Живое защищает живое
Статья написана Павлом Чайкой, главным редактором журнала «Познавайка». С 2013 года, с момента основания журнала Павел Чайка посвятил себя популяризации науки в Украине и мире. Основная цель, как журнала, так и этой статьи – объяснить сложные научные темы простым и доступным языком
Надо ли доказывать, что действие на живой организм сложной смеси различных веществ вовсе не равно сумме действий составляющих эту смесь компонентов? Видимо, надо поскольку по сей день именно путем арифметического сложения предельно допустимых концентраций отдельных составляющих определяют допустимую концентрацию их смеси. Но вот несколько простейших примеров, демонстрирующих, насколько не просто все, что связано с человеком. Допустим, вещество А способно повреждать молекулы ДНК. Этим крайне неприятным для организма свойством, кстати сказать, обладает ряд лекарств,— например, многие противоопухолевые препараты и ядохимикаты, применяемые в сельском хозяйстве. Но любая живая клетка имеет весьма мощную ферментативную систему, называемую репаразной, которая эффективно залечивает повреждения, нанесенные молекуле ДНК.
Поэтому клетка может успешно защищаться от действия нашего вещества А и выдерживать довольно большие его дозы без особого вреда для себя. Теперь допустим, что в организм попадает вещество В, которое подавляет работу репаразной системы. Оно подавляет эту систему вполне обратимо и быстро выводится, поэтому само по себе безвредно. Но если в организм попадают одновременно вещества А и В, то разрушающая активность А повышается в десятки и сотни раз… Заметим, что свойством гипотетического вещества В обладает так любимый многими кофеин, так что чашечка кофе может порой сыграть злую шутку — если, скажем, ею запивать противоопухолевое лекарство.
Другой пример. Ионы тяжелых металлов высокотоксичны для организма, но у него есть защитные барьеры, которые не пускают чужеродные вещества, особенно заряженные, во внутреннюю среду. Кроме того, каждая клетка окружена собственной оболочкой — мембраной, которая также мало проницаема для ионов тяжелых металлов. Но если попавшая в организм смесь содержит вдобавок поверхностно-активные вещества, которые «дырявят» барьеры, делают проницаемой и кожу, и мембраны, то даже кратковременное воздействие ее на организм приведет к тяжелому отравлению.
Но смеси совсем не обязательно недруги человека. Вспомним, сколько чудодейственных лечебных смесей имеется в арсенале народной медицины. Ведь любой отвар, настойка, экстракт из растений — это весьма сложные смеси. А в медицине, особенно восточной, применяют одновременно экстракты, полученные из десятков различных растений, а иногда к ним добавляют еще и минеральные компоненты и экстракты, полученные из животных организмов. Такие смеси содержат сотни и тысячи самых различных химических соединений. И ведь именно такие сложные смеси лечат хронические болезни, а так называемые «активные начала», то есть чистые вещества, как правило, в этих случаях бессильны. Это и неудивительно, так как при хронической болезни требуется одновременно и координированно выправить большое число различных звеньев разных регуляторных систем, биохимических и физиологических процессов. Гораздо естественнее попытаться это сделать смесью.
В смесях вещества могут не только усиливать вредное действие друг друга, но и нейтрализовать отрицательные, побочные эффекты, производимые каждым из них. Недавно в Научно-исследовательском институте по биологическим испытаниям химических соединений столкнулись с такой задачей. Найден ценный антимикробный препарат, этот препарат малотоксичен, но, по данным центра безопасности этого института, обладает довольно сильной мутагенной активностью. Как же быть? Отказаться от его использования, ограничить употребление только теми случаями, когда вопрос идет о жизни и смерти пациента? Или?.. Да, действительно, удалось найти вещество, которое при одновременном введении с первым многократно снизило его мутагенный эффект, не уменьшив полезного антимикробного действия.
Сейчас хорошо известно, что такие необходимые, обычные пищевые продукты, как сахар и соль, весьма вредны, если их употреблять в чистом виде. Недаром оба эти вещества называют белыми ядами, главными пищевыми врагами современного человека. Между тем ученый И. И. Брехман выяснил, что так называемый коричневый сахар — промежуточный продукт сахарного производства, до последней стадии рафинирования,— не только не обладает вредным действием очищенного сахара, но и оказывает заметный адаптогенный эффект, то есть помогает организму приспосабливаться в тяжелых для него условиях.
Установлено вполне надежно также, что спирт или водка гораздо вреднее для организма — и в смысле прямого разрушительного действия, и из-за легкости привыкания, чем разного рода многокомпонентные спиртовые настойки. Живой организм человека вообще, по-видимому, не любит слишком примитивных воздействий, одним веществом, ему гораздо более по душе сложные и, разумеется, хорошо подобранные гармоничные смеси. Ведь и ухо человека предпочитает сложные аккорды, и глаз не любит простых, примитивных сочетаний цветов.
Итак, действие смеси многих веществ нельзя, как правило, вычислить или предсказать, зная действие отдельных компонентов ее. Но именно смеси веществ, причем часто неизвестных, повсеместно и повседневно окружают человека. Водная, воздушная среда, почвы, грунтовые воды — сложнейшие в химическом отношении смеси природных и рукотворных веществ. И для охраны природы надо знать биологическую активность именно этих, реально существующих, все время меняющихся смесей. Точнее, непрерывно следить за их биологической активностью — токсичностью, мутагенностью, канцерогенностью, аллергенностью и т. д.
Как же можно определить, да еще быстро и достаточно дешево, биологическую активность сложных смесей?
Мысль до тупости проста: о биологической активности смеси суди по тому, что будет с живым организмом, который на себе испытал или испытывает ее действие.
Читатель, хоть немного искушенный в вопросах современной фармакологии, проблемах создания новых лекарств, воскликнет: «Да этими вопросами издавна и занимается фармакология! Чего тут мудрить — на различных лабораторных животных всегда испытывают действие различных веществ, а что мешает испытывать смеси? Что же тут нового?»
Новое возникает, когда ставится задача комплексно определять все основные виды биологической активности, причем делать это непрерывно или в очень больших масштабах — тысячи, десятки, сотни тысяч отдельных испытаний в год, и ответ необходимо получать достаточно быстро. Вот такая постановка вопроса нова и требует оригинального решения. Мыши и крысы тут не помогут. Их потребовалось бы многие миллионы, да и то не ответили бы они на многие вопросы.
Задача определения биологической активности всех вновь синтезируемых химических соединений была поставлена перед Институтом по биологическим испытаниям химических соединений. Во всем мире — более 200 тысяч. И лишь у малой их доли — менее чем у 5 процентов — определяется хотя бы какой-нибудь вид биологической активности. Возникает все больше химических соединений, о биологической активности которых человечество не имеет ни малейшего представления.
Решить эту задачу помогла идея использования живых организмов как датчиков. Была выбрана такая система биодатчиков, которая позволяет определять более ста видов биологической активности. Датчиков же всего около десяти. Но дело в том, что отдельному виду биологической активности соответствуют не показания одного датчика, а комбинация показаний двух-трех и более. Получается как бы алфавит. Отдельный вид активности — это слово из букв этого алфавита. И потому сравнительно небольшой набор биодатчиков в принципе может выявить весьма большое число видов биологической активности.
Чтобы система таких биодатчиков хорошо работала, она должна обладать свойством представительности, то есть отражать разнообразие живых организмов, населяющих Землю. Тогда можно будет с известной надежностью переносить полученные системой биодатчиков результаты на другие живые организмы и, что особенно важно для медицины, на организм человека. Чтобы удовлетворить этому требованию, в качестве биодатчиков были выбраны представители всех царств живого: клетки животных, растений, микроорганизмы, простейшие, грибы и основные типы тканей человека — эпителиальные, соединительные, мышечные, нервные.
Что же такое биодатчики и какие реакции они регистрируют
Пример первый. Биодатчик тетрахимена — простейшее, похожее на волосатый дирижабль, которое движется, как бы ввинчиваясь в воду. Тетрахимены быстро плавают, дружно ударяя по воде своими ресничками-веслами. Часто меняют направление. Их движение хорошо видно в микроскоп соединенный с монитором. На его экране уже вполне большие тетрахимены совершают сложные и довольно изящные маневры. Траектории и скорости их движения вводятся в компьютер, который дает обобщенный портрет движения всей совокупности наблюдаемых тетрахимен.
Но вот в среду, где плавали тетрахимены, добавили исследуемое вещество. Реснички перестали биться согласованно, движение «дирижаблей» стало лихорадочным, потом они начали крутиться на месте. Добавленное вещество было нейролептиком, то есть основная активность его проявляется в действии на центральную нервную систему. У тетрахимен центральной нервной системы, конечно, нет, а действие нейролейтика на этот организм явственно. И подобным образом действуют на тетрахимену все нейролейтики,— стало быть, можно говорить о характерном для них влиянии на движение тетрахимены. Так этот класс веществ можно отличать от веществ с другими видами активности, которые совсем по-иному влияют на движение тетрахимен.
Пример второй. Биодатчик — светящиеся морские бактерии или специальные, полученные в лаборатории светящиеся микроорганизмы. Регистрируется изменение их свечения, интенсивности, спектра.
Пример третий. Биодатчик — стенка кишки крысы. На введение нового вещества она реагирует изменением своей проницаемости для ионов воды, оптической плотности ткани.
Пример четвертый. Биодатчик — эритроциты человека. У них «приборной шкалой» служат плотность суспензии, размеры клеток, электрическое сопротивление мембраны.
Эти несколько примеров позволяют представить себе, что такое биодатчики и как можно с их помощью регистрировать реакции живых клеток на испытуемое вещество.
Вещество?! Но ведь речь шла о смесях? Да, совершенно верно, но для биодатчика безразлично, отдельное ли вещество испытывать или определять биологическую активность сложнейшей смеси. Вот в этом-то и дело. И потому оказалось, что найденное для одной задачи решение вполне хорошо и для другой. На основе биодатчиков, точнее, специально подобранной системы биодатчиков, можно строить мониторинг, то есть систему, следящую за биологической активностью природных сред. Точно так же можно определять активность и различных жидкостей организма человека и по изменению биологической активности этих жидкостей следить за состоянием здоровья, ставить диагноз, определять эффективность лечения.
Автор: А. Маленков, доктор биологических наук.