Панагушина Елена Аркадьевна

Урок экологии в старших классах «Радиоэкология особей»

Материал опубликован 8 February 2018 в группе

Учебный фильм - окружающий мир, естествознание, краеведение

1056

4465

Методическое пособие разработки уроков 10-11класс

Тип урока- комбинированный

Методы: личностно-ориентированного подхода, частично-поисковый, проблемного изложения, репродуктивный, объяснительно-иллюстративный

Цель: формирование у человека системы практико-ориентированных знаний и умений и на их основе развития природосообразного поведения в окружающем мире.

Задачи:

Образовательные: освоение содержания экологического образования, смысл которого заключается в понимании естественных законов природы и их соотнесение с «искусственными законами» развития социума.

Развивающие: развитие ключевых компетентностей учащихся на примере содержания экологического образования;развитие исследовательских умений учащихся по оценке состояния различных компонентов окружающей среды.

Воспитательные:.формирование экологически грамотного поведения человека в окружающей среде, перевод знаний человека об окружающей среде в стиль его жизни (уклад жизни, образ жизни).

УУД

Регулятивные: организовывать своё рабочее место под руководством учителя; определять план выполнения заданий на уроке, оценивать результат своей деятельности.

Коммуникативные: участвовать в диалоге на уроке; отвечать на вопросы учителя, товарищей по классу; слушать и понимать речь других; работать в малой группе.

Познавательные: осмысление учащимися ценностей феномена жизни, ценности каждой формы существования жизни; ценности существования человека, его здоровья, социо-космической значимости ;

Планируемые результаты

Предметные

влияние человека на отдельные компоненты природы и влияние природы на все стороны человеческой деятельности;

подготовку школьников к практической деятельности в области биологии, экологии и медицины;

- установление гармоничных отношений с природой, со всем живым, как главной ценностью на Земле.

Личностные:

- формирование ключевых компетентностей на содержании экологического образования;

-создание таких педагогических условий, которые обеспечат право каждого школьника на индивидуальное развитие, которое соответствует его психологическому статусу, склонностям, потребностям, интересам, возможностям.

Метапредметные: связи с такими учебными дисциплинами как биология, химия, физика, география - будут способствовать более высокому уровню владения навыками по данному курсу и реализации задач предпрофильной подготовки школьников.

Форма организации учебной деятельности – индивидуальная, групповая

Методы обучения: наглядно-иллюстративный, объяснительно-иллюстративный, частично-поисковый, самостоятельная работа с дополнительной литературой и учебником, с ЦОР.

Приемы: анализ, синтез, умозаключение, перевод информации с одного вида в другой, обобщение

Развития таких ключевых понятий как «качество человека» (ценности, мировоззрение, сознание, мышление), «качество жизни» (уровень жизни, стиль жизни, уклад жизни), «качество окружающей среды» (состояние атмосферы, гидросферы, литосферы (педосферы), животного и растительного мира, вида Homo sapiens sapiens, культуры, образования).

Информация

Радиочувствительность живых организмов

    Изучение биологического воздействия ионизирующего излучения началось еще в первые десятилетия XX века. Интерес резко возрос в 1940-х годах после первых испытаний и применения ядерного оружия. Многочисленные исследования показали, что радиочувствительность организма напрямую связана с индивидуальными особенностями организма. При этом под понятием радиочувствительность понимают степень реакции клеток, тканей, органов, систем и организма в целом на воздействие ионизирующего излучения.
    Живые организмы обладают различной радиочувствительностью. Некоторые из них исключительно чувствительны и погибают при малых дозах, другие устойчивы к дозам, которые разрушают белок и ДНК. Из позвоночных наиболее уязвимы к излучению млекопитающие. Причем наибольшая чувствительность наблюдается у новорожденных, перед наступлением половой зрелости она снижается и затем остается постоянной. Можно также говорить о том, что более холоднокровные животные менее чувствительны к радиации.
    Интересный опыт был проведен в начале прошлого столетия (1925 г.) П. Анцелем и П. Винтембергером. Куриное яйцо, сохранявшееся в холодильнике в течение 24 часов, было подвергнуто действие рентгеновских лучей, а затем снова помещено в холодильник, через 3 дня никаких повреждений обнаружено не было. Облученное яйцо, помещенное после этого в инкубатор на 3 дня, обнаруживало многочисленные повреждения.

Проведенные исследования позволили сделать «пророческие» выводы:

Необходимо четко различать 3 существенных момента:

1) радиационное повреждение,

2) факторы, способствующие проявлению этого повреждения,

3) восстанавливающие факторы.

Последующие исследования позволили предположить, что существенную роль в развитии повреждений играет обмен веществ. Чем он интенсивнее, тем быстрее образуются патологические метаболиты. Многочисленные экспериментальные данные свидетельствуют также о замедлении радиационного эффекта у животных, находящихся в условиях пониженной температуры. Например, у ряда млекопитающих в состоянии зимней спячки значительно снижается чувствительность к действию излучения. Однако говорить о том, что радиационное повреждение на холоде полностью исчезает и организм восстанавливается нельзя, часто оно просто остается в скрытом виде.
Насекомые, как правило, более устойчивы к радиации, чем млекопитающие. В среднем доза способная убить насекомого примерно в 100 раз больше соответствующей дозы для млекопитающего.

Воздействие излучения на живые организмы

Несмотря на интенсивные и достаточно длительные исследования последствий облучения на организм, многие аспекты до сих пор не ясны.
Считается, что малые дозы облучения могут «запустить» некоторую цепь событий, приводящую к раку или к генетическим повреждениям. Раковые заболевания проявляются спустя много лет после облучения (не ранее чем через одно-два десятилетия). Врожденные пороки развития и другие наследственные болезни, вызываемые повреждением генетического аппарата, проявляются лишь в следующем

или последующих поколениях.

При больших дозах радиация может разрушать клетки, повреждать ткани органов и явиться причиной скорой гибели организма.

Эти повреждения проявляются в течение нескольких часов или дней. Чтобы вызвать острое поражение организма, дозы облучения должны превышать определенный уровень. Однако для того, чтобы вызвать такие последствия, как рак, или повреждение генетического аппарата достаточно самой малой дозы. Вместе с тем, никакая доза облучения не приводит к этим последствиям во всех случаях: человек, подвергшийся действию радиации, не обязательно должен заболеть раком или стать носителем наследственных болезней. У такого человека лишь возрастает риск наступления таких последствий по сравнению с необлученным человеком.

Средние годовые эффективные эквивалентные дозы облучения от естественных и техногенных источников радиации.

Индивидуальная реактивность организма на радиационное воздействие определяется совокупностью признаков индивидуума, которая характеризует отклонение тех или иных параметров от условно принятых средних значений. В настоящее время выявлена взаимосвязь между индивидуальными адаптивными способностями организма и его радиочувствительностью.

С одной стороны, экранирование живых организмов от естественного радиационного фона приводит к ослаблению процессов жизнедеятельности организмов и снижению их жизнеспособности. С другой стороны, радиационное воздействие вызывает сильное нарушение равновесия различных систем организма. Излучение, поглощенное веществом вызывает изменения на молекулярном уровне. Большинство компонентов клетки при этом изменяется, в течение тысячных долей секунды. Важную роль при этом играют и химические компоненты среды, окружающие поврежденные структуры.
В ответ на воздействие организм мобилизует гомеостатические функции, направляя их на устранение повреждения. Видимая реакция на облучение организма наступает в том случае, когда эффект воздействия превосходит компенсаторные процессы. Все повреждения можно разделить на три группы: обратимые, необратимые и повреждения, которые по своей природе могут проявляться в потомстве.
Для предварительной оценки индивидуальной радиочувствительности необходимо провести исследования по трем направлениям:

– оценить исходное состояние различных систем организма в обычных условиях его жизнедеятельности;
– оценить общую реактивность организма по его реакции на функциональные нагрузки и действия различных факторов

– сопоставить реакции систем организма на облучение в малых дозах.
Исследования реакции организма на облучение, проведенные на крысах, позволили выявить следующие закономерности: наиболее подвержены радиации животные с сильными, но неуравновешенными нервными процессами. Самки, у которых было потомство, менее чувствительны к радиации, чем девственные. Скорость деления клеток в организме также влияет на радиочувствительность. Чем больше скорость, тем больше радиочувствительность. В целом зависимость биологических эффектов от дозы облучения носит нелинейный характер. Постлучевые реакции могут заключаться в усилении, снижении ряда параметров, отсутствовать вообще и проходить по механизму адаптивного ответа.

Для того чтобы прогнозировать исход лучевой болезни с точностью до 60-80%, необходимо изучить несколько показателей организма в корреляции, таких как, например, количество лейкоцитов и эритроцитов в периферической крови, объем выпиваемой за сутки воды, объем потребляемого кислорода и выдыхаемого углекислого газа, показатели ректальной температуры. При этом на выживаемость больше влияют хорошие компенсаторно-приспособительные реакции, чем выносливость.
Отдаленные последствия воздействия излучений, возникают в результате появления необратимых нарушений в организме. Большинство пострадиационных эффектов инициируется не прямо, а опосредуется изменениями в нервной, гормональной, иммунной, антиоксидантной и других системах организма. На уровне организма постлучевые изменения могут компенсироваться и выявляться только при функциональных организма к действию других повреждающих факторов. Выраженность постлучевых изменений в значительной мере определяется физиологическим состоянием организма, органов и тканей.

Немецкий физик Ф. Дессауэр в 1922-1933 гг. выдвинул теорию «попадания», суть которой заключается в следующем: поглощение энергии излучения биообъектом, процесс не непрерывный, а квантовый. Такое применение понятий квантовой физики к биологическим проблемам позволило объяснить, так называемый «радиобиологический парадокс», заключающийся в том, что при воздействии ионизирующей радиации на живую клетку поглощение чрезвычайно малого, ничтожного количества энергии может давать заметный и даже значительный биологический эффект. Именно поэтому разделение поглощенной энергии ионизирующих излучений на большие и малые дозы весьма условно. Поглощенная доза 10 Гр – смертельная для большинства млекопитающих, выраженная в тепловом эквиваленте соответствует стакану горячего чая.
Следующим шагом к пониманию причин чрезвычайной биологической активности ионизирующей радиации стала теория мишени, согласно которой малые порции энергии могут дать сильный эффект только тогда, когда они попадают в малую мишень. Сам Ф.Десссауэр назвал это термином «точечное тепло». При помощи теория мишени можно перейти от формального анализа к пониманию физической природы попадания.

Мутагенный эффект ионизирующих излучений был открыт в 1925-1927 гг.

Здесь важно отметить, что мутации возникают не мгновенно. Вначале под воздействием мутагенов возникает предмутационное состояние клетки. Различные репарационные системы стремятся устранить это состояние, и тогда мутация не реализуется. Основу репарационных систем составляют различные ферменты, закодированные в генотипе клетки. Таким образом, мутагенез находится под генетическим контролем клетки. Это – не физико-химический, а биологический процесс. Например, ферментные системы репарации вырезают поврежденный участок ДНК, если повреждена только одна нить (эту операцию выполняют ферменты эндонуклеазы), затем вновь достраивается участок ДНК, комплементарный по отношению к сохранившейся нити (эту операцию выполняют ДНК-полимеразы), затем восстановленный участок сшивается с концами нити, оставшимися после вырезания поврежденного участка (эту операцию выполняют лигазы).
Существуют и более тонкие механизмы репарации. Например, при утрате азотистого основания в нуклеотиде происходит его прямое встраивание (это касается аденина и гуанина). Метильная группа может просто отщепляться. В некоторых случаях действуют более сложные, малоизученные системы репарации, например, при повреждении обеих нитей ДНК.

Однако при большом числе повреждений ДНК они могут стать необратимыми. Это связано с тем, что, во-первых, репарационные системы могут просто не успевать исправлять повреждения, а во-вторых, могут повреждаться сами ферменты систем репарации. Необратимые повреждения ДНК приводят к появлению мутаций – стойких изменений наследственной информации.

В настоящее время известно множество самых разнообразных мутагенов, одним из которых может выступать ионизирующее излучение. Действие ионизирующего излучения основано на ионизации компонентов цитоплазмы и ядерного матрикса. При ионизации возникают высокоактивные химические вещества (например, свободные радикалы), которые различным образом действуют на клеточные структуры. Из наиболее изученных механизмов отметим следующие.

Непосредственное воздействие частиц с высокой энергией на ДНК, которое приводит к ее разрывам. Это универсальный механизм возникновения хромосомных перестроек на всех стадиях клеточного цикла, но он действует очень грубо – обычно клетки теряют способность к нормальному делению и погибают.

Опосредованное воздействие ионизирующих факторов связано с нарушением структуры ферментов, контролирующих репликацию, репарацию и рекомбинацию ДНК. Этот механизм наиболее эффективно действует на синтетической стадии интерфазы. При больших дозах мутагенов клетки погибают.

Поскольку раковые клетки делятся непрерывно, то облучение является универсальным средством подавления развития метастазов при онкологических заболеваниях – непрерывно делящиеся раковые клетки более уязвимы, чем медленно пролиферирующие или непролиферирующие нормальные клетки.

При опосредованном действии ионизирующих факторов их мутагенный эффект может быть снижен с помощью специальных веществ – радиопротекторов. К радиопротекторам относятся различные антиоксиданты, взаимодействующие с продуктами ионизации. В то же время, мутагенный эффект может быть усилен, например, высокая температура повышает мутагенный эффект радиации.

Мутагенное действие ультрафиолетовых лучей. ДНК интенсивно поглощает жесткий ультрафиолет с длиной волны ≈ 254 нм. Основным продуктом является образование нуклеотидных димеров: два нуклеотида, расположенных рядом в одной цепи ДНК, «замыкаются» сами на себя, образуя пары «тимин–тимин» и «тимин–цитозин». При репликации ДНК напротив такой пары в достраивающейся цепи могут стать два любых нуклеотида, т.е. принцип комплементарности не выполняется. Ультрафиолетовый свет – это сравнительно мягкий мутаген, поэтому его широко используют в селекции растений, облучая проростки.

В целом же, радиогенные эффекты имеют неспецифический характер и могут стать основой, как для развития патологических состояний, так и для повышения радиорезистентности.
Ничтожная величина поглощенной энергии крайне высоко выражена реакция биологического объекта. При этом биологические системы способны реагировать даже на небольшие отклонения радиационного фона. Большинству из них присуща способность очень четко определять местоположение источника дополнительного излучения и избегать зоны его действия.

Острое поражение. Радиация оказывает подобное действие, лишь начиная с некоторой минимальной, или «пороговой», дозы облучения. Смертельной дозой γ-излучения считается 600 Р. Так называемая «смерть под лучем» наступает при дозе около 200 000 Р. При дозах свыше 25 бэр могут иметь место генетические последствия.
Реакция для разных органов и тканей не одинакова, а различия достаточно велики (рис. 4.34). Величина дозы, определяющая тяжесть поражения организма, зависит также от того, получает ли ее организм сразу или в несколько приемов. Большинство органов успевает в той или иной степени залечить радиационные повреждения и поэтому лучше переносит серию мелких доз.

Коэффициенты концентрирования некоторых радионуклидов для пресноводных организмов

Элемент	С	Р	С8	8г	2п	Ге
Растения	ю4	1400	500	530	7240	680
Животные	104	2500	250	760	830	550

У наземных организмов резко проявляется закономерность уменьшения коэффициента концентрирования с увеличением их размеров.

Растения на суше накапливают радионуклиды с коэффициентом концентрирования по отношению к питательному раствору, равным 102-104.

У водорослей этот коэффициент составляет 7 103-104; еще энергичнее накапливают радионуклиды водные животные- фильтраторы. Например, Кконц 652п устрицами равен 2105. Коэффициенты концентрирования для водных животных в целом гораздо выше, чем для наземных.

Скорость выведения радионуклида из органов и тканей животных зависит от интенсивности обмена веществ и физикохимических свойств радионуклида.

Время, за которое активность радионуклида, накопленного в организме, уменьшается вдвое (без учета распада самого радионуклида), называется периодом биологического полувыведения (Тб). Время, в течение которого организм освобождается от половины накопленного в нем радионуклида за счет биологического выведения и распада радионуклида, называется эффективным периодом полувыведения.

Доза облучения для различных живых организмов

Радиочувствительность растений в целом меньше, чем у животных, но и среди растений есть очень чувствительные к радиации виды (например, сосна).

В разных географических районах биологическое действие радиации неодинаково. Более устойчивы к действию радиации животные, обитающие на территориях с повышенным содержанием естественных радиоактивных элементов, - за счет адаптационных механизмов.

Вопросы и задания

1.Что изучает радиоэкология особей?

2.Какой экологический смысл имеет процесс концентрирования радионуклидов?

3.Какие факторы влияют на скорость выведения радионуклида из организма?

4.Рассчитайте эффективный период полувыведения радионуклида ШС8 из организма белых крыс, зная, что их биологический период полувыведения равен 6,5 дня, а Т1/2 (137Сз) = 30 лет

5.Какие из живых организмов наиболее чувствительны к действию ионизирующей радиации?

Дозы излучения