Воздействие радиации на природные биосистемы

Поскольку радиочувствительность разных видов растений и животных существенно различна, то облучение природных биоценозов приводит к значительным сдвигам в структуре сообществ: одни виды заменяются другими, меняются межвидовые и внутривидовые отношения. Меняется также устойчивость сообщества организмов по отношению к внешним условиям (тепло, свет, влага).

Биоценоз – исторически сложившаяся совокупность животных, растений, грибов и микроорганизмов, населяющих относительно однородное жизненное пространство (определенный участок суши или акватории) и связанных между собой окружающей их средой.

В ряде регионов живые организмы обитают в условиях увеличенного природного радиационного фона. В таких регионах наблюдается большее число генетических нарушений, но такие популяции более устойчивы к радиационной нагрузке. Диапазон устойчивости к радиации в живой природе необычайно широк. Так, у насекомых доза облучения, вызывающая 100%-ный летальный исход, находится в пределах сотен зиверт. Наиболее чувствительны к радиационному излучению эмбрионы, затем идут личинки и куколки. Облучение насекомых вызывает снижение способности самок откладывать яйца, приводит к замедлению развития и роста, нарушению процессов линьки.

Доза 10-40 Зв вызовет нарушения поведения насекомых, препятствует их нормальному размножению и жизни. Радиочувствительность большинства бактерий примерно 1000-3000 Гр, а бактерий Micrococcus radiodurens, обитающих в каналах ядерных реакторов, 10⁶ Гр.

Доза (Зв), при которой погибает 50 % особей на 30-й день (D50), для вирусов составляет 4500-7000, для бактерий типа кишечной палочки 50-100, для водорослей 180, для высших растений 10-1500, для беспозвоночных (амебы) 1000, для гидр 50, моллюсков 120-200, для личинок насекомых 100-250, для позвоночных: змеи 80-200, лягушки 5-10, голуби 25-30, кролики – 6, куры 10-15, рыбы 5-20, грызуны 5-9, собаки 2-4, обезьяны 2-5.5, человек – около 5 Наиболее устойчивы к действию ионизирующих излучений микроорганизмы - дозы, способные вызвать их гибель, составляют сотни и тысячи грей.

Для беспозвоночных животных летальные дозы на порядок ниже; для позвоночных они составляют десятки грей, а наиболее радиочувствительны млекопитающие: по мере усложнения биологической организации объектов их устойчивость к радиации снижается. Амфибии, рептилии, птицы более устойчивы к ионизирующим излучениям, чем млекопитающие. К счастью, у млекопитающих хорошо развиты восстановительные процессы. Степень устойчивости к ионизирующей радиации сильно колеблется в пределах одного вида. Эффект зависит от режима облучения (одно-, многоразовое, хроническое), возраста и физиологического состояния животных. Обычно млекопитающие, облученные в дозе 5-10 Зв, в среднем живут от нескольких дней до нескольких недель.

Наиболее чувствительны к облучению быстро делящиеся клетки (этим объясняется снижение чувствительности с возрастом). Поэтому любой компонент системы (будь то часть организма, одна особь или популяция), претерпевающий быстрый рост, оказывается восприимчивым к облучению не зависимо от своего систематического положения.

У высших растений чувствительность к ионизирующему излучению пропорциональна размеру клеточного ядра, т. е. объему хромосом и содержанию ДНК. При изменении объема хромосом их чувствительность к облучению изменяется на три порядка. Растения с большим объемом хромосом гибнут при дозе менее 10 Зв, а растения с мелкими хромосомами или малым их количеством устойчивы к дозе 500 Зв или выше. Это связано с тем, что при увеличении хромосомной «мишени» повышается вероятность прямого «попадания» излучения. У высших животных не обнаружено такой прямой зависимости между чувствительностью и клеточной структурой; для них важнее чувствительность отдельных органов. Так, млекопитающие плохо переносят даже низкие дозы вследствие высокой чувствительности к облучению быстро делящейся кроветворной ткани костного мозга.

Для того чтобы та или иная система могла переносить более высокий уровень излучения, чем тот, при котором она эволюционировала, должна произойти адаптация, сопровождающаяся гибелью чувствительных видов. Радиационный стресс может изменить основные межпопуляционные взаимодействия, например равновесие между хищниками и жертвами, или вызвать внезапное нашествие вредителей.

В интервале доз 10-100 Зв средняя продолжительность жизни млекопитающих слабо зависит от величины поглощенной дозы (около 3,5 дн.). Эффект независимости средней продолжительности жизни от величины дозы облучения получил название «3,5-дневный эффект», а возникающий лучевой синдром – «желудочно-кишечный». Облучение в дозах, превышающих 100 Гр, приводит к гибели млекопитающих, наступающей в первые несколько дней или даже несколько часов. Если поглощенная доза достигает 1000 Гр и более, животные гибнут сразу же «под лучом».

После аварии на ЧАЭС, когда основным источником облучения был радиоактивный ¹³¹J, дикие животные получили по 150-200 Зв на щитовидную железу. Это вызвало те же болезни, что и у человека. Через полгода, когда ¹³¹J распался и основными источниками облучения стали ^134,137Cs и ⁹⁰Sr, внутреннее облучение у отдельных видов животных оказалось высоким. Прежде всего, пострадали дикие кабаны, волки, донные рыбы. Летальная доза при внешнем облучении у большинства диких животных составляет около 10 Зв, но отдельные особи погибают уже при дозах на все тело, примерно равных 2 Зв. Внутреннее облучение у многих млекопитающих вызвало рост заболеваемости, преждевременную гибель, сокращение срока жизни, снижение плодовитости.

Наблюдались и генетические последствия: встречались необычно большие зайцы, ежи без колючек, наблюдалось временное отсутствие потомства у волчиц. Одновременно произошло увеличение численности диких кабанов, лосей, волков, птиц. Это связано с тем, что со значительных территорий произошло отселение людей и созданы заповедники.

В районе ЧАЭС в течение летнего периода 1986 г. даже в максимально зараженной зоне наблюдалась хотя и уменьшенная по численности, но достаточно большая популяция мышей. На участках со средней загрязненностью выжил заметный процент зимовавших животных, и, наконец, на участках с низким загрязнением изменения численности популяции мышей по сравнению с контролем не отмечено. В течение летнего периода вся территория, включая максимально зараженные места, была заселена животными. Крупные животные (лисы, зайцы, одичавшие собаки) начали быстро размножаться на зараженной территории из-за отсутствия человека и благодаря большому количеству кормов в виде мелкого домашнего скота и птицы и неубранных сельхозугодий.

Таблица 1

Радиочувствительность различных объектов к дозам γ-излучения, вызывающим 50%-ную смертность

Доза внешнего облучения на организм животных формируется за счет воздействия γ-излучения; α- и β-излучения не вносят существенного вклада в общее внешнее облучение животных, так как они поглощаются воздухом или эпидермисом кожи. Радиационное поражение кожных покровов β-частицами возможно при содержании скота на открытой местности в момент выпадения радиоактивных осадков.

Возможно однократное, фракционное и непрерывное длительное воздействие ионизирующего излучения на организм животных. Общее облучение, при котором радиационному воздействию подвергается все тело, имеет место при обитании животных на территории, загрязненной радиоактивными веществами.

Влияние низких доз радиации на численность популяции птиц изучено на примере размножения воробьев в Калифорнии, где после аварии на ЧАЭС было обнаружено снижение численности большинства видов. При этом снижение численности птиц коснулось только тех районов, где во время прохождения над США чернобыльских облаков выпадали дожди.

Снижение численности затронуло только те виды птиц, которые питались листогрызущими насекомыми и семенами травянистых растений, и не затронуло дятлов и ласточек. У птиц, питающихся исключительно листогрызущими гусеницами, отмечена 100%-ную гибель потомства, а у птиц, питающихся как листогрызущими, так и другими насекомыми, погибло около 65 % потомства, у зерноядных птиц погибло около 50 % молодняка. На близрасположенных горных территориях, где радиоактивных дождей не было, численность птиц в 1996 г. не отличалась от средних многолетних величин.

Накопление радионуклидов в водных экосистемах выше, чем в наземных, так как потоки питательных веществ в водной среде более интенсивны. Ионизирующие излучения оказывают разрушающее действие на организм рыб. Такое действие проявляется на всех стадиях развития: на оплодотворенной и развивающейся икре, на личинках, мальках и взрослых рыбах, на производителях и на их половых продуктах – икре и спермиях. В зависимости от дозы облучения наблюдаются тяжелые поражения половых желез, кроветворных органов, дефекты в развитии и уродства, отставание в росте и т. д. Еще более, чем рыбы, чувствительны к радиации кормовые объекты рыб – планктонные и бентосные беспозвоночные животные. Смертельные дозы для рыб значительно выше, чем для млекопитающих, и только развивающаяся икра чрезвычайно чувствительна.

Ионизирующие излучения оказывают угнетающее и разрушающее действие на рыб. Такое разрушающее действие проявляется на всех стадиях развития: на оплодотворенной и развивающейся икре, на личинках, мальках и взрослых рыбах, на производителях и на их половых продуктах – икре и спермиях. В потомстве облученных производителей возможны генетические поражения. В зависимости от дозы облучения наблюдаются тяжелые поражения половых желез, крови, кроветворных органов, дефекты в развитии и уродства у эмбрионов и личинок, отставание в росте и т. д. Под действием облучения у рыб отмечаются аноксия, резко выраженная лейкопения, депрессия роста, общая мышечная слабость, снижение реакции на внешнее раздражение и в конечном счете – высокая смертность.

Смертельной для рыб является доза 35-40 Зв. Первые изменения в организме появляются при действии дозы в 6 Зв. Повышение дозы до 14 Зв ведет к развитию лейкопении и соматическим нарушениям. Личинки рыб могут жить некоторое время после действия на них 20-40 Зв. Характерной особенностью действия облучения является наличие скрытого периода, в течение которого в организме нельзя обнаружить каких-либо изменений. Он длится у рыб 1-3 недели, а затем появляются поражения. В дальнейшем наступает период, когда рыбы гибнут или выздоравливают.

Под действием ⁹⁰Sr проявляются морфологические, а ¹³⁷Cs – генетико-биохимические аномалии. Наиболее чувствительны к действию ⁹⁰Sr планктонные организмы, затем рыбы и менее всего – водные растения. Безвредная концентрация ⁹⁰Sr в воде для наиболее чувствительных организмов примерно равна 5·10^–5 Ки/л. Короткоживущие радиоизотопы менее опасны при загрязнении ими организма рыб, чем долгоживущие, которые являются высокоорганотропными, так что рыбы, загрязненные ими, могут стать опасными источниками заражения других животных, в том числе человека.

Радиорезистентность растений на 1-2 порядка выше по сравнению с млекопитающими. Степень поражения тканей растения зависит от генетических, физиологических факторов и условий внешней среды.

К генетическим факторам относятся видовые и сортовые особенности растения, которые определяются цитогенетическими показателями.

Цитогенетические характеристики – размеры ядер, число и строение хромосом – определяют радиоустойчивость растений, зависящей от объема клеточных ядер. Радиочувствительность сельскохозяйственных культур определяется по снижению урожайности на 50 % при облучении от всходов до цветения. Физиологические факторы – фазы и стадии развития растений в момент начала облучения, скорость роста и обмен веществ растительного организма; факторы внешней среды – погодно-климатические условия в период облучения, условия минерального питания растений и др.

На устойчивость растений к облучению влияет их степень плоидности. Более чувствительны диплоидные виды. Дозы, повреждающие полиплоидные виды, выше. На радиочувствительность растений влияет скорость роста, т. е. скорость клеточного деления. При остром облучении растения обладают большей радиочувствительностью в стадии наиболее интенсивного роста, медленно растущие растения устойчивее к действию облучения, чем растения с ускоренным ростом. При хроническом облучении проявляется обратная зависимость: чем выше скорость роста, тем меньше угнетаются растения.

Для растений, длительное время произраставших в условиях повышенного радиационного фона, характерна адаптация к нему, увеличение их радиорезистентности. Это – результат действия естественного отбора. На протяжении многих поколений радиационно-чувствительные особи в первую очередь погибали на радиационно-загрязненных территориях. Выжившие генетически ущербны, но зато способны существовать при повышенной радиационной нагрузке. В популяциях, обитающих в нормальных условиях, есть группы особей с пониженной радиочувствительностью – они и выживают, и дают потомство при повышенных уровнях радиации, а более радиочувстительные гибнут или устраняются от размножения.

В процессе роста и развития радиочувствительность растений существенно изменяется. По поражению основного побега все злаковые культуры проявляют наибольшую чувствительность к действию радиации в первый период вегетации. Облучение растений в эти периоды тормозит ростовые процессы и нарушает взаимосогласованность физиологических функций, определяющих формообразовательные процессы. Облучение растений в период формирования материнских клеток пыльцы может привести к значительной стерильности и потере урожая зерна. Критическая доза облучения (например, 30 Гр для пшеницы) в этот период вызывает полную стерильность соцветий основных побегов. При облучении растений в период формирования одноядерных пыльцевых зерен устойчивость к действию ионизирующей радиации у растений значительно повышается. На последующих этапах органогенеза устойчивость растений к действию радиации возрастает еще сильнее. Облучение растений в период цветения и налива зерна не вызывает заметного снижения их продуктивности.

Наиболее устойчивы к облучению осоки, менее устойчивы – верески и злаки. Наиболее чувствительны к радиации деревья, менее чувствительны кусты, травянистые виды и еще менее чувствительны мхи и лишайники. Сосны значительно более чувствительны к радиации, чем дубы. Травянистые сообщества более устойчивы, чем зрелые леса.

Воздействие радиации на растения зависит от степени загрязнения почвы радионуклидами и вызывает разные последствия. Например, при загрязнении до 40 Kи/км² наблюдается ускорение роста хвойных деревьев, но при загрязнении 200 Kи/км² и выше прекращается их рост.

При незначительном радиоактивном загрязнении наблюдается рост и некоторых лиственных деревьев. Однако при определенных уровнях загрязнения (более 3700 кБк/м²) у некоторых растений наблюдается замедление роста, снижение урожайности и гибель.

При аварии ЧАЭС сильно пострадала сосновая роща, на которую в первые дни выпало большое количество выброшенной радиоактивности. На расстоянии около 1 км от реактора лес сохранился, хотя много деревьев погибло и наблюдались частые соматические изменения на ветвях сосен (удлиненные или укороченные иглы, измененная кустистость веток и т. д.). Меньше пострадали лиственные и травянистые растения. Растительность в зоне ЧАЭС не исчезла и не деградировала, за исключением небольших участков территории. Вытеснение хвойных пород лиственными на незначительных территориях не внесло дисбаланс в природную среду. В целом растительный мир пострадал незначительно, но накопление радионуклидов в растениях создало угрозу здоровью людям по цепям питания.