Влияние уровня радиации на растения. Радиобиология

Различают прямое и косвенное действие радиации на живые организмы. Прямое действие энергии излучения на молекулу переводит ее в возбужденное или ионизированное состояние. Особенно опасны повреждения структуры ДНК: разрывы связей сахар-фосфат, дезаминирование азотистых оснований, образование димеров пиримидиновых оснований. Косвенное действие радиации состоит в повреждениях молекул, мембран, органоидов клеток, вызываемых продуктами радиолиза воды. Заряженная частица излучения, взаимодействуя с молекулой воды, вызывает ее ионизацию. Ионы воды за время жизни 10 -15 - 10 -10 сек способны образовать химически активные свободные радикалы и пероксиды. Эти сильные окислители за время жизни 10 -6 - 10 -5 сек могут повредить нуклеиновые кислоты, белки-ферменты, липиды мембран. Первоначальные повреждения усиливаются при накоплении ошибок в процессах репликации ДНК, синтеза РНК и белков.

Устойчивость растений к действию радиации определяется следующими факторами:

• 1. Постоянное присутствие ферментных систем репарации ДНК. Они отыскивают поврежденный участок, разрушают его и восстанавливают целостность молекулы ДНК.
• 2. Наличие в клетках веществ - радиопротекторов (сульфгидрильные соединения, аскорбиновая кислота, каталаза, пероксидаза, полифенолоксидаза). Они ликвидируют свободные радикалы и пероксиды, возникающие при облучении.
• 3. Восстановление на уровне организма обеспечивается у растений: а) неоднородностью популяции делящихся клеток меристем, которые содержат клетки на разных фазах митотического цикла с неодинаковой радиоустойчивостью; б) присутствием в апикальных меристемах покоящихся клеток, которые приступают к делению при остановке деления клеток основной меристемы; в) наличием спящих почек, которые после гибели апикальных меристем начинают активно функционировать и восстанавливают повреждение.

Жизнь на земле зарождалась, развивалась и продолжает развиваться в радиационной среде. Естественный отбор в растительном мире сопровождался совершенствованием микро- и макроструктур, изменением генома и радиочувствительности. Высокая радиоустойчивость часто связана с высокой общей устойчивостью растений к неблагоприятным условиям внешней среды, потому что приспособление видов к различным условиям могли совпадать с повышенной радиоустойчивостью. Причины и механизмы естественной радиочувствительности растений к настоящему времени не раскрыты, однако многие аспекты хорошо изучены.

На радиочувствительность растений оказывают влияние следующие факторы, которые разделяются на три группы.

Первая группа - факторы, связанные с филогенезом, которые нельзя изменить (семейство, класс, вид, морфология, плоидность, объем ядра, объем хромосом и др.). Четкой связи между филогенезом и радиоустойчивостью у растений не выявлено, однако, у семян эта связь четкая, она проявляется даже в пределах вида. Известно, что голосеменные растения более радиочувствительны, чем покрытосеменные. Папоротники и мхи превышают радиоустойчивость цветковых растений. Радиочувствительность различается по семействам, видам, родам и сортам. Среди цветковых растений к радиочувствительным относят растения семейств магнолиевоцветных, лавроцветных, лилейноцветных, ирисовых, камнеломковых и бобовых, а к радиоустойчивым - растения семейств крапивных, крестоцветных, гераниевых, гвоздикоцветных. Выделяют также среднерадиочувствительные растения (семейства гречихоцветных, миртовых, макоцветных) и полиморфные (семейства мятликовых, астроцветных и норичниковых). Установлено, что критические дозы облучения семян на порядок выше, чем вегетирующих растений. Растения сельскохозяйственных культур по радиочувствительности различаются в 2-10 раз, видовое различие составляет 1,5-15 раз, сортовое различие - 1,5-3 раза. Среди сельскохозяйственных культур выявлены высокорадиочувствительные культуры, для которых полулетальная доза (ЛД 50) составляет 10-40 Гр. В семействе злаковых к таким культурам относят ячмень, рожь, овес, пшеницу, кукурузу, а в семействе бобовых - горох, вику и фасоль. К высокорадиоустойчивым культурам относят рапс, кормовую, сахарную и столовую свеклу, морковь и капусту (ЛД 50 = 200…250 Гр), а также картофель и лен (ЛД 50 = 100…150 Гр). Другие культуры занимают промежуточное положение. У гибридов пшеницы, ячменя, кукурузы и шпината выявлена повышенная радиоустойчивость по сравнению с родительскими формами. С увеличением размера хромосом и количества ДНК возрастает радиочувствительность. Связь радиочувствительности с плоидностью не всегда носит прямую зависимость. У природных полиплоидных родов зависимости нет, в то же время иногда наблюдается обратная связь. У культурных растений, таких, как пшеница, сорго, кукуруза и горчица, установлено, что чем больше плоидность, тем выше радиочувствительность.

Вторая группа - факторы, характеризующие состояние клетки и генома (этап онтогенеза, наличие естественных радиопротекторов, антиоксидантов и способность клеток к репарации). Установлено, что радиочувствительность клеток зависит от фазы клеточного цикла, содержания в клетках воды, степени защищенности ДНК белками, наличия естественных радиопротекторов, концентрации кислорода и способности клеток к репарации и регенерации, т. е. к восстановлению и самообновлению. Самая низкая радиоустойчивость отмечается при прорастании семян, а также при переходе растений от вегетативного состояния к генеративному и в гаметогенезе.

Третья группа - факторы внешней среды и условия облучения (температура, свет, влажность, условия питания, методы и способы облучения растений). Максимальное поражение растений наблюдается при облучении альфа- и бета-излучением, а также при фракционировании дозы облучения. При облучении растений при оптимальной температуре (18-20 о С) радиоустойчивость понижается. Повышение и понижение температуры способствует повышению радиоустойчивости растений, потому что замедляется деление меристемных клеток. На радиочувствительность также оказывают влияние до- и пострадиационные условия: улучшенное минеральное питание, повышенная освещенность и влажность. Наличие кислорода также способствует повышению радиочувствительности. Особое влияние на радиочувствительность оказывают эколого-географические факторы. Популяции растений с широким ареалом распространения более радиоустойчивы, чем популяции с узким ареалом распространения. Радиочувствительны редкие и исчезающие виды растений.

Для количественной оценки радиочувствительности чаще используют летальную дозу (Л 100 ), полулетальную дозу (ЛД 50 ) и критическую дозу (ЛД 70 ). Летальная доза - это доза, при облучении которой погибает 100 % растений. Полулетальная доза - это доза, при облучении которой погибает 50 % растений. Критическая доза - это доза, при облучении которой погибает 70 % растений. У большинства сельскохозяйственных культур величина доз, вызывающих гибель 50 и 70 % растений, приводит к полной потере продуктивности. Поэтому при облучении растений используют дозу, вызывающую снижение урожайности на 50 % (УД 50). Разница между ЛД 50 и УД 50 для одного и того же вида растений может составлять 10-30 раз и более. В зависимости от цели исследования применяют также дозы УД 10 и УД 30 .

Лучевое поражение растений зависит от дозы облучения и проявляется в виде замедления роста и развития, нарушений репродуктивной системы, снижения урожайности и гибели растений.

ПОЛЕЗНАЯ РАДИАЦИЯ

Если бы Господь Бог сделал мне честь спросить

мое мнение при сотворении мира, то я бы ему

посоветовал сотворить его получше, а главное - попроще

КОРОЛЬ АЛЬФОНС КАСТИЛЬСКИЙ XIII ВЕК

Наверно, у каждого из нас неоднократно возникала мысль о том, насколько сложно и остроумно организована живая клетка. Кажется, она продумана до конца и так совершенна, что ее нельзя улучшить. В процессе эволюции миллионы раз были переработаны варианты оптимальных конструкций клетки И миллионы вариантов были забра­кованы Остались наиболее отработанные, законченные и совершенные образцы. Но за последние десятилетия уче­ные убедительно доказали возможность улучшения расте­ний и других организмов с помощью ионизирующей ра­диации и радиоактивных изотопов.

В Париже, в районе Жардеп до Плант, стоит неболь­шой дом Он - достояние Национального музея естествен­ной истории На его стене скромная доска, и на ней над­пись «В лаборатории прикладной физики Музея Анри Беккерель открыл радиоактивность 1 марта 1896 года». С тех пор прошло три четверти века Предполагал ли кто-нибудь даже из самых прозорли­вых соотечественников Беккереля, что семьдесят лет спу­стя радиоактивные изотопы станут широко использоваться в сельском хозяйстве, биологии, медицине? Что меченые атомы будут надежными помощниками человека при решении самых насущных задач? И что, наконец, с помощью проникающей радиации некоторых радиоактивных изото­пов можно будет повышать урожайность зерна?

Используя ионизирующую радиацию, действительно можно изменять в нужном для человека направлении жи­вые организмы

Несколько лет назад в Молдавии весной можно было встретить на дорогах автофургон с надписью на кузове" «Атом - миру» Это не простой грузовик, а передвижной облучатель для предпосевной обработки семян Его «атом- пое сердце» - большой контейнер с гамма-активным изо­топом цезия-137 Накануне сева автофургон выезжает в поле К нему подъезжает грузовик с семенами кукурузы Включается ленточпый транспортер Семена засыпаются в бункер с радиоактивным изотопом цезия Полностью изо- тарованные от непосредственного контакта с изотопом, се­мена в то же время облучаются гамма-лучами в нужной дозе Непрерывной струей бежит зерно через бункер По том оно попадает на другой транспортер и ссыпается в мешки на другой автомашине Предпосевное облучение се­мян закончено Семена можно высевать.

Для чего облучали семена кукурузы? Предпосевное об­учение семян - это метод повышения урожайности сель­скохозяйственных культур С его помощью можно уско­рить созревание растений и улучшить их полезные каче­ства.

На лабораторном столе стоят десять горшков с проро­стками кукурузы различной высоты Под крайним левым подпись: «Контроль», под каждым из остальных цифры- 100, 300, 500, 800.. И так до 40 000. В лабораторном жур­нале записано «Высота проростков кукурузы при разных дозах облучения на 13-й день вегетации».

При облучении семян в дозе 100 и 300 рентген высота проростков такая же, как в контрольной группе При дозе облучения 500 рентген растения выше контроля в полто­ра раза. Но потом, по мере увеличения дозы, величина проростков уменьшается При дозе 8000 рентген растения кажутся карликами При дозе 40 000 их еле видно.

Через несколько страниц в том же лабораторном жур­нале вклеена фотография Это корни тех же растений Почти такая же закономерность При определенной дозе гамма-лучей - резкое увеличение роста, а потом посте­пенное уменьшение При больших дозах рост корней резко затормаживается.

Сначала ставят опыты в лабораторных условиях Потом опыты повторяют в поле. Опыты в поле - это как гене­ральная репетиция в театре, как последний экзамен, после которого результаты экспериментальных исследований будут внедрены в практику Экспериментаторы облучали семена кукурузы сортов «Стерлинг» и «Воронежская-76», которые в Московской области выращивают для получения силосной массы Опыты в поле в течение трех лет показа­ли, что облучение семян в дозе 500 рентген увеличивает выход зеленой массы кукурузы на 10-28 процентов Си­лос, полученный из таких растений, содержит больше бел­ка, жиров, безазотистых веществ, клетчатки, углеводов

А если облучить семена редиса.

На столе экспериментатора два пучка редиса одного сорта. Количество редиса в каждом пучке одинаково Но редис слева значительно толще и мясистее По сравнению с ним редис справа кажется худосочным. А ведь правый пучок - это обычный, так сказать, «нормальный» редис Упитанный родственник слева - это редис, выращенный из облученных семян При облучении семян этого сорт,! гамма-лучами в дозе 500 рентген урожай повысился на 37 процентов! Собрать 100 или 137 кг редиса - существен­ная разница И это из одного количества семян, на одних землях и при одном и том же уходе А затраты на облуче­ние крайне невелики

У других сортов редиса - «Рубин», «Розовый с белым кончиком», «Сакс» - урожайность повышалась при облу­чении в дозе 1000 рентген А облученный «Сакс» был к то­му же и сочнее и вызревал раньше обычного на 5-6 дней Предпосевное облучение семян «Рубина» не только повы­шало урожай корнеплодов, но и увеличивало в них содер­жание витамина С. С помощью ионизирующей радиации в корнеплодах можно увеличить и содержание витамина А. Так, после облучения семян моркови сорта «Нантская» в дозе 4000 рентген урожайность корнеплодов по отношению к контролю увеличилась на 26 процентов, а запас кароти­на - растительного пигмента, который в организме чело­века превращается в витамин А,- на 56.

А кукуруза? Облучение семян в дозе 500 рентген уве­личивало урожай зеленой массы до 28 процентов

Стимулирующее действие предпосевного облучения се­мян доказано для огурцов, томатов, свеклы, капусты, са­люта, картофеля, хлопка, ржи, ячменя...

Ученые заметили одну особенность. Доза ионизирую­щей радиации, вызывающая эффект стимуляции, различ­на не только для разных видов растений, но даже для раз­ных сортов одного вида. Более того, она оказалась не оди­наковой для одного и того же сорта, высеваемого в разных географических зонах.

Так стимулирующая доза облучения для огурцов сорта «Нежинские», высеваемых в Московской области, равняет­ся 300 рентген, а для получения такого же результата в Азербайджане была необходима доза около 2000- 4000 рентген.

Возьмем семена кукурузы Много семян. Облучим их при одинаковых условиях дозой гамма-лучей, которая вы­зывает стимуляционный эффект. Разделим их на четыре равные группы - по 1000 штук в каждой Одну группу по­сеем сразу после облучения, вторую - через неделю, тре­тью - через две, четвертую - через месяц. Теперь будем терпеливо ждать Семена взошли, растения начали разви­ваться. Но что это? Быстрее других развиваются расте­ния, высеянные непосредственно после облучения. У семян, которые были высеяны через неделю после облуче­ния, стимуляционный эффект был выражен меньше. У се­мян, высеянных через 2 недели после лучевой обработки, ускорение развития почти не наблюдалось. Семена, выдер­жанные после облучения в течение месяца, прорастали, но стимуляционного эффекта не имели. Значит, при хра­нении какое-то таинственное вещество, какой-то стиму­лятор медленно исчезал.

В чем же дело?

Мы вступаем в область, где факты еще дружат с пред­положениями, где еще многое не исследовано. Установле­но, что после облучения в семенах образуются очень ак­тивные осколки молекул, называемые радикалами Опи способны вступать в необычные для здорового организма реакции. И вот оказалось, что после облучения семян ко­личество радикалов со временем постепенно убывает. Про­ходит несколько дней, и радикалы исчезают полностью. Чем выше температура и влажность, при которой хранят­ся семена, тем радикалы исчезают быстрее

Что же происходит, когда семена попадают во влаж­ную, прогретую солнцем почву? Питательные вещества, содержащиеся в семенах, начинают переходить в раство­римую форму и транспортируются к зародышу. В так на­зываемом алейроновом слое семени активизируются окис­лительные процессы, и начинается выработка соединений, богатых энергией Зародыш пробуждается, его клетки на­бухают и начинают делиться. Наступают процессы роста и развития проростков. Клетки начинают делиться, и им нужен строительный материал. Активность многих фер­ментов в результате облучения значительно возрастает. И вот при облучении семян окислительные процессы начи­нают протекать значительно интенсивнее. А это приводит к более быстрому развитию и ускорению всхожести семян, к их прорастанию. Растения становятся более мощными.

Не так давно в журнале «Курьер», который издается ООН, была напечатана статья. В ней говорилось, что каж­дый третий крестьянин в Африке работал фактически на птиц, грызунов, насекомых-вредителей и микропара­зитов.

За точность зтих цифр, естественно, поручиться труд­но, но то, что потери от вредителей огромны,- факт.

Специалисты подсчитали сельскохозяйственные вре­дители уничтожают за год столько зерна, что им можно было бы прокормить 100 миллионов человек.

Чем может помочь ионизирующая радиация сельскому хозяйству в борьбе с вредителями?

Вы уже знаете: различные виды растений обладают различной радиочувствительностью Некоторые - доволь­но высокой Насекомые, как правило, высокорадиоустойчивы. Среди них есть даже своеобразные чемпионы радио­устойчивости. Например, скорпионы. Но яйца и личинки насекомых оказались более радиочувствительными. И вос­производящие клетки насекомых тоже более чувствитель­ны к облучению.

Схема борьбы с насекомыми-вредителями проста Через бункер, заряженный радиоактивным изотопом, пропус­кается по конвейеру зерно За определенный промежуток времени оно получает необходимую для гибели вреди­телей дозу ионизирующей радиации Такое зерно, конеч­но, не используют как посадочный материал Но для пи­тания людей оно совершенно безвредно После облучения зерно поступает в хранилище - опасный вредитель ему уже не угрожает Этими же приемами можно бороться с вредителями сухих фруктов - насекомыми и их личинка­ми, облучая «будущие компоты» гамма-лучами в дозе до 50 ООО рентген А в Канаде предложили метод лучевой борьбы с сальмонеллами, заражающими яичный порошок Знаете ли вы о методе «стерильпых самцов»? Ученые разработали его сравнительно недавно Насекомые, облу­ченные понтирующей радиацией в определенный период ра шития, неспособны давать потомство «Стерильные сам­цы» спариваются с нормальными самками. Однако самка потомство не приносит Чем больше самцов будет стерили­зовано, тем больше возможностей, что самки не дадут по­томства Если стерилизованных насекомых будет много в течение нескольких поколений, то потомство резко сокра­тится В некоторых странах обитает опасный вредитель - так называемая мясная муха Она откладывает свои яйца в рапы теплокровных животных Из яиц развиваются ли­чинки, которые вызывают заболевание и даже гибель домашнего скота, диких зверей и дичи Мясная муха нано­сит большой вред хозяйству И тогда решили испробовать метод лучевой стерилизации на мясной мухе Построили «мушиную» фабрику, на которой разводили и стерилизова­ли мух Стерилизованных насекомых выпускали на зара­женную местность Результат сказался быстро Заболевание и падеж скота резко уменьшились Затраты на «мушиную» фабрику не только окупились в первый год, но и принесли равную по сумме затрат прибыль. В США на острове Куракоо, площадью в 435 квадратных километров, выпусти­ли около 2000 стерильных самцов мясной мухи на один квадратный километр На острове мясная муха практи­чески уничтожена.

Идея консервирования продуктов возпикла давно Продукты консервировали древние египтяне и ипки На­верное, самый древний способ сохранения продуктов - высушивание их па солнце Со временем способы консер­вирования менялись Сегодня холодильник имеется почти в любой городской квартире Но самый современный спо­соб сохранения пищевых продуктов - консервирование их с помощью проникающих излучений Если облучать, например, свежее мясо гамма-лучами в дозе 100000 репт- геп, то срок его храпепия на складе удлиняется в пять раз Если облученпое мясо хранить при температуре около нуля градусов, то оно сохраняется в течение нескольких месяцев, не теряя питательных и вкусовых качеств С по­мощью радиации удлиняются сроки хранения свежей рыбы Облученная рыба в рефрижераторах сохраняет свои вкусовые качества до 35 дней А без лучевой обработки при тех же условиях хранения - 7 - 10 дней.

Сейчас ищут способ консервировать с помощью гамма- лучей икру, молоко, фрукты И даров моря- крабов, устриц, креветок

Хорошие результаты дает облучепие ягод и фруктов Облученная клубника, хранившаяся в рефрижераторе при температуре +4 градуса, длительное время не теряла ни свежести, ни аромата Даже опытные дегустаторы и экс­перты не могли установить, какие из ягод были облучены в «консервирующих» дозах А грибы шампиньоны? Они обладают прекрасными вкусовыми качествами И их мож­но выращивать искусственно в течение всего года Но при хранении грибы быстро портятся теряют свежесть и вку­совые качества, сохпут и шляпка их разворачивается, как у старых грибов Облученные шампиньоны в течение дли тельного хранения выглядели так, будто их только что принесли из парника - старение грибов резко затормажи­валось, шляпки их были круто закручепы, как у молодых грибов.

Недавно в печати появилось сообщение о лучевом коп- сервировании цветов. Знаменитые голландские тюльпаны, облученные в определенной дозе, помещенные в пакет, на­дутый углекислым газом, удобны в транспортировке и мо­гут храниться длительный срок Казалось, что они только что сорваны с грядки, настолько свежими были их лепе­стки.

Особенно выгодно с помощью радиации увеличивать срок хранения овощей.

Картофель имеет один серьезный недостаток: при хра­нении он прорастает, клубни сморщиваются и теряют свои вкусовые качества. Над проблемой лучевой консервации картофеля начали работать многие ученые в различных научно-исследовательских институтах нашей страны. Мно­гочисленные опыты показали: облучение клубней в дозе 10 ООО рентген резко затормаживает или прекращает ве­сеннее прорастание картофеля и не понижает сопротивляе­мости его к заболеваниям. Вкусовые качества облученно­го картофеля не ухудшаются. Опытные дегустаторы не на­шли никаких изменений в блюдах, приготовленных из такого картофеля.

Проблема лучевой консервации интенсивно разрабаты­вается во всем мире. И это закономерно Слишком очевид­ные экономические выгоды она несет. Некоторые методы лучевого консервирования уже разрешены для практиче­ского использования. Другие еще не вышли из стен лабо­раторий И самое главное - идут многолетние опыты, ко­торые должны доказать: облученные продукты безвредны для человека.

На растениях легче экспериментировать, чем на живот­ных. Работая с облучением семян, можно ставить опыты сразу на многих тысячах биологических объектах. И поэто­му ученому заметно помогает статистика Да и экономиче­ски такой опыт значительно выгоднее.

А использовалась ли ионизирующая радиация для практических целей в животноводстве?

Животные намного чувствительнее к действию прони­кающей радиации, чем растения В нашей стране на одной из современных птицефабрик был поставлен такой опыт В течение нескольких часов в процессе инкубации кури­ные яйца облучали в дозе 1-2 рентген. Такие незначи­тельные дозы радиации оказали стимулирующее действие: количество вылупившихся цыплят увеличивалось, куры из облученных яиц обладали большей яйценоскостью.

Курам «повезло» или стимулирующее действие малых доз ионизирующей радиации - общая закономерность?

Наверное, тут таятся и общие закономерности Во вся­ком случае, врачи всего мира давно признают целебное действие радоновых ванн для человека.

Итак, ионизирующая радиация радиоактивных изотопов может разумно использоваться человеком и в сельском хо­зяйстве. Но любознательный читатель, наверно, уже заме­тил, что речь шла о внешних источниках проникающих лучей Как правило, о гамма-лучах, испускаемых радиоак­тивным кобальтом. Но существует огромное количество радиоактивных изотопов, которые испускают, например, «мягкие» бета-лучи, энергия которых невелика. Радиоак­тивный углерод С" и радиоактивная сера в3®, биологически наиболее важные элементы, обладают именно таким, «мягким», излучением. Энергия проникающего излучения другого биологически важного изотопа - радиоактивного фосфора Р3! значительно выше, но и она «мягче» по срав­нению с «жесткими» гамма-лучами кобальта Со0.

Возможности использования таких «меченых» атомов в народном хозяйстве тоже велики. Приведем примеры.

Чтобы врага победить, его надо знать. Чтобы успешно бороться с опасными вредителями сельского хозяйства, с вредными насекомыми, надо хорошо изучить их жизнь.

Ученые метили радиоактивным фосфором таких опас­ных насекомых, как саранча, малярийный комар, а также фруктовую муху. Этим способом определили скорость пе­релета саранчи и дальность ее распространения из главных очагов размножения; выяснили протяженность перелетов малярийных комаров. Фруктовая муха оказалась относи­тельным домоседом. Ее метили радиоактивным фосфором л выпускали в апельсиновой роще. При благоприятных усло­виях фруктовые мухи не удалялись от места обитания больше чем на несколько сот метров.

Полученные сведения позволили наметить расположе­ние заградительных зон и разработать систему обороны и борьбы с этими насекомыми.

Инсектициды - яды для насекомых, один из современ­ных способов борьбы с ними. Введем в эти химические со­единения радиоактивную метку. Индикатор сразу позволя­ет ответить на целый ряд важных вопросов. Как ведут себя эти соединения в организме насекомых, почему они ядовиты для них? Как сделать их избирательными по дей­ствию - не вредными для человека, растении и полезных насекомых? Не попадают ли яды в сельскохозяйственные продукты? Когда яды теряют свою токсичность?

На наших древнейших друзьях - пчелах были постав­лены опыты. Например, кормили радиоактивным фосфором рабочую пчелу, и она становилась меченой. В улей поме­щали счетчик радиоактивных частиц И вот удалось устано­вить, сколько раз в день вылетает на работу рабочая пче­ла, каков ее рабочий день и какова скорость полета Или по­ступали по-другому Подслащенные сахаром растворы с подмешанным к ним радиоактивным фосфором помещали на какое-нибудь поле Прилетающие на него пчелы, есте­ственно, метились И тогда можно было точно определить, какие поля пользуются у пчел наибольшей популярно­стью А отсюда и практические решения, которые помогут увеличить продукцию неутомимых тружеников.

Радиоактивные изотопы используются во всех исследо­ваниях по биохимии и физиологии насекомых. Значение этих работ понятно Изучив, например, деятельность гор­монов и ферментов, управляющих развитием и поведением полезных насекомых, можно будет использовать насекомых в интересах человека.

Ученые были поражены, когда узнали, с какой скоро­стью протекают в растениях некоторые биохимические процессы.

В коробочку из плексигласа помещали несколько листь­ев растения, впускали туда определенное количество ра­диоактивной по углероду углекислоты и оставляли растение на солнечном свету В результате процессов фотосинтеза углекислота усваивалась, переходила в состав органиче­ских веществ и транспортировалась в различные участки растения Через равные интервалы времени брали образцы и измеряли их радиоактивность И вот оказалось, что ско­рость передвижения вновь синтезированных соединений с восходящим током весьма значительна: дпем на солнечном свету - 50-100 сантиметров в минуту Раньше считали, что весь углерод в оргапических веществах образуется растепием из углекислоты воздуха, хотя его там сотые до­ли процепта Только сравнительно недавно с помощью меченых атомов удалось доказать, что углекислота и соли угольной кислоты, содержащиеся в почве, интенсивно.

Радиоактивным фосфором можно пометить насекомых и растения.

используются растением. Они активно транспортируются из корней в листья. Там, в результате фотосинтеза, из них образуются углеводы и идет синтез органических ве­ществ. А отсюда следовал практически важный вывод: для повышения урожайности необходимо обогащать почву углекислотой - вносить в почву соли угольной кислоты. Можно добавлять в почву и так называемые зеленые удоб­рения Например, запахивать многолетние травы. Пример­но через 20-30 дней начинается выделение углекисло­ты, которое продолжается все лето.

Так использование метода радиоактивных индикаторов оказалось полезным для науки об удобрениях растений.

Чем и как выгоднее подкармливать растения? В какие сроки? В какой форме вносить удобрения? Как на них влияют климатические условия? Как они транспортируют­ся в растениях и где усваиваются?

Меченый по фосфору суперфосфат, гидроксилапатит и другие удобрения вносили в почву. И оказалось, что куку­руза через 2,5 месяца после посадки лучше всего усваивала фосфор из трехкальциевого фосфата, хуже из суперфосфа­та и еще хуже из гидроксилапатита. Обнаружили, что хлопчатник особенно нуждается в подкормке фосфором в возрасте 10-20 дней и во время цветения.

С помощью меченых атомов определили роль в жизни растений микроэлементов - кобальта, марганца, цин­ка, меди. Достаточно, например, внести в почву 1-3 ки­лограмма бора на гектар пашни, и урожайность клевера резко возрастет. Марганец повышает урожайность сахар­ной свеклы, медный купорос - урожай зерновых на тор­фяных почвах.

Однажды на лекции по радиационной биохимии ко мне подошла студентка биологического факультета Москов­ского университета. Она жаловалась, что в наше время до­казана невозможность чуда. «Была какая-то надежда,- говорила она,- когда в печати появились сообщения о су­ществовании «снежного человека» или предположение, что на Землю упал не тунгусский метеорит, а прилетал кос­мический корабль с неведомых планет неземной цивили­зации. Так нет тебе! Дотошные ученые быстро доказали, что этого быть не может».

Но разве исследователи не нашли маленькое чудо, ко­гда установили, что отдельные деревья в лесу могут обме­ниваться между собой питательными веществами через сросшиеся корни? В дубовой роще радиоактивный броми­стый калий, введенный в дерево, через 3 дня обнаружи­вался у пяти рядом расположенных дубов!

Особенно часто используются химические соединения, меченые радиоактивным углеродом, фосфором, серой. И конечно, микроэлементы и такие соединения, как калий, натрий, железо... Но нужно хорошо представлять задачу исследования, чтобы правильно выбрать радиоизотоп На­пример, период полураспада радиоактивного углерода С" около 6000 лет. Этот радиоизотоп слишком «молод» для изучения геологических процессов, но он незаменим для исследования процессов обмена веществ в организме жи­вотных.

Пользуясь радиоактивным углеродом, можно узнать, какие условия питания необходимы для достижения мак­симальной продуктивности животных или как усваиваются питательные корма и что нужно ввести в рацион коров, чтобы увеличить удои молока.

Без хорошей теории не может быть и хорошей практи­ки Возможности метода радиоактивных изотопов для ре­шения самых сложных теоретических вопросов биохимии, физиологии, биофизики безграничны Ученый в течение одного рабочего дня не успеет прочитать даже одни заго­ловки статей и исследований, в которых рассказывается об использовании радиоактивных изотопов для различных биологических целей Даже специалистов нередко удивля­ют исследования, в которых используют меченые атомы.

Иногда сложные биологические задачи решаются про­сто Иногда наоборот: казалось бы, простое биологическое явление расшифровывается путем многолетней и кропот­ливой работы

Например, из каких составных, простейших частей об­разуется коровье молоко и в каких тканях?

Вопрос звучит просто, но для ответа на него потребо­вались усилия многих десятков ученых в течение многих

Три четверти века назад о существовании радиоактив­ных изотопов знало всего несколько человек. Сегодня «по­лезная радиация» стала достоянием миллионов людей. Альберт Эйнштейн сказал: «Явления радиоактивности - самая революционная сила технического прогресса за все время с тех пор, как доисторический человек открыл огонь».

Евгений Романцев. "Рожденная атомом"

После выпадения радиоактивных осадков часть их непосредственно попадает на растения, так или иначе влияя на них в ближайшее же время, а часть поступает затем через корневую систе­му, вызывая тот или иной эффект. Некоторые реакции растений на лучевые поражения рассмотрим на примере лесных древесных растений.

Почки. Одним из характерных признаков радиационного поражения древесных растений является повреждение и гибель ростовых почек верхушечных и боковых побегов. Например, при поглощенной дозе 20-40 Гр усыхают не все почки. Часть из них дает прирост побегов в первую вегетацию после облучения. Побеги сильно укорочены и не имеют хвои или имеют редкие одиночные хвоинки вместо пучков.

Листья и хвоя. Поражение листьев и хвои древесных растений при облучении - один из важнейших лучевых эффектов, т. к. связан с поражением и гибелью деревьев. Например, при остром γ-облучении через 3 месяца при дозах 100-200 Гр начинается поражение сосны. Через 15-20 дней после облучения окраска хвои из темно-зеленой становится оранжево-желтой. Затем эта окраска появляется на всей кроне, и деревья усыхают. В диапазоне поглощенных доз 70-100 Гр внешние признаки поражения сосны появляются через 6 месяцев (желтеет хвоя). При облучении 5-40 Гр наблюдается пожелтение отдельных пучков хвои на однолетних побегах. При дозах 10-60 Гр в верхней части крон деревьев сосны желтеет двухлетняя хвоя на 1/2-1/4 длины побега. При до­зах 60-100 Гр двухлетняя хвоя полностью погибает.

Камбий. Даже при частичном радиационном повреждении камбия деревья становятся ветровальными и буреломными. В эксперименте большая часть деревьев в течение двух лет после облучения была сломана ветром.

Прирост. Торможение роста побегов сосны осенью наблюдается при поглощенной дозе 10-30 Гр. В первый год после облучения побеги были короче в 2-3 раза, на второй вегетационный период они существенно меньше, а на третий - исчезают. Достоверное снижение продуктивности сосны наблюдается при поглощенной дозе свыше 5 Гр и особенно заметно во второй и последующие периоды вегетации после облучения. При поглощенной дозе свыше 25 Гр продуктивность уже через 2 года снижается до нуляФенология. Реакция на облучение у лиственных пород проявляется в сдвигах наступления основных фенофаз: замедление в распускании листьев весной и более ранний листопад. Существенных различий в прохождении весенних фенофаз у березы и осины облученных и необлученных насаждениях практически нет, а осенью на облученных осинах и березах листья раньше желтеют и опадают. На соснах при поглощенных дозах свыше 5 Гр отмечается раннее опадение хвои старших возрастов. При дозах 100- 200 Гр задержка сроков распускания листьев у деревьев составляет 7-9 дней, на следующий год - 4-5 дней. Через 5 лет с момента загрязнения фенологический сдвиг уменьшается, а через 7 лет исчезает.

Воздействие радиации на животных.

В воздействии радиации, нового для популяций животных экологического фактора, выделяют 2 периода:

1. Популяция попала впервые в условия сильного радиоактивного загрязнения. Наблюдается резкое воздействие на популяцию: изменяются возрастная, половая и пространственная структуры популяции: увеличивается смертность и снижается

2. Популяция прожила в условиях радиоактивного загрязнения в течение нескольких лет, за которые дала ряд новых поколений. В этом случае в результате увеличения изменчивости особей в популяции 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.

Смертность и продолжительность жизни. Радиоактивное излучение в больших дозах губительно действует на животных в биогеоценозах. Так, при облучении смешанного леса мощностью дозы 0,5 Гр/сут. отмечается снижение численности и гибель особей в популяции птиц. Для гибели птиц характерны величины ЛД 5о / 30 в диапазоне 4,6-30 Гр.

Плодовитость. Уровень плодовитости - более радиочувствительный параметр, чем уровень гибели. Минимальные разовые дозы облучения, приводящие к снижению темпов воспроизводства, могут составлять менее 10% от доз, являющихся непосредственной причиной гибели животных.

Хроническое поступление малых доз 90 Sr в организм мышей снижает у них величину выводка. Радиочувствительность половых желез различных видов сильно колеблется; однако самки мышей относятся к числу наиболее радиочувствительных животных. Пло­довитость у мышей снижается после воздействия на самок доз око­ло 0,2 Гр. Самцы мышей менее чувствительны, и для снижения у них плодовитости требуются дозы выше 3 Гр. Стойкое бесплодие у самок мышей наступает после дозы 1 Гр.

Интенсивность размножения падает на загрязненных территориях из-за более быстрого отмирания взрослых особей, снижается величина выводка.

Развитие. Наблюдаются задержки в развитии и различные аномалии в потомстве животных. Так, при облучении птенцов они отстают по росту и развитию оперения, особенно если облучение произошло в возрасте 2-х дней, а мыши на загрязненных 90 Sr территориях раньше созревают и участвуют в размножении.

Поведение животных. Изменение поведения животных при их облучении рентгеновскими и -γ-лучами заключается в распознавании организмами источника излучения и его избегании. Особенности поведения мышей и крыс, морских свинок и обезьян в поле γ-излучения свидетельствуют о том, что высшие позвоночные обладают способностью определять местоположение источника излучения и избегать

Е.П. Семенова – заведующая лабораторией анализа почв и агрохимикатов.

Радиоактивность: самопроизвольное превращение (распад) атомных ядер некоторых химических элементов (урана, тория, радия калифорния и других), приводящее к изменению их атомного номера и массового числа. Такие элементы называются радиоактивными.

Они легко включаются в биологический круговорот, попадая в организм человека, накапливаются в костях, тканях, вызывая неизлечимые болезни, которые в последствие протекают тихо и незаметно.

Поступление радиоактивных веществ во внешнюю среду и включение их в биологический круговорот веществ может происходить за счет ядерных взрывов и за счет утечки радиоактивных отходов с предприятий атомной промышленности или энергетических установок. Эти отходы имеют различные свойства и универсального способа защиты от них растений и животных пока не найдено.

В настоящее время данная проблема решается двумя диаметрально противоположенными путями:
1. Концентрацией и локализацией.
2. Рассредоточением и рассеиванием.

Попадание долгоживущих радионуклидов на сельскохозяйственные угодья может происходить в результате утечки их из хранилищ или при использовании для орошения воды, содержащей радиоактивные вещества. Переход стронция-90 и цезия-137 из почвы в растения, а из растений в организм животных определяется рядом условий, в том числе и наличием во внешней среде химических элементов близких по свойствам радиостронцию и радиоцезию. Радиоактивный стронций по химическим свойствам близок к кальцию, а радиоцезий – к калию. Поэтому содержание стронция-90 принято выражать по отношению к кальцию в стронциевых единицах (с.е.), а содержание цезия-137 по отношению к калию, в цезиевых единицах (ц.е.).

Накопления радиоактивных продуктов деления в урожае растений зависит от сочетания тех или иных условий, складывающихся в природной обстановке. При одном и том же уровне радиоактивных выпадений, при одинаковом содержании продуктов деления в различных почвах поступления их в растения и накопление в урожае зависит от свойства почвы, в частности, от ее механического и минералогического состава, кислотности почвенного раствора и ряда других показателей. На легких по механическому составу почв радиоизотопы в растениях значительно в больших количествах, чем у тяжелых суглинистых почв. В кислых почвах радионуклиды более подвижны, а, следовательно, и более доступны растениям, чем в слабокислых и нейтральных. Если сравнить коэффициенты накопления с/х культурами на черноземных, серых лесных почвах и почвах дерново- подзолистых, то они значительно выше у последних.

Поглощения стронция-90 растениями находится в обратной зависимости от содержания в ней кальция. Являясь конкурентом стронция-90 в процессе поступления в растения, кальций снижает его доступность. Поэтому при внесении извести в почве не только снижается кислотность почвенного раствора, улучшаются свойства почвы, но и уменьшается переход стронция-90 из почвы в растения. Используя это свойство кальция, при ведении растениеводства в условиях радиоактивного загрязнения на кислых почвах обязательным приемом очищения продукции является известкование.

Переход цезия-137 из почв в растения находится в обратной зависимости от содержания в ней калия, особенно в почвах, легких по механическому составу. Поэтому существенно снизить его поступление в растения можно путем внесения калийных удобрений. Агрономическое значение минеральных удобрений, таким образом, приобретает дополнительное качество, т.к. они способствуют уменьшению размеров поступления радиоактивных веществ из почвы в растения. Косвенное значение удобрений в очищении продукции заключается еще и в том, что увеличивая урожай, они как бы «разбавляют» содержание радионуклидов в продукции т.е. содержание их в единице массы.

Интенсивность поглощения радиоактивных продуктов деления растениями зависит в значительной степени от их биологических особенностей. Наблюдается закономерность в накоплении больших количествах стронция в растениях или органах содержащих много кальция, а растения, отличающиеся высоким содержанием калия, накапливают больше цезия. Наибольшим выносом радионуклидов обладают зерновые бобовые и бобовые травы, меньшими – злаковые зерновые и злаковые травы. Кроме того, вегетативные органы растения (масса трав, солома) накапливают радиоизотопы в больших количествах, чем репродуктивные (зерно).

Для наблюдения за содержанием долгоживущих радиоизотопов стронция-90 и цезия -137, как наиболее вероятными источниками радиоактивного загрязнения ФГУ «САС «Тарская» с 1992 года заложены стационарные участки. Участки расположены в Тарском, Большереченском, Муромцевском, Тевризском, Знаменском, Тюкалинском, Колосовском, Усть-Ишимском, Седельниковском районах, на разных типах почв, типичных для данной зоны, дерново-подзолистой, серой лесной, черноземах, пойменно-луговой, торфяно-болотной.

По данным исследований можно отметить, что гамма-фон на участках колеблется от 5 (болото) до 10 мкр/час (на всех остальных участках).

Наибольшее содержание радиоизотопов отмечается в почвах осушенных торфяникам стронция до 10,8 Бк/кг, цезия-137 до 18,6 Бк/кг.

В пахотном слое несколько выше содержание радионуклидов, чем в подпахотном. По плотности загрязнения почвы участки относятся к 1 группе: цезий-137 – 0,012 – 0,025 Ки/км2 , стронций-90 -0,015 0,030 ки/км2.

В растениях наибольшее накопление радиоизотопов, особенно цезия-137 наблюдается на многолетних травах: цезия-137 от 13-18 Бк/кт; стронция-90 5-6 Бк/кт или коэффициент накопления равен 1,3 и 2,2.

Коэффициент накопления в зерне 0,4-0,9, в соломе 0,6-1.5. Содержание радионуклидов во всех растительных образцах не превышает нормативные величины.

В связи с приобретением радиометра-спектрометра РСУ-01 СИГНАЛ-М определялись изотопы Торий, Калий-40, Радий-226.

Обследование почвы и растительных образцов на радиологические показатели показали, что превышений Предельно-допустимых концентраций не обнаружено, поэтому зона считается благоприятной для выращивания сельскохозяйственной продукции и развития животноводства.

Список литературы:

1. В. Гулякин, Е.В. Юдинцова. Сельскохозяйственная радиобиология М. «Колос» 1973.
2. Н.А. Корнеев, А.Н. Сироткин, Н.В. Корнеева. Снижение радиоактивности в растениях и продуктах животноводства. М. «Колос», 1977.
3. М.Т. Максимов, Г.О. Оджаров. Радиоактивные загрязнения и их измерение. М «Энергоатомиздат», 1989.
4. Е.В. Юдинцева, И.В. Гулякин – Агрохимия радиоактивных изотопов стронция и цезия. М «Атомиздат», 1968.

Солеустойчивость

Растения, устойчивые к засолению, называют галофитами (от греч. galos - соль, Phyton - растение). Они отличаются от гликофитов - растений незасоленных водоемов и почв - рядом анатомических и метаболических особенностей. У гликофитов при засолении снижается рост клеток растяжением, нарушается азотный обмен и накапливается токсичный аммиак.

Все галофиты делят на три группы:

1. Настоящие галофиты (эугалофиты) - наиболее устойчивые растения, накапливающие в вакуолях значительные количество солей. Поэтому они обладают большой сосущей силой, позволяющей поглощать воду из сильно засоленной почвы. Для растений этой группы характерна мясистость листьев, которая исчезает при выращивании их на незасоленных почвах.

2. Солевыделяющие галофиты (криногалофиты), поглощая соли, не накапливают их внутри тканей, а выводят из клеток на поверхность листьев с помощью секреторных железок. Выделение солей железками осуществляется с помощью ионных насосов и сопровождается транспортом больших количеств воды. Соли удаляется с опадающими листьями. У некоторых растений избавление от избытка солей происходит без поглощения больших количеств воды, так как соль выделяется в вакуоль клетки-головки листового волоска с последующим ее обламыванием и восстановлением.

3. Соленепроницаемые галофиты (гликогалофиты) растут на менее засоленных почвах. Высокое осмотическое давление в их клетках поддерживается за счет продуктов фотосинтеза, а клетки малопроницаемы для солей.

Солеустойчивость растений увеличивается после предпосевного закаливания семян. Семена замачивают один час в 3 % растворе NaCl с последующим промыванием водой в течение 1,5 часа. Этот прием повышает устойчивость растений к хлоридному засолению. Для закалки к сульфатному засолению семена в течение суток вымачивают в 0,2 %-ном растворе сульфата магния.

Различают прямое и косвенное действие радиации на живые организмы. Прямое действие энергии излучения на молекулу переводит ее в возбужденное или ионизированное состояние. Особенно опасны повреждения структуры ДНК: разрывы связей сахар-фосфат, дезаминирование азотистых оснований, образование димеров пиримидиновых оснований. Косвенное действие радиации состоит в повреждениях молекул, мембран, органоидов клеток, вызываемых продуктами радиолиза воды. Заряженная частица излучения, взаимодействуя с молекулой воды, вызывает ее ионизацию. Ионы воды за время жизни 10 -15 - 10 -10 сек способны образовать химически активные свободные радикалы и пероксиды. Эти сильные окислители за время жизни 10 -6 - 10 -5 сек могут повредить нуклеиновые кислоты, белки-ферменты, липиды мембран. Первоначальные повреждения усиливаются при накоплении ошибок в процессах репликации ДНК, синтеза РНК и белков.

Устойчивость растений к действию радиации определяется следующими факторами:

1. Постоянное присутствие ферментных систем репарации ДНК. Они отыскивают поврежденный участок, разрушают его и восстанавливают целостность молекулы ДНК.

2. Наличие в клетках веществ – радиопротекторов (сульфгидрильные соединения, аскорбиновая кислота, каталаза, пероксидаза, полифенолоксидаза). Они ликвидируют свободные радикалы и пероксиды, возникающие при облучении.

3. Восстановление на уровне организма обеспечивается у растений: а) неоднородностью популяции делящихся клеток меристем, которые содержат клетки на разных фазах митотического цикла с неодинаковой радиоустойчивостью, б) присутствием в апикальных меристемах покоящихся клеток, которые приступают к делению при остановке деления клеток основной меристемы, в) наличием спящих почек, которые после гибели апикальных меристем начинают активно функционировать и восстанавливают повреждение.