Линейно-пороговые эффекты γ -облучения Daphnia magna в

Радиация и риск. 2007. Том 16. № 2-4
Научные статьи
Линейно-пороговые эффекты γ-облучения Daphnia magna
в диапазоне малых доз
Сарапульцева Е.И., Малина Ю.Ю., Сарапульцев Б.И.*
Обнинский государственный технический университет атомной энергетики (ИАТЭ), Обнинск;
* Южно-Уральский государственный университет, Челябинск
При остром γ-облучении рачков вида Daphnia magna Straus зарегистрированы дозонезависимые эффекты в диапазоне 0,01-0,1 Гр с пороговым сальтационным переходом на новый
25 %-ный уровень летальности при дозах до 1,0 Гр, который сохранялся на уровне дозонезависимого плато до 100 Гр с последующим вторым сальтационным переходом к 100 %-ному
уровню летальности при дозах 250-600 Гр. Аналогичные дозонезависимые пороговые эффекты получены при анализе фертильности, количества пометов и частоты сердцебиения
Daphnia magna. Полученные результаты линейно-порогового действия γ-излучения служат
исключительно важным аргументом в пользу экологической безопасности функционирования
объектов атомной энергетики в безаварийном режиме, равно как и безопасности методов
медицинской радиологии, основанном на эпигенетическом нерепарационном элиминировании генетических повреждений.
Возможность существования специфических эффектов при облучении клеток дрожжей,
простейших, растений и млекопитающих, включая человека в области малых доз, отличных от
общепринятых представлений линейного беспорогового действия получает все большее экспериментальное подтверждение.
В работах И.Б. Бычковской с соавт. [1, 2] на амебе, инфузориях и клетках млекопитающих
продемонстрировано отсутствие эффектов летальности в диапазоне доз до 100 Гр (амеба) с
последующим сальтационным пороговым переходом на новый уровень устойчивости (дозонезависимое плато) вплоть до 800 Гр с последующей дозозависимой линейной гибелью при сублетальных и летальных дозах.
При исследовании радиационной надежности генома от вирусов до клеток эукариот,
включая человека, показано, что накопление информационного потенциала происходит по градуалистическому (дарвиновскому) механизму с сальтационным сбросом избыточной генетической информации полипотентных геномов после достижения порога надежности (точек бифуркаций) [5].
При массовом скрининге различных видов заболеваемости ликвидаторов аварии на Чернобыльской АЭС в зависимости от поглощенной дозы и сроков после радиационного воздействия однозначно наблюдалась тенденция существования дозонезависимых эффектов в диапазоне доз от 5 до 30 сГр [4].
Нами также была продемонстрирована особая форма реакции клеток инфузорий
Spirostomum ambiguum Ehrbg на радиационное воздействие в широком диапазоне доз, включая
малые от 0,01 до 1 Гр [3], которая заключалась в «скачкообразном» переходе спиростом на новый более низкий, чем в контроле уровень спонтанной двигательной активности уже при дозе в
0,01 Гр. При этом эффект сохранялся на одном и том же пороговом уровне в диапазоне доз до
850 Гр включительно.
33
Радиация и риск. 2007. Том 16. № 2-4
Научные статьи
Целью данной работы было продемонстрировать общебиологические закономерности
этих особых клеточных эффектов.
Материалы и методы
Род Daphnia (класс Crustacea, отряд Cladocera) включает 50 видов и имеет повсеместное
распространение. В работе использовали рачков вида Daphnia magna Straus. Они имеют крупные размеры (новорожденная молодь 0,7-0,9 мм в длину, к моменту половозрелости – 2,2-6,0
мм). Короткий биологический цикл развития (5-8 дней) позволяет проследить рост и развитие
дафний в нескольких поколениях за 21 (30) сут.
Культивировали дафний в лабораторных стаканах с отстоянной водопроводной дехлорированной водой (рН~7,7; содержание кислорода 5,8 мг О2/л; общая жесткость 4 мг·экв./л) в люминостатах с освещением 400 лк при оптимальной температуре 20±2 °С. Кормили раз в сутки
суспензией водорослей из расчета 1 мл (плотность 600-1000 млн.кл/мл) на 1 л воды. В эксперимент отбирали генетически однородных особей, используя молодь одного помета в возрасте
4 сут.
Для изучения действия ИИ дафний помещали в стеклянные биологические пробирки в
объеме воды 20 мл в количестве 15 штук. Облучение проводили на установках «Исследователь» (Россия,
60
Co, 53,1 Гр/мин) и «Гамма-целл» (Канада,
60
Co, 21 сГр/мин) на базе Медицин-
ского радиологического научного центра РАМН в дозах 0,01; 0,1; 1; 10; 100; 250 и 600 Гр. После
облучения по 5 шт. дафний пересаживали в стаканчики со 100 мл воды.
Летальные эффекты оценивали на 4 и 14 сут, фертильность (количество молоди на
1 самку) и количество пометов на 21 сут после острого γ-облучения. Изменение частоты сердцебиения фиксировали через 1 ч после воздействия с помощью системы видеонаблюдения,
состоящей из видеоокуляра к микроскопу МБС-10, соединенному с компьютером, обеспеченным программой Pinnacle Studio Plus.
Было проведено по 3 серии опытов для каждой дозы. Функциональные параметры просчитывали на 15 дафниях в пробе. Результаты обрабатывали статистически с использованием
программы Microsoft®Excel'2003 SR-2 Origin® по параметрическому критерию Стьюдента.
Результаты и обсуждение
В работе впервые проведены исследования изменения функциональных показателей
дафний, подвергшихся действию γ-радиации в широком диапазоне доз, включая малые дозы от
0,01 до 1,0 Гр. При этом получены результаты, которые интересны для разработки методов
биотестирования воды в зонах радиационного загрязнения, и в более широком плане – в связи
с проблемой действия малых доз радиации на биоту.
На рис. 1 представлено изменение летальности дафний с увеличением дозовой нагрузки
от 0,01 до 600 Гр. Видно, что при облучении в дозах до 0,1 Гр летальные эффекты не регистрируются. В диапазоне 0,1-1,0 Гр выявляется первый сальтационный пороговый переход на но34
Радиация и риск. 2007. Том 16. № 2-4
Научные статьи
вый 25 %-ный уровень летальности, не изменяющийся с ростом дозовой нагрузки вплоть до
100 Гр, с последующим вторым сальтационным пороговым переходом и линейным дозозависимым достижением 100 %-ной летальности при дозах 250-600 Гр.
Летальность,%
100
60
20
0,001
0,01
0,1
1
10
100
250
600
-20
Рис. 1. Летальность дафний на 4 (♦) и 14 (□) сутки после γ-облучения в дозах 0,01-600 Гр.
По оси абсцисс – доза γ-облучения, Гр.
На рис. 2 показаны подобные дозонезависимые (пороговые) эффекты в диапазоне малых
доз от 0,01 до ~1,0 Гр, где фертильность дафний сохранялась на уровне контроля (9,2±0,4 особи на одну самку) с последующим компенсаторным увеличением фертильности до (16,0±1,3
особи) при дозе 10 Гр и линейным дозозависимым снижением фертильности до нулевого уровня при дозе 100 Гр.
Фертильность,
особей
20
15
10
5
0
0,001
0,01
0,1
1
10
100
Рис. 2. Фертильность дафний на 21 сутки после γ-облучения в дозах от 0,01 до 100 Гр.
По оси абсцисс – доза γ-облучения, Гр.
35
Радиация и риск. 2007. Том 16. № 2-4
Научные статьи
Из рис. 3 видно, что количество пометов в контроле на 21 сут было равно четырем и оставалось на плато не зависимо от дозы вплоть ~10 Гр с последующим линейным дозозависимым снижением до нулевого уровня при 100 Гр.
Количество
пометов, ед.
5
3
1
0,001
-1
0,01
0,1
1
10
100
Рис. 3. Динамика изменения количества пометов (штук) дафний на 21 сутки
после γ-облучения в дозах от 0,01 до 100 Гр. По оси абсцисс – доза γ-облучения, Гр.
Анализ изменений частоты сердечных сокращений (рис. 4) показал, что в диапазоне доз
от 0,01 до 10 Гр через 1 ч после облучения (первый порог) наблюдается дозонезависимое плато на уровне (96,4±6,8) уд/мин с последующим сальтационным переходом на новый функциональный уровень с частотой сердцебиения (36,7±5,9) уд/мин в диапазоне доз 10-100 Гр с сохранением дозонезависимого плато вплоть до максимальной в эксперименте дозы 600 Гр.
Частота сердцебиения,
уд/мин
120
80
40
0
0,001
0,01
0,1
1
10
100
250
600
Рис. 4. Динамика изменения частоты сердцебиения (уд/мин) через 1 ч
после γ-облучения в дозах от 0,01 до 600 Гр. По оси абсцисс – доза γ-облучения, Гр.
36
Радиация и риск. 2007. Том 16. № 2-4
Научные статьи
При этом необходимо подчеркнуть, что эффект достоверного снижения частоты сердцебиения дафний был зарегистрирован через 1 ч после воздействия. Это открывает возможность
практического использования данного метода как экспресс-теста при биотестировании радиационного загрязнения.
Таким образом, результаты проведенного исследования указывают на существование
особой формы реакций целого организма на радиационное воздействие, которое выражается в
регистрации дозонезависимых плато и сальтационном переходе при достижении пороговых
значений доз в новое устойчивое состояние.
Вероятность существования специфических форм реакции живых организмов при действии ионизирующих излучений, наблюдаемые нами и другими исследователями на различных
биологических объектах (простейших, дрожжах, клетках растений и млекопитающих, включая
человека), позволяет выдвинуть обоснованную гипотезу об экологической безопасности функционирования объектов атомной энергетики в безаварийном режиме и приемлемый риск использования технологий медицинской радиологии. При этом феномен линейно-порогового действия малых доз γ-излучения можно рассматривать как общебиологическую закономерность,
основанную на эпигенетических взаимодействиях и обусловленную способностью организмов
элиминировать клетки с генетическими повреждения.
37
Радиация и риск. 2007. Том 16. № 2-4
Научные статьи
Литература
1.
Бычковская И.Б. Проблема отдаленной радиационной гибели клеток. - М.: Энергоатомиздат, 1986. 160 с.
2.
Бычковская И.Б., Федорцева Р.Ф., Антонов П.В. и др. Особые клеточные эффекты и соматические
последствия облучения в малых дозах. - С.Пб.: СПИКС, 2006. - 150 с.
3.
Егорова Е.И. Изменение двигательной активности инфузорий после γ-облучения в широком диапазоне доз как информативный методов биотестирования //Радиационная биол. Радиоэкология. - 2007
(в печати).
4.
Иванов В.К., Цыб А.Ф. Медицинские радиологические последствия Чернобыля для населения России: оценка радиационных рисков. - М.: Медицина, 2000. - 392 с.
5.
Сарапульцев Б.И., Гераськин С.А. Генетические основы радиорезистентности и эволюции. М.: Энергоатомиздат, 1993. - 208 с.
Linear threshold effects of Daphnia magna γ-irradiation at low doses
Sarapultseva E.I., Malina Ju.Yu., Sarapultsev B.I.*
Obninsk State Technical University for Nuclear Power Engineering (IATE), Obninsk;
* South Ural State University, Chelyabinsk
With γ-irradiation of Daphnia magna Straus, dose-independent effects were observed in the range
0.01-0.1 Gy with a threshold transition to a new lethality level at 1.0 Gy. This 25% lethality level was
retained for doses up to 100 Gy and was followed by the second transition to the 100 % lethality
level at doses 250-600 Gy. Similar dose-independent threshold effects were found for Daphnia
magna fertility, number of litters and cardiac rate. The mechanism of nonlinear effects of irradiation
at low doses has been connecting with the epigenetic processes in the cells and the elimination of
genetic damages. The obtained results provide a crucial argument in support of environmental
safety of nuclear facilities at normal operation and of medical radiology techniques.
38