Урок . Фізичні мутагени. Генетичні ефекти випромінювання на статеві і соматичні клітини

Цілі уроку: ознайомити учнів із основними фізичними мутагенами, особливостями їх дії; розвивати навички порівняння й аналізу на основі фактів; виховувати інтерес до біології та проблем збереження життя.

Обладнання й матеріали: рисунки й фотографії із зображенням нормальних і мутантних особин різних видів, таблиця зі схемою класифікації мутагенних факторів.

Базові поняття й терміни: іонізуюче, рентгенівське випромінювання; ультрафіолетові промені, дія температур на зміну генотипу.

Хід уроку

І. Організаційний етап

II. Актуалізація опорних знань і мотивація навчальної діяльності учнів

                                                                            Питання для бесіди

1. Які види мутагенів вам відомі?

2. Які ви можете навести приклади різноманітності мутагенів?

3. Чим характеризуються різні види мутагенів?

4. Які ви можете навести приклади фізичних, хімічних і біологічних мутагенів?

III. Вивчення нового матеріалу                   Розповідь учителя  

1. Вплив фізичних мутагенів на живі клітини

   Серед фізичних мутагенів найбільше значення мають іонізуючі випромінювання, зокрема рентгенівське. Проходячи крізь живу речовину, рентгенівські промені вибивають електрони із зовнішньої оболонки атомів або молекул, унаслідок чого останні стають позитивно зарядженими, а вибиті електрони продовжують цей процес, спричиняючи хімічні перетворення різних сполук живих організмів. До фізичних мутагенів належать також ультрафіолетові промені, підвищена температура тощо.
  Ультрафіолетові промені, як і рентгенівські, в опромінених клітинах призводять до змін, які, у свою чергу, є причиною мутацій, як правило, генних, і рідше - хромосомних. Підвищена температура може збільшити частоту генних, а зростання її до верхньої межі витривалості організмів, і хромосомних мутацій

2. Вплив іонізуючого опромінення на живий організм

     Мутації при дії фізичних мутагенів виникають так само, як і при дії мутагенів хімічних. Спочатку виникає первинне ушкодження ДНК. Якщо воно не буде повністю виправлено в результаті репарації, то при подальшому реплікативної синтезі ДНК будуть виникати мутації. Специфіка мутагенезу (процесу виникнення мутацій) при дії фізичних факторів пов'язана з характером первинних ушкоджень геному, що викликаються ними.
     Іонізуюче випромінювання - це потік заряджених або нейтральних частинок і квантів електромагнітного випромінювання, проходження яких через речовину призводить до іонізації і збудження атомів або молекул середовища.
Іонізуюче випромінювання може викликати мутації - раптові природні або викликані штучно спадкові зміни генетичного матеріалу, що призводять до зміни тих чи інших ознак організму.
     Радіоактивні речовини можуть впливати на організм людини зовні і внутрішньо. Зовнішнє опромінення характеризується впливом іонізуючого випромінювання ззовні і обумовлено різною проникаючою здатністю частинок. Внутрішнє опромінення пов'язано з попаданням радіоактивної речовини усередину людського організму з їжею, з повітрям або через відкриту рану.
     Вплив радіоактивного випромінювання на організм людини залежить від багатьох факторів і визначається:
- швидкістю радіоактивного розпаду радіонукліда;
- швидкістю виведення РВ з організму;
- типом радіоактивного випромінювання.
  Гострі наслідки виявляються в перші кілька днів (тижнів) після опромінення. Віддалені наслідки - наслідки, які розвиваються не відразу після опромінення, а через деякий час.
    Гостра променева хвороба виникає після тотального одноразового зовнішнього рівномірного опромінення. Між величиною поглиненої дози в організмі і середньою тривалістю життя існує сувора залежність.
    При дії іонізуючого випромінювання в дозах, які викликають гостру або хронічну променеву хворобу, відбувається зміни в основних регуляторних системах організму і функціональні зміни діяльності основних фізіологічних систем найчастіше носять полісиндромний характер. Це проявляється у розвитку донозологічних станів, що переходять із зростанням дози до клінічної патології.
    У структурі неврологічної захворюваності особливе місце займає синдром вегетативної дистонії, підвищення тривожності як стійкої особистісної риси, відзначається прискорення переходу психофізіологічних розладів в стійкі психосоматичні.
    При додатковому впливі інших несприятливих факторів існує ймовірність зростання загальносоматичних захворювань. Радіаційний фактор виступає лише як одна з умов цього зростання.

3. Радіоактивний розпад і живий організм

     У навколишньому середовищі всі елементи мають природний біотичний кругообіг і роблять на всі живі організми планети різного роду впливи, в тому числі і несприятливі. Шкідливий вплив речовин може бути обумовлений не тільки їх хімічними або фізико-хімічними властивостями, але і чисто фізичним впливом цих елементів, пов'язаних з їх радіоактивністю.
   Радіоактивність - це фізичне явище, що характеризують такими процесами в атомному ядрі, при яких змінюється його склад і випускається іонізуюче випромінювання. Радіоактивними називаються також всі елементи, ізотопи яких радіоактивні. До таких елементів відносяться всі природні елементи з атомним номером вище 83 (Bi). Шкідливий вплив радіоактивних елементів визначається іонізуючим випромінюванням, характер якого залежить від типу радіоактивного розпаду даного ізотопу.
   Існують природні радіонукліди, які утворюються під дією постійно потрапляючого на Землю космічного випромінювання і техногенні.
    До забруднення атмосфери радіонуклідами призводять ядерні реактори, робота теплових електростанцій, що спалюють кам'яне вугілля. Він завжди містить невеликі домішки урану, торію та продукти їх розпаду. При спалюванні палива ці радіонукліди частково переходять в аерозолі і потрапляють в атмосферу.
    До забруднення грунту радіонуклідами може приводити використання фосфорних мінеральних добрив. Домішки урану і торію завжди є у вихідній сировині, яку використовують при виробництві цих добрив. При переробці сировини радіонукліди частково переходять на добрива, а з них і в грунти і передаються далі по трофічних ланцюгах.
Особливістю радіонуклідного забруднення, пов'язаного з Чорнобильською катастрофою, є різноманітність хімічних форм агрегатних станів, викинутих в навколишнє середовище радіоактивних елементів.
   У результаті забруднення навколишнього середовища продуктами радіоактивного розпаду відбувається накопичення радіонуклідів рослинами. Лісова рослинність має велику поглинальну ємність, що пов'язана з наявністю значно розчленованих поверхонь (листя, хвоя, дрібні гілки). З поверхні листя радіонукліди залучаються всередину клітин і піддаються метаболічному засвоєнню.
    Під впливом гострого опромінення у весняний період 1986 р . у районі Чорнобильської АЕС в цьому ж році відбулися зміни листових пластин у хвойних і листяних дерев. Листові пластини ялини іноді збільшувалися в 3 рази. Різко змінився колір хвоїнок. У сосни вони були світло-жовті, а у ялини - малинові.
Радіочутливість хребетних тварин ще вища, ніж у хвойних рослин. Різко знизилася чисельність грунтових безхребетних, краще екранованих від випромінювання. Співвідношення статевонезрілих і статевозрілих особин змінилося на користь останніх. У забруднених лишайниках- епіфітах не вдалося виявити панцирних і гамазових кліщів, ногохвісток, звичайних для цієї екологічної ніші. У зоні сублетального та середнього ураження сосни виникла і зберігається протягом останніх років спалах масового розмноження вторинних стовбурових шкідників. У вищих хребетних тварин симптоми радіоактивного ураження близькі до симптомів у людини.
    В організмі людини постійно присутні радіонукліди земного походження, які надходять через органи дихання і травлення, він звик жити в умовах природного фонового радіоактивного опромінення. Наприклад, інертний радіоактивний газ радон, потрапивши в організм при вдиху, викликає опромінення слизових тканин легень. Дією радону обумовлені захворювання на рак у більшості робітників уранових рудників.
    Радіонукліди накопичуються в органах нерівномірно. У процесі обміну речовин в  організмі людини вони заміщають атоми стабільних елементів у різних структурах клітин, біологічно активних сполуках, що призводить до високих локальних доз. При розпаді радіонукліда утворюються ізотопи хімічних елементів, що належать сусіднім групам періодичної системи, що може призвести до розриву хімічних зв'язків і перебудові молекул. Ефект радіаційного впливу може проявитися зовсім не в тому місці, яке піддавалося опроміненню.
Перевищення дози радіації може привести до пригнічення імунної системи організму, зробити його сприйнятливим до різних захворювань. При опроміненні підвищується також ймовірність появи злоякісних пухлин. Найбільш інтенсивно опромінюються органи, через які надійшли радіонукліди в організм (органи дихання і травлення), а також щитовидна залоза і печінка. Дози, поглинуті у них, на 1-3 порядки вище, ніж в інших органах і тканинах.
    Серед техногенних радіонуклідів особливої ​​уваги заслуговують ізотопи йоду (131, 132). Вони володіють високою хімічною активністю, здатні інтенсивно включатися в біологічний кругообіг і мігрувати по біологічних ланцюгах однією з ланок яких може бути людина. Основним початковою ланкою багатьох харчових ланцюгів є забруднення поверхні грунту і рослин.
   Продукти харчування тваринного походження - одне з основних джерел потрапляння радіонуклідів до людини. Рак - найбільш серйозний наслідок опромінення людини при малих дозах. Першими серед ракових захворювань, що вражають населення, стоять лейкози, потім рак молочної залози та рак щитовидної залози.
   Дані по генетичних наслідках опромінення досить невизначені. Іонізуюче випромінювання може породжувати життєздатні клітини, які будуть передавати ту чи іншу зміну з покоління в покоління.

4. Ультрафіолетове випромінювання

   УФ-випромінювання – це  невидиме оком електромагнітне випромінювання, що займає спектральну область між видимим і рентгенівським випромінюваннями в межах довжин хвиль l400-10 нм.
   Джерелами УФ-випромінювання є розжарені до 3000 тверді тіла.      Інтенсивність випромінювання зростає із збільшенням температури. Для різних застосувань промисловість випускає ртутні, водневі, ксенонові та інші газорозрядні лампи, вікна яких (або цілком колби) виготовляють з прозорих для УФ-випромінювання матеріалів (частіше з кварцу). Будь-яка високотемпературна плазма є потужним джерелом УФ - випромінювання. Природні джерела УФ-випромінювання - Сонце, зірки, туманності та інші космічні об'єкти.
     При дії на живі організми УФ-випромінювання поглинається верхніми шарами тканин рослин або шкіри людини і тварин. В основі біологічної дії УФ-випромінювання лежать хімічні зміни молекул біополімерів. На людину і тварин малі дози УФ-випромінювання роблять благотворну дію - сприяють утворенню вітамінів групи D, покращують імунобіологічні властивості організму. Характерною реакцією шкіри на УФ-випромінювання є специфічне почервоніння - еритема, яка зазвичай переходить в захисну пігментацію (засмага). Великі дози УФ-випромінювання можуть викликати пошкодження очей (фотоофтальмію) і опік шкіри. Часті і надмірні дози УФ-випромінювання в деяких випадках можуть надавати канцерогенну дію на шкіру.
   У рослинах УФ-випромінювання змінює активність ферментів і гормонів, впливає на синтез пігментів, інтенсивність фотосинтезу і фотоперіодичної реакції.      

     Великі дози УФ-випромінювання несприятливі для рослин, про що свідчать і існуючі у них захисні пристосування (наприклад, накопичення певних пігментів, клітинні механізми відновлення від пошкоджень).
    На мікроорганізми і культивовані клітини вищих тварин і рослин УФ-випромінювання робить згубний вплив і мутагенну дію. Основна роль у дії УФ-випромінювання на клітини належить, хімічним змінам ДНК: що входять до її складу піримідинові основи (головним чином тимін) при поглинанні квантів УФ-випромінювання утворюють димери, що перешкоджають нормальному подвоєнню ДНК при підготовці клітини до поділу. Це може призводити до загибелі клітин або мутацій.
     Сильно впливають на чутливість клітин до УФ-випромінювання мутації деяких генів. У ряді випадків такі гени відповідальні за відновлення клітин від променевих ушкоджень. Мутації інших генів порушують синтез білка і будову клітинних мембран, тим самим підвищуючи радіочутливість негенетических компонентів клітини. Мутації, що підвищують чутливість до УФ-випромінювання, відомі і у вищих організмів. Так, спадкове захворювання - пігментна ксеродерма обумовлено мутаціями генів, контролюючих темновую репарацію.
   Власний мутагенний ефект екстремальних температур не доведений. Однак дуже низькі або дуже високі температури порушують розподіл клітини (виникають геномні мутації). Екстремальні температури посилюють дію інших мутагенів, оскільки знижують ферментативну активність репараційних систем.

3. Повідомлення учня (опереджувальне завдання)

                                      Застоосування ультрафіолету людиною.

УФ-промені широко застосовують для дезінфекції та стерилізації різних об'єктів у медицині, ветеринарії, на підприємствах біологічної, фармацевтичної та харчової промисловості, у тваринництві та інших галузях народного господарства.
      Обробка УФ-променями покращує санітарно-гігієнічні показники виробничих приміщень, повітря, поверхонь різного устаткування, тари, транспортних засобів, води, яєць, молока, крові, м'ясної сировини, м'ясних продуктів; дозволяє зберігати охолоджене м'ясо без заморожування протягом 17 - 20 діб з хорошими товарними та органолептичними показниками.      

Застосування джерел УФ-променів у холодильних камерах зменшує заплесневеніе стін і псування охолодженого м'яса, знижує втрати його маси при переробці, що забезпечує економію витрат на заморожування і дезінфікуючих засобів, що застосовуються для санітарної обробки камер. При застосуванні УФ-променів досягається, крім бактеріостатичної і бактерицидної ефекту на оброблюваних об'єктах, різке зниження в приміщеннях концентрації аміаку, сірководню та інших шкідливих виробничих газів, в тому числі утворюються при псуванні м'яса та інших харчових продуктів.
 

IV. Узагальнення, систематизація й контроль знань і вмінь учнів

Дати відповіді на питання:

1. Які види фізичних мутагенів вам відомі?

2. Які ви можете навести приклади різноманітності дії фізичних мутагенів?

3. Які генетичні ефекти випромінювання на статеві і соматичні клітини?

Творче запитання. Порівняйте фотографії  і передбачте які мутагени могли спричинити такі мутації.

Висновок:

• Ультрафіолетові промені, як і рентгенівські, в опромінених клітинах призводять до змін, які, у свою чергу, є причиною мутацій, як правило, генних, і рідше - хромосомних. Підвищена температура може збільшити частоту генних, а зростання її до верхньої межі витривалості організмів, і хромосомних мутацій генетичний вантаж отриманий в спадок від попередніх, яка кількість мутацій накопичено людством.
    
• На даний момент відомо близько 2 тисяч генетичних дефектів, При цьому приблизно чверть загального обсягу мутацій обумовлена ​​енергією природного фону радіації. Проблема полягає в тому, що прискорення частоти мутацій веде до збільшення числа особин з вродженими дефектами і шкідливими відхиленнями, що передаються у спадок.
   
• Головна небезпека забруднення навколишнього середовища мутагенами, як вважають генетики, полягає в тому, що знову виникають мутації, не "перероблені" еволюційно, негативно вплинуть на життєздатність будь-яких організмів. Мутагени навколишнього середовища впливають на величини рекомбінацій спадкових молекул, які є також джерелом спадкових змін.
  Формується задача скринінгу - просіювання забруднень з метою виявлення мутагенів і вироблення спеціального законодавства для регулювання їх надходження у навколишнє середовище.
      
• Завдання полягає в розробці комплексних тест-систем, які могли б давати відповідь на питання, в яких умовах потенційно мутагенних фактори можуть стати чинними - в залежності від будь шляхів потрапляння в організм і особливостей внутрішньоклітинного обміну речовин, який активує або, навпаки, переважної мутагенний ефект. Комплексні набори біологічних тест-систем для масового скринінгу призначені для виявлення всіх типів мутаційних ушкоджень хромосом і генів і повинні бути чутливі до малих доз мутагенів. Адже наслідки сумарного та тривалого впливу низьких доз мутагенів створюють найбільший внесок у збільшення генетичного вантажу.