Элективный курс "Реакция высших растений на химическое загрязнение окружающей среды" как средство формирования экологической компетентности студентов педагогического ВУЗа

Первичное поражение, определяемое дозой облучения, играет важнейшую роль. Далее следует каскад вторичных изменений, затрагивающих все системы. На каждом уровне организации живого можно выделить две группы вторичных процессов: с одной стороны, ведущих к усилению начального поражения, а с другой - группу восстановительных реакций, противостоящих деструктивным тенденциям. Такой комплекс разнонаправленных процессов на разных уровнях имеет ряд общих закономерностей и в то же время несет в себе специфические черты, присущие именно этому уровню.

Первичные изменения - это эффекты, непосредственно вызванные облучением. К ним относят:

Летальный эффект - это наиболее характерный тип перестройки, при котором в экосистемах гибнут радиочувствительные виды. Много наблюдений такого рода выполнено на бывших ядерных полигонах. Облучение, как правило, полностью исключает из сообщества древесные растения и часть травянистых. Полог фитоценоза раскрывается, светолюбивые виды получают преимущество и на некоторое время становятся доминирующими. Через несколько лет сукцессия идет обратным ходом. Часть радиочувствительных видов вообще не восстанавливается. Например, в зоне аварии на Чернобыльской АЭС наблюдали радиационное поражение сосновых лесов, которое привело к полному или частичному выпадению хвойных пород из древесного полога на наиболее загрязненных участках, и увеличение роли корневищных многолетников. Иногда сообщество восстанавливалось, иногда изменялось без видимых закономерностей.

Снижение продуктивности и генетические нарушения у потомства играют ключевую роль в судьбе популяций. Если на организменном уровне по значимости поражения на первое место можно поставить меристемы, обеспечивающие рост вегетативных органов, то на уровне популяций критическими становятся процессы микро- и макроспорогенеза. Отдельный организм с пораженной репродуктивной функцией может существовать долго. Для популяции жизнь или смерть одного индивида большого значения не имеют, а вот уровень воспроизводства потомства и его жизнеспособность очень важны. Стерилизующие дозы, как правило, на порядок величин ниже доз летальных. Кроме того, рецессивные мутации, не проявляясь сразу фенотипически, могут передаваться по наследству, увеличивая груз мутаций в последующих поколениях.

Угнетение роста и развития часто наблюдается у растений в зонах радиоактивного загрязнения. Так, у древесных растений уменьшение прироста биомассы свидетельствует о поражении камбия. В зоне ВУРСа низкий прирост биомассы описан как основной фенотипически проявляющий эффект. У таких деревьев часто встречается повышенная ветроломкость стволов, и существенная часть их оказывается сломанной в течение 2 лет.

Снижение устойчивости к болезням, вредителям и неблагоприятным абиотическим факторам, как правило, связано с угнетением роста и развития организмов. Начавшиеся внутренние процессы деструкции довершаются внешними воздействиями как биотическими, так и абиотическими. Ослабление организмов в результате облучения снижает их иммунитет. В зоне аварии на ЧАЭС отмечено повышение численности ксилофитных насекомых в комплексе с дереворазрушающими грибами, ускоряющих гибель ослабленных деревьев.

Задержка или ускорение прохождения основных фаз развития. Одна и та же доза радиации у одних организмов может ускорять темпы развития, у других - замедлять. В данном феномене важную роль играют вторичные изменения, обусловленные нарушением биотических связей. Отдаленные последствия этих эффектов трудно прогнозировать. Так, например, задержка или опережение массового вылета насекомых-опылителей может привести к тому, большая часть цветов будет неопыленной, и урожай резко снизится. С другой стороны, несовпадение сроков созревания семян у облученных растений с массовым выходом у жуков-зернооедов будет способствовать сохранению семенного потомства.

Тератологические эффекты. Во всех зонах с высоким уровнем радиоактивного загрязнения в популяциях растений обнаруживали разнообразные морфологические нарушения. Радиоморфозы могут возникать во всех органах, так как в процессе органогенеза у облученных растений часть меристематических клеток теряет способность к делению, клеточный поток прерывается и форма листа, междоузлия, корня отклоняется от нормальной. Органы нового порядка, как правило, уже не несут признаков поражения.

Рассмотренные процессы фактически усугубляют первичное поражение, ему противостоит репарационный потенциал сообщества, который определяется восстановительными способностями особей в популяциях, а также свойствами видов, входящих в состав экосистем, их общей пластичностью или стабильностью. Восстановление фитоценоза в условиях радиоактивного загрязнения возможно двумя путями: вегетативным и семенным. Из основных лесообразующих видов способностью к вегетативному размножению - корневой, пневой, или стволовой порослью - обладают преимущественно лиственные породы. Порослевое восстановление наблюдали у лиственных деревьев в разных зонах радиоактивного загрязнения. Отмечено, что молодые деревья предрасположены к порослеобразованию, чем старые. Некоторые виды могут восстанавливаться этим способом многократно, даже если образующаяся поросль погибает под влиянием неблагоприятных факторов. Для других видов, в частности для хвойных пород, восстановление возможно в основном семенным путем. Этот способ затрудняется тем, что генеративные органы наиболее чувствительны к облучению, поэтому в условиях радиоактивного загрязнения формируется мало полноценных семян. Даже если брать в расчет запас качественных семян в почве или семена, занесенные в загрязненную почву ветром, хроническое облучение оставляет мало шансов для выживания радиочувствительных проростков и молодых сеянцев.

В результате протекания в облученном сообществе конкурирующих процессов: 1) усугубляющих первичное поражение и 2) восстанавливающих прежнюю структуру, формируется качественно новая экосистема с другим набором видов растений, с другими акцентами доминирования. При этом часто проявляется феномен радиоадаптации.

Радиоадаптация - это явление, в основе которого лежит процесс формирования повышенной радиоустойчивости в популяциях организмов, длительное время обитающих в условиях хронического облучения. Примеров радиоадаптации описано очень много как у животных, так и у растений.

Повышение радиоустойчивости не проявляется тотально у всех организмов в ценопопуляции. В контрольных ценопопуляциях в условиях динамического равновесия со средой обитания частотное распределение организмов по признаку «радиоустойчивость» обычно близко к нормальному гауссовскому, в облучаемых выборках наблюдается асимметрия, повышается доля устойчивых растений. Именно за счет этих организмов формируются более высокие средние показатели радиоустойчивости.

Таким образом, под влиянием радиационного фактора мобилизуется весь адаптивный потенциал, присущий конкретным видам. В итоге организмы из таких популяций обладают повышенной устойчивостью к повторному облучению в больших дозах. Важно отметить, что феномен радиоадаптации проявляется неустойчиво. Совокупность всех накопленных данных не позволяет рассматривать радиоадаптацию как конечный результат, неизменную перестройку, возникшую в популяции в результате хронического облучения. Скорее, это процесс непрерывного приспособления в облучаемых ценопопуляциях, который может быть модифицирован сопутствующими биотическими и абиотическими факторами среды. Таким образом, обсудив основные проблемы радиоактивного загрязнения растений, мы должны заключить, что их решение во многих аспектах далеко от завершения. Остаются неясными следующие вопросы: а) конкретные механизмы формирования качественно новых ценопопуляций после облучения; б) проявление отдаленных соматических последствий у организмов и в ценопопуляциях после того, как острая фаза радиационного поражения завершена; в) различия в проявлении радиационного эффекта в ценопопуляциях при однократном остром и хроническом низкоинтенсивном облучении; г) формирование отдаленных генетических последствий у потомков растений в пострадиационных семенных генерациях и поколениях; д) неустойчивость феномена радиоадаптации; е) степень универсальности механизмов, обеспечивающих функционирования биологических систем при действии различных абиогенных факторов [4].

Фактически все перечисленные выше вопросы объединяются проблемой отдаленных последствий действия радиации на живые организмы. Проведенные нами исследования вносят определенный вклад в решение этой проблемы и в совокупности с анализом литературного материала позволяют предполагать, что изученные феномены и механизмы, их вызывающие, имеют общебиологическое значение. Предложенный подход к пониманию процессов, развивающихся в отдаленные сроки после облучения, открывает новые возможности для изучения адаптивных реакций на другие стрессовые воздействия.

3.2.5 Методы и критерии оценки жизнеспособности растений и их реакций на воздействие ионизирующих излучений

Как правило, термины «радиоустойчивость» и «радиочувствительность» используют как взаимно дополняющие. Высокая радиочувствительность соответствует низкой радиоустойчивости - именно в этом смысле все используют их в своих работах. В общем случае можно утверждать, что эти понятия не совпадут при использовании разных критериев оценки. По одним параметрам организмы можно отнести к радиочувствительным, а по другим к радиоустойчивым. В этом вопросе мы сталкиваемся с проблемой выбора методов и критериев оценки, адекватных поставленным целям. Каждому методу, а значит и критерию присущи определенные чувствительность и специфичность.

Лабораторное культивирование семян растений, подверженных действию радиации - надежная тест-система, позволяющая оценить их жизнеспособность, выявить морфогенетические нарушения у проростков, а также при необходимости изучить устойчивость растений к различным химическим или физическим воздействиям.

Прорастание семян - это важнейший признак их жизнеспособности. Для характеристики этого процесса используют несколько показателей, но главный из них - всхожесть семян. Для древесных пород существует стандарт, который определяет всхожесть как способность образовывать нормально развитые проростки. Показатель энергия прорастания характеризует дружность появления всходов. Для культурных растений его определяют числом проросших семян в процентах от их общего количества за определенный срок.

Почвенная культура открытого грунта в районах с повышенным радиоактивным фоном, удобна в тех случаях, когда в цели работы входит изучение отдаленных последствий воздействия радиации на растения на протяжении нескольких лет или необходимо получить семенной материал следующего поколения.

Цитогенетический анализ частоты хромосомных аберраций в клетках корневой меристемы растений, подверженных действию радиации относится к числу наиболее информативных и чувствительных методов изучения радиационного воздействия на растения.

Метод провокационного острого облучения используется для оценки радиоустойчивости семян и вегетирующих растений в лабораторных и полевых опытах [40].

Полевая дозиметрия, методы отбора проб почв и растений, определение содержание в них радионуклидов.

В полевой радиоэкологии исследования начинаются с выбора опытной площадки, ее описания с учетом рельефа местности, типа почв, разнообразия растительности. Важным этапом является измерение мощности экспозиционной дозы на исследуемой территории.

3.2.6 Изучение накопления, распределения и биологического действия на растения искусственных радионуклидов в экосистемах радиоактивно-загрязненных зон Уральского региона

В Уральском регионе сложилась особая радиоэкологическая ситуация. Ядерные инциденты, обусловившие его радиоактивное загрязнение, произошли в 50-е и 60-е гг. Для изучения последствий длительного воздействия малых доз ионизирующих излучений на растительные организмы необходимы детальные исследования. К числу важнейших задач в ходе решения этой проблемы можно отнести: 1) выявление основных источников загрязнения; 2) определение уровней содержания радионуклидов в почве - основном депо их накопления; 3) оценка поступления радионуклидов в растения; 4) расчет дозовых нагрузок на наиболее чувствительные, меристематические ткани растений; 5) исследование особенностей популяций растений, подвергающихся длительному облучению низкой интенсивности [31].

3.2.7 Радиоэкологическая ситуация на территории Восточно-Уральского радиоактивного следа

29 сентября 1957 г. на ПО «Маяк» произошел взрыв емкости, содержавшей 20 млн. Ки радиоактивных отходов, из-за нарушения системы охлаждения емкости и ее саморазогрева. В результета взрыва образовалось радиоактивное облако, содержавшее около 2 млн. Ки радиоактивных веществ, которое, двигаясь в северо-восточном направлении, рассеялось и осело на территории Челябинской, Свердловской и Тюменской областей. Так сформировался Восточно-Уральский радиоактивный след (ВУРС) протяженностью 300 км и площадью 23 тыс. кмІ при плотности загрязнения Sr90 на границе 0.1 Ки/кмІ (прил. 1) [12].

Начиная с 1951 г. ПО «Маяк» стало использовать в качестве хранилища радиоактивных отходов оз. Карачай - небольшой естественный водоем, расположенный на территории промышленной площадки. Из-за большого объема сбросов площадь зеркала водоема в отдельные годы в два раза превышала первоначальную. В 1967 г. [59]. после малоснежной зимы наступило жаркое и засушливое дето, оз. Карачай сильно обмелело, береговая полоса обнажилась [1]. Мелкий песок и ил, загрязнение радионуклидами, поднимались ветром с его берегов и переносились на значительные расстояния, формируя пятнистое загрязнение территории. Общий вынос радиоактивных материалов оценен примерно в 600 Ки, в его составе преобладал Cs137. Большая часть радионуклидов выпала в пределах ВУРСа. Вне его границ была загрязнена территория в восточном направлении длиной 15 км при ширине 3 км с плотностью загрязнения по Cs137 более 2 Ки/кмІ. К началу 90-х годов в оз. Карачай было сосредоточено около 120 млн. Ки долгоживущих радионуклидов. В результате рекультивационных работ, проводимых предприятием, площадь зеркала водоема постепенно уменьшается. В то же время фильтрационные потоки приводят к загрязнению грунтовых и подземных вод [17].

Первые сведения об этих ядерных инцидентах появились в открытой печати несколько десятилетий спустя. В настоящее время радиоэкологическая ситуация в зоне ВУРСа относительно стабильна. Однако сохраняется потенциальная опасность, связанная с тем, что в санитарно-защитной зоне ПО «Маяк» сосредоточено более 1 млрд. Ки радиоактивных отходов, из них более 90% составляют высокоактивные, жидкие отходы, хранящиеся в емкостях, подобных той, что взорвалась в 1957 г [1].

В настоящее время природные экосистемы Южного и Среднего Урала загрязнены техногенными радионуклидами разного генезиса. Во-первых, это глобальные, радиоактивные выпадения из атмосферы - результат испытаний ядерного оружия, проведенных в Северном полушарии в 50-60-е годы. Во-вторых, региональные и локальные выбросы, поступившие в окружающую среду в результате штатной деятельности и аварийных ситуаций на ядерных предприятиях, крупнейшее из которых - производственное объединение «Маяк». Оценка вкладов радионуклидов из разных источников в суммарное загрязнении Уральского региона была главной задачей совместных исследований Института экологии растений и животных УрО РАН и Riso National Laboratory (Дания). Отсутствуют полные сведения об изотопном составе разных источников загрязнения. Кроме того, доступные места отбора проб не всегда были достаточны для репрезентативной характеристики ситуации [12].

На территории ВУРСа было заложено несколько трансект, главная из которых совпадала с центральной осью следа. Эта трансекта начиналась в Челябинской области у границы заповедника, организованного после аварии и охватившего наиболее загрязненную часть (прил. 2, пункты 5-23). Кроме того, к западу и востоку от центральной оси на расстоянии 15 и 20 км было заложено еще по две трансекты. Определение уровня загрязнений почвенно-растительного покрова на этих участках позволило оценить радиоэкологическую ситуацию на западной и восточной периферии ВУРСа [2].

Фоновый уровень радиоактивного загрязнения на Урале.

Прежде чем выявить вклад радионуклидов аварийного происхождения, необходимо оценить фоновый уровень радиоактивного загрязнения на Урале, сформировавшийся в результате глобальных атмосферных выпадений радионуклидов от испытаний ядерного оружия в Северном полушарии. Наиболее массированные поступления были в 1959 и 1963 гг. По данным UNSCEAR (1982), в широтном поясе между 50є и 60є с. ш. интегральная плотность загрязнения Sr90 с учетом радиоактивного распада составляет 1,5 кБк/мІ, уровень содержания Cs137 в 1,6 раза больше, т.е. 2,4 кБк/мІ. Интегральная плотность выпадений Pu239,240 составляет с учетом радиоактивного распада 0,0367 от содержания Sr90, т.е. около 60 Бк/мІ. Такие уровни глобальных радиоактивных выпадений характерны для Дании (сравнение Уральского региона с Данией допустимо, поскольку они расположены в одном широтном поясе и сопоставимы по количеству годовых осадков).

В каждом регионе фон определяется, помимо глобальных, еще и региональными выпадениями. На фоновых участках 24 и 25 (прил. 3) содержание Sr90 равно 1,6 кБк/мІ, т.е. близко к уровню, обусловленному глобальными выпадениями, однако отношения Cs137/Sr90 оказались более высокими, т.е. в почвах присутствует избыточный Cs137. Литературные данные (Крышев, Рязанов, 2000) свидетельствуют о том, что территория Уральского региона загрязнена в определенной степени Cs137 от чернобыльских выпадений. Таким образом, совокупность данных позволяет заключить, что фоновый уровень загрязнения почвенно-растительного покрова Cs137 на Урале выше, чем в европейских странах на той же географической широте [31].

Общая характеристика распределения радионуклидов в почве на территории ВУРСа.

На всех участках почвенные горизонты сохранили естественное сложение, основное количество радионуклидов сосредоточено в верхнем 0-20-см слое. Содержание Sr90 на глубине 25-30 см составляют в среднем 1,5% от его общего запаса в слое 0-30 см, включая растительный покров. Содержание Cs137 и трансурановых элементов в нижних слоях было меньше 1% от общего запаса и часто находилось ниже предела обнаружения. Оценка запаса радионуклидов в 0-30 см слое почвы в пределах центральной оси ВУРСа дает общее впечатление об уровнях загрязнения этой территории (прил. 4). Чем ближе наблюдение, тем более максимален запас радионуклидов, плотность загрязнения снижается по мере удаления в северо-восточном направлении.

Уровни накопления радионуклидов растениями в зоне ВУРСа.

При радиоактивных выпадениях из атмосферы древесные растения являются мощным фильтром, способным задержать в кронах до 80-90% радионуклидов. С первых дней первично задержанные радиоактивные частицы вовлекаются в процессы нисходящей миграции под действием ветра, осадков, с опадом листьев и хвои. В последующие 2-4 года после выпадений наблюдается нисходящая миграция радионуклидов в системе подстилка - почва. По некоторым данным Никипелов и др., 1989, 1990, через 30 лет после Кыштымской аварии в подстилке оставалось 3-4 % от всего запаса Sr90, остальное его количество было в почве. В настоящее время радионуклиды поступают в растения практически полностью корневым путем.

Отдельные участки территории, загрязненной в результате аварии 1957 г., подвергались рекультивации путем захоронения верхнего загрязненного слоя в подпахотные горизонты. Плантажный плуг перераспределял поверхностное загрязнение в слое 30-40 см, снижая концентрацию Sr90 примерно на 80%. Переместитель горизонтов обеспечивал захоронение радионуклидов на глубину около 30-70 см при снижении концентрации в пахотном горизонте в 10-15 раз [49].

В качестве контроля за радионуклидным загрязнением использовали образцы березы (Betula pendula Roth) и сосны (Pinus silvestris L.) из Ильменского заповедника. Содержание радионуклидов в образцах деревьев приведено в табл. 2.

Гомологичные органы березы и сосны с разных участков практически не различаются по уровню Cs137. Это связано с тем, что уровни загрязнения почв этим радионуклидом относительно невелики, он находится в почвах преимущественно в фиксированной форме и мало доступен растениям. Иная ситуация с накоплением Sr90. Береза накапливает этот радионуклид в 1.5-5 раз больше, чем сосна. Возможно, это связано со способностью березы накапливать в больших количествах кальций. Поскольку стронций является химическим аналогом кальция, он также накапливается этим видом в больших количествах. Различия в накопительной способности видов также могут быть обусловлены особенностями корневой системы и ее распределением в почвенном профиле: у березы в 1.5-2 раза больше масса активно всасывающих корней в 0-30-см слое почвы по сравнению с сосной.

Сравнение накопления Sr90 в разных частях березы на фоновом, импактном и рекультивированном участках (прил. 5) показало, что на импактном участке листья были загрязнены в 5.3 раза больше, мелкие ветки - в 16,5 раза, кора - в 22 раза; на рекультивированном участке различия с фоном в уровнях загрязнения тех же частей деревьев составили 2-5 раз, различия статически достоверны при с ‹ 0.05. Следовательно, эффект от дезактивационного мероприятия можно оценить положительно. Из всех частей древесных растений наименее была загрязнена древесина: в ней содержится в 3-15 раз меньше Sr90, чем в листьях, хвое, мелких ветках и коре. Это связано с тем, что радионуклид первоначально концентрируется в периферических годичных кольцах, а диффузия в ядро идет очень медленно.

Накопление радионуклидов травянистыми растениями изучали в основном без разделения вегетативной массы на биологические виды. Полученные результаты свидетельствуют о том, что коэффициенты накопления (КН) для Sr90, рассчитанные как отношения концентрации радионуклида в сухой массе растений (Бк/кг) к концентрации в 0-20-см слое воздушно-сухой почвы (Бк/кг), оказались близкими к единице (прил. 6) . Аналогичные расчеты для Cs137 показали, что КН меньше на порядок величин. Следовательно, вынос этого радионуклида из почвы растениями очень мал [3].

3.2.8 Оценка дозовых нагрузок на растения в зоне ВУРСа

Физические и химические анализы - традиционный путь определения силы воздействия тех или иных факторов на природные объекты, которые обретают смысл не сами по себе, а только после оценки их токсичности или вредности для живых организмов. Комплексный подход к оценке реальной ситуации в зонах радиоактивного загрязнения предполагает после определения концентраций радионуклидов в основных компонентах экосистемы следующие этапы работ: расчет дозовых нагрузок и изучение биологических эффектов в локальных популяциях [36].

Со временем Кыштымской аварии 1957 г. радиоэкологическая ситуация в зоне ВУРСа претерпела значительные изменения. Рассеянные при взрыве радиоактивные отходы содержали преимущественно короткоживущие радионуклиды, причем наиболее значителен вклад Ce144+Pr144 и Zr95+Nb95. Основную опасность в перспективе представлял долгоживущий Sr90, находящийся в равновесии с дочерним продуктом распада Y90: их содержание в изотопной смеси было около 5.4%. Выпавшая смесь характеризовалась наличием гамма-излучения с суммарной энергией на момент образования следа 7.63 Мэв на один распад Sr90, принятого в качестве «реперного» радионуклида, а также бета-излучения с суммарной активностью примерно в 3 раза большей, чем гамма-составляющая. Основная часть дозовой нагрузки была получена живыми объектами на территории ВУРСа в течение первых четырех лет. За прошедшие годы энергия гамма-излучения снизилась с 7.6 до 0.004 Мэв на один распад Sr90, что привело к снижению мощности экспозиционной дозы гамма-излучения на высоте 1 м в 2800 раз [63]. Накопленная с момента аварии экспозиционная доза составляет 0.5 с в расчете на плотность загрязнения 1 Ки/кмІ Sr90.

Как показатели исследования, плотность загрязнения территории ВУРСа в пределах центральной оси в середине 90-х годов варьировала от 1.5 до 55 Ки/кмІ, значит, в первый период после аварии с учетом поправки на радиоактивный распад она составляла от 3.8 до 140 Ки/кмІ. В настоящее время радиоактивное загрязнение вследствие Кыштымской аварии обусловлено практически только Sr90+Y90 и значимо в основном по бета-активности. Однако, как уже отмечалось ранее, имелись и другие источники загрязнения этой территории. В частности, во время ветрового переноса радионуклидов с берегов о. Карачай произошло значительное, пятнистое загрязнение участков долгоживущим Cs137, типичным гамма-излучателям.

В качестве объекта исследования при оценке биологического действия малых доз радиации в условиях многолетнего загрязнения использовали одуванчик лекарственный (Taraxacum officinale s.l.). Плагиотропная часть надземного побега и верхушечная точка роста у одуванчика практически не возвышаются над поверхностью почвы, поэтому допустимо использовать для расчета дозы облучения наиболее радиочувствительных меристематических клеток простую модель, предполагающую, что точка роста погружена в равномерно загрязненный объем почвы. Для данного растения такое предположение корректно еще и потому, что цветоносы поднимают соцветия над поверхностью почвы только на несколько дней, и к этому моменту наиболее чувствительные стадии гаметогенеза и зиготы уже закончены. Семена находятся в корзинках-соцветиях около двух недель, после чего вновь попадают в почву. Учитывали также тот факт, что коэффициент биологического перехода Sr90 в надземную массу близок к единице, а концентрации Cs137 в ней на порядок величин ниже, чем в почве.

Отдельно рассчитывается вклад Sr90 и Y90, находящегося с ним в равновесном состоянии, а также вклад Cs137 в общую дозовую нагрузку. При этом мощность поглощенной дозы составляет M=q1L(Sr=y)+q2L(Cs), где q1 и q2 - измеренные удельные активности каждого радионуклида в поверхностном слое почвы, L - мощность поглощенной дозы, сЗв/с, которую создает этот радионуклид внутри равномерно загрязненного объема при q0 = 3,7*10і*10 Бк/г. Из результатов расчетов (табл. 4) видно, что на площадках, с которого были собраны семена одуванчика, добавочная дозовая нагрузка за счет искусственных радионуклидов примерно в 4-70 раз выше, чем на фоновом участке. Сравнительное изучение действия на растения Sr90 и Cs137, внесенных в питательный раствор, и влияние облучения от закрытых источников в адекватных дозах показало, что под действием облучения от внешних источников на первых этапах наблюдалась активация роста корней, которая затем сменялась угнетением и последующим восстановлением. При той же дозе облучения от Cs137, внесенного в раствор, с первых суток у облученных растений наблюдалось длительное ингибирование роста корней, угнетающий эффект был на 60-70% более сильным. Биологическая эффективность раствора Sr90 по отношению к Cs137, оцениваемая по ростовым реакциям, была примерно в 2-40 раз выше для разных объектов.

Максимальные значения биологической эффективности радионуклидов, находящихся в растворе, неправомочно переносить на условия загрязнения почв, где они находятся преимущественно в связанном состоянии. Если взять минимальные значения биологической эффективности Sr90 и Cs137 в открытых источниках, то рассчитанные дозовые нагрузки необходимо увеличить в 2-2.5 раза. Но и при таких условиях дозовые нагрузки на корневые системы не выходят за пределы диапазона малых доз для данного растительного объекта.

3.2.9 Характеристика локальных ценопопуляций одуванчика (Taraxacum officinale s.l.) из зоны ВУРСа

Популяционно-экологические исследования в ботанике имеют ряд существенных особенностей, которые связаны с приуроченностью растений к определенным территориям, широкой распространенностью вегетативного размножения, полиплоидии, интрогрессивной гебридизации, самооплодотворения и апомиксиса. Для партеногенетических видов популяцией принято считать группу особей, происходящих из одного или нескольких клонов или чистых линий, занимающих определенный ареал и отделенную от соседних совокупностей пространством с меньшей численностью данного вида. В партеногенетических популяциях, так же как и в обычных, идут внутрипопуляционные процессы отбора и конкуренции между особями.

Первое исследование одуванчика из зоны ВУРСа было проведено 1991г.

Анализ качественных морфологических нарушений у растений с разных участков показал, что только в выборке из зоны ВУРСа обнаружены хлорофильные нарушения. Частота встречаемости аномалий формы листьев и семядолей укладывалась в диапазон изменчивости, установленный для фоновой выборки (Позолотина, 1990).

В условиях хронического нарушения уровень хромосомных аббераций в меристематических тканях растений повышен, но их жизнеспособность при этом не только не страдает, но и наблюдается ускорение темпов роста и развития. Явление гормезиса при действии описано для многих видов растений и животных. Этот феномен некоторые авторы рассматривают как положительное, стимулирующее действие излучения на живые организмы, но, возможно, он является свидетельством нарушения регуляции клеточного цикла “Radiation hormesis”, 1987; Boothman, 1998 и как следствие нарушения гомеостаза выходом темпов роста и развития за пределы нормы реакции [20].

Семенное потомство растений из зоны ВУРСа характеризовалось повышенным в 4-5 раз уровнем цитогенетических нарушений в клетках меристемы, ускоренными темпами роста и развития и повышенной устойчивостью к дополнительному облучению, т.е. был обнаружен феномен радиоадаптации. Подобное повышение радиоустойчивости организмов в результате длительного облучения в малых дозах, по мнению разных авторов Чережанова и др., 1971; Шевченко, Померанцева, 1985, обусловлено генетической и физиологической перестройкой организмов в локальных ценопопуляциях за счет изменений в пределах нормы реакции на молекулярном, клеточном и организменном уровнях, а также за счет отбора более радиоустойчивых форм. Важную роль в формировании повышенной радиоустойчивости, по-видимому, играют системы репарации генетического материала (прил. 7).

Лабораторные исследования (Позолотина В.Н., 1991) показали, что у семян из зоны ВУРСа энергия прорастания понижена. Однако, учитывая высокую естественную вариабельность этого показателя, жизнеспособность семян нужно оценивать по комплексу критериев. Всхожесть семян и выживаемость проростков практически не отличались от контроля (табл. 6). Не наблюдалось также опережающих темпов роста и развития, как это было отмечено в 1990 г. Достоверное различие касалось повышенной частоты абберантных клеток в корневой меристеме у семян, сформировавшихся на большинстве участков в зоне ВУРСа. Во всех выборках встречались морфологические нарушения, затронувшие в основном формы семядолей и листьев, но их число не превышало фонового уровня.

Анализ данных за десять лет показывает, что диапазон изменчивости выживаемости семенного потомства на загрязненном участке существенно шире, чем в фоновой выборке. Например, в первый год проростки отличаются большей выживаемостью и ускоренными темпами роста. С 1993 по 1997 гг. существенной разницы по жизнеспособности проростков между выборками из загрязненной и фоновой зон исследователи не отметили, хотя флуктуации этого показателя от сезона к сезону довольно большие.

В одной и той же ценопопуляции, расположенной в пределах центральной оси ВУРСа, в разные годы был зафиксирован весь спектр описанных ранее эффектов действия малых доз радиации: стимулирующий, т.е. показатели жизнеспособности семенного потомства выше, чем в фоновых выборках; подавляющий, с очень высоким уровнем смертности, и индифферентный, без достоверных различий с фоном.

Определенную роль в изменчивости жизненности потомства могут играть погодные условия, меняющиеся от сезона к сезону, а также естественные биологические процессы, например старение организмов в локальных ценопопуляциях. Принципиально важно, что амплитуда изменчивости признака, определяющего существование популяции во времени, в импактных выборках была значительно шире, чем в фоновых. Более убедительным объяснением наблюдаемого феномена нам представляется то, что растительные организмы, испытывающие в течение многих поколений воздействие малых доз радиации, приобрели реплицирующуюся генетическую нестабильность, которая проявляется в высокой частоте хромосомных аббераций, повышенной изменчивости жизнеспособности потомства и неоднозначной реакции его на дополнительное облучение. Необходимо принимать в расчет также прямое влияние малых доз радиации, способных порождать эффекты синергизма или антагонизма при взаимодействии с другими экологическими факторами среды [22].

Существует показатель «длина корня», который позволяет оценить скорость роста проростков. В 1999 г. по этому показателю отмечены достоверные различия между вариантами: большинство проростков из зоны ВУРСа имели более низкие темпы роста. Существенные индивидуальные различия между растениями по длине корня их потомков установлены также внутри каждой выборки. Обращает на себя внимание очень широкая амплитуда изменчивости этого показателя в импактной выборке в 1999 г.: у немногочисленных выживших проростков он варьировал от 3 до 62 мм, в то время как в контроле этот параметр изменялся от 14 до 50 мм. Поскольку длину корня измеряли у каждого проростка, появилась возможность не только оценить индивидуальную изменчивость, а пределах семейных выборок. Все семейные выборки из зоны ВУРСа характеризовались левосторонне-асимметричными кривыми распределения признака «длина корня», что свидетельствует о преобладании в потомстве проростков с замедленным темпом роста вегетативных органов. В фоновой ценопопуляции у 30% семей обнаружены распределения признака «длина корня», близкие к нормальному гауссовскому, остальные имели отклонения в виде левосторонней асимметрии или были двухвершинными. Последний тип распределения указывает на дифференциацию выборки, т.е. наличие в ней двух групп с высоким и низким темпами роста корней. Особый интерес представляет изучение частоты встречаемости аномальных проростков в потомстве из фоновой и импактной ценопопуляций. В выборках из зоны ВУРСа в разные годы достоверно чаще встречались проростки, у которых все органы (корни, гипокотили, семядоли) были уродливы. Велика частота встречаемости проростков с отклонениями в форме семядолей (сросшиеся, раздвоенные, разного размера), причем достоверной разницы между фоновой и импактной ценопопуляциями по этому типу нарушений не обнаружено. Хлорофильные нарушения семядолей и листьев тоже встречались в изучаемых выборках, причем у проростков из зоны ВУРСа отмечается тенденция увеличения их частоты.

Всхожесть семян, сформировавшихся в зоне ВУРСа в 1999 г., была так низка, что после облучения выживали единичные проростки. Дополнительное облучение семян с фонового участка вызвало повышение числа хромосомных аббераций в клетках корневой меристемы.

Есть некоторое противоречие в проявлении эффектов на дополнительное облучение, оцененных по цитогенетическим и морфологическим параметрам. На молекулярно-клеточном уровне у растений с фонового участка повреждающий эффект был более сильным, в то время как по выживаемости проростков и темпам формирования настоящих листьев и корней различий с необлученным контролем не отмечалось. У растений из зоны ВУРСа достоверно снизилась скорость роста настоящих листьев и корней, а повышение числа хромосомных аберраций было не столь значительным. Такие результаты могут быть следствием интенсивных процессов элиминации поврежденных меристематических клеток и восстановления пролиферативного пула за счет ускоренного деления уцелевших клеток у проростков фоновой выборки. Не исключено, что у этих растений отрицательные последствия дополнительного облучения проявились бы позднее [22].

3.2.10 Временная изменчивость радиоустойчивости

В 1991 г. была установлена более высокая, чем в фоновой выборке, устойчивость к дополнительному облучению Позолотина, 1992 г.. В 1993-1997 гг. не проявилось различий с фоновой выборкой в реакции на дополнительное облучение. В 1998-1999 гг. устойчивость к предпосевному облучению, оцененная по ростовым параметрам 30-дневных проростков, оказалась ниже, чем в фоновой ценопопуляции. В целом можно констатировать нестабильность ответной реакции семенного потомства из этой зоны на провокационное облучение.

Таким образом, приведенные выше результаты позволяют заключить, что длительное существование локальной ценопопуляции после радиационного инцидента в условиях воздействия малых доз ионизирующих излучений приводит к высокой генетической нестабильности у растений: на молекулярном уровне она проявилась в повышении числа хромосомных аберраций, на организменном - в изменении темпов роста и развития растений на ранних этапах онтогенеза, на популяционном - в увеличении частоты встречаемости морфологических аномалий, в большой амплитуде изменчивости разных показателей жизнеспособности, причем колебания выживаемости зафиксированы как в сторону снижения (подавляющий эффект), так и повышения параметра (эффект гормезиса) относительно фоновой необлучаемой выборки [11]. Столь же неустойчиво проявлялся и феномен радиоадаптации: в некоторые годы выборка из зоны ВУРСа демонстрировала повышенную радиоустойчивость к дополнительному облучению, в другие годы этого эффекта не наблюдалось или радиоустойчивость была снижена.

3.2.11 Экспериментальное изучение внутривидовой изменчивости радиочувствительности растений и закономерностей пострадиационного восстановления

Последствия радиационного воздействия на живые организмы, в частности на растения, можно рассматривать в двух аспектах, выделяя эффекты соматические, т.е. те, в основе которых лежат генетические повреждения в соматических клетках и проявляются они у непосредственно облученных организмов, и генетические, передающиеся по наследству следующим поколениям. Материал, представленный в данном разделе, касается исключительно соматических эффектов. Оригинальность полученных нами результатов заключается в популяционном подходе к рассмотрению проблемы отдаленных последствий облучения, так как учитывались разные типы внутривидовой изменчивости организмов в популяциях по их радиоустойчивости и наблюдения были достаточно длительными. Закономерности развития пострадиационных процессов изучены на примере модельных популяций разных видов растений: древесной лиственной породы - березы и хвойной - ели.

Пострадиационные изменения у березы повислой или бородавчатой (Betula pendula Roht., или B. Verrucosa Ehrh.).

Изучению радиоустойчивости семян березы посвящено довольно много работ. Семена как объекты исследования привлекают внимание радиобиологов в первую очередь потому, что в любом растительном сообществе имеется обширный бланк семян разных видов, которые в случаях сильного поражения вегетирующих растений являются важным, а иногда и единственным резервом для восстановления популяций. В большинстве работ приведена характеристика радиоустойчивости видов, основанная только на средних показателях доз, вызывающих гибель 50 и 100% проростков. Эти данные практически ничего не проясняют в закономерностях процессов, протекающих в ценопопуляциях после острого облучения. Для реального прогнозирования последствий облучения в природных сообществах необходима оценка основных типов внутривидовой изменчивости радиоустойчивости (прил. 8).

Индивидуальная изменчивость радиоустойчивости березы По В.Н. Позолотиной.

Индивидуальная внутривидовая изменчивость разных признаков и свойств - одна из важнейших характеристик популяции - обусловлена генетической вариабельностью входящих в нее организмов. Точнее, фенотипическую индивидуальную изменчивость можно определить как результат экспрессии конкретных генотипов в реальных условиях внешней среды.

Размах изменчивости признака можно оценить с помощью коэффициентов вариации. С ростом дозы облучения вариабельность всхожести семян возрастает. В развитии растения, до формирования настоящих листьев, наступает критический период, т.к. начинают функционировать апикальные меристемы, и в случае их поражения растения гибнут на ранней стадии развития. Проростки, преодолевшие этот барьер, с высокой вероятностью доживают до конца сезона вегетации. Выживаемость 30-дневных растений в контроле высока и слабо варьирует, а облучение в дозах 200 и 400 Гр вызвало гибель существенной части выборки. Дисперсионный анализ показывает высоко достоверную зависимость выживаемости проростков березы от дозы предпросевного облучения, а также значительные индивидуальные различия между деревьями по радиоустойчивости их семенного потомства. Под влиянием облучения в больших дозах в несколько раз возросла изменчивость выживаемости 30-дневных сеянцев.

Сравнение данных по всхожести семян и выживаемости проростков позволяет выявить некоторые индивидуальные особенности растений в проявлении реакции на облучение. Так, у некоторых деревьев значительная часть семян под воздействием облучения не всходит, у других деревьев, несмотря на высокие дозы радиации, семена прорастают, развертывают семядоли, но повреждения, вызванные облучением, препятствуют их дальнейшему развитию, и большая часть сеянцев погибает к концу первого месяца жизни. Следовательно, стратегия ответов на воздействие радиации у разных растений различны (прил. 9).

Существует несколько механизмов, поддерживающих гомеостаз организмов в условиях острого облучения. Адаптационный потенциал складывается из наличия в тканях эндогенных протекторов, уровня физико-химической защищенности генома, плоидности, эффективности работы внутриклеточных восстановительных систем, способности меристем к репопуляции. Можно предполагать, что на стадии прорастания семян защита от облучения связана с механизмами физико-химического уровня, поскольку в покоящихся семенах еще нет делящихся клеток и все процессы жизнедеятельности крайне замедлены. Ферментативные системы внутриклеточного восстановления начинают функционировать позднее, эффективность их работы определяет выживаемость проростков на стадии развития настоящих листьев и корней. Анализ показывает, что в выборке представлены деревья, семенное потомство которых обладает разными адаптивными возможностями [59].

Экологическая изменчивость радиоустойчивости растений.

Экологическая изменчивость признаков вида формируется под влиянием мозаично распределенных в пространстве факторов, не имеющих хорологического градиента. К таким факторам относятся температура, влажность, освещенность, химический и физический состав почвы и др. Актуальность исследования экологической изменчивости обусловлена тем, что она характеризует норму реакции вида в изменяющихся условиях среды. Без ее учета трудно прогнозировать реакцию разных популяций на воздействие радиации и сравнивать географически удаленные популяции. Необходимо отметить, что при большом числе исследований вариабельности морфологических признаков в зависимости от условий местообитания изменчивость физиологических свойств и устойчивости организмов к разным факторам изучена слабо. Главными факторами, определяющими уровень радиоустойчивости семян растений, являются температура и влажность. Известно, что в условиях пониженной температуры и высокой влажности, как правило, формируются менее устойчивые семена.

Для исследования, проведенного группой ученых Позолотина и др. были собраны семена березы в трех типах леса, существенно различающихся по уровню увлажнения: березняк черничный был расположен в верхней части склона холма, брусничный - в средней части, а разнотравный занимал нижнюю часть склона. Во всех трех насаждениях преобладала береза повислая, полнота насаждений 0,7-0,8, бонитет 1,5-2. Условия внутри каждого насаждения относительно однородны. Семена на каждом участке собрали с 10 хорошо плодоносящих деревьев из средней кроны и облучали перед посевом в дозах 100, 200 и 400 Гр. Радиоустойчивость была оценена по всхожести семян и выживаемости сеянцев, а уровень изменчивости этого свойства - с помощью коэффициентов вариации

Экологическую изменчивость нельзя выявить на основании средних параметров, характеризующих деревья разных типов леса. Для ее оценки необходимо подробное сравнение индивидуальной изменчивости признаков в каждой выборке. Установлено, что в березняках черничном, брусничном и разнотравном отдельные деревья различаются между собой как по всхожести семенного потомства без облучения, так и по их реакции на облучение [20]. Уровень изменчивости всхожести необлученных семян в насаждениях возрастал в ряду березняк черничный ‹ брусничный ‹ разнотравный. Облучение семян вызвало увеличение амплитуды изменчивости.

Математическая обработка данных методом иерархического дисперсионного анализа показала высокую достоверную зависимость всхожести семян от дозы облучении, а также достоверные индивидуальные различия деревьев по устойчивости к облучению их семенного потомства. Выборки из разных сообществ существенно различаются между собой, что может быть обусловлено неодинаковой исходной всхожестью семян из разных насаждений или их разной радиочувствительностью.

Принятой оценкой уровня изменчивости любых признаков является коэффициент вариации. Используя результаты дисперсионного анализа, можно вычислить отдельные компоненты дисперсии, среднеквадратические отклонения и коэффициенты вариации, характеризующие индивидуальную изменчивость радиочувствительности семян с разных деревьев и экологическую изменчивость, обусловленную условиями обитания.

Результаты вычислений свидетельствуют о том, что индивидуальная изменчивость радиочувствительности семян из каждого типа леса превышает изменчивость экологическую. Наиболее высокий уровень индивидуальной изменчивости устойчивости к облучению наблюдается в березняке разнотравном, где отмечен самый низкий уровень всхожести семян. Следовательно, адаптивные возможности организмов к техногенным воздействиям (в данном случае - ионизирующее излучение) в достаточной степени независимы от варьирования обычных экологических факторов среды. Только сильное изменение условий существования, по-видимому, может привести к появлению значимой экологической изменчивости радиочувствительности семян, уровень которой повысил бы амплитуду индивидуальной вариабельности.

Закономерности пострадиационного восстановления в популяциях березы.

Пострадиационное восстановление в популяциях тесно связано с индивидуальной изменчивостью организмов и является наиболее важным аспектом проблемы отдаленных последствий действия радиации.

Сравнение величины листьев и размеров клеток столбчатой паренхимы показало, что в первый сезон у мелких листьев облученных растений клетки по объему были больше, чем у крупных листьев обычных сеянцев. По-видимому, облучение вызвало сильное подавление деления клеток, и рост листьев происходил в значительной степени за счет их растяжения. К третьему году произошло сглаживание различий между облученными и не облученными растениями, как по размерам листьев, так и по величине клеток столбчатой паренхиме в них. В первый сезон после облучения отмечено формирование сеянцев с укороченными междоузлиями и усиленным боковым ветвлением, причем с ростом дозы облучения их число возрастало. Этот феномен связан с подавлением апикального доминирования у побегов. Радиоморфозы листьев у облученных растений были разнообразны. В первый сезон небольшая часть растений имела жесткие, уплотненные листья неправильной формы. На следующий год у облученных растений встречались листья, свернутые улиткой, с асимметричной листовой пластинкой, а также листья с воздушными полостями между паренхимным слоем и покровами. В клетках тканей, в которых происходила закладка органов, в первый сезон после облучения существовало много соматических нарушений. На третий год лишь у некоторых облученных растений формировались листья неправильной формы с гофрированным краем.

Каждый год у многих облученных, а после особо суровой зимы и у контрольных растений погибла верхушечная почка, однако наблюдались и различия между вариантами: у контрольных сеянцев, как правило, рост возобновлялся из боковой почки и восстанавливалось апикальное доминирование, а у облученных растений часто развивалась многовершинность, без доминирования главного побега.

В облученных популяциях, даже при их относительной генетической однородности, выделяются группы растений с разной реакцией на облучение, с большей или меньшей интенсивностью восстановительных процессов.

Следующий качественно новый этап после облучения проявился на третий год. Анализ всей совокупности данных позволил классифицировать их, разделив на четыре группы, характеризующиеся своими особенностями.

Первый тип отличается равномерным приростом из года в год. Это означает, что часть облученных растений изначально имело мощную противолучевую защиту и успешно противостояла воздействию радиации.

Второй тип демонстрирует интенсивный рост сеянцев в начальный период и снижение прироста в период со второго на третий год. Эти растения оказались чувствительны к другим факторам среды, в частности к температуре. Так, после особо холодной зимы у некоторых растений погибли верхушечные почки, что замедлило темп прироста. В облученных сообществах растений с поврежденной верхушкой было достоверно больше.

Третий тип отличается тем, что прирост растений в первый год был меньше, чем в последующие вегетационные сезоны. Этот тип роста характерен для растений, поврежденных облучением, но имеющих интенсивные системы восстановления на клеточном и тканевом уровнях. Пережив острую фазу подавления физиологических процессов в первый год после облучения, они наверстали прирост биомассы на следующий год.

Четвертый тип характеризуется очень малым приростом. На третий год эта группа растений элиминировала почти полностью [40].

Таким образом, в популяциях, сформированных из облученных семян, со временем происходит поэтапное изменение их структуры. В первый сезон давление радиационного фактора настолько велико, что ростовые процессы у всех растений сильно подавлены. Следующий этап определяется процессами восстановления, которые превалируют над деструктивными тенденциями. В этот период происходит дифференциация сообществ, в которых выделяются группы растений с разной интенсивностью восстановительных процессов.

На третий год проявляется общая направленность пострадиационных процессов на популяционном уровне, а именно, в результате этих изменений формируются качественно новые популяции с распределением морфологических признаков, близким к нормальному. Численность сообществ, получивших большие дозы облучения, уменьшается за счет гибели наиболее поврежденных радиочувствительных особей. Выжившие организмы несут еще много генетических нарушений в соматических клетках, которые проявляются в виде радиоморфозов, однако темпы прироста биомассы у них близки к нормальному уровню.