РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ КОМИ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР ИНСТИТУТ БИОЛОГИИ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РФ МАРИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ МИНИСТЕРСТВО ПРИРОДНЫХ РЕСУРСОВ И ОХРАНЫ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ РЕСПУБЛИКИ КОМИ VII ВСЕРОССИЙСКИЙ ПОПУЛЯЦИОННЫЙ СЕМИНАР МЕТОДЫ ПОПУЛЯЦИОННОЙ БИОЛОГИИ СЫКТЫВКАР 2004
Российская академия наук Уральское отделение Коми научный центр Институт биологии Министерство образования Российской Федерации Марийский государственный университет Министерство природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Коми МЕТОДЫ ПОПУЛЯЦИОННОЙ БИОЛОГИИ Материалы докладов VII Всероссийского популяционного семинара (часть 2) 16-21 февраля 2004 г. Республика Коми, г. Сыктывкар Сыктывкар 2004
УДК 574.3(063) 055(02)7 МЕТОДЫ ПОПУЛЯЦИОННОЙ БИОЛОГИИ. Сборник материалов VII Всероссийского популяционного семинара (Сыктывкар, 16-21 февраля 2004 г.). — Сыктывкар, 2004. — Ч. 2. - 176 с. Во второй части сборника представлены статьи пленарных докладов VII Всероссийского популяционного семинара, проходившего на базе Института биологии Коми НЦ УрО РАН (16-21 февраля 2004 г.), а также краткие материалы участников, по разным причинам не вошедшие в первый том. Предназначен для биологов и экологов широкого профиля, сотрудников заповедников и национальных парков, преподавателей биологических дисциплин, аспирантов и студентов. Редколлегия д.б.н. проф. Н.В. Глотов (МарГУ, г. Йошкар-Ола) - отв. редактор, к.б.н. Л.В. Тетерюк (ИБ Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар) - отв. секретарь, д.б.н. проф. В.С. Безель (ИЭРиЖ УрО РАН, г. Екатеринбург), д.б.н. Л.А. Животовский (ИОГен, г. Москва), д.б.н. С.В. Загирова (ИБ Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар), д.б.н. В.Г. Зайнуллин (ИБ Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар), д.б.н. В.А. Мартыненко (ИБ Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар), д.б.н. Ю.Н. Минеев (ИБ Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар), к.б.н. А.И. Таскаев (ИБ Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар) Рецензенты чл.-корр. РАН Н.Г. Смирнов (ИЭРиЖ УрО РАН, г. Екатеринбург) д.б.н. С.В. Дегтева (ИБ Коми НЦ УрО РАН, г. Сыктывкар) Семинар проводится при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 04-04-58021) 18ВМ 5-89606-210-9 ; . © Коми научный центр /4 , Уральского отделения Российской АН, 2004 Коми научный центр Уро РАН
ПРЕДИСЛОВИЕ 16-21 февраля 2004 г. в г. Сыктывкар состоялся VII Всероссийский популяционный семинар «Методы популяционной биологии», организованный Институтом биологии Коми научного центра УрО РАН, Марийским государственным университетом, Министерством природных ресурсов и охраны окружающей среды Республики Коми. Проведение семинара поддержано РФФИ (проект 04-04-58021). Всероссийские популяционные семинары, начатые по инициативе кафедры ботаники, экологии и физиологии растений Марийского государственного университета (МарГУ), каждый раз охватывают широкий круг проблем популяционной биологии: экология и генетика популяций (I семинар, г. Йошкар-Ола, 1997); жизнь популяций в гетерогенной среде (II семинар, г. Йошкар- Ола, 1998); онтогенез и популяция (III семинар, г. Йошкар-Ола, 1999; IV семинар, г. Москва, Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН, 1999); популяция, сообщество, эволюция (V семинар, г. Казань, Институт экологии природных систем АН Республики Татарстан, 2001); фундаментальные и прикладные проблемы популяционной биологии (VI семинар, г. Нижний Тагил, Нижнетагильский государственный педагогический институт, 2002). В работе семинара приняли участие 65 исследователей из разных городов России (Екатеринбурга, Москвы, Йошкар-Олы, Перми, Ижевска, Кирова, Нижнего Новгорода, Санкт-Петербурга, Сибая, Иркутска, Казани, Миасса, Нижнего Тагила, Новосибирска, Саратова, Уфы, Якутска и т.д.), представители Республики Беларусь (г. Минск) и более 50 - Сыктывкара. К началу семинара был опубликован сборник материалов докладов (часть 1), включающий 159 работ, в том числе 81 сообщение заочных участников. В семинаре участвовали сотрудники академических институтов России (Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН, Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН, Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН, ботанический институт им. В.Л. Комарова РАН, Институт биохимии и генетики Уфимского НЦ РАН, Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, Институт экологии растений и животных УрО РАН), Республики Татарстан (Институт экологии природных систем), Республики Саха-Якутия (Институт прикладной экологии Севера) и Республики Беларусь (Институт общей генетики и цитологии), ботанических садов РАН (ЦСБС, Ботанического сада УрО), государственных заповедников (Ильменский, Печоро-Илычский). Активно участвовали в работе семинара преподаватели, аспиранты и студенты 16 высших учебных заведений (педагогических институтов, университетов и академий). Настоящее издание включает большинство пленарных (заказных) докладов, а также работы, не вошедшие в первый том, опубликованный к началу работы семинара. Чтобы дать более полное представление о тематике семинара (учитывая, что некоторые авторы не смогли прислать тексты докладов), мы сочли целесообразным привести в Предисловии краткий обзор его работы. Тема семинара «Методы популяционной биологии» позволила обсудить возможности применения различных подходов и методов в решении проблем популяционной биологии. На VI семинаре было отмечено явное отставание российских исследователей в области молекулярной и популяционной генетики. Поэтому в программу настоящего семинара были включены два доклада, посвященных общим проблемам геномики. Э.К.Хуснутдинова (Институт биохимии и генетики Уфимского НЦ РАН) дала обзор достижений и перспектив развития геномики ядерных структур. Ее доклад оказался превосходно дополненным докладом О.Г.Давыденко (Институт генетики и цитологии НАН Беларуси), посвященным геномике цитоплазматических органелл. Л.А.Живо- товский (Институт общей генетики им. Н.И. Вавилова РАН) продемонстрировал эффективность использования современных молекулярно-генетических методов при решении проблем происхождения и эволюции человека. В этом докладе, как и в еще одном докладе Э.К.Хуснутдиновой, посвященном этногеномике народов Волго-Уральского региона, была ярко продемонстрирована преемственность работ исследователей, на протяжении длительных промежутков времени совершенствующих методы исследований. С этой точки зрения, очень уместными и важными для формирования дальнейших направлений исследования происхождения и генетики народа коми были доклады И.Л.Жеребцова (Институт языка, литературы и истории Коми НЦ УрО РАН) об истории формирования народа коми и Н.А.Чермных (Институт физиологии Коми НЦ УрО РАН), посвя3 Коми научный центр Уро РАН
Методы популяционной биологии щенный этно-демографической оценке здоровья ижемских коми в ХУШ-ХХ вв. Доклад И.Л.Жеребцова был очень интересен по форме: автор изложил лишь основные положения доклада, раздав всем участникам специально изданный к семинару «Краткий очерк истории формирования народа Коми». Специальное заседание было посвящено проблеме устойчивости биологических систем. В.М.Захаров (Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН) рассмотрел общую постановку проблемы соотношения гомеостатических механизмов биологических систем на разных уровнях организации живого. Оригинальные результаты многолетних природных наблюдений по поддержанию гомеостаза на уровне сообщества и популяции представил Б.И. Шефтель (Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН). Д.Б. Гелашвили (Нижегородский государственный университет) показал необходимость введения структурно-информационных показателей для характеристики флуктуирующей асимметрии. В сообщениях Я.Л. Вольперт и Е.Г. Шадриной (Институт прикладной экологии севере АН Республики Саха), Т.А. Алексеевой, С.Г. Дмитриева, Н.П. Ждановой и В.М. Захарова, Н.Г. Кряжевой с соавторами, Ф.Н. Шкиля (Институт биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН), М.Д. Туманова (Институт биологии Коми НЦ УрО РАН) были рассмотрены разные аспекты и разные методы оценки устойчивости биологических систем, приведены обширные материалы полевых и экспериментальных исследований. Большой интерес участников вызвало обсуждение статистических методов, применяемых в популяционной биологии. Н.Н. Хромов-Борисов (Санкт-Петербург) продемонстрировал богатый спектр современных математико-статистических методов, используемых в популяционном анализе. Несомненным достоинством этого доклада были многочисленные ссылки на сайты в Интернете, на которых представлены пакеты статистических программ. Здесь необходимо отметить, что по просьбе участников семинара большинство докладчиков охотно предоставляли участникам семинара полные тексты докладов с иллюстрациями в электронной форме. И.А. Кшнясев (Институт экологии растений и животных УрО РАН) на примере анализа динамики численности и структуры популяций мелких млекопитающих продемонстрировал богатство методов статистического анализа. Конкретные примеры применения статистических методов в популяционно-генетических экспериментах привел В.Г. Зайнуллин (Институт биологии Коми НЦ УрО РАН). Н.В. Глотов (Марийский государственный университет) сформулировал статистические вопросы, возникающие при изучении ценопопуляций растений (организация сбора материала, разложение общей изменчивости на компоненты). Участники семинара заслушали и обсудили ряд докладов и сообщений, посвященных перспективным направлениям фундаментальной популяционной биологии. С.Н. Санников (Ботанический сад УрО РАН) подвел итоги комплексного подхода к изучению популяций сосны обыкновенной, осуществляемого в его лаборатории на протяжении ряда лет. А.Р. Ишбирдин и М.М. Ишмуратова (Сибайский институт Башкирского государственного университета) продемонстрировали возможность изучения стратегии выживания растений путем анализа популяций в градиенте изменения среды. Т.К. Головко (Институт биологии Коми НЦ УрО РАН) показала эффективность экологофизиологических подходов в популяционных исследованиях растений. Особый интерес участников вызвал доклад И.Н. Михайловой (Институт экологии растений и животных УрО РАН), посвященный новому направлению — популяционной биологии лишайников. Возможности оценки фенотипической изменчивости лишайников в популяциях продемонстрировал С.Н. Плюснин (Институт биологии Коми НЦ УрО РАН). В настоящее время все большее применение популяционные методы исследования находят для решения задач сохранения и рационального использования биологических природных ресурсов, оценки влияния на популяции антропогенно измененной среды. Оригинальные материалы были представлены В.Г. Зайнуллиным и А.И. Таскаевым (Институт биологии Коми НЦ УрО РАН) по генетическим эффектам воздействия на популяции растений и животных ионизирующих излучений малых доз низкой интенсивности. Проблема репарации пострадиационных повреждений обсуждалась в докладах А.А. Москалева и В.В. Шапошникова (Институт биологии Коми НЦ УрО РАН). Е.В. Ульянова и В.Н. Позолотина (Институт экологии растений и животных УрО РАН) показали вариабельность признаков растений при хроническом облучении в малых дозах. Вопросы раздельного и сочетанного действия факторов радиационной и химической природы на структурно-функциональное состояние щитовидной железы мышевидных грызунов обсуждались в докладе О.В. Раскоша (Институт биологии Коми НЦ УрО РАН). В докладе Т.В. Жуйковой и В.С. Безеля (Нижнетагильская государственная социально-педагогическая академия, Институт экологии растений и животных УрО РАН) была поставлена проблема и продемонстрированы возможные подходы к оценке энергетических потерь популяций растений на разных этапах онтогенеза. Н.Е. Зуб- цовский и В.А. Матанцев (Удмуртский государственный университет) привели результаты оригинальных популяционно-экологических исследований в островных местообитаниях птиц на антро4 Коми научный центр Уро РАН
Материалы докладов VII Всероссийского популяционного семинара (часть 2) погенно измененных территориях. В.Л. Вершинин (Институт экологии растений и животных УрО РАН) привел обширные материалы по аномальной изменчивости морфологических признаков в условиях антропогенных воздействий. На VI семинаре отмечалась необходимость включения результатов фундаментальных и прикладных популяционно-экологических исследований в курсы экологии в средней и высшей школе. На настоящем семинаре большой резонанс, в том числе среди присутствовавших школьных учителей, вызвал доклад В.А. Лапшова (Национальная Татарская гимназия, г. Саратов) о применении ключевых понятий популяционной экологии в становлении мировоззрения выпускников школ. В соответствии с традициями Всероссийских популяционных семинаров было проведено мемориальное заседание памяти Петра Фомича Рокицкого, выдающегося биолога и генетика, инициатора организации радиобиологических исследований в Республике Коми. Были заслушаны доклад И.Б. Моссэ (Институт генетики и цитологии АН Республики Беларусь), сообщения И.В. Забоевой, Н.С. Котелиной (Институт биологии Коми НЦ УрО РАН), О.Г. Давыденко (Институт генетики и цитологии АН Республики Беларусь), Н.В. Глотова (Марийский государственный университет). Всего на семинаре было заслушано 20 пленарных докладов, 28 сообщений, стендовая сессия включала более 40 работ. Стендовые сообщения сопровождались последующим обсуждением на заседании семинара. Следует подчеркнуть, что большинство стендовых сообщений сопровождалось компьютерными презентациями. Сопоставляя тематику докладов, представленных на семинаре, с тематикой исследований, проводящихся в России, в том числе поддержанных РФФИ, необходимо отметить, что работа семинара адекватно отражает основные тенденции. Такой же вывод можно сделать, проводя сравнение отечественных работ с зарубежными. Основная проблема заключается в довольно ограниченном финансировании популяционных исследований, отсутствии кадров и оборудования для использования современных молекулярно-генетических методов. Популяционные семинары играют, несомненно, важную роль в оперативном информировании исследователей по широкому фронту работ и установлению взаимных контактов. На настоящем семинаре намечены планы совместных исследований по изучению популяционной генетики народа коми (сотрудники институтов Коми НЦ УрО РАН и Института биохимии и генетики Уфимского НЦ РАН), организации службы генетических паспортов населения (сотрудники Института генетики и цитологии АН Республики Беларусь и Института биохимии и генетики Уфимского НЦ РАН), изучению стабильности онтогенеза растений и животных (сотрудники Института биологии развития им. Н.К. Кольцова РАН, Нижегородского государственного университета, Марийского государственного университета). Председатель Программного комитета Н.В. Глотов Председатель Оргкомитета А.И. Таскаев Коми научный центр Уро РАН
Методы популяционной биологии ЭФФЕКТЫ НИЗКОИНТЕНСИВНОГО ОБЛУЧЕНИЯ И ПЕРСПЕКТИВЫ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ГЕНЕТИКИ Зайнуллин В.Г.*, Таскаев А.И. Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкарский государственный университет* 167892, г. Сыктывкар, ул. Коммунистическая, 28 Существующее в экологии правило Либиха дополнено многими положениями. К этой группе уточнений закона Либиха примыкает несколько отличное от других правило фазовых реакций «польза - вред»: малые концентрации токсиканта действуют на организм в направлении усиления его функций (их стимулирования), тогда как более высокие концентрации угнетают или даже приводят к смерти. Без сомнения, это правило можно отнести и к действию ионизирующей радиации - облучение в малых и больших дозах вызывает различные биологические последствия (Кузин, 1977, 1986). В определении понятия «эффектов малых доз радиации» существует два аспекта: физический и биологический (Кузин, 1970; Спитковский, 1992; Ро11усоуе, 1998). Согласно физическим представлениям, механизмы взаимодействия излучения с веществом остаются неизменными во всем диапазоне доз. Вероятность повреждения находится в линейной зависимости от дозы облучения, а малые дозы соответствуют такому уровню воздействия излучения на биологическую систему, когда наблюдается только одно событие пролета ионизирующей частицы через заданный биологический объем (Спитковский, 1992). Уже и раньше были известны понятия чувствительного объема и чувствительной мишени, повреждение которых имеет для клетки решающее значение (Ьеа, 1946). В настоящее время общепризнано, что мишенью действия ионизирующего излучения служит ДНК ядра. Микро- дозиметрические расчеты показывают, что суммарная поглощенная доза 0,01 гр. (1 рад) гамма-излучения 60 Со вызывает в среднем три повреждения ядра. При снижении суммарной поглощенной дозы уменьшается количество попаданий в мишень, соответственно, падает и доля пораженных ядер (Вопс1, Гешепйеёеп, В002, 1988). Учитывая вышесказанное, можно точнее определить понятие «малой дозы» облучения: это такая доза облучения, при которой фракция поврежденных чувствительных объектов меньше 0.2 (В < 0.2). Подобный уровень достигается при поглощенной дозе около 0.06 с Гр. (60 мрад) (Карпфель, Драшил, 1989). В ядре-мишени, получившем попадание, абсорбируется энергия, величина которой варьирует в широких пределах: так, для гамма-излучения “Со ее максимальное и минимальное значения отличаются более чем в 100 раз (Воог, Гетепбе^еп, 1988). Средняя энергия, абсорбированная в мишени при одном акте попадания, для данного типа излучения является характерной величиной и она отличается для разных типов излучений с разной величиной ЛПЭ. Поглощение энергии при прохождении ионизирующей частицы через мишень вызывает специфическое и неспецифическое изменения. Первую группу образуют разрывы ДНК, из которых самым существенным является двойной разрыв макромолекулы. Для его возникновения необходимо абсорбировать энергию около 100 эВ в мишени размером примерно 3 нм. В этой точке в определенной степени соприкасаются области действия малых и больших доз облучения. Для возникновения двойного разрыва ДНК необходима вышеприведенная локальная энергия, хотя общая поглощенная доза может быть любой. Остальным изменениям в ДНК (однони- тевые разрывы, повреждения оснований, поперечные сшивки) не уделяется большого значе120 Коми научный центр Уро РАН
Материалы докладов VII Всероссийского популяционного семинара (часть 2) ния из-за их быстро восстановления. Двойные разрывы ДНК тоже восстанавливаются, но гораздо медленнее (НапсЬсйаск, Ма1я, 1980). Здесь мы подходим к другому существенному аспекту действию малых доз — действию излучения с низкой мощностью поглощенной дозы. При этом значительным становится не только само количество попаданий в мишень, но и то, как часто они происходят. Если интервал между двумя попаданиями достаточно велик (около нескольких часов), естественно ожидать, что изменения, вызванные первым попаданием, успеют восстановиться, и действие второго попадания не будет зависеть от предшествующей дозы. Второй аспект «малых доз» - биологический. В диапазоне малых доз наблюдается индукция широкого спектра биологических эффектов, которые включают адаптивный ответ (Пелевина и др., 1999; ЛУоИ, 1998), гормезис (Кузин, 1994; уап \Ууп&аагс1еп е! а1., 1995) и генетическую нестабильность (Но1тЬег§ е! а1., 1998). Это связано с тем, что облучение в малых дозах вызывает активацию некоторых клеточных механизмов, модифицирующих клеточный ответ на повреждающее действие радиации и определяющих нелинейный характер зависимости эффекта от дозы (Зайнуллин, 1988, 1998; Кузин, 1970, 1980; Спитковский, 1992). Поэтому с биологической точки зрения уместнее определить диапазон малых доз облучения по принципу формирования специфических радиобиологических эффектов, отличающихся от эффектов облучения в больших дозах (Кузин, 1980; Ро11у- соуе, 1998). Также необходимо учитывать, что в условиях хронического облучения популяций неизбежно адаптивное изменение спектра радиобиологических реакций, и при более универсальном рассмотрении проблемы малыми дозами облучения (воздействия) можно считать те дозы, которые не вызывают соматической гибели организма (Зайнуллин, 1988). Следует отметить, что ионизирующая радиация влияет на клеточные функции на всех уровнях организации клетки, но повреждение ДНК, как уже отмечалось, представляет наиболее критическое для клетки и организма событие (2Й21е- шска, 1997). Ионизирующая радиация индуцирует повреждения ДНК не только при непосредственном попадании ионизирующей частицы, но и косвенно, через индукцию свободных радикалов (Кузин, 1970, 1980). Эти повреждения имеют неодинаковую природу. При прямом повреждении ДНК индуцируются повреждения оснований, сшивки ДНК-ДНК и ДНК-белок, одно- и двунитевые разрывы ДНК (РНсе, 1993). Мутации, индуцируемые косвенным способом, имеют природу, сходную со спонтанными мутациями, и представлены в основном повреждениями оснований и однонитевыми разрывами ДНК (\Уи е! а!., 1999). Клетка имеет механизмы, защищающие генетический материал от повреждений. Эти механизмы, прежде всего, обеспечивают контроль клеточного цикла (КГоДта, 1997), детоксикацию активных форм кислорода (Сга-да1огс1, Паухев, 1994) и репарацию генетических повреждений (Сойфер, 1997). Наибольшую опасность для клетки представляют двунитевые разрывы ДНК (ЯсШепшка, 1997) , поэтому активация индуцибельных клеточных механизмов происходит именно на этот тип повреждений. Двунитевые разрывы ДНК являются индукторами таких эффектов малых доз облучения, как адаптивный ответ (АУоИ, 1998) и генетическая нестабильность (Могшая, 1998). Другой тип реакций, который наблюдается в диапазоне малых доз, относится к индуцированной генетической нестабильности (Но1тЪег§ е! а1., 1998). Понятие генетической нестабильности можно отнести к широкому спектру клеточных реакций в ответ на облучение. Оно включает изменения кариотипа и генные мутации, амплификацию генов и нестабильность хромосом, нарушение процессов репарации и опухолевую трансформацию клеток (Могшая е! а1., 1997). Механизмы, лежащие в основе формирования генетической нестабильности, еще не выявлены (\УгщЫ, 1998). Допускают, что может существовать субпопуляция клеток (клеток онтогенетического резерва), которые обладают повышенной чувствительностью к облучению и отвечают за формирование эффектов генетической нестабильности (Спитковский, 1992; ЫШе е! а1., 1997; ЫШе, 1999). Поскольку прямого воздействия облучения на ДНК не происходит, предполагают, что в формировании нестабильности могут участвовать эпигенетические механизмы (Мигяапе, 1996). Кроме того, процессу генетической нестабильности способствуют дефицит репаративной активности, нарушения в контроле клеточного цикла и апоптотической гибели клеток (Мигяапе, 1996). Явление генетической нестабильности также может быть обусловлено активностью мобильных генетических элементов. В отличие от непосредственных повреждений ДНК, которые устраняются в процессе репарации или закрепляются в виде стабильных мутаций, активация мобильных генетических элементов может вести к нескольким циклам транспозиций, вызывать образование нестабильных мутаций и способствовать многократному увеличению повреждений ДНК после действия облучения, как это показано на примере транспозона Ми кукурузы (\Уа1Ъо1, 1999). В некоторых случаях высокий уровень транспозон-индуцированной мута- бильности лабораторных линий дрозофилы может быть обусловлен отбором на низкий уровень приспособленности и наблюдаться в течение сотен поколений (Кайданов и др., 1994). 121 Коми научный центр Уро РАН
Методы популяционной биологии Предполагают, что у БгозорНИа те1апо§аз1ег процесс генотипической адаптации к мутагенному действию облучения может сопровождаться активацией мобильных генетических элементов (Мо1йе1, 1987). Роль этих генетических факторов, по-видимому, заключается в комплексном изменении адаптивно важных признаков при встраивании в регуляторные области генов (Гвоздев, Кайданов, 1986; Ратнер, Васильева, 1992). Это показывает, что мобильные элементы играют большую роль в обеспечении связи между генетической изменчивостью и приспособленностью организмов к неблагоприятным условиям существования. Таким образом, особенностью эффектов малых доз облучения является широкий спектр биологических реакций (см. схему). Ответ клетки Хроническое____ воздействие Нестабильность генотипа Изменение уровня генотипической изменчивости Изменения уровня митотической активности Изменение уровня морфофизиологической изменчивости Изменение уровня приспособленности, выживаемости организма Схема. Возможные механизмы ответа клетки на облучение в малых дозах. Главные последствия малых доз радиации на многоклеточный организм, прежде всего, являются неблагоприятными. Сюда относятся генетические изменения, повышенная мутабиль- ность и уровень канцерогенеза, а также возможная дегенерация клеток и их ускоренное старение. Однако возможно «благоприятное» действие малых доз, так называемый радиационный гормезис. В литературе имеется достаточно много результатов, свидетельствующих о гормезисе. Например, более низкий процент возникновения опухолей в областях с повышенным радиационным фоном, благоприятные изменения в иммунной системе после воздействия малых доз облучения, изменения роста растений и т.д. (ДУасйвтапп, 1987). К оценке этих результатов следует подходить весьма осторожно. Часто сложно отличить первичный, положительный эффект радиации от результатов, вызванных регуляторными процессами, которые, очевидно, индуцированы повреждением других тканей. В 1962 г. была показана возможность использования Огозор/гИа те1апо§с^ег в изучении генетических эффектов облучения в малых дозах (Глембоцкий, Абелева, Лапкин, 1962). Частота индуцированных облучением в дозе 0.2 Гр рецессивных сцепленных с полом летальных мутаций (РСПЛМ) превышала контрольный уровень в 2-4 раза. Без сомнения, это одна из неРегистрируемый эффект многих публикаций того времени, в которой была продемонстрирована большая эффективность облучения в малых дозах, нежели величина, полученная при простой экстраполяции величины эффекта, обнаруживаемого при облучении в больших дозах на малые. Сегодня многие исследования свидетельствуют о высокой генетической эффективности облучения в малых дозах (Зайнуллин, 1997). Согласно НК ДАР ООН, для излучений с низкой величиной линейной потери энергии (ЛПЭ) малыми дозами радиации можно считать дозы, не превышающие 0.2 Гр (1Ж8СЕАК, 1994). Считают, что облучение в дозах такой мощности не приводит к вредным для организма последствиям, поскольку наблюдаемый уровень индуцированных повреждений ДНК в несколько раз ниже уровня спонтанных повреждений (Гешепйе^еп е! а1., 1999). Однако, как мы уже отметили выше, облучение в дозе 0.2 Гр приводит к достоверно значимому повышению частоты рецессивных мутаций у дрозофилы, что показывает на существование сложных эпигенетических механизмов, модифицирующих радиобиологические реакции на воздействие в диапазоне малых доз (Сгговоузку, 1999; Ма&азамга, ЫШе, 1999). Итак, отсутствие порога в индукции генетических нарушений под действием облучения не вызывает сомнений. С другой стороны, очевидно, что облучение в малых дозах приводит к индукции некоторых генетических и эпигенетических механизмов, могущих существенно модифицировать результат действия облучения, а это вызывает сложность предсказания величины конечных радиобиологических реакций. Основным компонентом в определении эффектов облучения в малых дозах является индуцированная генетическая нестабильность, на фоне которой возможна реализация разнообразных радиобиологических реакций, приводящих как к стимуляции, так и значимому угнетению жизненно важных функций клетки или организма. Первые работы по генетике облученных популяций дрозофилы были выполнены еще в 1950-х гг. (1Уа11асе, 1956, 1958, 1986). Была установлена несколько большая жизнеспособность облученных гетерозигот в дозе 5 Гр (мощность 5.1 сГр/ч) линий в сравнении с необлу- ченными гомозиготами. Однако эти результаты не были подтверждены работами иных исследователей (Ми11ег, Ра1к, 1961), показавших, что почти во всех случаях особи, гетерозиготные по облученной второй хромосоме, имели понижен122 Коми научный центр Уро РАН
Материалы докладов VII Всероссийского популяционного семинара (часть 2) ную жизнеспособность по сравнению с контролем. Причиной таких различий могли быть отличия в характере воздействия - пролонгированное в первом случае и фракционированное - во втором, механизмы действия хронического и фракционированного воздействия на клетку могут быть разными. В экспериментах по исследованию эффектов хронического облучения в малых дозах мы использовали лабораторные линии БгозоркИа те1а- по§аз1ег и природные популяции дрозофилы, отловленные в зоне аварии на Чернобыльской АЭС. На основании полученных в 1986, 1987, 1989 гг. результатов были сделаны выводы о том, что хроническое облучение в малых дозах приводит к заметному изменению величины генетического груза (Зайнуллин, 1997). Последующие эксперименты, с использованием лабораторных и мутантных по репарации, апоптозу линий дрозофилы, показали неоднозначность их реакции на облучение в малых дозах. Направление и величина реакции во многом определялись как генотипом линии, так и ее цитотипом, определяемым по паттерну мобильных генетических элементов (Зайнуллин и др., 2001; Зайнуллин, Шапошников, Юранева 2000; Зайнуллин, Москалев, 2000, 2001, 2002; Шапошников, Зайнуллин, 2000). Рассмотренная нами проблема особенностей реакции организмов на облучение в малых и больших дозах далека от полного разрешения. Более того, обостренная аварией на Чернобыльской АЭС, она обозначила требующие разрешения задачи экологической генетики — вопросы взаимосвязи хронического воздействия и генетических процессов в популяциях, точнее, эволюционную значимость хронического воздействия фактора низкой интенсивности. В современной генетической теории эволюции предполагается, что наследственное разнообразие развивающейся популяции настолько велико, что всегда найдутся такие генотипы, которые обеспечат своим носителям лучшую приспособленность к изменившимся условиям среды. Мутационная изменчивость, возникающая случайно и ненаправленно, на приспособленность организма не влияет и не зависит от существующих на данный момент времени условий среды. Иными словами, механизмы возникновения нового генотипа, по сути дела, предполагают, что варианты, оказавшиеся в исследуемый момент адаптивными в данной среде, существовали в популяции и раньше, до воздействия данного фактора. Если признать возможным эпигенетическое наследование и что облучение в малых дозах приводит к индукции эпигенетических механизмов, то мы приходим к принципиально иной схеме возникновения новой адаптивной изменчивости в популяции. А именно, новое проявление признака, обеспечивающее приспособленность его носителей к изменившимся условиям окружающей среды, может возникнуть в момент воздействия средового фактора и включиться в генотип популяции. Такое изменение возможно при пролонгированном, хроническом воздействии. Несмотря на низкую частоту подобного события, его эволюционная значимость высока - этот признак может быть адаптивным, т.е. приспособительным. К тому же частота появления «адаптивных» мутаций столь мала, что может оказаться маловажной в сравнении с частотой возникновения новых, адаптивных, обусловленных процессами эпигенеза признаков (2Ыуо1оу- зку, 2002). Наследование признаков, возникших как реакция организма на новые условия среды, повышают приспособленность особей и поэтому сразу включаются в адаптивный потенциал вида. Работа частично поддержана грантом УР. 07.01.040 «Эколого-генетические эффекты низкоинтенсивного хронического облучения Бгозо- ркИа те1апо§аз1:ег». Литература Гвоздев ВЛ., Кайданов Л.З. Геномная изменчивость, обусловленная транспозициями мобильных элементов, и приспособленность особей БгозоркИа те1апо§аз1ег // Журн. общ. биол., 1986. Т. 47, № 1. С. 53-63. Глембоцкий Я.Л., Абелева ЭЛ., Лапкин ЮЛ. Влияние малых доз ионизирующей радиации на частоту возникновения сцепленных с полом рецессивных летальных мутаций у дрозофилы // Радиационная генетика. М.: АН СССР, 1962. С. 312-318. Зайнуллин В.Г. «Доза-эффект» в исследовании эффектов малых доз радиации // Радиочувствительность растений и животных биогеоценозов с повышенным естественным фоном радиации. Сыктывкар: Тр. Коми НЦ УрО АН СССР, 1988. № 97. С. 93-97. Зайнуллин В.Г. Генетические эффекты хронического облучения малыми дозами ионизирующего излучения // Дис. ... докт. биол. наук в форме науч. докл. М., 1997. 48 с. Зайнуллин В.Г. Генетические эффекты хронического облучения низкой интенсивности // Радиац. биол. Радиоэкол., 1997. Т. 37, Вып. 4. С. 555-559. Зайнуллин В.Г. Генетические эффекты хронического облучения в малых дозах ионизирующего излучения. СПб.: Наука, 1998. 105 с. Зайнуллин В.Г., Москалев АЛ., Шапошников М.В., Таскаев ЛИ. Современные аспекты радиобиологии БгозоркИа те1апо§аз1ег . Апоптоз и старение // Радиац. биол. Радиоэкол., 1999. Т. 39, вып. 1. С. 49-57. Зайнуллин В.Г., Москалев АЛ.. Изменчивость продолжительности жизни имаго дрозофилы в 123 Коми научный центр Уро РАН
RkJQdWJsaXNoZXIy MjM4MTk=