Влияние радиации на растения реферат
Обновлено: 03.07.2024
Биологический эффект ионизирующего излучения является результатом влияния радиации на многих уровнях — от молекулярного до организменного и популяционного. Первичные механизмы действия всех типов излучения на живой организм сходны. Их общая особенность состоит в том, что значительный биологический эффект вызывается слабой энергией и небольшим числом первичных радиационно-химических реакций. Например, при гамма-облучении дозой около 10 Гр летальной для млекопитающих, поглощается энергия, равная 8,4 кДж/г, достаточная лишь для повышения температуры на 0,001 °С.
Различают прямое и косвенное действие радиации на живые организмы.
Прямое действие состоит в радиационно-химических превращениях молекул в месте поглощения энергии излучения. Прямое попадание в молекулу переводит ее в возбужденное или ионизированное состояние. Поражающее действие связано с ионизацией молекулы.
Непрямое или косвенное действие радиации состоит в повреждениях молекул, мембран, органоидов, клеток, вызываемых продуктами радиолиза воды, количество которых в клетке при облучении очень велико.
Заряженная частица излучения, взаимодействуя с молекулой воды, вызывает ее ионизацию:
γ → H2O → H2O + + e -
Ионы воды за время жизни 10 -15 – 10 -10 с способны образовать химически активные свободные радикалы и пероксиды:
H2O + → H + + ОН
H2O - → H · + ОН
В присутствии растворенного в воде кислорода возникают также мощный окислитель HO2 и новые пероксиды и т. д.
Эти сильные окислители за время жизни 10 -6 – 10 -5 с могут повредить (изменить) многие биологически важные молекулы — нуклеиновые кислоты, белки-ферменты, липиды мембран и др. Кроме того, при взаимодействии радикалов воды с органическими веществами в присутствии кислорода образуются органические пероксиды, что также способствует лучевому повреждению молекул и структур клетки.
Дальнейшие этапы развития лучевого поражения связаны с непрямым действием ионизирующих излучений. Повреждения, возникшие первоначально, могут усиливаться (развиваться):
· вследствие возникновения под действием излучений радиотоксинов (липидных пероксидов, хинонов и др.), приводящих к автоокислению липидов мембран, окислению SH-групп мембранных белков, нарушению функционирования систем транспорта в мембранных образованиях клеток
· при накоплении ошибок в процессах репликации ДНК, синтеза РНК и белков;
· из-за повреждения ферментов, обеспечивающих синтез биологически важных соединений и т. д.
Для клетки наиболее опасно нарушение облучением уникальной структуры ДНК. При прямом действии излучения на молекулу ДНК происходят разрывы связей сахар-фосфат, дезаминирование азотистых оснований, образование димеров пиримидиновых оснований (чаще других тимина) т. д. Эти повреждения могут накапливаться. Другие изменения касаются радиационных влияний на ядерную мембрану и хроматин. На структуре хроматина сказываются депротеинизация участков ДНК и активация ДНКаз как следствие нарушения проницаемости ядерной мембраны.
Облучение может также инактивировать ферменты, участвующие в репарации повреждений молекулы ДНК. Эти и другие повреждения как на уровне ДНК, так и хроматина в конечном счете выражаются в изменениях белкового синтеза, прохождения фаз клеточного цикла, в образовании хромосомных аберраций, увеличении частоты мутаций в клетках, нарушении систем регуляции и гибели клетки.
Из тканей растительного организма наиболее уязвимы для радиации меристемы. Их называют критическими тканями растения, поскольку лучевое поражение меристем определяет лучевую болезнь и гибель всего организма.
Наименее радиоустойчивы вегетирующие растения: летальные дозы облучения для проростков высокочувствительных к радиации кормовых бобов (6 — 8 Гр, или 0,6 — 0,8 кр) и гороха (10—15 Гр, или 1,0—1,5 кр) сравнимы с летальными дозами облучения для многих млекопитающих (около 10 Гр, или 1 кр). Облучение приводит к разнообразным морфологическим аномалиям у растений (изменение размеров, скручивание и морщинистость листьев, гипертрофия органов, появление опухолевидных образований на всех органах).
Прорастание семян у разных растений (наблюдения до восьмидневного возраста) подавляется значительно более высокими дозами - от 1 до 35 кГр (100-3500 кр). Радиочувствительность семян зависит также от глубины покоя, проницаемости семенных оболочек для кислорода, содержания в них воды и т. д.
Значительно изменяется радиоустойчивость в онтогенезе растений. Так, формирующиеся семена злаков наиболее чувствительны в фазе молочной спелости. При полном созревании радиоустойчивость семян возрастает до максимума. Начало прорастания приводит к значительному снижению радиоустойчивости, которая несколько возрастает к периоду заложения оси соцветия, но вновь снижается во время споро- и гаметогенеза. Таким образом, растение наиболее чувствительно к облучению при прорастании семян и в период споро- и гаметогенеза.
Одноклеточные растения наиболее устойчивы к облучению сразу после окончания деления и в конце фазы синтеза ДНК.
Устойчивость растений к действию радиации определяется рядом факторов как на молекулярном, так и на более высоких уровнях организации:
v Степень радиационного повреждения молекул ДНК в клетке уменьшают системы восстановления ДНК, независимые (темновая репарация) или зависимые от света. Системы темновой репарации ДНК, постоянно присутствующие в клетке, отыскивают поврежденный участок, разрушают его и восстанавливают целостность молекулы ДНК. Под влиянием света ферментативным или неферментативным путем устраняются ди- пиримидиновых оснований, возникающие в ДНК при действии ультрафиолетового света или ионизирующего излучения. Такого рода восстановление целостности ДНК способствует также уменьшению повреждений (изменений) и в хромосомах.
v Защиту на уровне клетки осуществляют вещества-радиопротекторы. Их функция состоит в гашении свободных радикалов, возникающих при облучении, в создании локального недостатка кислорода или в блокировании реакций с участием продуктов — производных радиационно-химических процессов. Функцию радиопротекторов выполняют сульфгидрильные соединения (глутатион, цистеин, цистеамин и др.) и такие восстановители, как аскорбиновая кислота; ионы металлов и элементы питания (бор, висмут, железо, калий, кальций, кобальт, магний, натрий, сера, фосфор, цинк); ряд ферментов и кофакторов (каталаза, пероксидаза, полифенолоксидаза, цитохром NAD); ингибиторы метаболизма (фенолы, хиноны); активаторы (ИУК, кинетин, гибберелловая кислота) и ингибиторы роста (абсцизовая кислота, кумарин) и др.
v Восстановление на уровне организма обеспечивается у растений:
· неоднородностью популяции делящихся клеток меристем, которые содержат клетки с разной интенсивностью деления;
· асинхронностью делений в меристемах, так что в каждый данный момент в них содержатся клетки на разных фазах митотического цикла с неодинаковой радиоустойчивостью;
· существованием в апикальных меристемах фонда клеток типа покоящегося центра, которые приступают к энергичному делению при остановке деления клеток основной меристемы и восстанавливают как инициальные клетки, так и меристему;
· наличием покоящихся меристем типа спящих почек, которые при гибели апикальных меристем начинают активно функционировать и восстанавливают повреждение.
Все эти механизмы защиты и восстановления не являютсяспецифичными только для растений и поэтому их изучение важно для решения проблемы радиоустойчивости как растений, так и других живых организмов.
Первичные реакции в сложном растительном организме начинаются с действия радиации на биологически активные молекулы, входящие в состав практически всех компонентов живой клетки. Биологические процессы, вызванные облучением растений, связаны с множеством обменных реакций в клетках. В зависимости от дозы облучения и фазы развития растений в момент воздействия излучений у вегетирующих растений наблюдается значительная вариабильность изменений обменных процессов. Реакция растительных объектов на действие гамма- и рентгеновского излучения проявляется в виде активации или подавления ростовых процессов, что вызывает изменение темпов клеточного деления.
У злаковых культур, подвергшихся облучению дозами 20-30 Гр, наблюдается торможение роста главного побега в высоту, а затем вследствие активации покоящихся центров начинается рост боковых побегов, что выражается в мощном кущении. Причем кустистость пшеницы может повыситься в 3 раза. Хроническое облучение может привести к увеличению вегетативной массы к моменту уборки почти в 6 раз.
При действии повреждающих доз излучений в растениях возникают различные морфологические аномалии. Так, в листьях происходит увеличение или уменьшение количества и размеров, изменение формы, скручиваемость, ассиметричность, утолщение листовой пластинки, опухоли, появление некротических пятен. При поражении стеблей наблюдается угнетение или ускорение их роста, нарушается порядок расположения листьев, изменяется цвет, появляются опухоли и аэральные корни. Наблюдается также угнетение или ускорение роста корня, расщепление главного корня, отсутствие боковых корней, появление вторичного главного корня, опухолей. Происходит также изменение цветков, плодов, семян – ускорение или задержка цветения, увеличение или уменьшение количества цветков, изменение цвета, размеров и формы цветков; увеличение или уменьшение количества плодов и семян, изменение их цвета и формы и т.д.
В ряде случаев действие больших доз облучения на растения повышает темпы развития вследствие активации процессов старения – растение быстрее зацветает и созревает. Разнообразны и генетические повреждения. В результате мутаций, например, у пшеницы встречаются высокорослые, низкорослые, карликовые формы, растения с ветвящимися или стелющимися стеблями. При больших дозах возможна гибель растений.
При действии излучений в невысоких дозах (5-10 Гр для семян и 1-5Гр для вегетирующих растений) наблюдается так называемая радиостимуляция – ускорение темпов роста и развития растений. Стимуляция наблюдается при действии гамма-, бета- и рентгеновских излучений (при действии альфа- излучений стимуляции не наблюдается). При действии больших доз уменьшается не только количество зерна в урожае, но заметно изменяется и его качество – обычно зерно оказывается щуплым.
Таким образом, реакция растений на действие излучений сложна и разнообразна. Процессы, происходящие на молекулярном и клеточном уровне, в целом сходны у всех живых организмов. На более высоких уровнях организации проявляются только характерные для растений изменения, зависящие от особенностей структуры и функций различных тканей и органов растительного организма.
Учёные ННГУ изучили влияние ионизирующего излучения на растения
Изучение эффектов ионизирующего излучения становится сегодня важной задачей для учёных. Это связано с необходимостью развития сельского хозяйства, существованием зон с естественным и техногенным повышением радиационного фона, а также в целях развития космической биологии.
Данный вид излучения может быть успешно использован в целях выведения новых сортов сельскохозяйственных растений, предпосевной обработки семян и решении других общебиологических задач по установлению общих закономерностей и отличительных черт влияния ионизирующего излучения на различные живые организмы.
На сегодняшний день накоплен и обобщён большой объем данных об эффектах ионизирующего излучения на рост и репродукцию растений, а также о вызванных ионизирующим излучением изменениях на генетическом уровне. В то же время существует значительный пробел в понимании механизмов влияния ионизирующего излучения на активность биохимических и физиологических процессов, несмотря на то, что именно на этом уровне формируется тот базис, за счёт которого проявляются все эффекты на уровне целого организма.
По словам заведующего кафедрой биофизики Университета Лобачевского профессора Владимира Воденеева, активность физиологических процессов, с одной стороны, определяет рост растений, с другой – определяется изменениями на генетическом уровне. Таким образом, именно изучение физиолого-биохимических эффектов ионизирующего излучения способно дать наиболее полную и комплексную картину действия ионизирующего излучения на растения.
Вызванные ионизирующим излучением первичные физико-химические реакции, включающие образование различных активных форм кислорода (АФК), являются причиной наблюдаемых изменений функциональной активности растений. В рамках исследования подчёркнута роль опосредующей эффект ионизирующего излучения долгоживущей формы АФК – пероксида водорода – не только в качестве повреждающей молекулы, но и как универсального внутриклеточного мессенджера и молекулы, играющей роль дальнего сигнала.
По словам профессора кафедры биофизики Университета Лобачевского Сергея Гудкова, пероксид водорода играет важную сигнально-регуляторную роль, в основном это предвестник проблем, развивающегося окислительного стресса.
По словам учёных, представленные в работе выводы базируются на результатах, полученных научными коллективами всего мира в различных условиях: в лабораториях, на территориях, пострадавших от радиационных катастроф, с растений, выращенных на космических станциях и спутниках.
Полученные результаты открывают новый этап изучения возможностей выживания растений при воздействии различных неблагоприятных факторов, в том числе и в экстремальных условиях космического пространства.
Проникающим излучением, или проникающей радиацией, называют различные виды излучений, которые проникают через толщи вещества и обладают вредным действием на живые организмы.
К ним относятся рентгеновские, космические, гамма-лучи и альфа — и бета-частицы. Основное взаимодействие проникающих излучений с веществом проявляется в ионизации и возбуждении атомов, поэтому их называют иногда и ионизирующими излучениями.
Со времени открытия рентгеновских лучей и явления радиоактивного распада стало возможным использование проникающих излучений во многих отраслях науки, техники и широкой практики.
При радиоактивном облучении всякого живого организма в нем совершаются важные физиологические и биохимические изменения, приводящие к серьезным нарушениям их жизнедеятельности. Проникающие излучения всегда оказывают вредное действие на биологические объекты, что проявляется как в морфологических изменениях, так и в функциональных нарушениях в облучаемых организмах.
Действие проникающих излучений на растения зависит от дозы облучения, которую обычно принято выражать в рентгенах (р) или радах (рд). Действие проникающих излучений на растения имеет целый ряд особенностей и отличается от действия их на человека и животных. Для растений также существует летальная (смертельная) доза облучения, с помощью которой оценивается радиочувствительность живых организмов. При указании летальной дозы, обозначаемой буквами LD, обычно приводят число погибших от облучения растений (например, LD60, LD100). Хотя вопрос о различной чувствительности растений к воздействию проникающих излучений окончательно еще не разрешен, а проблема природы радиочувствительности растений разработана недостаточно, все же принято считать, что у большинства растений (пшеница, кукуруза, овес, ячмень, картофель, горох, фасоль и некоторые другие) летальная доза облучения определяется в пределах 2000—3000 рентген.
Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.
Читайте также: