Структурно-метаболическая теория (СМТ) в радиобиологии является современным обобщением огромного фактического материала и ранее существовавших теорий в радиобиологии в свете представлений о неразрывном единстве и взаимовлиянии структуры и метаболизма. СМТ исходит из положения, что при действии радиации на клетку первичные процессы возникают во всех ее структурах и затрагивают многие метаболические процессы, неразрывно связанные с этими структурами. Любой радиобиологический эффект возникает во времени в результате взаимодействия многих процессов, как развившихся после облучения, так и нормально протекающих в клетке. СМТ подчеркивает значение фактора времени в проявлении любых радиобиологических эффектов. Скорость протекания процессов, происходящих в клетке после облучения, будет зависеть не только от места и величины поглощенной энергии, наличия веществ, обрывающих цепные процессы. Структурно-метаболическая теория рассматривает механизмы поражающего действия сублетальных и летальных доз радиации, так и стимулирующего действия малых доз радиации. СМТ является общей теорией действия радиации на биологические объекты, начиная с клеточного уровня и заканчивая высокоорганизованными многоклеточными организмами [9].

2 Материал и методика исследования

Объектами исследования являются многолетние травянистые растения[III]: Прозанник пятнистый – Achyrophorus maculatus L. (семейство Сложноцветные; 2n = 10, рис. 1А; стр. I) и два вида подорожника: Подорожник ланцетолистный – Plantago lanceolata L. (2n = 12, рис. 1Б) и Подорожник средний – Plantago media L. (2n = 24, рис. 1В, оба из семейства Подорожниковые) [13]. Семена всех видов растений были собраны на территории Восточно-Уральского радиоактивного следа как с контрольных участков, так и с загрязнённых радионуклидами 90Sr–90Y и 137Cs. В местах сбора материала первоначальное загрязнение составляло 1500-2000 Ки[IV]/км2; 90% дозы формируется за счёт распада 90Sr и 10% – за счёт 137Cs. В настоящее время прошло 1,7 периодов полураспада радиостронция и остаточное загрязнение составляет 525 Ки/км2 (интенсивность γ-излучения 0,8 рад/сутки) (рис. 2; стр. II) [15].

Реагенты: раствор гидроперита (0,0025 М), раствор крахмала (0,125% по массе), раствор йода (0,0125% по массе).

Оценка уровня спонтанного мутагенеза проводилась на всех указанных видах, эффекты фракционированного облучения – на A. maculatus, биохимические исследования – на двух видах подорожника.

Семена A. maculatus провокационно облучались γ-лучами 60Co при мощности дозы 219 рад/мин[V]. Применялось неравномерное фракционированное облучение (начальная доза 5 Гр[VI]; разрешающая доза 30 Гр) с интервалами между фракциями 1 час или 1 сутки. Изучались варианты: без облучения, с облучением в малой дозе (5 Гр), с облучением в массивной дозе (30 Гр), а также варианты с различной временной организацией облучения (сочетание 5 Гр + 30 Гр).

Исследуемые семена проращивались, и фиксировались проростки по достижении длины корешка в 4-5 мм для прозанника и 2-3 мм для подорожников в смеси этанола и «ледяной» уксусной кислоты в компонентном отношении 3:1. Учитывались частоты хромосомных аберраций в ана-телофазе митоза в клетках корешков, для чего растения окрашивали ацетокармином в течение 5-15 минут на водяной бане. Давленые временные микропрепараты изготовлялись из кончика корешка длиной около 2 мм. Наблюдения производили при 600-кратном увеличении с водной иммерсией, используя зеленый фильтр. В каждом варианте просчитывалось в среднем по 500 ана-телофаз.

Микропрепараты фотографировались по авторской методике без применения аналогового цифрового преобразователя при 900-кратном увеличении с масляной иммерсией с помощью цифрового фотоаппарата мобильного телефона LG B2100 (рис. 3; стр. III, IV).

Биохимические исследования проводились на P. lanceolata и P. media методом йодометрии (титрование), в основе которого лежит реакция [6, 22]: 5H2O2 + I2 = 4H2O + 2HIO3.

Отобранные для анализа растения, тщательно очищенные от земли и обсушенные фильтровальной бумагой до постоянного веса, взвешивались и растирались со стеклянным порошком в фарфоровой ступке. Полученная смесь разводилась дистиллированной водой в расчете 9 мл воды на каждые 100 мг растения и центрифугировалась на ручной центрифуге в течение 5 минут при скорости вращения 1200 об/мин.

В раствор гидроперита, объёмом 5 мл, добавлялись 0,2 мл надосадочной жидкости, и смесь выдерживалась в течение 30 секунд, после чего приливались 3 мл раствора крахмала в качестве индикатора. Смесь титровалась йодом до получения эталонной голубой окраски, сохраняющейся в течение 3 секунд, после чего регистрировался объём затраченного йода.

Для статистической обработки данных использовались следующие методы: дисперсионный анализ двухфакторных неравномерных комплексов для качественных признаков; дисперсионный анализ однофакторных комплексов для качественных признаков; критерий χ²; точный критерий Фишера (F); критерий Стьюдента (td); критерий «ФИ» (Fφ). Для данной обработки в таблицах Excel автором работы были созданы алгоритмы вычисления необходимых показателей с использованием литературы [14, 23].

3 Результаты и обсуждение

3.1 Цитогенетические исследования

Результаты данных исследований позволяют выявить зависимость изменения радиочувствительности высших растений как минимум от трех факторов: хронического β-, γ-облучения; числа хромосом в кариотипе (плоидности); предварительного γ-облучения при неравномерном фракционировании дозы. Результаты математической обработки данных представлены в таблицах 1, 2 и на рисунках 5-10.

3.1.1 Спонтанный мутагенез

Хроническое облучение вызывает достоверное увеличение частоты аберрантных анафаз в опытных популяциях A. maculatus (p << 0,001) и P. media (p < 0,01), в то же время, в популяциях P. lanceolata отмеченного феномена не наблюдается (p > 0,05), что не противоречит литературным данным [22]. Возрастание частоты аберрантных анафаз связано с ускоренным накоплением мутационного груза [2, 3, 4], так как фон от радионуклидов более чем в 100 раз превышает естественный радиационный фон.

В хронически облучаемых популяциях прозанника по сравнению с контрольными происходит достоверное увеличение частоты дицентриков (χ² = 26,96, ν = ∞, р < 0,001; рис. 6; стр. VI). В эксперименте облучали покоящиеся семена, поэтому двойные разрывы хромосом, приводящие к образованию дицентриков, оставались нереализованными до начала прорастания, когда, вследствие увеличения теплового движения, обломки хромосом смещаются, образуя разнообразные транслокации (рис. 3-4; стр. III–IV), то есть из потенциальных повреждения переходят в летальные [12]. Однако в популяциях обоих видов подорожника изменения частоты дицентриков не происходит (р >> 0,05; рис. 6; стр. VI).

Не обнаружены отличия в частоте ацентрических фрагментов в опытных и контрольных популяциях A. maculatus (F = 0,98, ν = 27, р >> 0,05; рис. 7; стр. VI), в тоже время, в опытных популяциях P. lanceolata наблюдается достоверное увеличение частоты этого вида аберраций по сравнению с контрольными (p < 0,01; рис. 7; стр. V). Однако в хронически облучаемых популяциях P. media отмечено достоверное (р < 0,001) снижение частоты ацентрических фрагментов по сравнению с незагрязненными радионуклидами популяциями.