Влияние физических мутагенов на живые клетки
Влияние ионизирующего облучения на живой организм
Мутации при действии физических мутагенов возникают так же, как и при действии мутагенов химических. Вначале возникает первичное повреждение ДНК. Если оно не будет полностью исправлено в результате репарации, то при последующем репликативном синтезе ДНК будут возникать мутации. Специфика мутагенеза (процесса возникновения мутаций) при действии физических факторов связана с характером первичных повреждений генома, вызываемых ими.
Ионизирующее излучение – это поток заряженных или нейтральных частиц и квантов электромагнитного излучения, прохождение которых через вещество приводит к ионизации и возбуждению атомов или молекул среды.
Ионизирующее излучение может вызвать мутации – внезапные естественные или вызванные искусственно наследуемые изменения генетического материала, приводящие к изменению тех или иных признаков организма.
Есть мутации спонтанные, возникающие под влиянием природных факторов внешней среды или в результате биохимических изменений в самом организме, и индуцированные, возникающие под воздействием мутагенных факторов, например, ионизирующего излучения химических веществ.
Мутации могут быть прямыми, если их проявление приводит к отклонению от признаков так называемого дикого типа и обратными, если они приводят к восстановлению дикого типа.
Мутации в половых клетках – генеративные – передаются следующим поколениям; мутации в любых других клетках организма – соматические – наследуются только дочерними клетками и оказывают воздействие лишь на тот организм, в котором возникли.
Ядерные мутации затрагивают хромосомы ядра, цитоплазматические – генетический материал, заключенный в цитоплазматических органоидах клетки – митохондриях, пластидах.
В зависимости от характера изменений в генетическом материале различают точечные мутации, геномные мутации и хромосомные аберрации (перестройки). Точечные мутации представляют собой результат изменения последовательности нуклеотидов в молекуле ДНК, являющейся носителем генетической информации и связаны с добавлением, выпадением или перестановкой оснований в ДНК. Геномные мутации связаны с изменением числа хромосом в клетке, кратным одинарному набору хромосом, а также увеличением или уменьшением числа отдельных хромосом.
Радиоактивные вещества могут воздействовать на организм человека внешне и внутренне. Внешнее облучение характеризуется воздействием ионизирующего излучения извне и обусловлено различной проникающей способностью частиц. Внутреннее облучение связано с попаданием радиоактивного вещества внутрь человеческого организма с пищей, с вдыхаемым воздухом или через открытую рану.
Воздействие радиоактивного излучения на организм человека зависит от многих факторов и определяется:
- скоростью радиоактивного распада радионуклида;
- скоростью выведения РВ из организма;
- типом радиоактивного излучения;
Острые последствия проявляются в первые несколько дней (недель) после облучения. Отдаленные последствия – последствия, которые развиваются не сразу после облучения, а спустя некоторое время.
Острая лучевая болезнь возникает после тотального однократного внешнего равномерного облучения. Между величиной поглощенной дозы в организме и средней продолжительностью жизни существует строгая зависимость.
При воздействии ионизирующего излучения в дозах, не вызывающих острую или хроническую лучевую болезнь, происходит изменениях в основных регуляторных системах организма и функциональные изменения деятельности основных физиологических систем чаще всего носят полисиндромный характер. Это проявляется в развитии донозологических состояний, переходящих с ростом дозы к клинической патологии.
В структуре неврологической заболеваемости особое место занимает синдром вегетативной дистонии, повышения тревожности как устойчивой личностной черты, отмечается ускорение перехода психофизиологических расстройств в стойкие психосоматические.
При дополнительном воздействии других неблагоприятных факторов существует вероятность роста общесоматических заболеваний. Радиационный фактор выступает лишь как одно из условий этого роста.
Радиоактивный распад и живой организм
В окружающей среде все элементы имеют естественный биотический круговорот и оказывают на все живые организмы планеты различного рода воздействия, в том числе и неблагоприятные. Вредное воздействие веществ может быть обусловлено не только их химическими или физико-химическими свойствами, но и чисто физическим влиянием этих элементов, связанных с их радиоактивностью.
Радиоактивность – это физическое явление, характеризущееся такими процессами в атомном ядре, при которых изменяется его состав и испускается ионизирующее излучение.
Радиоактивными элементами называются также все изотопы, которых радиоактивны. К таким элементам относятся все естественные элементы с атомным номером выше 83 (Bi). Вредное воздействие радиоактивных элементов определяется ионизирующим излучением, характер которого зависит от типа радиоактивного распада данного изотопа.
Существуют естественные радионуклиды, образующиеся под действием постоянно попадающего на Землю космического излучения и техногенные.
К загрязнению атмосферы радионуклидами приводят ядерные реакторы, работа тепловых электростанций, сжигающих каменный уголь. Он всегда содержит небольшие примеси урана, тория и продукты их распада. При сжигании топлива эти радионуклиды частично переходят в аэрозоли и попадают в атмосферу.
К загрязнению почвы радионуклидами может приводить использование фосфорных минеральных удобрений. Примеси урана и тория всегда есть в исходном сырье, которое используют при производстве этих удобрений. При переработке сырья радионуклиды частично переходят в удобрения, а из них и в почвы и передаются дальше по трофическим цепям.
Особенностью радионуклидного загрязнения, связанного с Чернобыльской катастрофой, является разнообразие химических форм агрегатных состояний, выброшенных в окружающую среду радиоактивных элементов.
В результате загрязнения окружающей среды продуктами радиоактивного распада происходит накопление радионуклидов растениями. Лесная растительность обладает большой поглотительной емкостью, что связано с наличием значительно расчлененных поверхностей (листья, хвоя, мелкие ветви). С поверхности листьев радионуклиды вовлекаются внутрь клеток и подвергаются метаболическому усвоению.
Под воздействием острого облучения в весенний период 1986 г. В районе Чернобыльской АЭС в этом же году произошли изменения листовых пластин у хвойных и лиственных деревьев. Листовые пластины ели иногда увеличивались в 3 раза. Резко изменился цвет хвоинок. У сосны они были светло-желтые, а у ели - малиновые.
Радиочувствительность позвоночных животных еще выше, чем у хвойных растений. Резко снизилась численность почвенных беспозвоночных, лучше экранированных от излучения. Соотношение неполовозрелых и половозрелых особей изменилось в пользу последних. В загрязненных лишайниках-эпифитах не удалось обнаружить панцирных и гамазовых клещей, ногохвосток, обычных для этой экологической ниши. В зоне сублетального и среднего поражения сосны возникла и сохраняется в течение последних лет вспышка массового размножения вторичных стволовых вредителей.
У высших позвоночных животных симптомы радиоактивного поражения близки к симптомам у человека.
В организме человека постоянно присутствуют радионуклиды земного происхождения, поступающие через органы дыхания и пищеварения, он привык жить в условиях естественного фонового радиоактивного облучения.
Например, инертный радиоактивный газ радон, поступив в организм при вдохе, вызывает облучение слизистых тканей легких. Действием радона обусловлены заболевания раком у большинства рабочих урановых рудников.
Радионуклиды накапливаются в органах неравномерно. В процессе обмена веществ в организме человека они замещают атомы стабильных элементов в различных структурах клеток, биологически активных соединениях, что приводит к высоким локальным дозам. При распаде радионуклида образуются изотопы химических элементов, принадлежащие соседним группам периодической системы, что может привести к разрыву химических связей и перестройке молекул. Эффект радиационного воздействия может проявиться совсем не в том месте, которое подвергалось облучению.
Превышение дозы радиации может привести к угнетению иммунной системы организма, сделать его восприимчивым к различным заболеваниям. При облучении повышается также вероятность появления злокачественных опухолей. Наиболее интенсивно облучаются органы, через которые поступили радионуклиды в организм (органы дыхания и пищеварения), а также щитовидная железа и печень. Дозы, поглощенные в них, на 1-3 порядка выше, чем в других органах и тканях.
Среди техногенных радионуклидов особого внимания заслуживают изотопы йода (131I, 132I). Они обладают высокой химической активностью, способны интенсивно включаться в биологический круговорот и мигрировать по биологическим цепям, одним из звеньев которых может быть человек. Основным начальным звеном многих пищевых цепей является загрязнение поверхности почвы и растений.
Продукты питания животного происхождения - один из основных источников попадания радионуклидов к человеку. Рак - наиболее серьезное последствие облучения человека при малых дозах. Первыми среди раковых заболеваний, поражающих население, стоят лейкозы, затем рак молочной железы и рак щитовидной железы.
Данные по генетическим последствиям облучения весьма неопределенны. Ионизирующее излучение может порождать жизнеспособные клетки, которые будут передавать то или иное изменение из поколения в поколение.