Отбор на дурака

1. После катастрофы рождаются не все, кто должен был родиться.

2. После катастрофы идет отбор против специализированных форм: преимущественно воспроизводятся менее специализированные, но обладающие более высокой устойчивостью к действию неблагоприятных факторов среды.

3. Ответ на одни и те же дозы ионизирующего облучения или токсичного агента зависит от его новизны для популяции.

4. Реальные последствия чернобыльской аварии для популяций человека будут доступны для анализа к 2026 году, так как поколение, попавшее под прямое воздействие аварии, только сейчас начинает обзаводиться семьями и рожать детей.

Рассмотрим, на каких экспериментальных факторах базируются эти выводы. (Частично они были сформулированы в статье, опубликованной в июньском номере «Химии и жизни» за 2002 год.)

Лабораторные мыши и полевки

Когда публика обсуждает генетические последствия опасных воздействий, больше всего внимание привлекают чудовища-мутанты. К счастью, двухголовые лягушки и прочие существа, которыми любят пугать общественность, возникают нечасто и, как правило, не оставляют потомства. Другое дело — преобразование генетической структуры популяции в целом.

Зону отчуждения Чернобыльской АЭС можно использовать как полигон для исследований таких преобразований. На этой ограниченной территории резко изменились многие факторы окружающей среды, и живые организмы, в том числе высшие млекопитающие, должны были приспособиться к переменам. Ведь любая экологическая катастрофа уничтожает оптимальные условия существования одних видов и создает условия, благоприятные для других.

В наших исследованиях (их результаты подробно изложены в монографии «Популяционно-генетические последствия экологических катастроф на примере чернобыльской аварии», изданной в 2008 году в РГАУ-МСХА), мы получили данные по нескольким видам млекопитающих. Это были и лабораторные мыши чистых линий, и дикие полевки, и коровы, и люди. Начнем с мышей и полевок. Мелкие грызуны из-за высокой скорости размножения лучше всего подходят для того, чтобы исследовать длительное воздействие неблагоприятного фактора, ведь со времени аварии сменилось уже несколько десятков поколений подопытных животных. Мы взяли три лабораторные линии мышей: BALB/c, CC57W/Mv и C57BL/6J. Что это за линии? BALB/c — типичная лабораторная белая мышь, выведенная в 1920 году. В старости у таких мышей появляется склонность к образованию опухолей, поэтому их широко используют в иммунологии и исследованиях рака. Черная лабораторная мышь C57BL/6J была выведена в начале 70-х годов. У нее низкая склонность к внезапному образованию опухолей, но высокая — к потреблению спирта; таких мышей используют для изучения процессов старения, алкоголизма, ожирения. Линия CC57W/Mv выведена из потомства от скрещиваний первых двух.

Часть мышей жила в Киеве, другая часть — в зоне отчуждения Чернобыльской АЭС, то есть подвергалась постоянному облучению. За год животные получали дозу 0,5–0,6 грея. У них изучали изменения в клетках костного мозга, вырабатывающих кровяные тельца.

У всех трех линий лабораторных мышей, которые обитали в относительно чистых условиях, были свои, присущие только этой линии, склонности к мутациям клеток костного мозга. Так, у мышей линии C57BL/6 с возрастом и при переходе к летнему сезону нарастает анеуплоидия — хромосомные потери. У линии CC57W/Mv при аналогичных обстоятельствах учащаются внутрихромосомные дефекты — хромосомные аберрации, а у линии BALB/c растет число полиплоидных клеток (то есть с дополнительными наборами хромосом).

У мышей, живших в зоне Чернобыля, новых мутаций обнаружить не удалось, а вот частота встречаемости перечисленных аномалий возрастала. Однако были нюансы, связанные с возрастом. Старые мыши линии CC57W/Mv в контрольных условиях отличались от юных более высокой частотой аномалий, в частности числом лейкоцитов с микроядрами (небольшими образованиями, состоящими из фрагментов хромосом; они образуются при нарушениях в делении клеток). В то же время у старых мышей чернобыльской группы частота таких аномалий оказалась меньше, чем у контрольных ровесников и у юных чернобыльских мышей. Кроме того, в костном мозгу старых чернобыльских мышей статистически достоверно увеличилось число делящихся клеток по сравнению с ровесниками из контроля. Получается, что у особей, живущих при повышенном уровне излучения, в отличие от контрольных, с возрастом не уменьшаются темпы клеточного деления в костном мозгу. Видимо, это и приводит к ускоренному удалению клеток с генетическими дефектами, и старые мыши оказываются более приспособленными к новым условиям.

Эти данные было интересно сравнить с дикими животными из чернобыльской зоны. Мы отлавливали представителей трех видов полевок: обыкновенной (Microtus arvalis), рыжей (Clethrionomys glareolus) и полевки-экономки (Microtus oeconomus). Эволюционно самый молодой вид из них — полевка обыкновенная, а самый старый — полевка-экономка.

В наименее загрязненных радионуклидами районах, где уровень излучения составляет менее 5 Ки/км², у полевки обыкновенной обнаружена высокая частота встречаемости анеуплоидных клеток; у рыжей полевки — метафаз с межхромосомными слияниями по типу робертсоновских транслокаций (из двух хромосом образуется одна). Напротив, у полевок-экономок стабильность хромосомного аппарата повышена: мутировавших клеток у них оказалось гораздо меньше, чем у представителей молодых видов.

Интересно, что у полевок, которые жили в местах с высоким уровнем радиации (Янов — около 200 Ки/км²; Чистогаловка — около 500 Ки/км²; «Рыжий лес» (так называют зону, в которой доза облучения была столь сильной, что в ней после аварии погибли все хвойные деревья, отчего лес и принял такой вид) — около 1000 Ки/км²), в клетках костного мозга накапливаются именно те аномалии, которые присущи животным, обитающим в относительно чистых условиях: у рыжей полевки — метафазы с робертсоновскими межхромосомными слияниями, у обыкновенной полевки — анеуплоиды. Полученные данные позволяют предполагать, что повышение уровня ионизирующего излучения (в пределах исследованных нами) и у лабораторных линий мышей, и у полевок только увеличивает частоту встречаемости тех аномалий, которые изначально свойственны данной линии или данному виду.

Облучение и гены

Генетические нарушения возникают в организме постоянно, но только малая их часть сохраняется дольше, чем два-три клеточных деления. У живого организма есть изощренные системы репарации; они защищают генетический аппарат от повреждений и размножения мутантных клеточных клонов. Поэтому мутации, которым удается уклониться от систем контроля генетического постоянства, редки, и, даже если нарушений возникает действительно много, опасными оказываются далеко не все.

Тот факт, что дозы ионизирующего излучения (подчеркнем еще раз, в пределах исследованных нами — от 0,2 до 1,0 Гр в год) у лабораторных линий мышей и полевок только увеличивают частоту встречаемости известных цитогенетических аномалий, позволяет предполагать, что все дело в генетически обусловленных дефектах соответствующих систем репарации. И если у организма в относительно «чистых» зонах имеется некоторый дефицит систем, контролирующих расхождение хромосом в митозе по дочерним клеткам, как, например, у мышей линии C57BL/6 или обыкновенных полевок, то именно такой тип аномалий и будет увеличиваться в первую очередь под влиянием неблагоприятных условий, например ионизирующего излучения. То, что мы наблюдаем, — не прямое проявление генетических повреждений, а следствия неэффективного ремонта.

Со временем (а животных мы регулярно отлавливаем, начиная с 1996 года), несмотря на сохранение высокого уровня радиоактивного загрязнения в местах отлова, постепенно уменьшается количество полевок с высокой частотой мутантных клеток в костном мозге. Важно подчеркнуть, что такое уменьшение, свидетельствующее о постепенном накоплении устойчивых к облучению особей, для рыжей полевки отчетливо наблюдается только у животных, отловленных в «Рыжем лесу», где очень высок уровень загрязнения радиоактивными элементами.

Быки и коровы

Как мы уже рассказывали восемь лет назад, чернобыльские коровы позволили поставить уникальный опыт по изучению влияния облучения на крупных млекопитающих. Напомним, что после катастрофы и отселения людей большинство животных было забито. Однако один бык и три коровы (их потом назвали Уран, Альфа, Бета и Гамма) спаслись, дав начало экспериментальному стаду. Впоследствии стадо было увеличено за счет завезенных из относительно чистых зон коров голштинской породы (эта порода выведена специально для получения молока). Далее были получены четыре поколения телят, рожденных и растущих при дозе облучения 0,6–0,8 Гр в год, что позволяет сделать выводы о последствиях длительного воздействия облучения и на организмы, и на популяцию в целом.

На уровне организмов выявлены изменения в синтезе ферментов, причем особенно ярко они выражены в сердце и почках. Основное направление — увеличение синтеза тех форм ферментов, которые характерны для менее специализированной ткани.

На уровне популяции проявился аналогичный эффект. У быков и коров, как и у полевок, в череде поколений возрастала устойчивость к радиации. Так, число лейкоцитов с микроядрами в периферийной крови уже во втором поколении телят оказалось ниже, чем у их родителей. В третьем поколении оно стало еще ниже. Изменилось и генетическое разнообразие потомства: буквально на глазах у новых поколений исчезали определенные варианты генов. Например, у потомков чаще всего наследовался лишь один вариант гена из трех кодирующих белок трансферрин, который управляет обменом железа. Причем этот вариант типичен не для голштинов, а для менее специализированных, но более устойчивых к неблагоприятным условиям пород, например, таких, как древний серый украинский скот. По некоторым генам преимущественно рождались гетерозиготы: разные варианты гена как будто стремились объединиться в одном организме, чтобы он мог более успешно противостоять внешним воздействиям. Это тоже играет против специализации животного.

Мы оценивали генетическую близость популяций животных разных поколений, рожденных в чернобыльском экспериментальном стаде, к другим породам по структурным генам, фрагментам ДНК, фланкированным различными микросателлитными локусами, по полиморфизму ферментов и транспортных белков. Эти данные подтвердили догадку: черно-пестрый скот, рожденный и живущий при постоянном облучении в низкой дозе, оказывается ближе к серой украинской породе, нежели к черно-пестрому скоту из относительно «чистой» зоны.

Возникает вопрос: как это происходит? Основным механизмом может быть увеличение гибели эмбрионов и телят, уменьшающее рождаемость животных с определенным генотипом. И в первом, и во втором поколении плодовитость коров за 7–9 лет исследований снизилась примерно в два раза по сравнению с родительским поколением. Так, 16 коров родительского поколения (F0) экспериментального стада, рожденных в «чистой» зоне, суммарно дали 96 телят (0,93±0,03 теленка на корову в год); 20 из них (21%) умерло в возрасте до трех месяцев. Первое дочернее поколение, F1, родившееся при облучении около 200 Ки/км², существенно отличалось от родителей по этому показателю. Так, среди 36 коров F1 21 корова (58%) оказались стерильными; только 15 коров F1 принесли потомство поколения F2 (0,73±0,06 на корову в год); 13 из этих телят умерли до трехмесячного возраста после рождения (26%). Оставшиеся четыре коровы F2 за 2–4 года родили 10 телят F3 (0,94±0,06 теленка на корову в год). При этом среди 20 погибших телят F1 преобладали самцы (6 телочек и 14 бычков), а у 13 погибших телят F2 соотношение полов было приблизительно одинаковым (7 телочек и 6 бычков). Такое уменьшение рождаемости и увеличение смертности животных позволяют предполагать наличие отбора против наиболее радиочувствительных особей, причем отбор наиболее интенсивен в поколении F1. К сожалению, эксперимент закончен — к 2005 году стадо было ликвидировано.

Полученные данные свидетельствуют о том, что небольшие увеличения доз ионизирующего излучения относительно среднего мирового уровня могут приводить к увеличению гибели потомства у таких видов млекопитающих, как крупный рогатый скот, и соответственно к изменению генетической структуры, поскольку часть генофонда уходит с погибшими особями. К этому стоит добавить еще и внутриутробный отбор — эмбрионы с «плохими» наборами генов погибают на начальных стадиях первых делений.

Коровы и стресс

Чтобы выяснить, насколько специфично подобное изменение генетической структуры именно для действия радиации, мы сравнили по тем же молекулярно-генетическим маркерам группы разных пород крупного рогатого скота, которые также подвергались стрессу. Действие биотического стресса изучали на двух группах стада красной степной породы из относительно «чистого» хозяйства Херсонской области: одна из них была заражена вирусом бычьего лейкоза, а другая свободна от него. На коровах из хозяйств Кировограда и Донецка изучали действие абиотического стресса — химического загрязнения. У породы пинцгау три группы различались обитанием в равнинных, горных и высокогорных условиях. У серой украинской взяли группу в Херсонской области (исходное местообитание) и интродуцированной в Сибирь.

Анализ полученных данных показал, что из-за экологического стресса между группами животных одной породы появились существенные генетические различия; в некоторых случаях они оказались даже больше, чем отличия между породами. Во всех исследованиях проявили себя два гена, продукты которых — рецептор витамина D и пуриннуклеозидфосфорилаза, фермент, наиболее активный в клетках крови. Их полиморфизм всегда проявлялся при появлении различий между группами животных под действием экологического стресса, в том числе и среди животных, рожденных в зоне отчуждения Чернобыльской АЭС. Это позволяет предполагать, что существуют универсальные характеристики популяционно-генетического ответа на различные факторы экологического стресса, независимо от их природы.

В целом и в случае экологического стресса, и в случае действия радиации популяция адаптируется, не приумножая новые варианты генов, а перетасовывая старые, с тем чтобы получить комбинацию, благоприятную для новых условий. Исследования генетических процессов у различных видов в зоне отчуждения ЧАЭС как раз и позволяют вычленить у них ту часть генофонда, которая ответственна за выживание в условиях повышенного давления естественного отбора. Как правило, она оказывается ближе к внутривидовым, относительно более примитивным формам, а не к специализированным.

Люди в радиоактивных провинциях

На Земле есть немало районов с повышенным радиоактивным фоном, и в них живет много людей, например штат Карела в Индии, провинции Гуанфонг в Китае, Рамзар в Иране. Естественно, во всех этих местностях исследуется влияние радиации на человека. Результаты очень интересны. Так, в Бразилии у более чем 40 тысяч беременных женщин из такого района нет ни повышенной частоты спонтанных абортов, ни врожденных аномалий, хотя частота хромосомных аберраций в клетках крови жителей тех же районов несколько выше, чем в контрольных.

В провинции Рамзар годовая поглощенная человеком доза составляет 260 мЗв (в среднем по миру — 3,5 мЗв/год), но и здесь нет ни повышенной смертности, ни детей с врожденными дефектами развития. Зато клетки крови жителей этой провинции заметно более стойки к радиации: облучение их культуры дозой в 1,5 Гр существенно меньше повышает число аномалий по сравнению с клетками крови контрольной группы.

В Китае за период с 1979 по1995 год было обнаружено, что смертность от онкологических заболеваний у жителей радиоактивной провинции ниже, чем у людей в контрольной зоне. Более того, превышение уровня ионизирующего излучения в три—пять раз не увеличивает вероятность онкологических заболеваний.

В одной из радиоактивных (около 35 мЗв/год) провинций Индии не обнаружено существенных отличий по врожденным патологиям. В другой провинции (выше 70 мЗв/год) обследование ста тысяч человек не выявило увеличения частоты онкологических заболеваний. Более того, ежегодное выявление онкологических заболеваний на сто тысяч человек последовательно уменьшается от одной области к другой по мере увеличения фонового уровня поглощенного ионизирующего облучения на 0,03/миллизиверта в год. При условном «нулевом» облучении частоту онкологических заболеваний оценивают в 79 случаев на сто тысяч человек, а при облучении 70 мЗв/год она падает до 10–20 случаев.

Наши люди и радиация

Данные по радиоактивным провинциям резко контрастируют с последствиями чернобыльской катастрофы. После Хиросимы и Нагасаки принято считать, что повышение частоты онкологических заболеваний у человека, связанное с увеличением уровня ионизирующего излучения, начинает отчетливо прослеживаться после поглощенной дозы, уровень которой превышает 100 мЗв/год, то есть в три раза меньшей, чем уровень в Рамзаре. Среди 116 тысяч человек, отселенных из Чернобыльской зоны, только около 5% получило такую дозу. Однако получаемые экспериментальные данные позволяют говорить о том, что эта граница достаточно условна.

Например, был выполнен сравнительный анализ частот встречаемости различных хромосомных поломок в клетках крови детей 14–15 лет двух групп: получившие дозы ионизирующего излучения около 30 мЗв в эмбриональный период и получившие приблизительно такую же дозу, но в течение всей жизни (около 2 мЗв в год). Оказалось, что в общем между ними отсутствуют различия по частотам клеток с аномалиями, однако в первой группе, после острого облучения в эмбриональном периоде, чаще встречаются клетки со стабильными хромосомными аномалиями, такими, как транслокации, инверсии, инсерции. Иначе говоря, в их крови накапливаются клоны поврежденных клеток. Поскольку именно эти типы аномалий и в других размножающихся клетках способны существенно осложнять прохождение мейоза, можно ожидать, что у поколения детей первой группы сейчас, когда они вступили в период образования семей и рождения детей, возникают проблемы, связанные с бесплодием.

Есть данные об анализе связей между поглощенными дозами у плодов и частотой развития лейкемий у детей после чернобыльской аварии в пяти странах: Англии, Шотландии, Греции, Германии, Белоруссии и Уэльсе и Шотландии вместе. Суммарные поглощенные дозы на плод в них составляли: 0,02 мЗв в Англии, 0,06 мЗв в Германии, 0,2 мЗв в Греции и 2 мЗв в Белоруссии. Результаты показали, что риск заболеваемости лейкемией достоверно выше у рожденных в пик облучения с июля 1986 по декабрь 1987 года по сравнению с теми, кто родился до аварии (январь 1980 — декабрь 1985) и существенно после нее (январь 1988 — декабрь 1990 года). Также достоверно и воздействие радиации на щитовидную железу: частота ее патологий у эвакуированных из зоны почти в два раза выше, чем в других группах, и достигает 17,8%. Это гораздо больше, чем упомянутые 5%, попавшие под действие высоких доз.

У детей отцов-ликвидаторов обнаруживается повышенная частота врожденных уродств по сравнению со средней частотой в Российской Федерации. Частота различных заболеваний оказалась существенно выше у ликвидаторов по сравнению со средними значениями у жителей Латвии, причем это соотношение увеличивалось с 1,3 в 1986 до 10,9 в 2007 году.

Главное — привычка

Сравнение этих результатов с данными по радиоактивным провинциям свидетельствует: дело не в дозе, а в приспособлении популяции к тому или иному уровню облучения. Очевидно, что для жителей Рамзара увеличение годовой дозы на 3,5 мЗв вряд ли опасно. Но для большинства европейских популяций, не встречавшихся в ряду поколений с дозами выше 1 мЗв в год, такое изменение вызовет уход генофонда радиочувствительных особей, и соответственно генетическая структура популяций станет иной. В связи с низкой скоростью размножения людей реальные генетические последствия чернобыльской катастрофы будут известны еще не скоро, ведь дети, родившиеся после 1986 года, вступают в репродуктивный период только сейчас. Однако направленность таких изменений мы уже знаем по опытам с полевками и коровами: избавление не только от менее стойких, но и от более специализированных и эволюционно продвинутых вариантов.

Можно ли эти эффекты заметить среди людей? Да. Подобные, правда, косвенные результаты получены датскими исследователями. Они достоверно показали, что в 1987 году мальчиков в Баварии и Дании рождалось больше, чем девочек, а смертность новорожденных сформировала существенный всплеск в 1987–1988 годах. Чешские же ученые выявили, что и доля мальчиков среди умерших новорожденных в 1987 году была статистически достоверно выше, чем в 1985.

В свежей статье, опубликованной в «Scandinavian Journal of Psychology» от 24 марта 2010 года, приведены данные, согласно которым у юных жителей Норвегии, получавших малые дозы ионизирующего облучения «в утробе» (то есть рожденных в течение 18 месяцев после катастрофы), показатель интеллекта IQ существенно ниже, чем в контрольной группе того же возраста. Эти различия ограничиваются вербальным IQ, но не выражены по невербальному IQ. Аналогичные результаты были получены на Украине, в Белоруссии и Швеции. Так и должен выглядеть эффект примитивизации для человека: способность к речи — эволюционно более позднее приобретение, нежели невербальная коммуникация, основанная на более древних структурах.

В Норвегии в некоторых районах уровень загрязнения после аварии составил 2–4 Ки/км², а эффективная доза облучения человека в первые 18 месяцев после аварии достигла 0,93 мЗв, что в сто раз больше естественного уровня в Норвегии. В то же время, поскольку радионуклиды попали в корм сельскохозяйственных животных, они оказались и в мясе, и в помете и по пищевой цепочке еще несколько лет доходили до человека. В общем, норвежские власти считают, что прямому воздействию чернобыльской радиации в утробе подверглись все дети, родившиеся между 1986 и 1989 годом.

Поскольку существуют еще и долгоживущие радионуклиды, в постчернобыльском мире уровень излучения многие десятилетия будет оставаться повышенным по сравнению с до-чернобыльским временем, все эти эффекты, в частности отбор на менее специализированные формы, так, сказать, отбор на дурака, станут еще долго проявляться.

После этой крупнейшей экологической катастрофы возникла необходимость новой стратегии, которая требует углубленного понимания последствий долгосрочного воздействия долгоживущих радионуклидов на живой организм. Для человечества техногенная катастрофа в Чернобыле — это не только боль прошлого, но и проблема настоящего, и вызов будущего.

Об авторах:

В. И. Глазко, доктор сельскохозяйственных наук, иностранный член РАСХН

Т. Т. Глазко, доктор сельскохозяйственных наук (Российский государственный аграрный университет — МСХА им. К. А. Тимирязева)