РАДИАЦИОННАЯ БИОЛОГИЯ. РАДИОЭКОЛОГИЯ, 2008, том 48, № 2, с. 203-211
КОМБИНИРОВАННЫЕ ^^^^^^^^^^^^ ВОЗДЕЙСТВИЯ
УДК 57.042:57.084.2:539.1.04
ПРОБЛЕМЫ КОЛИЧЕСТВЕННОЙ ОЦЕНКИ БИОЛОГИЧЕСКИХ ЭФФЕКТОВ СОВМЕСТНОГО ДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ РАДИАЦИОННОЙ И ХИМИЧЕСКОЙ ПРИРОДЫ
© 2008 г. Т. И. Евсеева1*, С. А. Гераськин2, Т. А. Майстренко1, Е. С. Белых1
1 Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар 2 ВНИИ сельскохозяйственной радиологии и агроэкологии РАСХН, Обнинск
В работе дан анализ методов оценки совместного действия факторов радиационной и/или химической природы на биологические объекты. Из рассмотренного материала следует, что применяемые методы нуждаются в доработке и адаптации к случаям анализа данных, получаемых при изучении реакции природных популяций растений и животных. Рассмотрены основные принципы оценки относительного вклада техногенных факторов в наблюдаемый уровень изменчивости природных популяций.
Сочетанное действие, синергизм, математические модели.
Техногенное воздействие на биосферу стало одним из значимых факторов, определяющих условия существования на нашей планете. В ряде регионов России содержание радиоактивных и химически токсичных веществ в компонентах природной среды превышает безопасные пределы. Площадь загрязненной радионуклидами зоны на территории Восточно-Уральского радиоактивного следа составляет 25 тыс. км2. В зону радиоактивного загрязнения после аварии на ЧАЭС попали территории 21 субъекта Федерации, общая площадь радиоактивного следа составила 150 тыс. км2. В 2005 г. на территориях пяти районов Брянской области с плотностью загрязнения почвы 137Св более 15 Ки/км2 максимальные значения мощности экспозиционной дозы у-излуче-ния достигали 19-58 мкР/ч [1].
Зоны техногенных выбросов вокруг промышленных комплексов охватывают площадь 18 млн. га, что составляет 1% общей площади Российской Федерации. В 140 городах (71% находящихся под наблюдением городов) уровень загрязнения воздуха оценивается как очень высокий и высокий [1]. Площадь загрязненного тяжелыми металлами почвенного покрова составляет 3.6 млн. га. Более 1 млн. га почв сельскохозяйственных угодий загрязнено особо токсичными элементами (I класс опасности) и около 2.3 млн. га - токсичными (II класс опасности). Постоянно синтезируют новые химические соединения, отдаленные последствия воздействия которых на биосферу не
* Адресат корреспонденции: Республика Коми, 167982 Сыктывкар, Коммунистическая, 28, Институт биологии Коми НЦ УрО РАН, тел.: (8212) 43-04-78; e-mail: repei66@ram-bler.ru.
предсказуемы. Поэтому существует настоятельная потребность в разработке единой методологии оценки и контроля качества окружающей среды с целью предотвращения ущерба для здоровья человека и недопущения необратимых изменений в экосистемах, истощения природных ресурсов, исчезновения наиболее уязвимых видов животных и растений.
Традиционный подход к решению этой проблемы основан на проведении дозиметрических измерений и физико-химическом анализе проб воздуха, воды, почвы и сопоставлением концентраций определяемых загрязняющих веществ с предельно допустимыми значениями. Однако такой подход обладает рядом существенных недостатков и ограничений [2, 3], которые становятся очевидными при попытке применить их к анализу реальной экологической ситуации. Действительно, количество присутствующих и вновь образующихся в окружающей среде токсичных и мутагенных веществ всегда значительно больше, чем могут идентифицировать имеющиеся средства и методы контроля техногенного воздействия на природу. При этом даже исчерпывающая информация об уровнях и формах нахождения загрязняющих веществ в окружающей среде не позволяет оценить ожидаемые токсический и мутагенный эффекты при наиболее часто встречающейся ситуации - одновременном воздействии нескольких неблагоприятных факторов, в силу их возможного синергического и антагонистического взаимодействия.
Синергические ответные реакции биологических систем наблюдаются [4-11] при совместном действии разных по своей природе факторов:
ионизирующего излучения с радионуклидами, нерадиоактивными металлами и гипертермией, металлов с радионуклидами, лазерного излучения и магнитного поля и т.д. Причем в диапазоне низких дозовых нагрузок синергические эффекты наблюдаются чаще, чем в случае сильных воздействий, когда возможности биологических систем к адаптации исчерпаны и ее отклик следует за приращением интенсивности действующих факторов. Поэтому есть основания при разработке теоретических основ и практических методик защиты биоты от техногенных воздействий учитывать возможность возникновения синергических эффектов. Однако единой методологии анализа реакции биологических систем на совместное действие факторов не существует. В каждом исследовании применяют лишь один из возможных методов, наиболее подходящий для анализа той информации, которая была получена в определенных условиях проведения эксперимента. Поэтому существует необходимость систематизации и анализа подходов к оценке эффектов совместного действия факторов, что явилось целью настоящей работы.
ПРОБЛЕМА ОЦЕНКИ ЭФФЕКТОВ СОВМЕСТНОГО ДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ
Оценка биологических эффектов совместного действия факторов наталкивается на ряд принципиальных проблем [12]. Это проблема выборки, идентификации формы дозовой зависимости, отсутствие единой методологии анализа реакции биологических объектов на многофакторное воздействие. Отметим, что если для описания дозовой зависимости в условиях влияния одного фактора достаточно N экспериментальных точек, то для выявления зависимости "доза-эффект" с той же точностью в случае воздействия п повреждающих агентов, необходимо исследовать N вариантов. Если же учесть, что для факторов как радиационной, так и химической природы в диапазоне малых доз и концентраций, представляющих наибольший интерес для экологического нормирования, статистически достоверное выявление биологических эффектов требует выборок очень большого объема [13], то проблема представляется трудноразрешимой. Поэтому на практике необходимо ограничивать исследования диапазоном низких доз, в котором существует [7, 9, 10] наибольшая вероятность проявления синергических и антагонистических эффектов, а при анализе данных использовать статистические критерии и методы, специально предназначенные для работы с малыми выборками и малыми инкрементами показателей, методы понижения дисперсии.
Для решения проблем, возникающих в ходе исследования реакции биологических систем на совместное действие факторов в малых дозах,
предложена [14] методика оценки статистических характеристик, которая включает анализ резко выделяющихся наблюдений и выбраковку недостоверной информации, методы идентификации закона распределения и оценки его параметров, определение числа измерений, необходимых для оценки параметров вероятностной модели с заданной точностью. Одним из удобных и простых в реализации методов понижения дисперсии экспериментальных данных является бутстреп-ме-тод [15], успешно использованный для анализа данных эксперимента в 30-километровой зоне Чернобыльской АЭС [12] и восстановления формы дозовой зависимости в области малых доз ионизирующего излучения [16].
Нелинейность ответной реакции биологических объектов при действии одного фактора может накладываться на сложную зависимость "доза-эффект" другого. Возможно, именно суперпозиция таких зависимостей является одной из причин повышенной частоты проявления синергических и антагонистических эффектов при взаимодействии тяжелых металлов с ионизирующим излучением в малых дозах [7, 9] или радионуклидами [10]. Нерешенность вопроса о форме зависимости "доза-эффект" в области малых значений доз факторов радиационной и химической природы существенно осложняет прогнозирование эффекта при их совместном действии. Даже в случае такого хорошо изученного фактора, как ионизирующее излучение, характер дозовой зависимости для многих регистрируемых в эксперименте реакций клеток в области малых и близких к ним доз до сих пор остается под вопросом. Для таких эффектов, как цитогенетические нарушения и гибель клеток, как правило, в области низких дозовых нагрузок наблюдают дозонезависимые участки [9, 16-18]. Изменение метаболических параметров имеет, по-видимому, полимодальный характер [19].
В случае химических соединений связать экспозицию с наблюдаемым эффектом гораздо труднее, поскольку их концентрация в клетке сложным образом зависит от содержания в среде и должна измеряться непосредственно в мишенной биологической структуре. Сделать это современными средствами и методами химического анализа не всегда возможно, поэтому оценки концентрации в таких случаях, как правило, основываются на предположениях относительно механизмов поступления, удержания, метаболизма и выведения исследуемого иона или химического вещества. Одним из наиболее сложных для прогнозирования случаев является оценка биологических эффектов сочетанного действия тяжелых естественных радионуклидов (ТЕРН) с химическими токсикантами или ионизирующим излучением, поскольку ТЕРН всегда сопровождаются широким спектром продуктов их радиоактивного
распада, каждый из которых характеризуется своим значением химической токсичности, периодом полураспада, спектром и энергией излучения. В силу этого до сих пор остается не до конца понятно, вносят ли ТЕРН больший вклад в наблюдаемый экспериментально эффект как химические токсиканты или как излучатели.
Проблемы чисто биологического и технического порядка усугубляются отсутствием единой методологии анализа отклика биологической системы на многофакторное воздействие. Существующие математические методы анализа результатов многофакторных экспериментов носят формальный характер и не учитывают специфики решаемой проблемы, характеризующейся такими особенностями как относительно небольшие объемы выборок, малые инкременты, нелинейность зависимости "доза-эффект" и значительный вклад синергических и антагонистических эффектов в ответную реакцию биологических систем.
МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТОВ СОВМЕСТНОГО ДЕЙСТВИЯ ФАКТОРОВ
Формально оценка реакции биологической системы на совместное действи
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.