Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Парамагнетизм семян в условиях повышенного фона радиации и загрязнений окружающей среды

ВАК РФ 03.00.16, Экология

Автореферат диссертации по теме "Парамагнетизм семян в условиях повышенного фона радиации и загрязнений окружающей среды"

• , ---> I г>л '1 (^ МНО „ФОРУМ*

АГЕНТСТВО БИОИНФОРМАТИКИ И ЭКОЛОГИИ ЧЕЛОВЕКА

На правах рукописи

НОРБАЕВ Зафар Норалиевич _

„ПАРАМАГНЕТИЗМ СЕМЯН В УСЛОВИЯХ

ПОВЫШЕННОГО ФОНА РАДИАЦИИ И ЗАГРЯЗНЕНИЙ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ"

(03.00.16 — экология)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Москва -1991

Работе выполнена в Термавопом гозударотвввиом педагогичеоклм ингтитуте им. и. Т. Айбека

Научный руководитель - доктор физико-математических наук

профессор и. Г. Халиуллин

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук

Казанцев Э. в.

доктор биологических наук Григорян Г. Л

Ведущая организация: Физический факультет Ташкентского

государственного университета

Защита диссертации состоится "06 и декабря 1991 года в 15 , час. 00 мин. на заседании Специализированного Совета Д. 170.01.01 при Агентстве биоинформатики и экологии человека 1ДЮ "Форум" по адресу: 117342, Москва, ул. Бутлерова, 16.

С диссертацией модно ознакомиться в библиотека Агентства биоинформатики и экологии человека.

Автореферат разослан " 6 " ноября 1991 г.

Ученый секретарь Социализированного Совета доктор физ.-мат. наук

Добряков С. Е

Актуальности. Вовлечение в народнохозяйственный оборот огромно— з количества моненно ванных ресурсов земли прямим или косвенным /тем привело к загрязнению атмосферы, почьы, воды растительности ■много шара. В определенных регионах нашей планеты воледотвие ава— 1й атомных реакторов, добывания радиоактивных элементов в урановых 'дниках, испытаний атомных бомб, применения атомной энергии в мирах целях (науке, медицине) произошли радиоактивные загрязнения.

Из проблем радиационной биофизики одной из наиболее сло>мных яв-1етоя проблема определения молекулярного механизма биологического 1йотвия малых доз ионизирующей радиации. Хотя понятие "малая доза" 1низирук«11ай радиации является весьма неопределенным, решение задачи монвния Физической природы радиационных нарушений в раотениях при йотвии ионизирующего излучения, близкого по доза к Фоновому, явля— ся актуальным. Это, в первую очередь, относится к растениям, отушим на почвах о повышенной радиоактивностью. 8 естественных ловиях такие почвы часто оказываются засоленными и загрязненными а эультате деятельности человека.

Весьма затруднительно выделить определенные универсальные био— зичеокие параметры, по которым монно было бы определить влияние вокупнооти "загрязнителей" окружающей среды, интегрально класоифи— руюыих их биологическое дейотвие. Опыт применения физических поддав для оценки соотояния биологичооких обюктов весьма скромен, эбходим широкий поиск новых информативных о точки зрения задач элегии теотов, их сопоставление, анализ действующих тестов о новы— возникающими в экспериментальной Физике, идеями и методами.

Особое внимание привлекают теоты, ранее не получившие распрост— чения из-за о/ютооти их реализации и интерпретации. Среди них вы— 1яетоя метод Оценки молекулярного соотояния вещества по рго пара—

магнетизму о помощь» метода электронного парамагнитного резонанс

В последние годы благодаря использованию ЭВМ и машинных' метол обработки информации удалось существенно увеличить эффективное ЗПР-спектроокогии.

Мы сочли возмонмым предложить использовать парамагнитк свойотва семян в качеотвв интегрального показателя их ооатояния.

Среди ряда парамагнитных центров сомян основная часть име свободнорадикальную природу. Такого рода центры сухих оемян весь отабильны и в то же время они отражают условия, в которых они об; зовались и характеризуют оообеннооти метаболизма растений, а так влияние различных условий их произраотания.

Данная работа выполнена в рамках обпей актуальной задачи поис новых Физических методов анализа влияния ионизирующей радиаци! неблагоприятных в биологическом смысле Факторов окружающей среды.

Тема диооертационной работы соответствует Ппану научно-кссле, вательских работ Ташкентского государственного педагогичеок! института; Отделения биохимии, биофизики и химии Физиологически тивных соединений АН СССР по проблемам радиобиологии 2.28.10..раз, 2.2В.1®.4.2. и Распоряжению СМ УзССР от 4.И0.В9Г. N 282-р.

Цель работы заключалась в определении парамагнетизма семян, росших в уаловиях повышенного Фона ионизирующей радиации и дру загрязнений окружающей среды по их магнитно-резонансным харак ристмкам, а также в разработке машинных методов анализа формы о ночных сигналов ЭПР о помощью персональных компьютеров типа PC/XT

Задачи исследования:

— применить методы спектроскопии ЭПР для анализа биологическ действия повышенного Фона радиации и загрязнений окружающей среды парамагнетизм семян;

— разработать новые методы автоматизированного анализа данных юктроскопии ЭПР по действию "Ректоров окружающей среды на оемена 'рановыв почвы, атмосферные и химические загрязнение):

— определить связь между метаболизмом оемян и их парамагнитными «нтрами свободнорадикальной природы;

— изучить возмояяооти использования ЭПР-спектроскопии для юпресс-оценки влияния Факторов окружающей среды на оемена при юоовом их анализе;

— дать краткий анализ данных литературы о действии ионизирующей |Диац,ии (в малых дозах) , загрязнений окружающей среды на биологи— юкие объекты.

Научная новизна. Даны примеры эффективного использования эвто— визированной и обычной опектроскопии ЭПР для анализа молекуляр— I—Физических изменений в семенах растений, выросших на почвах о по— шейной радиоактивноотью, в уоловиях загрязнений окружающей среды, юрвые показана перспективность ЭПР—спектроскопии для изучения па-магнитных центров семян раотений диких и культурных форм, раотуших оолевык почвах, • уоловиях высокогорья, атмоофврных загрязнений.

Остановлено. что содержание свободных радикалов в семенах отений завиоит от уоловий их выращивания в экстремальных условиях, ражая в интегральной Форме изменение их окиолительно-восстанови-льного метаболизма.

Создан пакет прикладных программ для машинной обработки Формы иночных опвктров ЭПР парамагнитных центров биологических структур помощью персональных ЭВМ типа IBM PC/XT/AT.

Практическое значения работы заключается • возможности исполь— вания парамагнитных овойотв семян в качестве общей характеристики йотвия Факторов окружающей ореды.

Разработанный Пакет прикладных программ может эффектней попользоваться дли теоретического моделирования и расшифровки спект ров ЭПР биологических объектов при помощи персональных ЭВМ, а теки для обработки больших массивов ЭПР-спектральной информации о цель определения по изменению парамагнетизма биологических отрукту

w

действия различных Физических и химических Факторов на биологически объекты.

Апробация работы. Материалы работы докладывались на IX Всесоюз ном симпозиуме "Ч^зиологические и биохимические основы солеустойчг вости растении" (Ташкент, ФАН, 1985) ; на регионально! 1 совещании "Актуальные проблемы охраны окружакядей среды и рациональное использов. ниа природных реоуроов" (Термез, ¿987); на 1-й региональное конфс ренции "Миграция солей на территории Среднеазиатского региона" (Таь кент, 1988); на Всесоюзной конференции "Синергизм действия ионизир\ юцей радиации и других Физических и химических Факторов на биолога чеокие системы" (Пуыино, 19ВВ), на совещании по микродозиметрии (Кс нев, 1Э39) ; на 1—м делегатском съезде почвоведов Узбекистана (Tai кент, 19ЭО); на 1-м Воеооюзном симпозиуме "Молекулярно-клеточн( действие хронического облучения на биологические системы" (Москв; 1Я9®>; на Научно-методической конференции преподавателей дисципли» "Электрическое освещение и облучение" (Ленинград, 1990); на научн! конференциях профессорско-преподавательского состава Термезскт Госпединститута (19В7, 19ВЭ. 19В9, 19ЭО, 1991).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 работ.

Объем и структур? диссертации. Диосертация соотоит из введени! IV глав, выводов и списка литературы.

Во введении обоонована актуальнооть темы, сформулированы цель и 1адачи наследования, отмечено научное и практическое значение ро— 1у/и.татот диосертации, приведены оведения об апробации работы.

В первой главе проведен анализ литературных данных о дейотвии юнизируюыей радиации и радионуклеатидов на мо, .акулярно-биофизи— |еокие свойства оемян. Семена раотений являютоя "удобным" объектом 1ля решения ряда задач биофизики, окружающей среды. Это в полной Meie отнооится к исследованию парамагнетизма биологичооких -структур. 1арамагнитные овойотва оухих оемян главным образом обусловлены ста— ¡ильными оеободнорадикальньми состояниями их молекулярной отруктуры. I то та время количество свободных радикалов отражает уровень определенных метаболических процеоооа в организме. Известно, что 1ействие ионизирующего излучения на семена растений приводит к возникновению в них дефектов молекулярной отруктуры, которые в оухих >еменах предотавляют ообой полускиоленныэ состояния биохимических :омпонент клеток. По данным Л.А.Блюменфельда и А.3.Калмансона (1.358) 1ля образования одного свободнорадикального центра требуется более .О зв О,253 Кл/кг в оеменах о маооой О.2 г методом ЭПР выявлено

Ii

~ 1.2 . 10 овободнорадикальных центров.

В литературе обращено внимание на ванное значение свободных ра— [икалоа в Формировании первичного механизма двйотвия ионизирующей адиации <Циммвр, 1962: Мюллор, 1954). Н.И.Бидзиля в серии работ 1970, 1Э72) изучил роль свободных радикалов а условиях длительного ранения облученных оемян в пострадиационный пэрисд и влияния окиси зота на онинонио содержания свободных радикалов. Различные овойотва эовадных радикалов описаны в статьях (А.Эренберг, 1361: ИЗрагимов, BS!}; Видзиля, 1979). E.H. Краснова«» <10791 изучил долго ммвучиа

паранагнитньк? центры в облученных семенах и показал, что содержан:

свободных радикалов в семенах кукурузы зависит от морфологичеок!

признаков. Показано, что парамагнитные центры эавиоят от мощное

дозы облучения. Ибрагимовым и Султановым (1ЭБ4, 1ЭБЭ) установлен

что мощность дозы ионизирующей радиации влияет на образование (в

ход) свободных радикалов в семенах хлопчатника. Ими отмечено образ

вание долго м-<вущих (стабильных) свободных радикалов в семенах хло

чатника. В исоледованиях В.Мораиоа и сотр. (1ЭЕ7) обнаружено, ч

оемена фаооли, облученные (©,40,В®,120,1Б® и 200 Гр) снижают вех

жеоть и изменяют цвет кожуры. Автор указывал, что температура

вламмость семян в момент облучения играют определенною роль в обр

эовании свободных радикалов. Исследовав парамагнетизм семян оазли

ных видов и сортов, он пришел к выводу о том, что во всех изученн

W 19

объектах количество свободных радикалов составляет 10 — 10 на 1 воздушно-сухих семян.

Анализ литературы показал, что до наотоящего времени исследое ны свободнорадикальнь» состояния семян, полученные в результл действия больших доз ионизирующей радиации. Не определены свойс-1 свободных радикалов в семенах, растущих на почвах о малой радио« тивноотьк» в течение'веков. Их экспериментальный анализ необходим i уотановления природы парамагнетизма в »иеых организмах.

Во второй главе опиоаны методы и материалы.

Измерения спектров ЗПР проводили на спектрометре типов ЛАРС I АН СССР, ЗПР—2 на кафедре биофизики САС.ПИ. В состав техничео средств ЗПР ЛАРС (лабораторный автоматизированный радиоспектроме1 вводит трехсэнтиметровый ЭПР—спектрометр типа "Рубин" с высо1 частотпая модуляцией магнитного поля. В ЛАРСв с помощью программа

айвера ввода-выеода информации и приборного интерфейса КАМАК диоспектрометр соединен о микро-ЭВМ "Электроника-G®" (как одно из еыних устройств). Следует отметить, что ограничен»/)! на применение ЛАРС ЭПР других микро- и мини—ЭВМ, программно-совместных с "Элект— никой-6®", нет (например, ЭВМ СМ—1300) . Спектры ЭПР записывали в да первой производной от линии ЭПР—поглощения в услориях оутотвия искажения Формы спектра за очет момнооти микроволнового лучения клиотрона. Препараты семян и другие образцы помещали в Флоновые патроны, кварцевые или стеклянные трубки. Спектры ЭПР се— н регистрировали как правило при комнатной температуре.

Изучение парамагнитного ооотояння листьев раотений. Листья стений разрезали на малкио доли, перемешивали и замораживали в дком азоте. Сырой вес ка>«дого образца соотавлял около 300 мг.

Основными характеристиками спектра ЭПР являются ширина, Форма нии поглощения. Площадь под линией поглощения характеризует коли-отво неспарянных злэктронов в образца, центр (середина) линии ЭПР ответствует значению ее д—Фактора. В нашем олучае площадь под кри— й поглощения определялась путем двойного интегрирования спектра Р. В качеотве »талона сравнения-использовали диФ инил пикрилгидра— н (ДЧПГ) а бензоле (0,3—ЗмТл). Препарат ДФПГ попользовали также и п определения значений д—Фактора изучаемых образцов.

Обработку ланнмх ЭПР измерений проводили о помощью пакета ота— зтичеоких программ (ПСП), разработанный для ЭВМ IBM PC. В нашей 5оты мы попользовали ПСП для отатиотичоской обработки данных. При заботив опектров определяли ореднк» квадратичную ошибку.

- в -

Материалами иоолодований олунили самана культурных оортов хлопчатника. Опыты проводили также на семенах диких Форм. В опытах также попользовались прорЬотки хлопчатника радиоустойчивых и радиочувотви-тельных сортов (Назиров 1969. 19755; Норбаев, 1976, 1984). Выооко-горнью семена растений собирали на высоте 1300-1300; 230&-2700; 3500-40X2)0 метров над уровнем моря. Урансодержащие почвы имели повышенный Фон радиации: 28-02; ЗБ-60: 107-123210-243; 315-350. Ю А/кг.чао. Контролем слунили оемена, взятые у растений, выросших при обычном фоне (0,7—1,4.10 А/кг.чао). В вышеуказанных учаотках в ооновном собирали зрелые семена и листья (определенного яруса) однолетних и многолетних раотений. При сборе экспериментальных материалов вотречалиоь два отчетливых почвенно-климатичеоких условия произрастания оемян и раотений. Первое — горные и предгорные зоны и второе — паотбинно-отепныа районы.

Семена и растения вьюуииьали в лабораторных уоловиях. Для высушивания семян до очень низкого процента влаимооти испольэовалиоь ажоикаторы, наполненные хлориотым кальцием (безводный) о последующим выкачиванием атмосферного воздуха.

Все семена хранили в воздушно-сухом состоянии. Для сбора экспериментальных материалов каждый год два раза организовывали экспедиции: в конца мая для обора оамян раотений паотбиино—степных районах и в конце июля и начале августа для обора материалов в горных и высокогорных районах. Семена и листья как контрольного, так и опытного материала были собраны в горных уоловиях на высоте 13ОО-140О м над уровнем моря. Наибольшая площадь равнины около реки богата растительностью (однолетние и многолетние растения). Семена однолетних раотений созревают в конце июля, многолетних — в осенний период.

1лощадь иоточника уоловленно делили на четыре учаотка о убыванием адиоактивнооти почвы: 1 — контрольный вариант. 10-20 по А/кг.чао; I — мощность экспозиционной дозы 17,3—23.10 А/кг.чз ; 3 — 36-G0.10 i/кг.чао; 4 — 210-243.1® А/кг.чао. Во время сбора оемян и лиотьев астений каждого варианта опыта вша раз измеряли радиоактивность ючаы, где росли раотения.

В третьей глава изложены предложенные нами методы компьютерного нализа Формы спектров ЭПР семян раотений. Спектры ЭПР оэмян расте-рий и многих других ьиологичеоких объектов чаото представляют собой экие (1,0—2,0 мТл) одиночные линии со значениями д—фактора близкими : д—Фактору свободного электрона. Для количественного анализа таких 1иний (помимо определения обычных магнитно-резонансных параметров: начения д—Фактора, полуширина и ширина линии) целесообразно выявить . какому типу линии относится спектр, каков вклад в Форму линии так |аэываемых форм Гауоса и Лоренца. Каждая из этих форм имеет свой Фи— ический смьюл. В литературе опиоаны раэличныэ варианты анализа фор— 1ы одиночных линий ЭПР, разработаны номограммы. Однако, предлагаемые |ами приемы овязаны о разработкой новых прикладных математических iporpaMM для персональных компьютеров типа IBM PC/XT, широко исполь— уемых в настоящее время в научных исследованиях и удобных для обра— ;отки данных ЭПР. Предотавляет определенный практический интарво вы— онить какую информацию монио извлечь из таких спектров. Проотейшая юрма линии — Лоренцевя:

АСН)= So. -^ттг-гт)-

уЗ So ' Дд_

где Р)« — знак действительной чаоти выражения, ширина линии

экстремальных точках. Н0 — положение центра опектра.

Обычно регистрируется первая производная сигнала поглощение а'(Н) . С физической точки зрения — В0~ площадь под кривой поглощен)' пропорциональна чиолу парамагнитных центров, Но» ^0 _ опр«

делявтоя чаототой СВЧ и д-Фактором, Дд — рвлаксионная ширина, св!

= .

роа в свою очередь пропорционально концентрации парамагнитных цет

занная оо временем поперечной релакоации I д, - . '.. , коте

ров в окрестнооти иооледуемого центра.

Форма линии Гауссова возникает тогда, когда спектр ЭПР обусло! лен разброоом локальных магнитных полей в окрестности исоледуемог парамагнитного центра, либо слабым разбросом д—Фактора (слабая анъ зотропия), либо за очет двлокалиэации нвепаренного электрона по ц< пи, содержащей ядра с ненулевым магнитным моментом. Например, деле кализация по цепи в -связей, содержащих атомы водорода, приводит > гауссовому уширению линии, причем

д2г - 1п(1„М)агп

где — Дг наблюдаема« ширина гаусоовой линии в экстремальных точка) а„- константа СТВ на п-ом ядре, Iп — спин этого ядра.

В общрм случае, когда релаксационная ширина соизмерима по вель чине с Гауссовой, наблюдается Форма линии, представляющей соб< свертку двух Форм:

со _ ха

А (В-Нр) - <**-

К сожалению, чаото наблюдается олабая анизотропия, вызванная риоутствием анизотропии д—фактора, тогда общая Форма линии: ЭТ 21Г

¡Л ÍA

F(H)*A И AiH-HotQ^b.nödsa^

де

Но(0,т)

ICO

ричем JxT'^y^Jz

Нами разработаны алгоритм и программа, реализованные на пероо— альных компьютерах типа IBM PC, для машинного анализа форм линий пектров ЭПР, характерных для многих биологических объектов (в т.ч. •мян раотений).

При анализе форм индивидуальных линий спектров предварительно пумвотвляотоя поиок экстремумов и идентификация (селекция) линий, »осмотрим алгоритм на примере анализа формы линии на приближение к оренцоаой (LOREN) и гаусоовой (GAUSS) формам. Иоходя из физики ПР-процеооов (обменные взаимодействия) поотулируам следующее ут— врждоние: на интервала длины линии ее Форма мохвт изменятьоя на возе, чем два раза. Другими оловами, на рэооматриваемом интервале лины линии по Н—полю могут оущзотвозать только олэдукшие комбинации эрмы:

LOREN QAU33

LOREN - GAUSS GAUSS - LOREN LOREN - GhJSS - LOREN GAUSS - LOREN - GAUSS

Соответствующее значение Н-поля перехода одной Формы в другу« будем называть полем обмена. К моменту начала анализа Форм параметр! отобранных линий экспериментальных спектров известны! Н р — резонансное значение Н-поля каждой линии, AMPL — амплитуды (интенсивности) , DP — ширины линий (на уровне точек максимального наклона).

Этап первый: налонхжие маоок. Аналитические записи LOREN i GAUSS—форм имеют вид (линии поглощения):

s¡ CLOREN: - AMPL/UI + 4/3) (нг - н;)а/орг)

S¡СGAUSS3 - AMPL*exp(-2(Hr - H¡)a/üA

Пуоть 1&, 1£— номера каналов начала и конца рассматриваемое интервала линии, т.е. -ь i < , что соответотвует Н^« H¡~He' Вычислив на этом интервале S;CLOREN] и S;СGAUSS], .имеэм три массив« чисел, описывающих линию: два смоделированных и один эксперимен-

тальный.

Этап второй: вычисление отклонений. На интервале , ^вычисляются среднеквадратичные отклонения: AL;» ^ (S; - S¡CL0REN3)a' AG;« j (S; - S; tGAUSSi)*'

При этом происходит заполнение специального массива согласнс следующему правилу:-

1, если д L; < д Q; ; IDER *» —1, если Д G ¡ < Л L ¡ i

О» если ¿L¡ =ДБ| Особенностью данного алгоритма анализа форма линий является игнорирование числовых значений отклонений^; ,AG;кривой линии от кривых двух масок и замена их всего на три простых целых числа <0, 1 либо —1' В дальнейшем анализ формы связан: с анализом композиции

галучаемых выша чисел (□ целыми числами компьютеры работают всегда амного быстрее, чем о вещеотвенньми).

Этап третий: упорядочение отклонений. В получс ном массиве со— ерммтоя информация о форма анализируемой линии. Реализуется следующая процедура упорядочения чисел в массиве. Первоначально масоив взвивается на подмассивы таким образом, чтобы каждый из них содер-ал только одинаковые чиола 1 либо —1.

Пусть первый элемент массива равен 1 . Если второй элемент акже 1, то очитаем, что первый подмассив содержит ужа два элемента; ели О, то как "безразличное" число включается в первый подмассив и ераходим к третьему элементу. Еали элемент —1, то образуется второй одмасоив и т.д.

Таким образом, в результате разбиения походного маосива на под— мссияы в общем случае имеет КО подмассивов. Каждый из них будет оо— ержать только чыо/10 1 плюо, возмом-га, О, либо только —1 плюо, озмояко, О. Размеры подмассивов могут быть, начиная от единицы до акоимального исходного (воли пооладний заполнен только одинаковыми иолами) плюо, возможно, нули. Поскольку на интервале длины анализи-увмой линии может быть до двух-переходов одного типа Формы в дру-уи>, полученные подмасоиаы сгруппировываются в новью подмассивы (от до 3). Смыол группировки заключается в том, что рассматриваются о очки зрения их взаимного располонения и весоз (чисел элементов).

Этап четвертый: качественная оценка Формы. Предложена следующая роотап интерпретация получанных числовых результатов.

Примем чиоло элементов для каждого из трех полученных в итоп одмаосивов за 1®©7.:

Kl i + Kl_,+ Kl0 - Kl ~1 CKZtt

K2 4 + K2.| + K20 - K2 ~ 100У.

КЗ { + КЗ., + КЗ 0 - КЗ ~ ICKZtt

Веоа формы LOREN (в вещественном виде)

Kl, + о.з*к10: кг, ♦ о.з«к20; кз, +■ о.з»кз0 Веса Формы gauss

К1_,+ О.З*К10: К2_, + O.3*K20; КЗ.,* (Ü.3IK30

Наконец, веоа в "/.-ом отношении. Для формы LOREN:

FORML( 7. - FORML, »1ИОУ./К1

FDRMLjiX » FORMLjtlOOX/Ka

FORMLjX - F0RML3*l®<Zr/./K3

Для формы gauss:

FQRMQ, У. - 10СГ/. - FORML,X

FORMGj,* - lCXZSi - FORMLjX

FORMOj'/. - IOCГ/. - FORML^X

Отметим, что приведенный выше общий результат анализа Формы ин дивидуальной линии монет содержать несколько интервалов оценок,толь ко если происходит изменение одной Формы на другую. В равной степей возможен результат, при котором линия может быть представлена двум или дажа тремя интервалами одной формы о разными весами оценок.

Олиаанный выше алгоритм анализа формы индивидуальных линий рва лизован в программном комплексе FORMLIN, включенный в пакеты прик ладных программ по обработке спектров ЭПР (ППП EPRO и ППП RES) дл лабораторного автоматизированного радиоспектрометра.

Программы комплекса FORMLIN соотавлены на языке Microsof FORTRAN version З.О для персональных компьютеров типа IBM PC (конк ретно зполизовались компьютеры OLIVETTI М2В и KEYPRO).

В диссертации предотавлены некоторые иллюстрации результатов заботы комплекоа. На рис. 1 изображен симулированный изотропный этвмтр ЭПР взаимодействия электрона о двумя протона* (ширин» линии 9.а мТл, расщепление 2,0 мТл, форма линии GAUSS).

На рио. 2 изображ»н экспериментальный спектр семян ячмоня. пвктр оильно зашумлэн. Ниже иэображэн тот жэ спектр ЭПР поала признания к нему нерекурсивного цифрового Фильтра (огланивания) .

Таким образом в работе описан предложенный метод (алгоритм программной реализацией) анализа и качественной оценки Формы индиви дуальных линий спектров ЭПР. Иоходмым условием для работы метода яв ляется возможность аналитического писания искомых форм (как, напри

мер, лоренцева или гауссова формы) или подданчцегося программно-алго

»

ритмической Формализации концептуального описания (как, например ромбовидная форма). Эксплуатация программного комплекса Р0КМ1_1М, ко торый осуществляет оценку Форм линий, показала достаточную эффектив нооть метода.

В четвертой главе приведены результаты измерений количества свободных радикалов в семенах раотений, выросших в разны.: Физически и химических уоловиях. Проведенный анализ спектров ЭПР секян сем семейств растений показал, что во всех случаях спектры ЭПР предотав ляли собой одиночную, как правило, слегка аооиметричную линию полу шириной (ДН) 1—2 мТл и значением д-Фактора 2,О®. Количество п«рамаг

и

нитных центров в оеменах составляло ДО — 1© спин/г сухой массы

Такого типа спектры ЭПР могут быть обусловлены продуктами, свободно

радикальных реакций типа Фенольно—хиноидных и других соединений. Ти

пичный спектр ЭПР семян ячменя приведен на рис.2. Измерения опектро

ЭПР семян проводило при влахв-шоти семян 3—4; В—Ю7. и 14—13Х. Пр

влаю-юсти 3—4% свободные радикалы оемян стабильны. С повышением вла

м-юоти нестабильность свободных радикалов растет. Анализ Формы лини

спектров ЭПР оухих семян показал, что спектры в основном описьваютс!

гауссовыми кривыми. Результаты опытов показали, что при нормально!

— (2

Фоне радиоактивности почвы (0,7—1,4.1® А/кг-ч содержание свободны радикалов в семенах различно для разных видов растений. Гармала ад распан >дер>тт больше свободных радикалов, чем другие растения. От

втим, что эти растения более радиоуотойчивы по сравнению о другими Норбаев, 1984). Анализ данных показал, что в семенах различных ви-ов и сортов раотений, раотущих на повышенном Фоне радиации, не оегда существует прямая связь между радиоуотойчивооты© и содержани— м свободных радикалов. Связь радиоустойчивооти семян растений о ко-ичеотвом свободных радикалов прооленмваетоя внутри одного и того ни ида раотений.

Наши опыты и иооледования других авторов (Ибрагимов, 1969) по— аэали, что кожура семян содержит большое количество мвланиновых оединений, имеющих Фенольную природу. Кроме того, содержание неспа— енных электронов о семенах растений зависит от морфолого—Физиблоги-еокого ооотояния клетки (Березина, 1964). Измерение количества ceo— одных радикалов в семенах, выросших на почвах о повышенной радиоак— ивностью, показало, что о воэраотанием Фона радиоэктивнооти почвы в вменах увеличивается содержание свободных радикалов.

Скорее всего произрастание семян в твчение многих веков на по— ышенном Фоне радиоактивности почвы приводит к увеличению количества вспаренных электронов в организме растений. Высокое содержание вспаренных электронов, на наи взгляд, связано о повышением ин— внсивности окислительно-восстановительных процессов типа Феноль— э—хиноидных, сульфгидрильных соединений о ионами о переходной ва— ентностью. Необходимо отметить, что в болвэ засушлисых зонах при адиоактивности (7—14. JO А/кг.час) заметных изменений по содержании» вспаренных электронов мы но обнаружили. Опыты показали, что в сома— ах сравнительно радиоустойчивых растений (костер донтани) содержаще неспаренных электронов увеличивается на 17%, а то :t£? время е се— ?нах сравнительно радиочувствительных (ячмень мышиный, костер кро—

вельный, овео волосиотолиотный) при радиоактивности (12Б—143.10

А/кг.час) содержание неспаренных электронов увеличивается на 23-27

по сравнению о оеменами выросшими на обычных почвах. Для того, чтоб

более убедительно выявлять парамагнитный эффект для семян различны

растений изучили содержание неспаренных электронов в семенах, взяты

о участков о высокой радиоактивностью почвы, для оемян отнооительн

радиочувствительных раотений (ячмень мышиный, коотер кровельный) пр -12

дозе (32,3-63.1® А/кг.час) получены аналогичные результаты. Однако

-»г

о возрастанием дозы радиоактивности почвы (1(37,2-128,7.10 А/кг.час

и (190-217.10 ^/кг.чао) количество свободных радикалов увеличиваете

до 4Э'/. по сравнению о контрольными вариантами опыта.. На почвах

вьюокой радиоактивноотью нами взяты семена раотений костра донтаний

коотра мышиный и костра кровельного. При радиоактис тоти почв -11

(ЗОЮ—330.10 А/кг.чао) в семенах вышеназванных растений содержани неспаренных электронов увеличиваетоя до 50Х по сравнению о обычно почвой.

Исследования различных оемейотв раотений показывают, что дина мика изменения содержания неопаренных электронов в листьях аналогии на изменению свободных радикалов в оеменах.

С цел'^ю {интерпретации записанных нами спектров ЭПР оемян * провели ряд модельных опытов о Фенольными соединениями. Спектры ЭГ тирозина (выделенного из оемян) представляют ообой синглетныа сигна ли о полушириной 2 мТл. Его д—фактор по значению близок к д—фактор свободного электрона. При изменении опектров ЭПР продуктов реакш" при смешивании тиразина и синтетической тиразиназы, а такт тирозин и тироэиназы, выделенных из оемян, мы наблюдали образование семих^ ноидного радикала. Макои-ум образования свободных радикалов наблюдя

тоя через 70—73 минут после начала реакции. Необходимо отметить, го образование семихинонов при реакции между тираэином и тираэина— эй в щелочных оредах ускоряется.

Наши исследования показали, что семена произрастающих при воз— 1йатвии 'УФ-радиации высокой интенсивности (в горных условиях) со-»ржат больше свободных радикалов, чем долинные.

Результаты опытов по ЭПР-спектроскопическому анализу крови се— •н высокогорных растений показывали, что о возрастанием интенсив— юти солнечной радиации увеличивается содержание свободных радика— >в. В кожуре семян содермятся больше, по сравнению о зародышем или |Доспермой, веществ меланиновой природы.

Результаты по выделению меланина из кожуры семян высокогорных отений такие показали, что о возрастанием высоты увеличивается со-ржание свободных радикалов, причем у ячменя дикорастущего оно уве— чивается больше, чем у мо»г«еввльника обыкновенного и вишни горной, обходимо отметить, что общее содержание свободных радикалов нэмно-меньшэ в выделемном из семян меланине по сравнению о кожурой итком).

. Парамагнетизм семян растений обусловлен повышением активности 1Юлительно-еосстановитэльных процессов фенольно-хиноидных совдинв— "ч э клетках и тканях. Почученныэ спектры ЭПР в кожура сомлн рзсте— я и меланине убедительно показывают увеличение парамагнетизма со— «ннанньгх свобаднорадикальных центров.

Исо/юдовэны спектры ЭПР семян диких и культурных растений; из—

1яли спектры ЭПР в целых семенах, о кожуре, мякоти, зародыше. Опы—

проводили о ооэдуыно—сухими сенендки. Результаты показали, что

радикалов

<ие Формы семян содержат меныиэ по сравнению с культурники.

Предпринятый нами анализ спектров ЭПР позволил сопоставить радио чувствительность оемян диких и культурных Форм растений о содержании ем свободных радикалов. Имеется четкая тенденция, овидвтельотвуюыа о том, что радиочувствительность диких форм семян выше культурных Это нашло свое отражение и в овойствах окислительно-восстановитель ного метаболизма растений. В то же время из литературных данных оле дует, что радиочувотвительнооть трудно прямо овязть с содержание свободных радикалов в обменах. Пооледнее зависит не только от ин тенсивнооти радиации, но и от вламвности, температуры и других Факте ров окружающей ореды (Гродзинский, Бидэиля, 1Э7Э). В наотоящее ере» считается радиочувотвительнооть оемян — это многофакторное свойств организма (Кузин, 19ВБ) , т.е. при анализе природы радиочувотвитель нооти необходимо учитывать свойства и характеристики тк*> чй органиэ ма и Факторы окружающей среды.

Парамагнетизм семян в уоловиях атмооферных загрязнений изучен предположении, что атмосферные загрязнения существенно влияют на оя ганизм растений.

Исследование влияния атмосферных загрязнений на парамагнети: семян предотавляет теоретический и практический интерео, в чаот нооти, в связи о анализом парамагнитных свойств семян, выросших > радиоактивных почвах. Мы определили содержание свободных радикалов семенах, взятых в районе атомного реактора, где обычно несколько га выыены радиоактивный Фон (1,3—2,О ПДЮ и концентрация загрязнений почве, воде и атмосфере. Опыты проводили о различными семена) сельскохозяйственных культур. Анализ опектров ЭПР оеммн овидвтельс вует о наличии нескольких парамагнитных центров, имеющих синглетн: Форму оо значениями д-Фактора 2,(26)4; 2,©46; 2,С8<Э. Форма лин!

пектров ЭПР не является вполне гауссовой. Установлено, что о повы— ением концентрации загрязнении атмооферы увеличивается содержание вободных радикалов в семенах ряда однолетних и многолетних раоте-ий. В условиях одновременного действия атмосферных загрязнений и изкофонового облучения выявлено увеличение числа парамагнитных онтроэ в семенах. Синергизм при действии низкофонового облучения и агряэнений атмосферы, выражыощейся в увеличении концентрации пара— агнитных центров в семенах раотений, является возмонной причиной »медления их роста, развития и снижения урожайности.

Нами было изучено влияние Фтористого водорода на содержание» 9ободных радикалов семян сельскохозяйственных культур. Семена были эбраны о колхозах Сурхандарьинской области. Результаты анализа по— »зали, что в семенах томата, кукурузы, хурмы, яблск, болгарокого эрца и урюка содержится больше свободных радикалов по сравнению с < количеством в семенах, взятых из других районов. Возмояно, что зичиной, вызывающей роот числа свободных радикалов является не злько фтористый водород, но и другие загрязнения.

Проводили опыты с природными оолоустойчивыми и солечувствитоль— «и семенами растений. Определяли по спектрам ЭПР двйотвие солевых ¡створов на семена растений. Кроме того, измеряли спектры ЭПР в се— ¡нах, выращенных на сильно и мало засоленных участках.

Нами было изучено влияние различных концентраций оолевых раст— »ров на содержание нгсларенных электронов после намачивания и высу— юания семян различных сельхозкультур. Чатэнктзл&но, что при высоких 'нцентрациях солевых растворов появляются еемиуииони, СН—'гид— ксильмыо» и супрр-оксидные радикалы. При унаньивнни концентрации» лееых растворов содержание неспарвнных электронов уменьшается.

Снимание содержаний количества свободно радикальных центров особенно заметно • семенах хлопчатника и кукурузы при действии раотворо! (®,01Х> хлориотого кальция. Заметим, что с увеличением концентрации оолевых растворов содержание неспаренных электронов увеличивается I обоих видах в кожуре семян. Воэмсшно, что увеличение количеотва свободных радикалов о нарушением проницаемости в клетках и тканя: раотений.

В заключении дан анализ результатов исследования парамагнетизм, сухих семян. Он показал, что его молекулярная природа обусловлен! отабильными свободными радикалами некоторых биологических структур Выяснилооь, что оемена различных раотений содержат неодинаковое количество свободных радикалов. Например, из изученных нами видов ое мян наибольшее оодержание свободных радикалов наблюдалось 1 оемена: гармала адраспана, мяты азиатской, ыитках семян хлопчатника. Природ свсбоднорадикальных частиц в семенах обусловлена особенностям! окислительного Ферментативного окисления ряда Фенольных соединений протекающего о образованием полуокисленных состояний, т.е. через Фа эу о раопаренными по опину электронами.

Источником свободных радикалов в семенах могут быть так*» ради ационно—химические превращения фенольно^-хиноидных и других соединв ний (Норбаев, 1Э77; Кузин, 1979). Примечательным результатом анализ таких процеооов являвтоя отабилиэация овободнорадикального ооотоя ния, т.е. его коноервацип при выоушивания семян. При низкой вл«ж ности (2—ЗУ.) овободные радикалы сохраняются длительное время.

С повышением Фона радиоактивности (4Э-63.1И"'2 А/кг.чао) в н* ыих опытах наблюдали достоверное возрастание свободных радикалов оеменах, вьфооших на почвах, содержащих уран. Повышение количеотв

«□паренных электронов составляет 9-13% по сравнению о семенами,

аотушими на обычных почвах <0,7—1,4.10 А/кг.чао). Дальнейшее по-

ышение радиоактивности почвы увеличивает содержание неспаренных

лектронов в семенах до 43-30г/. по сравнению о семенами контрольного

арианта. Выоокое содержание нвспаренных электронов при повышенной

-12

адиоактивнооти (189-217.Ю А/кг.чао и 313-33®.10 А/кг.чао) называет, что в этих условиях не иоключена возмохнооть образования акже радиационно индуцированных свободных радикалов. Электронная рирода парамагнетизма активности семян и растений, раотуших на по— ышенном фоне радиозктивнооти почвы, скорее всего связана о интенси— икацией окислительных процессов в клетках и тканях.

Сигналы ЭПР имеют вид несколько асимметричного синглета о шири-ой между точками максимального наклона Д Н « 1—2,00 мТл. Сигнал ЭПР меет слабо выраженную сверхтонкую структуру. Более точное определено природы свободнорадикального спектра ЭПР затруднено. Результаты одельных опытов показывают, что наблюдавшиеся нами спектры обуолов--вны продуктами своЧоднорадикальных реакций Фенольных, хиноидных и лавиноидных соединений.

Необходимо отметить колебания в значении д—фактора ЭПР спектров эмян. Значения д—Фактора 2,00, 2,08 наблюдали у семян, раотуших о ысокогорныч условиях и почвах, оодержа!дих уран. Природа сигналов 1Р с 2,00-2,С0, вероятно, относятся к свободным радикалам пере— исных и гидроперекисных соединений.

Возрастание неспаренных электронов обнаружили в семенах высоко— эрньгх растений по сравнению о долинными. На наш взгляд, это явление зязно, во-перЕых, с интенсивным двйотвисм УФ-радиэции. Как отмечает /Врав (19Е8), на высоте 1500 м над уровнем моря интенсивность ради— (ии увеличивается вдвое. Во-вторьгх, горные породы облад. г большей

радиоактивностью, чем долинные местнооти, что содержание свободны радикалов в семенах начинает увеличиваться только для растений растущих выше 15Ф0 м над уровнем моря. Спектры ЭПР семян высокогор ных раотений содержат не только продукты свободнорадикальных реакци — Фенольных, хиноидных, сульфгидрильных соединений, а также и зла ментов группы (медь, железо, марганец, молибден). Вероятно, в меот нооти, где собирались семена высокогорных раотений в ооставе почв оодержатся зти элементы. Определение этих элементов по ЭПР спектр« указывает на воэмож-юать использования ЭПР апектроскопичвакого метс

I

да в поиоковых работах в геолого-разведочных исследованиях для опра деления содержания элементов минерального питания в почве и оемвн; раотений.

Исследования количества неопаренных электронов < семена» растущих на почвах о различной степенью засоленности, показали, ч-о повышением отепени эаооленнооти количеотво свободных радикале увеличивается. Этот эффект усиливается при совмеотном дейотвии га* ма-излучании и эаооления почвы.

При загрязнении почвы радиоактивными веществами и при засолен! количеотво свободных радикалов в семенах раотет с увеличением до: радиации, а затем снижается. Таким образом, загрязнение атмосфер! воды, почвы радиоактивными веществами и засолении почвы приводят оинергизму в состоянии семян. Действие двух неблагоприятных Фактор| (засоление и облучение) уоугублявт радиационное поражение семян. Э сопровождается оначала увеличением количеотеа свободных радикал! (при полулегальных радиациях), т.н. уоилением овободнорадикальн! реакций.

Наши данные свидетельствуют, что дикие Формы хлопчатника соде жат меньше нвепаренных электронов по оравнению о культурньсии сорт

ми. Как указывает С.В.Ароланова (1974, 1906), у культурных оортов хлопчатника воле» интвноивно происходят оопряжонные процессы окислительного ФосФорилирования • митохондриях, в них больше содернптоя АТФ, чем в митохондриях диких Форм хлопчатника. Мы считаем, что ра— диоуотойчивооть растений овяэана о активной метаболирующей системой. Вероятно, высокое оодержание неопэрснных электронов в семенах растений овуоловлвна вольией радиорезиотентноотью культурных Форм хлопчатника по сравнению о дикими Формами. Как извеотно, радиоустойчи— вооть семян является многофакторной оиотвмой. Количеотво свободных радикалов в семенах монет быт* одним из параметров, характеризующих их радиоуотойчиаооть. Необходимо отметить, что щитки оемян дикой высокогорной вишни оодержат больше неспаренных электронов'по сравнению о культурными оортами. Возмот-ю это связано о дойотвием еьюокой интенсивностью космической, в том число УФ-радиации.

Изменении парамагнетизма семян при атмосферном загрязнении и низкофонового облучения, на наш взгляд, овязано о усилением окислительно-восстановительных процессов а клетках и тканях и более интенсивным образованием свободных радикалов. Молекулярный механизм усиления образования неспаренных электронов в указанных выше уолови-ях обусловлено усилением езободнорадикальной природы. При атмосферных загрязнениях нарушается молекулярное отроение и Функции макромолекул, изменяется проницаемостью клеточных мембран.

Действие малых доз ионизирующих излучений существенно опаснее для жизни мивых организмоз а условиях атмосферного загрязнения. Наши исследования свидетельствуют о том, что незначительная радиоактивность почвы приводит к образованию свободнорадикэльных центров, т.е. имеот маото отрицательное) влияние малых доз излучений на растения.

ВЫВОДЫ

1. Изменение молекулярной отруктуры семян растений при дейотвии повышенного радиационного Фона почвы, а также ряда других Факторов окружающей среды (атмосферные загрязнения, содержание соли в почве, ультрафиолетовая радиация) может выть проолежено по магнитно-резонансным спектрам ЭПР оемян.

2. Разработан пакет прикладных программ по машинному анализу Формы одиночных линий спектров ЭПР биологических объектов о помощью персональных ЭВМ типа IBM PC XT/AT. Выявлено'» что спектры ЭПР семян раотений имеют гауооову Форму.

3. Спектры ЭПР оухих оемян имеют синглетную, как правило, олег-ка асимметричную форму, значение их д—Фактора равно 2,(SO, полуширина 1,0-2,СО мТл. Форма линии опиоываетоя гауссовой кривой.

Парамагнетизм оухих оемян вызван свободнорадикальными центрами молекулярной структуры оемян.

4. Семена, выращенные на почвах, содержащих уран, имеют повышенное по сравнению о обычными количество свободных радикалов.

Содержание свободных радикалов в оеменах увеличивается с ростом

радиовктионооти почвы. Например, при радиоактивнооти почвы, содержа--В.

шей уран Гея-35010А/кг.час количество радикалов в семенах на ЗОХ больше, чем в контрольных образцах.

5. Выявлено, что оемена высокогорных раотений содержат большее по сравнению о долинными количество свободных радикалов.

Обнаружен оинаргизм между действием малых доз ионизирующей радиации и атмооферных загрязнений при образована свободных радикалов в семенах раотений.

6. Необходимо отметити, что семена растений, раотущих на поч— »ах, содержащих уран, богаты Фенольными и химоидными оочдинениями. Тоэтому в клетках и тканях раотений, произрастающих на повышенном Роне радиации более интенсивно образуютоя неспаренные электроны. 1рирода их образования, вероятно, связана с окислительно—восстанови— гвльными реакциями фенольныч хиноидных соединений.

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. Норбаев З.Н., Таплэков Т.Т., Халиуллин М.Г. Исследование па->амагнитной активности семян различных по солеуотойчивости форм </юпчатника. // Тезисы докладов IX Всесоюзного симпозиума "ЧЧ-гаиоло— ■ичвские и биохимические основы солеуотойчивооти раотений", Ташкент РАН , 1986, С.67.

2. Норбаев З.Н., Норбаев H.H. Биофизические параметры и ради-»уотойчивость растем trt. // Узбекский биологический журнал, N 2, L987, С.В-10.

3. Норбаев Э.Н. Парамагнитная активность семян раотений в уело— 1иях атмосферного загрязнения. // Тезисы докладов "Актуальные проб— юны охраны окружающей среды и рационального использования природные >есурсов", Термез, 1987, С.36.

4. Норбаев З.Н., Халиуллин М.Т. Парамагнитная активность семяи I растений, растущих на урансодержащих почвах. // Радиобиология, •tXXVU. вып.6, 19BS, С.743-747.

9. Норбаа* Э.Н., Джаликов К., Таплаков Т.Т.. Хайдароа Э. Кон-дуктометричеокиа методы определения отапани эаооленноати свмян сельхозкультур. // Тазиоы докладов участников 1-й региональной конференции по миграции оолай на территории Среднеазиатского региона, Ташкент. 1988. С.49—46,

6. Норбаев З.Н. Содержание нвопаранных электронов в оеманах раотений, раотуыих на урансодвржаших почвах. // Материалы VI Вовооюэного совещания по мииродоэиметрии, Мооква, 1989, С.14.

7. Норбаа» З.Н., Кузнецов Ю.П., Халиулл^н М.Г. Анализ формы одиночных линий спектров ЭПР на персональных ЭВМ типа IBM PC/XT/AT. И Прапринт. Мооква, 1389, С.1-41.

8. Норбааа З.Н. Исследования ЭПР-оигналоа у растений, раотуыих н< ураноодержаыих почвах и высокогорья. Синергизм двйотви*. чониэиру— «дай радиации и других Физических и химичааких Факторов на биологи— нвокиа оиотеиы. // Тезисы докладов. Пуыино. 1988, С.37-30.

9. Норбааа З.Н. Дайотвиа эаооланных почв на количество неопаранных электронов в оаменах растений. // Тезисы докладов 1-го деле— гатокого съезда почвоведов Узбекистана. Ташкент, 199®, С.224.

10. Норбаев З.Н., Иминов Х.А.. Норбаав H.H. Фтор бирикмалари-нинг кишлок хужа/]ии уоимликларига эарарли таъоири. II Тазиоы научных докладов профаоаороко-праподаватальоиого ооотава Тармаэокого hocno— дмнотитута, Термез, 1988, С.76.

11. Норбаав Э.Н.. Джалилов И.. Азанова А. Проницаамооть растительной ткани под влиянием атмсоФерных загрязнений. // Научные труды ТаыСХИ. В об. | ч*4тенаианые вь^амивания шелковицы и тутового шелкопряда", Ташкент, 1990, С.БЗ—73.

12. Норбааа З.Н., Самадоаа С., Норбаа* U., Хайдаров Э. Биологи-

(ския эффекты дейотвия повышенного Фона радиоактивнооти почвы и ат— юферных загрязнений на биообъекты. // 1-й Всесоюзный оимпозиум 1олекулярно-клеточные механизмы хронического (внешнего и внутренне— >) дейотвия ионизирующих излучений на биологичеокие оиотемы". Те-юы докладов. Пушино. 1990, С.92.

13. Норбаев З.Н.» Норбаев H.H.. Азенова А., Гайдаров Э.. Наза-1в А. Действие атмосферных загрязнений на окружающую среду. // Жур-Iл "Сельокое хозяйство Узбекистана", 1991, N 3, С.18-20.