Ультрафиолетовые лучи и ионизирующее излучение

Ближний ультрафиолет (уф) — излучение с длиной волн 400—320 нм—даже в невысоких дозах оказывает на бактерии определенное действие. Так, при освещении ближним УФ под­вижных клеток Е. coli или Salmonella typhimurium сначала наблюдается увеличение частоты кувырканий клеток, т. е. репеллентный эффект, но затем кувыркания полностью прекраща­ются, и в конце концов наступает паралич жгутиков, т. е. свет нарушает механизмы движения и таксиса. При этом хромофо­ром является флавопротеин.

В сублетальных дозах ближний УФ вызывает замедление роста культур, главным обраюм за счет удлинения лаг-фазы. Скорость деления клеток так»е несколько снижается, подавля­ется способность бактерий поддерживать развитие фага и уг­нетается индукция ферментов. Эти эффекты определяются в основном поглощением УФ-лучей 4-тиоуридином — необычным основанием, присутствующим в 8-й позиции у многих тРь| прокариот (но не у эукариот). Наибольший эффект оказывает свет длиной волны около 340 нм. Возбужденный светом 4-тиоу, ридин образует сшивки с цитозином, находящимся в 13-м по. ложении в тРНК, что препятствует связыванию тРНК с амино. кислотами и приводит к увеличению образования гуанозинте, трафосфата на рибосомах и к приостановке синтеза РНК и соответственно белка. У Bacillus subtilis обнаружена и другая чувствительная к ближнему УФ система, у которой восприни­мающим свет хромофором является менахинон.

При относительно высоких дозах облучения ближним Уф наблюдаются мутагенный и летальный эффекты. При этом на­рушения ДНК вызывают не столько сами УФ-лучи, сколько различные другие возбужденные светом молекулы. И в этих эффектах имеет значение поглощение ближнего УФ 4-тиоуриди-ном. Мутагенное и летальное действие ближнего УФ в значительной степени зависит от присутствия кислорода.

Летальный эффект при облучении ближним УФ может быть связан с повреждением не только ДНК, но и мембран, в част­ности их транспортных систем. Чувствительность к ближнему УФ бактерий может сильно зависеть от стадии роста культуры, что не наблюдается в случае действия дальнего УФ.

Эффект действия ближнего УФ может быть опосредован фотосенсибилизатором. Так, в присутствии акридина у Е. coil ближний УФ вызывает нарушения как ДНК, так и внешней л цитоплазматической мембран, в результате чего клетки стан вятся чувствительными к лизоц,иму, детергентам, осмотическог шоку.

Ближний УФ может при невысоких дозах облучения вызвать фотопротекцию, т. е. снижать биологический эффект и следующего облучения дальним УФ. Представления о механизме этого эффекта противоречивы. При относительно высоких дозах облучения ближним УФ может наблюдаться и противоположный эффект, т. е. усиление действия последующего облучения дальним УФ.

Средний УФ —это излучения с длинами волн 320—290 н и дальний УФ —излучения с длинами волн 290—200 нм. билогические эффекты действия среднего и дальнего УФ сходны. Как уже было упомянуто, при облучении солнечным светогибель бактерий связана в основном с действием УФ. Однако нужно иметь в виду, что нижний предел длины волны свет; попадающего на земную поверхность, около 290 нм. В мной численных исследованиях используются источники света с меньшей длиной волны. Считают, что резистентность организма солнечной радиации, как правило, соответствует его устойчивости к неионизирующему излучению от искусственных источников.

ДНК интенсивно поглощает УФ в области 240—300 нм, т. е. области среднего и дальнего УФ, с пиком поглощения в области 254 нм. Этим объясняется высокая мутагенная и летальная эффективность облучения средним и дальним УФ. Образо­вание пиримидиновых димеров в ДНК является основным механизмом, обусловливающим летальный и мутагенный эффекты. В состав диаметров могут входить два соседних тиминовых или цитозиновых остатка либо один тиминовый и один цитозиновый остатки. Под влиянием УФ-облучения происходит также гидро-ксилирование цитозина и урацила, образование цитозин-тиминовых аддуктов, сшивок ДНК с белком, формирование попереч­ных сшивок ДНК, разрывы цепей и денатурация ДНК. Значе­ние таких повреждений возрастает при повышении интенсивно­сти облучения.

Ионизирующие излучения составляют определенный компо­нент естественной радиации, определяемый нестабильными изотопами, постоянно находящимися в почве, атмосферных осадках. В областях залегания радиоактивных минералов есте­ственный фон радиации повышен. Изотопы могут попадать в живые организмы и тогда они подвергаются внутреннему облу­чению. Бактерии иногда способны накапливать некоторые эле­менты в очень больших количествах.

Ионизирующее излучение возникает также под влиянием космических лучей. Космическое пространство служит источни­ком первичных космических лучей. Первичные космические лучи дают начало вторичным, воздействию которых и подвер­гаются живые организмы. Интенсивность такого излучения за­висит от географической широты, но особенно от высоты над-уровнем моря, и приблизительно удваивается каждые 1500 м, В период солнечных вспышек фон космической радиации повы­шен. Искусственное ионизирующее излучение возникает в ре­зультате испытаний -ядерного оружия, работы АЭС, примене­ния радиоизотопов в медицинских, научных и других целях. Наличие таких источников—причина того, что микроорганиз­мы в наши дни подвергаются весьма высоким дозам облучения;

Ионизирующие излучения также вызывают повреждения ДНК, которые принято подразделять на прямые и опосредо­ванные, возникающие в связи с образованием свободных радикалов. Повреждения преимущественно представляют собой од­ноцепочечные или двухцепочечные разрывы молекулы ДНК.

Радиорезистентность различных бактерий варьирует в очень широких пределах (рис. 2) и контролируется многими генами. Сравнительно легко могут быть получены мутанты, более ра-Диорезистентные или радиочувствительные (рис. 3). Степень радиорезистентности зависит прежде всего от работы различ­ных систем репарации и регуляции; степени устойчивости орга­низма к излучениям различных типов, особенно УФ и ионизирующим излучениям, могут не совпадать. Различные репарационные системы бактерий будут рассмотрены нами ниже.

В некоторых случаях удается обнаружить связь радиоустойчивости бактерии с особенностями ее местообитания. Так, микроорганизмы, выделенные из родоновых минеральных источников, оказываются в 3—10 раз более резистентными к радиации, чем организмы тех же видов, выделенные из нерадиоактивной во­ды. В охладительных системах ядерных реакторов, где средняя доза излучения превышает 10⁶ ФЭР (физический эквивалент рентгена), обитают разные бактерии, в частности представите­ли рода Pseudomonas. В большинстве случаев, однако, трудно найти разумное объяснение адаптационного значения высокой радиоустойчивости некоторых бактерий. Особенно высокая радио устойчивость некоторых кокков, выделенных из облученных продуктов. Очевидно, что в данном случае облучение могло служить фактором отбора, но не фактором, вызвавшим адаптацию. Так, доза УФ, необходимая для инактивации 90% кле­ток УФ-резистентного штамма Е. coli, составляет около 1000 эрг-мм-², в то время как для достижения такого же эф­фекта у Deinococcus radiodurans требуется доза в 10000— 15000 эрг-мм"² или 5-Ю⁵ рад в случае радиоактивного облуче­ния. Еще большей устойчивостью к УФ- и у-излучению облада­ет другой кокк— Deinococcus radiopMIus. Как уже упомина­лось, уровень радиорезистентности определяется главным обра-, зом степенью развитости репарационных систем. Deinococcus radiodurans, видимо, способен репарировать даже двухнитевые ДНК, летальные для большинства микроорганизмов, Степень радиоустойчивости некоторых бактерий значительно повышает предельный уровень радиации, с которым организмы могут сталкиваться в природе.

Наиболее вероятным объяснением этого несоответствия может быть предположение о том, что радиоустойчивость—лишь одно из многообразных проявле­ний действия систем широкого назначения. Правильнее было бы говорить о степени устойчивости бактерий к определенным нарушениям в структуре их клеток, чем об устойчивости к воз­действию определенных факторов среды, поскольку одинаковые нарушения могут быть вызваны разными причинами. Это от­носится преждевсего к системам репарации повреждений ДНК.

СОЛНЕЧНАЯ АКТИВНОСТЬ

Существенным фактором, воздействующим на физические условия обитания организмов на Земле, является солнечная активность. Ее изменения влияют на интенсивность электромаг­нитного излучения Солнца. Коротковолновое излучение почти, полностью поглощается в верхних слоях атмосферы, влияя на состояние ионосферы Земли и в конечном счете на фоновые электромагнитные поля у поверхности Земли. Все околосолнеч­ное пространство заполнено водородной плазмой, непрерывно истекающей из короны Солнца (солнечный ветер). С полуден­ной стороны магнитное поле Земли останавливает солнечный ветер, образуется стоячая ударная волна. С ночной стороны си­ловые линии геомагнитного поля образуют длинный шлейф, простирающийся далеко за орбиту Луны. Частицы солнечного ветра не попадают на поверхность Земли, но Земля оказывает­ся в области, получившей название магнитосферы. Даже сла­бые «порывы» солнечного ветра приводят к возмущениям цело­го ряда факторов внешней среды на поверхности Земли. Важ­ную роль при этом играет межпланетное магнитное поле, име­ющее солнечное происхождение. В проекции на плоскость гелиоэкватора силовые линии межпланетного магнитного поля имеют вид раскручивающихся спиралей. Направление силовых линий сохраняется в течение некоторого времени, а затем скач­кообразно меняется на противоположное, чтобы спустя не­сколько дней тоже скачком принять прежнее направление. Обычно за один оборот Солнца (27 дней) наблюдается два или четыре таких перехода. Соответственно говорят о секторах межпланетного магнитного поля. Прохождение секторной грани­цы близ Земли приводит к изменениям в типе циркуляции земной атмосферы, мощности грозовой активности и т.п. После мощных хромосферных вспышек возрастает интенсивность солнечного космического излучения, что приводит к возрастанию потока вторичных космических лучей у поверхности Земли. При хро­мосферных вспышках наблюдаются всплески рентгеновского из-

АУТЭКОЛОГИЯ БАКТЕРИЙ

Аутэкология (греч. autos — сам) — раздел экологии, изучающий действие различных абиотических факторов среды на отдельные виды и популяции. Различают физические и химические факторы, некоторые из них действую всегда, например температура, рН среды, а другие — излучения, различны химические соединения, могут быть или отсутствовать. Значение абиотических факторов для жизнедеятельности разных форм неодинаково. Так, развитие облигатно фототрофных бактерий зависит от освещения, для бактерии с другим типом питания свет обычно является фактором более или менее случайным.

При количественной оценке действия того или иного фактора обычно стараются установить его минимальное и максимальное значения, диапазон между ними составляет предел толерантности организма. В отношении многих факторов можно говорить лишь об их максимальном значении. Существуют пределы значений факторов среды, допускающие активную жизнедеятельность бактерий, и пределы, в которых организм может длительно время сохранять жизнеспособность, но активно не развивается. Это в первую очередь относится к температуре и водной активности.