• Газостійкість

Газостійкість — це здатність рослин зберігати життєдіяльність за дії шкідливих газів. На ступінь газостійкості рослин впливають фізико-географічні і метеорологічні умови. Рослини не володіють сформованою в ході еволюції системою адаптації до шкідливих газів, і тому властивість протистояти ушкоджуючій дії газів ґрунтується на механізмах стійкості до інших несприятливих факторів. Це пов'язано з тим, що сучасна нам флора формувалася в умовах, за яких вміст шкідливих газів (внаслідок вулканічної діяльності, пожеж, хімічних процесів) в атмосферному повітрі був незначний. Такий склад повітря сформувався близько 1 млрд. років тому як наслідок життєдіяльності автотрофів. Очевидно, звільнення первинної атмосфери Землі від аміаку, сірководню, метану, оксиду вуглецю тощо активно здійснювали рослини-автотрофи протерозойської і палеозойської ер, які повинні були мати механізми газостійкості. Але у міру зростання кисню в атмосферному повітрі і зменшення в ньому вмісту шкідливих газів ці механізми були втрачені.

Забруднення атмосфери, пов'язане з розширенням виробничої діяльності людини, зростає в таких катастрофічних масштабах, що системи авторегулювання біосфери вже не можуть впоратися з його очищенням. У результаті різних видів діяльності людини (промисловість, автотранспорт і т.д.) у повітря виділяється більше двохсот різних компонентів. До них належать газоподібні сполуки: сірчистий газ (SO₂), оксиди азоту (NO, NО₂), чадний газ (СО), сполуки фтору тощо, вуглеводні, пари кислот (сірчаної, сірчистої, азотної, соляної), фенолу та ін., тверді частинки сажі, золи, пилу, що містять токсичні оксиди свинцю, селену, цинку і т.д. У промислово розвинутих країнах на 52,6 % повітря забруднене діяльністю транспорту, на 18,1%-опалювальними системами, на 17,9% — промисловими процесами і на 1,9 і 9,5% — за рахунок спалювання сміття та інших процесів відповідно.

Компоненти (ексгалати), що забруднюють атмосферне повітря, за величиною частинок, швидкістю осідання під дією сили тяжіння та електромагнітним спектром розподіляють на пил, пару, тумани і дим.

Гази і пара, легко проникаючи у тканини рослин через продихи, можуть безпосередньо впливати на обмін речовин у клітинах, вступаючи в хімічні взаємодії вже на рівні клітинних стінок і мембран. Пил, осідаючи на поверхні рослини, закупорює продихи, чим погіршує газообмін листків, утруднює поглинання світла, порушує водний режим.

Щодо зменшення токсичного впливу на рослини гази можна розташувати в такі ряди: 1) F₂ > Сl₂ > SO₂ > NO > СО > СО₂ чи 2) Cl₂ > SO₂> NH₃> HCN > H₂S.

Кислі гази і пара більш токсичні для рослин, ніж для тварин, для яких другий ряд газів має такий вигляд: HCN > H₂S > Сl₂ > SO₂ > NH₃.

Найсильніше гази впливають на процеси в листках. Непрямий ефект забруднення атмосфери виявляється через ґрунт, де гази впливають на мікрофлору, ґрунтовий поглинаючий комплекс і корені рослин. Кислі гази й кислі дощі порушують водний режим тканин, призводять до постійного закислення цитоплазми клітин, зміни в роботі транспортних систем мембран (плазмалеми, хлоропластів), нагромадження Са, Zn, Pb, Сu. В цих умовах інтенсивність фотосинтезу знижується через пошкодження мембран хлоропластів. Крім того, на світлі швидко руйнуються хлорофіл а і каротин, менше — хлорофіл b і ксантофіли. Особливо несприятливо на пігментну систему хлоропластів діють SO₂ і Сl₂, аміак же зменшує вміст каротину і ксантофілу, мало впливаючи на хлорофіли.

Дихання в умовах забруднення, як правило, спочатку зростає, а потім знижується в міру розвитку ушкоджень. Усі ці зміни порушують ріст рослин, прискорюють процеси старіння в них. Дуже сильно страждають від кислих газів хвойні породи (сухі верхівки, ослаблення росту стовбурів у товщину, зменшення довжини і збільшення кількості хвоїнок на пагоні, швидка втрата хвої). За тривалої дії кислих газів спостерігаються значні зміни у фітоценозах: втрата лісових порід, зростання забур'янення. У листяних порід кислі гази викликають зменшення розмірів і кількості листків, індукують появу в них рис ксероморфності.

За характером реакції (тобто швидкістю і силою прояву патологічних процесів під впливом газів) серед рослин розрізняють газочутливі і газостійкі види. Для газостійкості істотними властивостями рослин вважаються:

1) регулювання надходження токсичних газів, 2) підтримка буферності цитоплазми та її іонного балансу, 3) можливість здійснення детоксикації отрут, що утворюються. У підсумку в умовах задимлення це сприяє підтримці фотосинтезу і синтетичних процесів на досить високому рівні.

Регуляція поглинання газів визначається насамперед чутливістю продихів до газів; під їхнім впливом (особливо SO₂) газостійкі види швидко закривають продихи. Стійкість до токсичних газів може бути пов’язана і з рівнем у клітинах катіонів (K⁺, Na⁴', Ca²⁺), здатних нейтралізувати ангідриди кислот. Звичайно рослини, стійкі до посухи, засолення та інших стресів, мають і більш високу газостійкість, можливо, через здатність регулювати водний режим та іонний склад. На це вказують посилення сірчистим газом ознак ксероморфності листків, а хлором — ознак сукулентності. Перевірка газостійкості (за SO₂) великої кількості видів рослин (В.С.Миколаївський, 1979) дозволила розподілити їх на три групи: стійкі, середньостійкі і нестійкі. Найбільш стійкі до SO₂ деревні породи (в’яз, жимолость, клен, лох) виявилися стійкими також до хлору, фтору, диоксиду азоту.

Газостійкість рослин підвищується при оптимізації мінерального живлення і загартуванні насінневого матеріалу. Замочування насіння у слабких розчинах соляної та сірчаної кислот підвищує стійкість рослин до кислих газів. Хоча забруднення атмосферного повітря завдає великої шкоди рослинності, саме рослини одночасно з регуляцією водного, вітрового та інших режимів середовища є могутнім фактором, що очищає атмосферу.

• Радіостійкість

Біологічний ефект іонізуючого випромінювання є результатом впливу радіації на багатьох рівнях — від молекулярного до рівнів організму і популяції. Первинні механізми дії всіх типів випромінювання на живий організм подібні. Їхня загальна особливість полягає в тому, що значний біологічний ефект викликається слабкою енергією і невеликою кількістю первинних радіаційно-хімічних реакцій. Наприклад, при гамма-опроміненні дозою близько 10 Гр (1000 р)² , летальною для ссавців, поглинається енергія, яка може підвищити температуру лише на 0,001° С.

Розрізняють пряму і непряму дію радіації на живі організми. Пряма дія полягає в радіаційно-хімічних перетвореннях молекул у місці поглинання енергії випромінювання. Пряме потрапляння в молекулу переводить її до збудженого чи іонізованого стану. Вражаючою є дія, пов’язана з іонізацією молекули. Непряма дія радіації полягає в ушкодженнях молекул, мембран, органоїдів, клітин, що зумовлюються продуктами радіолізу води, кількість яких у клітині при опроміненні дуже велика. Заряджена частка випромінювання, взаємодіючи з молекулою води, викликає її іонізацію:

 – – →Н₂О→Н₂О⁺ +е^-

е^-– – →Н₂О→Н₂О^-.

Іони води за час життя 10^-15 — 10^-10 с здатні утворити хімічно активні вільні радикали і пероксиди:

Н₂О⁺→Н⁺ + ОН

Н₂О^-→Н˙⁺ + ОН

ОН + ОН→Н₂О₂.

У присутності розчиненого у воді кисню виникають також потужний окислювач НО₂ (Н˙ + О₂→НО₂) і нові пероксиди (НО₂ + Н→Н₂О₂) і т.д. Ці сильні окислювачі за період життя 10^-6 – 10^-5 с можуть пошкодити (змінити) багато біологічно важливих молекул — нуклеїнових кислот, ферментів, ліпідів мембран тощо. Крім того, при взаємодії радикалів води з органічними речовинами в присутності кисню утворюються органічні пероксиди, що також сприяє променевому ушкодженню молекул і структур клітини.

При зниженні концентрації кисню в середовищі (тканині) зменшується ефект променевого ураження, а при збільшенні його концентрації дія радіації підсилюється. Цей «кисневий ефект» виявляється на всіх рівнях організації біологічних об'єктів — від молекулярного до тканинного.

Пряму дію радіації на молекули пояснюють теорія «мішені» і гіпотеза ймовірності. Згідно з першою потрапляння іонізуючої частинки в чутливу частину (мішень) молекули чи структури клітини викликає її ушкодження, генетичні зміни і загибель. Виявлено, що із збільшенням дози кількість ушкоджень в об’ємі, що опромінюється, збільшується в геометричній прогресії, причому ушкодження може бути результатом як одного потрапляння, так і декількох. Згідно з гіпотезою ймовірності взаємодія випромінювання з мішенню відбувається за принципом випадковості, а реакція на випромінювання залежить від стану біологічної системи в момент дії випромінювання.

Подальші етапи розвитку променевого ураження пов’язані з непрямою дією іонізуючих випромінювань. Ушкодження, що виникли спочатку, можуть підсилюватися: 1) внаслідок виникнення за дії випромінювань радіотоксинів (ліпідних пероксидів, хінонів та ін.), що призводять до автоокиснення ліпідів мембран, окиснення SH-груп мембранних білків, порушення функціонування систем транспорту в мембранних утвореннях клітин (Б.Н. Тарусов, 1954, А.М. Кузин, 1970); 2) шляхом нагромадження помилок у процесах реплікації ДНК, синтезу РНК і білків; 3) через ушкодження ферментів, що забезпечують синтез біологічно важливих сполук і т.д.

Для клітини найбільш небезпечним є порушення опроміненням унікальної структури ДНК. За прямої дії випромінювання на молекулу ДНК відбуваються розриви зв'язків цукор-фосфат, дезамінування азотних основ, утворення димерів піримідинових основ (найчастіше — тиміну) і т.д. Ці ушкодження можуть нагромаджуватися.

Інші зміни стосуються радіаційних впливів на ядерну мембрану і хроматин. На структурі хроматину позначаються депротеїнізація ділянок ДНК і активація ДНК-аз, як наслідок порушення проникності ядерної мембрани. Опромінення може також інактивувати ферменти, що беруть участь у репарації ушкоджень молекули ДНК. Ці та інші ушкодження як на рівні ДНК, так і хроматину в кінцевому результаті виражаються в змінах білкового синтезу, проходженні фаз клітинного циклу, в утворенні хромосомних аберацій, збільшенні частоти мутацій у клітинах, порушенні систем регуляції та загибелі клітини.

Найчіткіша реакція на променевий вплив — загибель організмів. Розрізняють дози опромінення, що викликають 100%-вий летальний результат (ЛД₁₀₀), і дози менш летальні (наприклад, при ЛД₅₀ смертність = 50%). Д.М.Гродзінський та І.М. Гудков (1973) запропонували вважати, що межа летальних доз характеризує радіостійкість організму, а межа доз, що викликають нелетальні реакції, — його радіочутливість.

З тканин рослинного організму найбільш чутливі до радіації меристеми. Їх називають критичними тканинами рослини, оскільки променеве ураження меристем визначає променеву хворобу і загибель всього організму.

Однак чутливість клітин меристем, що діляться, до опромінення на різних етапах мітотичного циклу неоднакова. У багатьох об'єктів максимальна радіочутливість клітин відзначається наприкінці фази G₁, коли закінчується підготовка до синтезу ДНК, а також у премітотичній фазі G₂. За опромінення в клітинах, що знаходяться у фазі G₂, виявляється максимальна кількість хроматидних аберацій.

Типовою реакцією рослин на опромінення є зміна ростових процесів, причому в залежності від дози спостерігаються як стимулюючі, так і послаблюючі ефекти. Наприклад, невисокі дози радіації (0,35—0,5 Гр, чи 0,035—0,05 кр) стимулюють ріст проростків гороху і кукурудзи протягом 4—6 днів після опромінення, а потім посилення росту припиняється. Прискорення росту в цьому випадку супроводжується скороченням тривалості мітотичного циклу клітин апікальних меристем, зростанням інтенсивності дихання і фотосинтезу. Для насіння тих же рослин дози, що стимулюють проростання, набагато вищі (3—10 Гр, чи 0,3—1 кр). Стимулюючий ефект невисоких доз (5 Гр, чи 500 р) використовують у виробничих умовах для передпосівного опромінення насіння кукурудзи, що збільшує її врожайність на 10—12 %.

Найменш радіостійкі вегетуючі рослини: летальні дози опромінення для проростків високочутливих до радіації кормових бобів (6—8 Гр, чи 0,6—0,8 кр) і гороху (10—15 Гр, чи 1,0—1,5 кр) порівнюються з летальними дозами опромінення для багатьох ссавців (близько 10 Гр, чи 1 кр). Опромінення призводить до різноманітних морфологічних аномалій у рослин (зміни розмірів, скручування і зморшкуватості листів, гіпертрофії органів, появи пухлиновидних утворень на всіх органах).

Проростання насіння у різних рослин (спостереження до восьмиденного віку) гальмується значно більш високими дозами від 1 до 35 кГр. Радіочутливість насіння залежить також від глибини спокою, проникності насінневих оболонок для кисню, вмісту в них води тощо.

Значно змінюється радіостійкість в онтогенезі рослин. Так, насіння злаків найбільш радіочутливе у фазі молочної стиглості. При повному дозріванні радіостійкість насіння зростає до максимуму. Як відзначалося, початок проростання призводить до значного зниження радіостійкості, що зростає до періоду закладання осі суцвіття, але знову знижується під час споро- і гаметогенезу. Таким чином, рослина чутливіша до опромінення при проростанні насіння і в період споро- і гаметогенезу. Одноклітинні рослини найстійкіші до опромінення відразу після закінчення поділу і наприкінці фази синтезу ДНК.

Розвиток рослин як у філогенезі, так і в онтогенезі відбувався і відбувається в умовах природної радіоактивності. На ранніх етапах розвитку життя на Землі радіоактивний фон був набагато вищим, ніж сучасний і поступово зменшувався через розпад багатьох радіоактивних елементів земної кори. Можливо тому організмам більш давнього походження властива підвищена радіостійкість. Високі дози радіації здатні переносити ціанобактерії, гриби і лишайники.

Радіочутливість різних видів, родин, порядків, класів, відділів вищих рослин корелює з їхнім розміщенням у філогенетичній системі (Є.І. Преображенська, 1971). Радіопластичність виду пов’язана з його ареалом: чим ширший ареал, тим більша внутрішньовидова мінливість стосовно стійкості до опромінення.

Сортові розходження радіочутливості рослин одного виду корелюють з екологічними умовами виведення і вирощування до опромінення: у вологому і прохолодному кліматі вони менш стійкі порівняно з жарким і сухим. Для підвидів стійкість до опромінення визначається географічними центрами їхнього походження: рослини абіссинського й азіатського вогнищ стійкіші, ніж середземноморського і європейського.

Усі голонасінні рослини радіочутливі, а в покритонасінних відзначена широка розмаїтість за цією ознакою. Так, у класі однодольних усі види середньостійкі і радіочутливі, а в дводольних порядки з примітивними ознаками (деревний і чагарниковий типи, недорозвинений тип зародка) більш чутливі до опромінення, а порядки з більш досконалими вторинними ознаками (трав'янистий тип, розвинутий зародок) — більш стійкі.

Стійкість рослин до дії радіації може визначатися низкою факторів як на молекулярному, так і на більш високих рівнях організації:

1. Ступінь радіаційного ушкодження молекул ДНК у клітині зменшують системи відновлення ДНК. Вони бувають незалежними (темнова репарація) чи залежними від світла. Системи темнової репарації ДНК, що постійно наявні у клітині, відшукують ушкоджені ділянки, руйнують їх і відновлюють цілісність молекули ДНК. Під впливом світла ферментативним чи неферментативним шляхом усуваються димери піримідинових основ, що виникають у ДНК при дії ультрафіолетового світла чи іонізуючого випромінювання. Такого роду відновлення цілісності ДНК сприяє також зменшенню негативних змін і в хромосомах.

2. Захист на рівні клітини здійснюють речовини-радіопротектори. Їхня функція полягає в гасінні вільних радикалів, що виникають при опроміненні, у створенні локальної нестачі кисню чи в блокуванні реакцій за участю продуктів — похідних радіаційно-хімічних процесів.

Функцію радіопротекторів виконують сульфгідрильні сполуки (глутатіон, цистеїн, цистеамін та ін.) і такі відновники, як аскорбінова кислота; іони металів та елементи живлення (бор, вісмут, залізо, калій, кальцій, кобальт, магній, натрій, сірка, фосфор, цинк); деякі ферменти і кофактори (каталаза, пероксидаза, поліфенолоксидаза, цитохром с, НАД); інгібітори метаболізму (феноли, хінони); активатори (ІОК, кінетин, гіберелінова кислота) та інгібітори росту (абсцизова кислота, кумарин).

3. Відновлення на рівні організму забезпечується в рослин: а) неоднорідністю популяцій клітин меристем, що містять клітини з різною інтенсивністю поділу; б) асинхронністю поділів у меристемах, так що в кожен даний момент у них містяться клітини на різних фазах мітотичного циклу з неоднаковою радіочутливістю; в) існуванням в апікальних меристемах фонду клітин типу центру спокою, котрі приступають до енергійного поділу при зупинці ділення основної меристеми і відновлюють як ініціальні клітини, так і меристему; г) наявністю неактивних меристем типу сплячих бруньок, які при загибелі апікальних меристем починають активно функціонувати і відновлюють втрачені частини.

Усі ці механізми захисту і відновлення не є специфічними тільки для рослин, і тому їхнє вивчення важливе для вирішення проблеми радіостійкості як рослин, так і інших живих організмів.