Экологические и физиологические перестройки в хронически облучаемых популяциях.
Ионизирующая радиация, источником которой являются введенные во внешнюю среду радиоактивные продукты деления, входят в комплекс абиотических факторов среды обитания, действующих на популяцию животных. Являясь мощным эволюционным фактором, ионизирующие излучения совместно с обычными факторами среды обитания (явление синергизма) приводят к заметной перестройке в популяциях животных, населяющих биогеоценоз, и во всем сообществе животных в целом. Всё это может привести к серьезным нарушениям в биогеоценозе и к изменению его дальнейшей эволюции.
Вследствие различной радиочувствительности организмов действие ионизирующей радиации при равных дозах облучения может проявляться неодинаково в популяциях разных видов животных. С другой стороны, из-за особенностей питания некоторые виды могут получать сравнительно большие концентрации радиоактивных элементов, чем менее радиоустойчивые животные. На последних воздействие излучений скажется в меньшей степени.
Нарушения в популяциях животных в результате облучения ионизирующими излучениями могут выражаться в изменении продолжительности жизни, смертности животных, плодовитости, в темпах развития молодняка, в появлении патологических явлений у части особей и т.п. Не надо забывать и о возможности изменения действия на популяцию обычных абиотических факторов среды обитания и взаимоотношений между организмами, в первую очередь хозяин – паразиты и жертва – хищник, на фоне действия на популяцию ионизирующего облучения.
Кроме того, при воздействии радиоактивных излучений на популяции животных, обитающих в радиационном биогеоценозе, возможно увеличение индивидуальной и популяционной изменчивости признаков как результат прямого воздействия этого нового искусственного фактора среды обитания.
Исследования показали, что в степени воздействия этого экологического фактора можно выделить два периода.
Первый период. Популяция животных попала впервые в условия сильного радиоактивного загрязнения. В этом случае наблюдается резкое воздействие на популяцию. Изменяются возрастная, половая и пространственная структуры популяции. Увеличивается эмбриональная смертность, сокращается период размножения в популяции, снижаются темпы воспроизводства. Увеличивается изменчивость признаков. Наблюдаются и изменения в поведении животных. Наиболее четко воздействие радиоактивного загрязнения выявляется на животных старшего возраста в конце жизни.
Таким образом, к первичным изменениям в популяции живых организмов (растений и животных), впервые попавшей в условия сильного радиоактивного загрязнения относятся:1)летальный эффект (элиминируют наиболее радиочувствительные виды, на примере хвойного леса как наиболее радиочувств. биологич. об-та, после ЧАЭС на месте хвойного леса появился ''рыжий лес'', после гибели леса открылся полог, что привело к смене растительных доминант, появились растения размножающиеся вегетативным путем - сорняки, злаки, через 10 лет сукцессии пошли обратно, но сосна так и не восстановилась, а на месте их стали расти осины, но их побеги были полны радиоморфозами);2)снижение плодовитости;3)угнетение природной биомассы (у деревьев повреждается камбий, стволы становятся хрупкими);4)снижение устойчивости к вредителям и болезням;5)задержка или ускорение прохождения основных фаз развития, что также неблагоприятно, т.к. в природе все должно быть сбалансировано;6)изменение поведенческих реакций, характерно только для животных;7)тератологический эффект, появление радиоморфозов морфологических аномалий, часто понимаемые как различные по своей природе отклонения в морфогенезе, особенно часто встречаемые у растений, радиоморфозы у растений могут быть разной природы:1)затрагиваются инициальные клетки;2)собственно соматические клетки. К морфологическим нарушениям растений относится:1)изменение окраски листа - хлороз;2)некроз - отмирание отдельных участков ткани (точечный, краевой, межжилковый некроз);3)дефолиация - опадение листвы, что в свою очередь ведет к снижению продуктивности фотосинтезирующего аппарата, к снижению прироста (в виде снижения радиального прироста - сужение годовых колец);5)связано с изменением кол-ва и форм отдельных органов (дефекты развития ветвей: появление наростов на стволах деревьев - ''капы''; появление ''ведьминых мётел'' - искривление побегов, аномалии в пространственной ориентации побегов, этот эффект закрепляется генетически;6)связан с переходом к вегетативному размножению у раст. К радиоморфозам растений также можно отнести: укороченные побеги, ''гигантские листья'', вторичные приросты, израстание почечных чешуй. Как правило, все они явл-ся ненаследсвенными образованиями и после снятия радиоактив. фактора через некоторое время полностью исчезают, но всё же некоторые из них могут приобретать наследственный характер или завершаться образованием радиационных химер.
Второй период. Популяция животных прожила в условиях радиоактивного загрязнения в течение ряда лет, за которые дала ряд новых поколений. В этом случае в результате увеличения изменчивости особей в популяции, сочетанного воздействия обычных экологических факторов и ионизирующей радиации и благодаря радиационному отбору возникает радиоадаптация популяции, которая выходит на более высокий уровень по радиорезистентности. Эффекты воздействия на нее повышенного радиоактивного фактора среды обитания в этот период менее заметны.
Величина смертности в популяциях, например, мелких млекопитающих, обитающих на загрязненной Sr-90 местности, зависит не только от уровня накопления этого нуклида в их скелете и различной радиоустойчивости возрастных групп, но и от одновременного влияния неблагоприятных климатических факторов среды обитания. Животные, ослабленные воздействием ионизирующего излучения, гибнут быстрее в критические для популяции периоды жизни.
Хроническое облучение растений, обусловленное их произрастанием на почвах с повышенным уровнем радиоактивного загрязнения, по-видимому, может на соответствующем уровне их организации изменять исходную радиоустойчивость растительного организма. При проведении длительного радиологического мониторинга немаловажное значение принадлежит растениям, характеризующиеся способностью к повышенной аккумуляции радионуклидов (мхи, лишайники обладают высокой накопительной способностью). Накопление растениями различных радионуклидов (*:Sr-90,Cs-137) зависит от многих факторов : наличие элементов-аналогов; температурного фактора, чем выше темпер., тем больше накапливается радионукл.; влияние света, чем больше света, тем активнее фотосинтез, а значит активнее происходит поглощение радионукл.; от удельной активности почвы; её влажности; кол-ва гумуса; pH; вида растения; продолжительности жизни. Через корневую систему накапливается в растениях >90% радионукл., остальная часть - через надземные органы. Для оценки поступления радионукл. в раст. исп-ся коэффициент накопления (КН)=Удельная активность надземной фитомассы раст. Удельная активность почвы (Бк/кг/ Бк/кг). Что касается лесных биогеоценозов, то радиоактивное выпадение на лесные сообщества происходит из атмосферы. Первичное загрязнение лесн. сообществ осуществл-ся по миграционным путям в разные направления: 1.мигр. путь- перемещение в подполог леса при помощи силы гравитации, ветра и осадков.2.мигр. путь- перемещение радионукл. с листовым опадом.3.мигр. путь - внекорневое поглощение (листовое, флоральное, поглощение корой) - все эти 3 мигр. пути относятся к аэральное поглощение. Почвенное загрязнение также состоит из 3-х мигр потоков: 1)почвенные частицы загряз-ые радионукл. могут вторично подниматься ветром;2)корневое поступление;3)грунтовые воды. К факторам, определяющим распределение радионукл. в лесах относ-ся: 1)топографические условия местности;2)метеоусловия;3)размер выпадающих частиц (в кроне деревьев могут задерж-ся частицы до 170 микрон, в травянистом покрове – не> 70 микрон;4)растительный покров (1. Опушечный эффект.2.На опушках происходит расширение потоков радионукл., т.е. размазывание потока. 3. Вертикальное перемешивание (турбулентные потоки способствуют вертик. перемешиванию в кроне деревьев 4. Осаждение- извлечение радионукл. из воздушного потока идёт методом:1)импакции=соударение, осаждение на листьях, на коре, ветках, цветках;2)под действием Fтяж., ветра, осадков. Существует количественная хар-ка описывающая первичное задерживание радионукл. в лесном ценозе – коэфф. первичного задерживания= кол-во задержанных радионукл. кол-во поступивших.
Сосновый лес(60 лет) сухое выпадение коэфф. задержания =80-100%
Берёзовый лес(40 лет) сухое выпадение коэфф. задержания =20-25%
Тропический лес задерживает радионукл. полностью коэфф. задер.=100%
Если задерживаются радионукл. на цветках с биол. т.зр. это самый опасный вариант, то они не дадут семян (фаза цветения самая радиочувствительная), если на листьях - активный фотосинт. элемент, но с годами происходит очистка кроны деревьев, если в коре также опасно, хотя клетки коры мертвы, но под корой нах-ся делящиеся клетки камбия, что приводит к повреждению почек.
Вывод: ионизирующие излучения вызывают в природных популяциях организмов увеличение изменчивости признаков, значение которых, как правило, шире существующей нормы реакции популяции на действие обычных для популяций факторов среды обитания, что способствует интенсификации радиационного отбора. На фоне хронического воздействия ионизирующего излучения, увеличивающего гетерогенность популяции, действие обычных для популяции абиотических и биотических факторов усиливается (явление синергизма), ускоряется процесс радиационного отбора. Благодаря этому в популяции появляются и сохраняются более резистентные формы, которые при размножении дают более устойчивое к обычным факторам среды и ионизирующей радиации потомство. В результате популяция в относительно короткий срок выходит на качественно новый уровень по своим радиоэкологическим свойствам. С генетической точки зрения мутационные преобразования генотипа особей при хроническом воздействии ионизирующих излучений в итоге приводят к увеличению радиорезистентности популяции и обеспечивают её адаптацию к этим новым условиям жизни.
Таким образом, радиационный отбор- это реакция популяции организмов на одновременное действие мощного эволюционного фактора - ионизирующего излучения совместно с воздействием обычных факторов среды обитания, приводящие к повышению её резистентности и радиоадаптации к хроническому ионизирующему облучению, что способствует выживанию и воспроизводству популяции в новых радиационных условиях. Радиоадаптация - это эволюционный процесс, возникающий на популяционном уровне, а не временная активация репарационных процессов у особей, её составляющих (процесс формирования у организмов длительное время, обитающих в условиях хронического облучения, повышенной радиоустойчивости). Радиоадаптация достигается двумя механизмами: 1)популяционным механизмом, когда включается отбор, т.е. чем в большей степени радиоактивно загрязнены участки, на которых обитают популяции, тем эффективнее идет отбор в этих популяциях (элиминируются наиболее радиочувствительные организмы из популяции).2)физиологический механизм, т.е. организмы начинают извлекать из арсенала своих физиологических возможностей все то, что им поможет выжить в данных условиях (норма реакции).
Кроме того, в естественных условиях на радиочувствительность природных популяций может действовать ряд внутрипопуляционных факторов, например сложность возрастной структуры природных популяций животных. Адаптивный ответ популяции животных на ионизирующее излучение зависит не только от характера силы этого воздействия, а также неизбежно преломляется через её функциональную структурированность.
Считается, что понятие радиочувствительности и радиорезистентности организма - звенья единой биологической цепи, две стороны единого процесса эволюционно выработанной сопротивляемости организма действию неблагоприятных факторов среды и патогенных факторов. Данное понятие радиочувствительности не получило широкого звучания в литературе. Сегодня более распространена другая формулировка, на основе которой о радиочувствительности судят как о неодинаковой устойчивости организма к поражающему действию радиации.
Процессы лучевого поражения развиваются на фоне поражения клеток, то радиочувствительность или радиорезистентность становится, по существу, клеточной проблемой. Несомненно, что сдвиги, возникающие в интегрированных клеточных системах, могут определять жизнедеятельность данной системы, а, следовательно, и предопределять ход лучевой реакции в целостном организме. Но радиочувст. или радиорезист. организма обязаны не только клеточным и тканевым системам. В настоящее время накоплен достаточно обширный экспериментальный материал, свидетельствующий о том, что на радиационную поражаемость организма и его систем влияют ''образование цепных реакций окисления'' ненасыщенных жирных кислот, липидные продукты окисляются, кислородное напряжение в радиочувствительных органах, содержание эндогенных сульфгидрильных соединений, активность физиологических регенеративных тканей, ре-популяционная способность стволовых клеток костного мозга и ряд других факторов. Радиочувствительность как интегральная функция организма.
Фундаментальные исследования в области радиобиологии свидетельствуют о том, что ионизирующее излучение при определенных условиях могут выступать в роли регуляторов многих биологических процессов. Так, в растениеводстве ионизирующая радиация используется для повышения продуктивности растений и в качестве мутагенного фактора.