Генетический эффект действия вибрации и звука

Реферат

по биологии

на тему:

"Генетический эффект действия вибрации и звука"

2009

Академик Н.П. Дубинин и О. Л. Канавец были одними из первых, кто начал исследования генетического аппарата животных, побывавших в космосе. В 1961 г. Ю. Гагарин впервые совершил орбитальный космический полет. На этом корабле впервые в эволюции животного мира в космосе побывали плодовые мушки -- дрозофилы. Исследования показали, что в их хромосомном аппарате более чем в 3 раза повысился процент нерасхождения половых хромосом. Если в контроле он составлял 0.048, то у особей, побывавших в космосе, -- 0.19. Исключают возможное действие радиации по двум причинам: во-первых, доза радиации ничтожно мала, в земных условиях она не вызывает подобных явлений: во-вторых, эффект действия закончился бы через 6 сут, тогда как явление наблюдалось и через 18 сут после полета.

Генетический анализ дрозофил, находившихся на втором корабле-спутнике, показал, что имело место статистически достоверное увеличение числа сцепленных с полом рецессивных мутаций. Было также отмечено, что сперматиды в условиях космического полета обнаруживают большее число мутаций, чем зрелые спермин. Характер мутации является точковым. Высказывалось предположение, что генетический эффект полета может быть связан с действием вибрации и ускорения. Позднее, проведя те же генетические исследования на дрозофилах после полета объекта на космических кораблях «Восток-2», «Восток-3» и «Восток-4», не обнаружили эффекта сцепления с полем рецессивных летальных мутаций.

Не будем приводить доводы за и против аргументации. Отметим лишь малую вероятность молчаливого предположения, что на всех спутниках и кораблях динамические и другие факторы, сопутствующие полету, были совершенно идентичными. Нам кажется особенно маловероятным, с точки зрения механики, чтобы на кораблях разной массы и различных по деталям конструкций параметры вибрации оказались совершенно одинаковыми. Но если динамические характеристики на разных кораблях различны, то и эффект их биологического действия должен быть различен.

Проведена серия цитологических исследований возникновения доминантных летальных мутаций у дрозофил, находившихся на корабле-спутнике. Установлено, что у лягушек в гаметах, находившихся во время полета на стадии зрелых спермиев, изменений в частоте возникновения мутаций нет. Однако если гаметы находились на стадии сперматид, то наблюдается статистически достоверное увеличение числа мутаций. Далее, аналогичное исследование проводилось в земных условиях, объект подвергся вибрации с частотой 70 Гц и амплитудой 0.4 мм в течение 15 мин. Результаты оказались положительными, наблюдается достоверное увеличение числа доминантных летальных мутаций, причем эффект имел место как на сперматидах, так и на зрелых спермиях. Касаясь причин гибели яиц у самок, оплодотворенных самцами, подвергавшимися действию комплекса факторов космического полета, отмечают возможность нарушения мейоза, в частности нерасхождения хромосом были предприняты специальные исследования для выяснения возможности возникновения под влиянием вибрации кроссинговера. Полученные данные подтверждают факт повышения кроссинговера под влиянием вибрации примерно на 0.3%. Было исследовано и комбинированное действие вибрации и гамма-облучения, что в некотором роде имитирует условия космического полета. Результаты оказались весьма любопытными, хотя пока и малопонятными. Если подвергать объект вначале вибрированию, а затем -- облучению, то число перекрестов повышается в среднем на 0.27%. Если же, наоборот, вначале воздействовать облучением, а затем -- вибрацией, то кроссинговер увеличивается на 0.68%. Эффект увеличивается и в случае комбинированного действия вибраций и ускорения. Были проведены цитологические исследования клеток костного мозга и селезенки мышей, находившихся на втором корабле-спутнике. Исследования проведены на 2-е, 3-й, 5-е, 9, 30 и 60-е сутки после полета. Было обнаружено увеличение числа хромосомных нарушений. Так, в контроле спонтанные хромосомные нарушения в среднем составляют 3.16%, а через двое суток после полета -- 7.12%, через трое -- 8.36%, через пять -- 7.88%, через девять -- 7.96%, через 30 -- 10.78% и через 60 суток -- 7.63%. Поражает длительность эффекта после действия, причем до 30 сут наблюдается хотя и незначительное, однако заметное наращивание эффекта. Радиацию следует исключить, так как она была в пределах нормы и не могла вызвать заметного биологического эффекта. Подвергая мышей вибрации частотой 70 Гц с амплитудой 0.4 мм в течение 15 мин и повторяя интервалы времени исследований те же, что и в случае после действия космического полета, провели цитологические исследования на 2, 5, 9-е и 3-й сутки после вибрации. Было обнаружено слипание хромосом на стадии анафазы. Если спонтанное слипание хромосом составляет 5.7%, то через 30 мин процент слипания повышается до 10%, через час -- до 16, а через сутки -- до 20%. Далее идет постепенное уменьшение. Однако на 30-е сутки процент слипания все еще остается повышенным. Кроме слипания хромосом наблюдается нарушение хромосом типа мостов, иногда даже наблюдалась фрагментация. Аналогичные явления слипания хромосом наблюдались после вибрации и в клетках селезенки. В контроле спонтанные слипания составляют около 2%, а после вибрации -- до 20%. Эти исследования, проведенные в земных условиях, дают основание говорить о том, что вибрация, по-видимому, является одной из главных причин указанных изменений.

Это были первые цитогенетические исследования, связанные с космическими полетами. Естественно, выводы нуждались и до сих пор еще нуждаются в тщательной проверке, так как их категоричность настораживает исследователей, и, будь они достоверными, они не могут не вызвать озабоченности ученых за биологическую судьбу не только космонавтов, но и прежде всего человека в земных условиях.

Дальнейшие цитологические исследования, проведенные на тех же объектах, были посвящены проблеме совместных действий вибрации с другими физическими факторами -- радиацией и ускорением.

В плане космических исследований несомненный интерес представляют исследования комбинированного действия вибрации и радиации. Изучали комбинированное действие облучения дозой 50 и 100 р и вибрации 60 и 70 Гц и амплитудой 0.25 мм. Мыши подвергались вибрации как до, так и после облучения. Пожалуй, наиболее оригинальным из этих исследований следует считать тот факт, что вибрация ослабляет эффект действия радиации. Так, облучение вызывает нарушение митоза в 47.23% случаев, а при вибрации, сочетанной с облучением, -- только в 33.55%. Однако частота слипания хромосом при совместном действии вибрации и радиации увеличивается по сравнению с данными, полученными при действии этих факторов порознь.

Заслуживает внимания тот факт, что обнаруживается защитный эффект вибрации от радиации, но только в том случае, если вибрации подвергается животное сразу после облучения. Этот эффект уже не обнаруживается, если вибрировать животных через 24 ч после облучения. Если вначале вибрировать, затем облучать, то эффект кажется более выразительным: снижение частоты хромосомных перестроек при одном облучении составляет 11.4%, а с предварительной вибрацией -- лишь 7.1%.

Проведены исследования митотической активности и хромосомных перестроек в клетках костного мозга мышей, подвергавшихся вибрации в течение 15 и 60 мин.

Исследования проведены через 30 мин, 4 ч, 1, 2, 5, 10 и 30 сут после вибрации. Как оказалось, в большинстве случаев достоверный эффект действия вибрации наблюдается лишь при применении частоты 70 Гц. Митотическая активность угнетается уже через 30 мин после вибрации, остается пониженной в течение последующих 10 сут. Наряду с митозами исследовалось число хромосомных перестроек: появление мостов, фрагментация, слипания. Здесь отмечены следующие явления. Через 30 мин после четырехчасовой вибрации наблюдается достоверное число хромосомных нарушений; далее, через сутки, число нарушений оказывается в пределах нормы, однако через 2 и 5 сут вновь достоверно повышалось. Проявляется волнообразный характер реакции на действие вибрации.

Остер помещал личинки дрозофил на американский биосателлит, находящийся в полете 42 ч. Во время полета личинки искусственно облучали гаммарадиацией в несколько сот раз. Такой же дозой облучалась контрольная проба на земле. Исследования показали, что если личинки, находившиеся на биосателлите, были на ранней стадии зрелости, с многими делящимися клетками, с интенсивным метаболизмом, то созревание особи ускоряется; наблюдаются разрывы хромосом, повышается частота рецессивных мутаций, чаще наблюдается нерасхождение хромосом. В личинках более поздней стадии зрелости аналогичных изменений либо не наблюдается, либо они менее выражены.

Для генетических исследований, связанных с космическими полетами, широко используются бактерии и дрожжи. Так, исследовали лизогенные культуры кишечной палочки штамма К-12 и культуры клеток человека, пробы которых находились на космических кораблях «Восток»-2, -3, -4, -5 и -6. Обычно в земных условиях при облучении дозой до 500 р лизогенные бактерии образуют инфекционные фаги. Однако на кораблях «Восток» интенсивность радиации была примерно на 2 порядка ниже. Тем не менее образование лизогенного фага имело место.

Следует отметить два заслуживающих внимания факта: во-первых, вибрация и затем облучение вызывают более сильный эффект, чем при таких же дозах воздействия, но в обратной последовательности -- облучение, затем вибрация. Создается впечатление, что последующая вибрация несколько защищает объект от радиации. Во-вторых, во всех случаях эффект вибрации не зависит от частоты, из чего следует, что в данном случае вибрационный фактор выступает лишь как неспецифический, вызывая какое-то начальное изменение структуры. Подводя итог генетическим исследованиям в космосе, Я. Л. Глембоцкий приходит к выводу о том, что при полете в космос генетический эффект несомненно имеет место в разных объектах, как на растениях, так и на животных. Однако причиной тому является радиация, динамические же факторы космического полета играют ничтожно малую роль, оказывая влияние главным образом на нерасхождение хромосом.

В итоге разбора данных, касающихся генетического эффекта действия факторов космического полета, приходится пока констатировать, что они привлекали внимание исследователей к необходимости изучать биологическое действие вибрации, однако не дали сколько-нибудь значительных результатов для понимания природы действия этого фактора. При решении вопроса о возможности генетического действия механических колебаний следует помнить основное условие для возникновения эффекта -- это зависимость от метаболизма, который и определяет реализацию генетической программы.

Вопрос о действии механических факторов, в том числе и динамических факторов космических полетов, на биологию человека является важнейшим в современной биологии. От его решения зависит дальнейший ход исследований не только в области космической, но в еще большей степени земной биологии, ибо биологическая судьба человека определяется не в космосе, а на своей альма матер -- Земле.

До сих пор мы обсуждали проблему биологического действия вибрации и звука, возникающих как на производстве, так и в быту. Но есть и еще источник вибрации и звука, неизмеримо более мощный, глобального масштаба, который угрожает биологической судьбе человека -- это землетрясение. Теперь, в дни трагических событий, связанных с землетрясением в Армении 7 декабря 1988 г., проблема биологического действия звука и вибрации геологического происхождения особенно остро встала перед учеными. Нельзя недооценивать опасности как самого землетрясения, так и биологического действия возникающих при этом вибраций и звука. Для человечества землетрясение несет двойную опасность: во-первых, опасность массовой гибели людей. Каждое землетрясение средней силы уносит десятки тысяч жизней, а жертвы более сильных уже исчисляются сотнями тысяч. При этом следует учесть, что землетрясений разрушительной силы на нашей планете регистрируется ежегодно до 1000, а всего сейсмических толчков насчитывается до 100 млн. ежегодно. К этому следует добавить, что землетрясения захватывают обширные по площади районы. Так землетрясение в Северном Тянь-Шане в 1911 г. охватило площадь до 4 млн. км².

Во-вторых, само действие на человека звука и вибрации в условиях землетрясений по характеру совершенно иное, не сравнимое с их действием в условиях производства или в бытовых условиях. Дело в том, что при землетрясении к действию вибрации и звука прибавляется один из самых могучих биологических факторов -- страх. Мы уже отмечали, что биологический эффект действия звука и вибрации в условиях НТР усиливается рядом сопутствующих факторов, но они по своему действию не идут ни в какое сравнение со страхом -- инстинктом самосохранения.

Применительно к животному миру мы можем с уверенностью говорить, что основная его реакция на землетрясение продиктована страхом. Для такого утверждения имеется достаточно данных. Уже в глубокой древности люди обратили внимание на необычное поведение животных при землетрясении. Так, летопись свидетельствует, что в 328 г. до нашей эры землетрясением был разрушен город Геликос, а за несколько дней до этого события из нор разбежались ласки и кроты. Общий характер реакции животных заключается в невиданном в обычных условиях возбуждении, которое сопровождается столь же необычным поведением. При землетрясении в Скопье, по свидетельству сторожей в зоопарке, звери неистово выли, метались по парку, их охватила дрожь...

Трудно сказать, какой класс животных и какой среды обитания более чувствительны к землетрясению. Можно было бы ожидать большей чувствительности к механическим колебаниям у пресмыкающихся, в частности у змей, которые ощущают движения животного, шаги человека на расстоянии 10--15 м. Но каких-либо доказательств их более высокой чувствительности нет. Единственно, что может говорить об их особой реакции на землетрясение -- это наличие чувствительности даже в период их зимней спячки. Значит, землетрясение способно «пробудить» животное, изменить его функциональное состояние.

Высокая степень возбужденности проявляется у собак: дикое, надрывное завывание, бессмысленные поиски чего-то неясного. Комнатные собаки часто рвутся на свободу. Известен случай, когда собака вынесла ребенка из дома, чем и спасла его от гибели.

Насекомые так же, как и другие животные, ощущают своеобразную атмосферу грядущего землетрясения. Пчелы, возбужденные, с интенсивным жужжанием покидают ульи. Муравьи покидают свой «дом» -- муравейник. Часто наблюдается появление необычной для данной местности стаи саранчи. Птицы, как домашние, так и дикие, также проявляют необычное поведение в «предчувствии» землетрясения.

Широко известно поведение рыб и других морских животных перед и в момент землетрясения. Часто косяки рыб всплывают на поверхность моря, наблюдается их стремление к побережью. Были случаи, когда акулы выбрасывались на берег, появлялись необычные для данного региона виды рыб, других морских животных. Особенно отличаются своим поведением морские коты. Японские ученые высоко оценивают их сейсмочувствительность.

В настоящее время едва ли можно сомневаться в способности животных предчувствовать грядущую опасность -- землетрясения. Причем это предчувствие не мистика, оно имеет реальное объяснение. Физическое проявление землетрясения -- это механические толчки, которые могут достигать чудовищной силы. Эти толчки, или вибрация субстрата, являются основной механической силой, действующей на живой объект. Но толчков, колебаний, которых нет, предсказать нельзя. Следовательно, какие же другие физические явления, кроме механических толчков, сопровождают землетрясение? Такие явления есть и они возникают до появления механических толчков. Речь идет об инфразвуковых колебаниях, а также о колебаниях электромагнитной природы. Эти виды колебаний современные приборы регистрируют. Но ни у человека, ни у большинства животных рецепторов, способных их воспринимать, нет, хотя биологическое действие этих колебаний несомненно. Например, инфразвук, которого мы не слышим, числится в меморандуме ООН как оружие массового уничтожения людей. Магнитные бури, потоки электромагнитных волн связаны с изменением солнечной активности, влияют на урожаи, на распространение эпидемий, на формирование косяков рыб... Словом, действуют на все многообразие жизни на нашей планете. Но рецепторов для восприятия всех этих видов колебаний у человека нет. Может быть, поэтому и возникают всякого рода загадки мира, типа загадки Бермудского треугольника. Теперь уже наука имеет все основания считать, что предчувствие животными землетрясений -- не загадка природы, а вполне научно обоснованное явление.

Оценивая поведение животных при землетрясении, исследователи приходят к выводу, что конечный характер реакции определяется инстинктом самосохранения. В основе поведения лежит реакция страха.

А как у людей? Каково поведение человека? Едва ли есть основание утверждать, что чувство страха для него чуждо! Часто в экстремальных условиях именно страх определяет его поступки, его поведение. Его основа биологическая, и она не может не быть подвластной основному биологическому закону. Именно в этих условиях, как теперь известно, наблюдается ряд патофизиологических процессов: сердечные приступы, инфаркты, инсульты, гипертонические кризы, эпилептические припадки, психозы... Чем они вызываются? Вероятно, также страхом... У человека страх фиксируется в его памяти как свеобразный условный рефлекс. Так, в день сильного землетрясения в Ташкенте в 1966 г. число вызовов скорой помощи, главным образом по поводу сердечных приступов, резко возросло. Это -- плоды страха перед стихией. Ровно через год, в те же календарные числа, никакого землетрясения не было, но число вызовов скорой помощи снова увеличилось. Что это? Результат фиксированного памятью страха? Вероятно, да! Условный рефлекс минувшей трагедии.

Перед биологами и врачами стоит задача изучить все возможные реакции человека, оказавшегося в столь трагических условиях, чтобы в будущем не дать ему подчиняться власти страха и сделать все возможное для его спасения.

О вредном действии вибрации академик А. А. Благонравов сказал: «Проблема, рожденная современной научно-технической революцией, представляет собой часть общей очень сложной социальной проблемы взаимодействия человека с окружающей его внешней средой, как существующей независимо от деятельности человека, так и средой, обусловливаемой такой деятельностью».

Итак, к множеству биологических и социальных зол, веками подстерегавших человека, на вершине его цивилизации прибавилось еще одно -- шумы и вибрации.

При исследовании механизма действия вибрации необходимо учитывать особенности факторов, вызывающих вибрационную болезнь. Прежде всего источником патологии являются механические колебания. Характер этого фактора определяет эффективность его биологического, а при определенных условиях -- патологического действия. Вибрация, как известно, характеризуется переменным давлением, и мы уже приводили данные о том, что переменное давление по эффективности биологического действия в тысячи и миллионы раз выше, чем давление постоянное. Адресатом действия механических колебаний является биологическая структура объекта. Следовательно, при исследовании механизма патологического действия вибрации необходимо прежде всего определить характер и степень деформации структуры, что может быть показателем начинающегося патологического процесса.

Вторая особенность источника патологии характеризуется возможностью при определенных условиях возникновения резонанса. Известно, что при возникновении резонанса резко возрастает амплитуда колебаний, что несомненно сопровождается деформацией структуры объекта. В сущности наличием резонанса и объясняются не только появление глубоких патологических процессов, но даже и смертельные исходы. Организм по своей структуре гетерогенен и при тотальной вибрации -- каждая из структур подвергается также вибрации с задавемой частотой. Но каждая структура обладает, в силу физических законов, и своей собственной частотой. Следовательно, в любой структуре при определенных условиях возникнет резонанс, и он дает начало патологическому процессу -- вибрационной болезни. Нами экспериментально было показано, что явление резонанса под влиянием вибрации возникает в объектах любого уровня организации жизни -- от изолированного нативного белка до организма. Именно этим и можно объяснить полиморфный, множественный характер вибрационных болезней.

Наряду с физической природой источника болезни следует подчеркнуть значение функционального состояния объекта. Речь идет о стационарном возбуждении как отдельных тканей, так и организма в целом. Именно это исходное функциональное состояние, наличие доминантных явлений в организме и определяют конечный результат действия вибрации; один и тот же характер вибрации вызывает различные последствия в зависимости от состояния объекта.