожжах. В 1927 году это открытие было подтверждено Р. Меллером на классическом генетическом объекте – дрозофиле. Ионизирующие излучения способны вызывать все виды наследственных перемен. Спектр мутаций, индуцированных облучений, не отличается от спектра спонтанных мутаций.

Исследования Киевского Института нейрохирургии показали, что радиация даже в малых количествах, при дозах в десятки Бер, сильнейшим образом воздействует на нервные клетки – нейроны. Общие нарушения в организме под действием радиации приводит к изменению обмена веществ, которые влекут за собой патологические изменения головного мозга.

Различные виды излучений характеризуются различной биологической эффективностью, что связано с отличиями в их проникающей способности и характером передачи энергии органам и тканям объекта, состоящего в основном из легких элементов:

 

Химический состав мягкой ткани и костей в организме человека

Элемент

Заряд, Z

Процентное отношение по весу

Мягкая ткань

Кости

Водород

1

10,2

6,4

Углевод

6

12,3

27,8

Азот

7

3,5

2,7

Кислород

8

72,9

41

Натрий

11

0,08

-

Магний

12

0,02

0,2

Фосфор

15

0.2

7

Сера

16

0,5

0,2

Калий

19

0,3

-

Кальций

20

0,007

14,7

 

Альфа-излучение имеет малую длину пробега частиц и характеризуется слабой проникающей способностью. Оно не может проникнуть сквозь кожные покровы. Пробег альфа-частиц с энергией 4 Мэв в воздухе составляет 2.5см, а в биологической ткани лишь 31 мкм. Альфа-излучающие нуклиды представляют большую опасность при поступлении внутрь организма через органы дыхания и пищеварения, открытые раны и ожоговые поверхности.

Бета-излучение обладает большей проникающей способностью. Пробег бета-частиц в воздухе может достигать нескольких метров, а в биологической ткани нескольких сантиметров. Так пробег электронов с энергией 4 Мэв в воздухе составляет 17,8м, а в биологической ткани 2,6см.

Гамма-излучение имеет еще более высокую проникающую способность. Под его действием происходит облучение всего организма.

Биологический эффект от действия тепловых нейтронов в основном обусловлен процессами Н(n,гамма)2H и l4N(n,p)l4C.

Сечение этих реакций составляют соответственно 0,33 и 1,76 барн. Основной эффект воздействия на биологическую ткань происходит под действием протонов, образующихся в реакции (n,p) и теряющих всю свою энергию в месте рождения.

Для медленных нейронов сечения захвата нейронов малы. Большая часть энергии расходуется на возбуждение молекул ткани.

Для быстрых нейронов до 90% энергии в ткани теряется при упругом взаимодействии. При этом решающее значение имеет рассеяние нейтронов на протонах. Дальнейшее выделение энергии происходит в результате ионизации среды протонами отдачи.

Изучение генетических последствий облучения связано с большими трудностями. Во-первых, очень мало известно о том, какие повреждения возникают в генетическом аппарате живого организма при облучении. Во-вторых, полное выявление всех наследственных дефектов происходит лишь на протяжении многих поколений. В-третьих, эти дефекты невозможно отличить от тех, которые возникли совсем по другим причинам. Немного известно также о влиянии облучения на такие признаки, как рост и плодовитость, которые определяются не одним, а многими генами, функционирующими в тесном взаимодействии друг с другом.