В сложном организме человека мутации, возникающие в клетках тела эмбриона (соматические мутации), могут приводить к аномалиям развития, рождению уродов. В клетках взрослого человека мутации повышают вероятность злокачественного перерождения. Возникновение мутаций в зародышевых клетках (гонадах) ведет к увеличению вероятности появления детей с наследственными заболеваниями, умственной недостаточностью, различными уродствами развития, макро- и микроэнцефалией, болезнью Дауна и многими другими.
Одна из самых удивительных особенностей действия ядерной радиации заключается в том, что радиационный эффект возникает при ничтожных количествах энергии, поглощенных облучаемым организмом. Доза облучения в 1000 рад (крад) эквивалентна тепловой энергии, способной повысить температуру тела человека лишь на тысячную долю градуса. Когда мы выпиваем стакан горячего чая, то вводим в организм энергию в виде тепла, примерно равную 1 крад. А доза в 1 крад ионизирующих излучений смертельна для большинства млекопитающих, включая и человека.
Чем объясняется чувствительность живого организма к действию ионизирующей радиации? Почему, казалось бы, ничтожно малые количества энергии, привнесенные этим видом излучения, способны резко изменить ход жизненных процессов вплоть до гибели организма? Ответить на этот вопрос не легко. Он еще более усложняется, если принять во внимание, что различные организмы по-разному реагируют на одинаковые дозы ионизирующей радиации. Действительно, радиобиологи уже давно установили, что в мире живых существ радиочувствительность варьирует в широких пределах.
Что же известно в наше время о радиочувствительности организмов? Какие закономерности выявлены? Чтобы ответить на эти вопросы, надо прежде всего обратить внимание на то, что радиационные эффекты проявляются по-разному в зависимости от дозы. Как оценить радиочувствительность организма? По какому критерию?
Легко наблюдаемый критерий — гибель организма. Но и тут не все обстоит просто. Гибель не наступает тотчас после облучения (за исключением очень больших доз облучения). Следовательно, в эксперименте, наблюдая радиочувствительность, надо обусловить какой-то срок, когда процессы, вызванные облучением, приведут к видимому эффекту — гибели организма. Для млекопитающих обычен срок в 30 дней. Однако трудности в определении радиочувствительности этим не ограничиваются. Приведем обычный радиобиологический эксперимент.
Если популяцию мышей одинаковой линии облучить равномерно дозой в 400 рад, то за 30 дней наблюдения часть животных погибнет, часть выживет. Если увеличить дозу облучения до 600 рад, погибнет около 50 % всей популяции, а 50 % выживет. Доза в 700 рад будет смертельной уже для 70–80 % популяции. При дозе в 1000 рад погибнут все животные. Этот пример ясно показывает, что радиационный эффект (в данном случае гибель) — явление вероятностное. Вероятность его наступления возрастает с увеличением дозы. Обычно для характеристики радиочувствительности пользуются той дозой, которая вызывает гибель половины популяции — ЛД50 (летальная доза для 50 % популяции). Для млекопитающих пользуются величиной ЛД50/5о, т. е. летальной дозой, при которой гибнет 50 % популяции за 30 дней.
Еще сложнее сравнивать по радиочувствительности представителей живого мира, стоящих на различных ступенях эволюции, имеющих неодинаковые циклы развития, специфику обмена и по-разному реагирующих на облучение.
На рис. 4 представлены пределы радиочувствительности различных классов живых организмов. Чем выше на эволюционной лестнице стоят организмы, чем сложнее их организация, тем они радиочувствительнее и тем более узкие диапазоны радиочувствительности у отдельных представителей данного класса.
Рис. 4. Радиочувствительность различных организмов t — микроорганизмы,
2 — растения,
3 — холоднокровные животные
4 — теплокровные животные,
5 — человек
Микроорганизмы — бактерии, одноклеточные водоросли, простейшие дрожжи и другие в целом наиболее радиоустойчивы, и их радиочувствительность может варьировать в очень широких пределах. Среди представителей этого класса встречаются организмы, выдерживающие миллионы рад и чувствительные уже к нескольким килорадам. Растения в целом несколько более радиочувствительны: диапазон их радиочувствительности почти на порядок сужен. При переходе в мир животных значительно повышается чувствительность, резко суживается и область различий. К самым радиочувствительным организмам принадлежат теплокровные животные, из них наиболее радиочувствителен человек.
Ниже показаны конкретные примеры радиочувствительности отдельных представителей микроорганизмов (табл. 12). Из приведенных цифр мы видим, как значительно разнится радиочувствительность одноклеточных организмов, сильно варьируя даже у различных штаммов одного и того же вида.
Большой материал по радиочувствительности растений получен при облучении семян (табл. 13).
Как следует из таблиц, представители животного мира также сильно отличаются по радиочувствительности (табл. 14). Радиочувствительность у разных организмов отличается в сотни и тысячи раз. Различия в радиочувствительности касаются отдельных тканей, органов и систем в сложном организме. Наиболее радиочувствительна функция деления клеток.
При облучении животного в первую очередь страдают кроветворная ткань (костный мозг, лимфатические узлы, селезенка) и эпителий кишечника. Именно в этих тканях идет постоянное деление клеток, поставляющих смену недолговечным клеткам крови (в первую очередь лимфоцитов), и кишечного эпителия. Прекращение деления и размножения этих клеток приводит организм к гибели. Клетки мышечной ткани с невысоким митотическим индексом[9] относительно устойчивы и могут перенести значительную дозу облучения без утраты своих функций.
Особое положение занимает ткань мозга — центральной нервной системы (ЦНС) у млекопитающих. У взрослого организма клетки голодного мозга не делятся, поэтому они не гибнут даже при смертельных дозах облучения. Долгое время ткань ЦНС рассматривалась как самая радиоустойчивая ткань высших организмов. Однако дальнейшие исследования показали, что функции ЦНС, регулирующие все процессы в организме млекопитающих, видоизменяются даже при небольших дозах облучения. У животных наблюдаются изменения в поведении, условных рефлексах, в регуляции обмена веществ ЦНС. Облучение ЦНС изменяет функции желез внутренней секреции, в тканях развиваются процессы, сходные с таковыми при непосредственном их облучении.
Что же известно в настоящее время о природе различной чувствительности организмов к действию ионизирующей радиации? Если говорить о сложном организме млекопитающих и судить о радиочувствительности по выживаемости, то решающее значение будет иметь облучение так называемых «критических органов», к которым в первую очередь принадлежит система кроветворения — костный мозг и лимфатическая ткань. Быстроделящиеся клетки костного мозга очень радиочувствительны. После облучения даже в малых дозах падает содержание белых клеток крови (лейкоцитов, лимфоцитов).