Действие ионизирующих излучений
Рост использования ядерной энергетики в народном хозяйстве, некоторое увеличение радиационного фона в локальных местах Земли, широкое практическое использование излучения и приборов на радиоактивных источниках в различных отраслях промышленности, сельского хозяйства, медицине, науке и других отраслях вызвали интерес к изучению действия ионизирующей радиации на живой организм, в том числе растительный. Знание первичных радиационно-физиологических и радиационно-биохимических процессов совершенно необходимо для решения вопросов профилактики и терапии лучевой болезни.
К ионизирующей радиации относятся рентгеновские и ядерные излучения. Под влиянием ионизирующих излучений в летальных (смертельных) дозах в клетках растений происходят различные молекулярные и структурные изменения и нарушения, приводящие к сложной физиологической реакции.
На первом этапе происходит мгновенное поглощение клеткой ионизирующей частицы или фотона и передача этой энергии молекулам воды и органических веществ, что вызывает их ионизацию или возбуждение и увеличение их химической активности.
На втором этапе образуются свободные радикалы (атомы или группы атомов со свободной валентностью). Так, ионизированные молекулы воды очень неустойчивы и расщепляются с образованием свободных радикалов. Ионизированные молекулы органических веществ также образуют свободные радикалы.
На третьем этапе эти свободные радикалы и окислители, возникшие через ионизированные молекулы воды, реагируют с белками и нуклеиновыми кислотами с образованием радиотоксинов, не свойственных организму и оказывающих поражающее действие. Свободные радикалы, возникшие вследствие ионизации органических веществ, вызывают еще большие нарушения молекулярных и надмолекулярных структур.
Так, в молекуле ДНК происходят разрывы фосфорноэфирных, межуглеродных и водородных связей, внутри- и межмолекулярные сшивки благодаря возникновению ковалентных связей между поврежденными азотистыми основаниями и поврежденными сахарофосфатными остатками и т. д. Одновременно с этим увеличивается активность ферментов, расщепляющих ДНК. Все это может привести к необратимому разрушению молекул ДНК, разрыву хромосом.
На завершающем этапе наблюдается резкое изменение хода физиологических процессов и метаболизма в целом. При летальных дозах наблюдается стойкое нарушение функции и смерть клетки.
Различные растения на разных этапах развития неодинаково реагируют на радиацию. Наиболее устойчивы сухие семена и покоящиеся почки, выдерживающие облучение в дозах до 300 тыс. рад (рад - единица поглощенной дозы ионизирующей радиации, равная 100 эрг энергии, поглощенной 1 г вещества). Весьма чувствительны проростки и вегетирующие растения.
Из травянистых растений наиболее радиоустойчивы донники, капуста, различные виды клевера, клещевина, люцерна, табак, морковь, редька, турнепс, эспарцет, брюква, лен, редис и другие; неустойчивы бобы, горох, кукуруза, пшеница, рожь, фасоль (разные сорта).
Хвойные и лиственные древесные породы довольно отчетливо различаются по своей способности выносить действие ионизирующей радиации. Среди изученных видов наиболее чувствительными на всех стадиях развития оказались хвойные деревья. Они выдерживают дозы примерно на порядок меньше, чем лиственные породы. Большая радиационная поражаемость связана с более крупными ядрами и хромосомами клеток хвойных древесных пород. Тесная корреляция найдена и с содержанием в ядре ДНК.
Радиочувствительность деревьев, подвергающихся хроническому облучению зимой, примерно в 3 раза ниже, чем при облучении летом.
В зависимости от величины поглощенной дозы радиации реакция древесных растений различна.
Облучение относительно небольшими дозами порядка 500 рад вызывает, образно говоря, ускорение развертывания генетической программы и в целом стимуляцию роста и развития растений.
Более сильное облучение нарушает некоторые структуры и процессы, приводит к разрыву отдельных хромосом и появлению соматических мутаций, что проявляется в изменении морфологических признаков. Скорость роста растений в этом случае или не меняется, или снижается, как и активность обмена веществ.
Известно, что радиорезистентность увеличивается при наличии в растениях ряда специфических веществ - радиопротекторов. Среди них находятся соединения, содержащие сульфгидрильные (SН) и аминогруппы (NH2), например, цистеамин, цистеин и др.
В настоящее время использование облучения в стимулирующих дозах находит широкое применение в практических целях для получения новых сортов и форм растений, ускорения прорастания семян, роста и развития растений, а в критических - для торможения прорастания клубней и луковиц, семян древесных растений при их длительном хранении.