Вход

Сверхмалые дозы - большая загадка природы

Реферат по биологии
Дата добавления: 23 января 2002
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 319 кб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Данная работа не подходит - план Б:
Создаете заказ
Выбираете исполнителя
Готовый результат
Исполнители предлагают свои условия
Автор работает
Заказать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
СВЕРХМАЛЫЕ ДОЗЫ — БОЛЬШАЯ ЗАГАДКА ПРИРОДЫ В нашем журнале уже расс казывалось об эффектах сверхма лых доз (смотри подборку материалов в «ЭиЖ » 2 '99, где рассказывалось о сенсационных результ атах в этой области исследований , которые пока с большим трудом укладываются в рамк и представлений современных наук о строении вещест в а ). Однако с учетом важ ности этого направления , самым непосредственным образом связанного с изучением необыкновенных свойств обыкновенной воды , с учетом того , что в последнее время в средствах ма ссовой информации все чаще появляются сообщен ия о «чудесах», творимых теми или иными конкретными веществами в сверхмалых или гомеопатических дозах , мы решили в номере , посвященном в основном «водной» темат ике , предоставить слово одному из ведущих специалистов в этой области , дабы , как гов орится , отделить «зерна» от «плевел» и дать максимально точную картину действит ельно необычного явления , заслуживающего самого пристального внимания представителей разных на ук. Об авторе : Елена Борисовна Бурлакова , доктор биологических наук , профессор , лауреат Государственной прем ии , заместитель директора , заведующая лабо раторией Института биохимической физики им . Н. М . Эмануэля (ИБХФ РАН ). Мнени е , высказанное знаменитым французским математиком Ж . Адамаром , что любая система (как из учаемая экспериментально , так и модельная ) мож ет с читаться корректной (правомерной в научном смысле , имеющей «право» на рассмотр ение ), если более сильному воздействию соответ ствует и более значительный отклик , господств ует в науке очень давно . Однако жизнь показала , что этот фундаментальный принцип на руш а ется в природе гораздо чаще , чем можно было предположить , и слабые в оздействия играют наиважнейшую роль в так называемых бифуркационных переходах систем в новое состояние . Во время таких переходов резко возрастает роль флуктуаций , от которы х зависит , в ка к ое из множеств а возможных состояний перейдет система. Похоже , что эти рассуждения имеют непосредственное отношение к действию самых различных физич еских и химических факторов в сверхмалых дозах , как в естественных условиях , так и в техногенной среде . Эти в оздей ствия , как представляется сегодня , меняют не только силу существовавших в исходной сист еме связей , но и их иерархию и картину распределения. При таких воздействиях , как по казано далее , не работают системы адаптации , поскольку организм способен приспо с абливаться лишь к «привычным» воздействия м , лежащим в обычном диапазоне интенсивностей , а это означает , что нарушается управлени е внутренними и внешними регуляторами , меняют ся соотношение положительных и отрицательных обратных связей , отношения между попу л яциями и , в конечном итоге , процессы гомеостаза и развития . Постоянное влияние э тих факторов или долгая «память» системы об их воздействиях способствуют тому , что эти слабые воздействия могут сыграть решающую роль именно при прохождении всей системо й крит и ческих точек бифуркации . Эт и взаимодействия могут в конечном итоге и грать решающую роль и в судьбе такой глобальной системы , как биосфера. Но прежде ч ем делать выводы , рассмотрим имеющиеся факты. История вопр оса В 1983 г ., изучая влияние антиок сидантов на электрическую активность изолир ованного нейрона виноградной улитки , в ИБХФ получили неожиданный результат . Первоначальная доза препарата (10 – 3 М ) была для нейрона не только активной , но и довольно токси чной , поэтому концентрацию раствора решили сн изить . К о всеобщему удивлению , доза в 10 тыс . раз ниже первоначальной оказалась н е только менее токсичной , но и более э ффективной . Ее дальнейшее уменьшение лишь уси ливало эффект , он достигал максимума при 10 – 15 М , а затем ослаблялся и при 10 – 17 М пропадал . Похожи е результаты на блюдали позже в макромолекулах , клетках , орган ах , тканях , организмах и даже популяциях п ри воздействии на них противоопухолевых , анти метастатических , радиозащитных и нейротропных пре паратов , ингибиторов и стимуляторов роста , гор монов , адапто г енов , иммуномодуляторов , детоксикантов , антиоксидантов , а также различных физических факторов — ионизирующего излучения и т . п . Выяснилось , что это не особенно сть какого-то препарата или биологического об ъекта , а новый тип взаимодействия любых би ологическ и х объектов со сверхмалыми дозами (СМД ) биологически активных веществ (БАВ ). Каждое из них может обладать специ фическими мишенями , с которыми оно непосредст венно взаимодействует , механизмом , определяющим эт о взаимодействие и его усиление в определ енных усл о виях , особенностями метабол изма , однако в СМД они демонстрируют общие закономерности . Поскольку исследователей изучаем ых объектов и факторов , активных в СМД , становится все больше , имеет смысл проанали зировать этот феномен подробнее. Прежде всего , необхо д имо уточнить , что такое СМД . Это дозы , эффективность которых необъясни ма с современных позиций и требует разраб отки новых механизмов . По мнению ряда иссл едователей , разделяемому и автором , граница СМ Д определяется числом молекул БАВ на клет ку . В одном мол е вещества около 6· 1023 молекул , а число клеток в любом многоклеточном организме (например , животного ) п о порядку величины составляет примерно 1010, так что при введении БАВ в организм в дозах 10 – 12 – 10 – 13 М на одну клетку приходится от 10 до одной (!) моле к у лы БАВ . Поэтому СМД отвечают концентрации 10-12 М и ниже . Для физических же факторов пока нет общего количественного определения . Так , для ионизирующего излучения Международное агентство по атомной энергии считает мал ыми дозы до 250 мГр (25 Р ), а малыми м ощностями — 1,5 мГр /мин и ниже . Однако такое определение не пригодно для радиоуст ойчивых организмов (бактерии , простейшие эукариоты ) или растительных клеток . Поэтому в радио биологии малыми часто называют такие дозы радиации , для которых эффект меняет знак (например , подавление клеточного рос та сменяется стимулированием ). Особенности воздействия малых доз a Из наших результатов и лите ратурных данных следует , что СМД БАВ и физические факторы низкой интенсивности сходны м образом влияют на метаболизм как по форм альным признакам (зависимость «доза — эффект» ), так и по проявляемым свойствам . Это может объясняться их воздействием на одни и те же мишени (например , клеточн ые и субклеточные мембраны ) или особенностями протекания вызванных ими реакций. Характерные чер т ы таких воздействий : 1. Немоното нная , нелинейная (полимодальная ) зависимость «доза — эффект» . Как правило , максимумы активности наблюдаются в определенных интервалах доз и разделены своего рода «мертвой зоной» , где система практически нечувствительна к во з действиям . (Видимо , из-за этого а ктивность СМД не отмечалась прежде , поскольку , достигнув «мертвой зоны» и убедившись в отсутствии эффекта , исследователи не видели смысла в дальнейшем уменьшении дозы и прекращали эксперименты .) 2. Изменение (обычно ув елич е ние ) чувствительности объекта к разнообразным факторам : как внутренним , так и внешним , как той же (что и воздейс твие в СМД ), так и другой природы. 3. Эф фект наблюдается даже «на фоне» воздействия значительно больших доз. 4. «Знак» (направленн ость ) эффекта зависит от тех харак теристик , которыми объект обладал до того , как подвергся воздействию. 5. Свойства БАВ с уменьшением концентрации меняются , в частности , при сохранении активности лекарственных пре паратов исчезают побочные эффекты от их п рименения. 6. Д л я физических факторов (например , облучения ) эффект усиливается с понижением интенсивности воздействия в определ енных пределах. Чувствительность биологических объек тов к действию разнообразных факторов в « обычных» дозах и в СМД меняется очень сильно . Напри м ер , удавалось добиться синергизма (многократного усиления ) действия двух противоопухолевых препаратов , вводя один из них в СМД . Результирующая активность г ербицидов также повышалась , если хотя бы о дин из них применяли в СМД. Примерами зав исимости «знака» э ффекта от начальн ых характеристик биологических объектов могут служить разное влияние антиоксидантов на п отенциалы изолированных нейронов (высокий — пониж ают , низкий — повышают ) или на свойства ме мбран эритроцитов , а также воздействие радиац ии на активнос т ь ферментов. Изменение свойств БАВ с уменьшением концентрации (в частности , ослабление побочных эффектов ) хоро шо видно на примере феназепама — весьма популярного транквилизатора . В обычных дозах феназепам наряду с транквилизирующим действием вызывает сонл и вость , мышечную слабо сть , головокружение и тошноту , поэтому его рекомендуют принимать на ночь . В СМД он остается эффективным успокаивающим средством , н о полностью лишается нежелательных дополнительны х свойств . В результате получен патент на использование ф еназепама в СМД как дневного транквилизатора . Биологическое действие малых доз радиации В последние годы однозначно доказано , что облучение даже в самых малых дозах вызывает многочисленные изменения в клетках . В своих исследованиях мы облучали мышей , ис пользуя гамма-источник Cs137. Обнаружен рост эффекта при малых дозах . Величина максиму ма и соответствующая ему доза зависят от специфики объекта и мощности источника , н о общая тенденция налицо : при уменьшении и нтенсивности облучения максимум достигается п р и меньших дозах . При самых ма лых дозах облучения крайне низкой интенсивнос ти отмечено изменение структуры ДНК и кле точных мембран . Изменения , произошедшие в резу льтате облучения , сохранялись в течение длите льного времени после его прекращения. Очень в ажно, что в результате облучения меняетс я чувствительность (как отдельных макромолекул и клеток , так и организма в целом ) к дополнительным воздействиям (как той же , так и иной природы ). В наших опытах обн аружилось , что у облученных мышей эритроциты разрушались быстрее , менялись чувстви тельность центральной нервной системы и реакц ия клеток на различные воздействия , в том числе на повторное облучение. Вид зависимост и «доза — эффект» , как считают некоторые исследователи (автор принадлежит к их числу ), связан с тем, что дозы , вызывающие повреждения в биологических объектах и при водящие в действие системы их восстановления , весьма разнятся . Пока эти системы не действуют в полной мере , эффект нарастает с увеличением дозы , затем — уменьшается , когда процессы восстановл е ния в систем е активизируются , может даже изменить «знак» , и вновь нарастает с увеличением дозы , когда повреждения превалируют над восстановлен ием. В целом же реакция организма на облу чение зависит от дозы , мощности и времени облучения. Ферменты и дозы Оп ыты , в которых исследовалось вли яние СМД БАВ на активность ферментов , пров одились как с изолированными ферментами , так и в клетках или организмах . На изолир ованный фермент (протеинкиназу-С ), выделенный из сердца животных , действовали антиоксидантом ток офе р олом , в обычных дозах (10 – 4 – 10 – 5 М ) подавляющим активность фермента. Мы исследовали значительно более широкий диапаз он концентраций (10 – 18 – 10 – 5 М ). Оказалось , что токоферол подавляет активность фермента в интервалах 10 – 16 – 10 – 12 М и 10 – 4 – 10 – 5 М , а в проме ж утке по чти не влияет на нее. В другой серии экспериментов , выполненных сотрудниками Московского государственного университета им . М.В . Ломоносов а , изучалось действие препарата изобруфена на активность фермента простагландинсинтазы . Обнару жилось , что в кон ц ентрациях 10 – 11 – 10 – 14 М он повышает активность фермент а , а в концентрации 10 – 6 М заметно умен ьшает ее . Правда , в СМД изобруфен действов ал только на клетки и не оказывал ник акого влияния на изолированный фермент . Макси мальный эффект наблюдался при концентр а ции 10 – 12 М . Интересно , что в диапазо не 10 – 9 – 10 – 6 М , т . е . при переходе от стимуляции к подавлению , эффект пропад ал — это была «мертвая зона». Все эти рез ультаты не объяснимы в классической биохимии . Похоже , для БАВ в дозах 10 – 11 – 10 – 18 М необходимо пересм о треть механ измы действия на ферменты , например , учитывая возможность изменения структуры воды. Примеры зависимостей "доза - э ффект " для разных объектов. Возможные механизмы действия Чтобы понять , как СМД БАВ влияют н а биологические объекты , надо прежде всего выяснить , как их молекулы взаимодействуют с клетками-мишенями . При ко нцентрациях 10 – 15 М и ниже неприменим закон действующих масс (основа химической кинетики ) и теряет смысл само понятие «концентрация» . Определяю щими становятся флуктуации , особенно для биол огических структур размером 102 – 103 А. По мнению известного россий с кого биофизика Л.А. Блюменфельда , механизм действия СМД на к леточном и субклеточном уровнях представляет собой параметрический резонанс , т . е . совпадени е временных параметров запускаемых действующим веществом внутриклеточных процессов и характер ного време н и взаимодействия этого вещества с клеткой-мишенью . Сравниваются характ ерные времена подхода (путем диффузии ) к п оверхности клеточной мембраны (1), время протекания реакции на поверхности и в объеме ме мбраны (2) и время возникновения клеточной реакц ии (3) . При высоких концентрациях БАВ , ко гда время (1) мало , а сами взаимодействия про исходят часто , клеточный фермент (рецептор ) нах одится в состоянии , характеризуемом малой акт ивностью . При очень малых концентрациях , когда время взаимодействия (2) весьма велик о , почти весь фермент (рецептор ) остается в исходном равновесном состоянии , в котор ом его активность также оказывается невысокой . И только для доз , при которых время взаимодействия БАВ со своей мишенью (2) и временные параметры запускаемых им внутриклето чн ы х процессов (3) совпадают , можно о жидать повышения активности . Расчеты показывают , что ее пик приходится на дозы от 10 – 11до 10 – 15 М. Но имеют право на жизнь и другие объяснения парадоксов СМД . В частности , может рассматриваться «игра» , в к оторой фермент (р е цептор ) может со держать несколько центров с разной активность ю . При низких дозах БАВ его молекулы « предпочитают» более активный центр . С ростом дозы в «игру» вступает второй центр . Он взаимодействует с первым так , что все молекулы , связанные с первым цент р ом , покидают его . Во всяком случае , подобным образом объясняют сложную реакцию о бонятельного рецептора на изменение дозы субс трата. Главное же в действии СМД — как вл ияют молекулы БАВ на мишени . Как взаимодей ствует БАВ с белком или липидом мембраны , если м олекул БАВ в 106 – 109 раз меньше , чем молекул белка ? Есть две точки зрения . Согласно первой , сходство зависи мостей «доза — эффект» , изменение чувствительност и биологических объектов к разным факторам (внутренним и внешним ) свидетельствуют лишь о внешнем сх о дстве явлений . В каждом случае существует свой механизм . Сторо нники другой (в том числе , автор ), не от рицая специфики конкретных реакций , настаивают на общем характере отклика биологических о бъектов на СМД БАВ , на системном изменении метаболизма под их вл и янием. В первую очередь возникает желание объяснить наблюдаемые закономерности влиянием СМД на структурные характеристики воды . Выводы многочи сленных (главным образом , теоретических ) исследован ий роли структуры воды в ее биологической активности можно раз д елить на две группы . К первой относятся заключения о том , что долгоживущие структурные кластер ы присутствуют в самой воде изначально ил и индуцируются вводимыми БАВ . По мнению др угих исследователей , СМД не порождают новые стабильные структуры в воде , а лиш ь влияют на ее взаимодействие с биоп олимерами (клеточными мембранами и др .), меняя , таким образом , их активность. Внимание : структура воды ! В ряде работ выделены возможные типы иерархических структур связанной воды , совпа дающих с морфологическими структур ами , на иболее часто встречающимися в живой природе , и способствующих образованию пространственных структур в биологических объектах , подвергающих ся воздействию СМД БАВ . При этом непосредс твенное взаимодействие лигандов с биологическими мишенями может смен и ться их взаимодействием по направленным водородным связя м , напоминающим по форме спирали . Иными сл овами , СМД БАВ воздействуют на своеобразный каркас из спиралей связанной воды. Интересные результаты получены при изучении люминесценц ии дистиллированной вод ы . Ее спектр возбуждения имеет максимумы при 280 и 310 нм , спектр излучения — при 360 и 410 нм . Интенсивнос ть люминесценции зависит от времени хранения воды , а также от малых примесей , подча с обладающих собственной люминесценцией . Судя по спектрам люминесц е нции , структура воды только через несколько суток после приготовления растворов становится равновесной . Ее изменение в течение этого времени может быть монотонным или колебательным . Ин тенсивность люминесценции оказалась чувствительной к действию слабых эл е ктромагнитных полей . Реакция водных растворов на внешне е поле зависит от состояния раствора в момент включения поля и максимальна , когда система далека от равновесия. По мнению автора , структура воды и водных растворов — основной объект воздействия СМД Б А В и слабых полей . В свою очередь , ее изменение меняет свойства биологических мембран , а стало быть , и активность клет ок. Некоторые исследователи вообще полагают , что вода — единая структура (наподобие кристалла ), и при растворении любого вещества в ней в о зникают своеобразные «дефекты» , которые долго сохраняются в растворах ск оль угодно малой концентрации . Другие специал исты основным звеном механизма воздействия СМ Д считают гидратацию белков и изменение в одно-белковых взаимодействий , меняющее структуру б ел к ов и их активность . По мнен ию третьих , при воздействии на биологические объекты в растворах БАВ или электромагни тными полями в воде возникают активные фо рмы кислорода , и именно они оказывают тако е влияние. Итак , существует много моделей , пыт ающихся объясн и ть реакцию биологическ их объектов на СМД БАВ изменением структу ры воды . Однако экспериментальных доказательств пока недостаточно (главное же в этих до казательствах — убедиться в том , что структур ные кластеры в растворах сколь угодно мал ой концентрации мог у т сохраняться достаточно долго ). Сейчас наступило время активного изучения структуры воды и ее ро ли в объяснении эффектов СМД . Определенные надежды связаны с исследованием веществ , бл изких по структуре и одинаково активных в «нормальных» дозах (10 – 5 – 10 – 4 М ), но ведущих себя по-разному в СМД . Квантово-химический анализ этих веществ позвол яет обнаружить различие между ними , но име ет ли оно определяющее значение в эффекта х СМД , можно ли его связать с особенно стями влияния этих веществ на структуру в оды — еще н е ясно. Применение эффекта малых д оз В специальной литературе уже появляются сообщения о лекарственных веществах в СМ Д , которые разрешены для медицинского примене ния (адгелон ) или переданы на утверждение в Фармакологический комитет (феназепам в СМД ). О пр еимуществах таких лекарств кра тко говорилось выше . Особенно нужны они он кологам . Не секрет , что основная проблема химиотерапии злокачественных новообразований — токси чность противоопухолевых препаратов . Поэтому подл инной революцией в химиотерапии стало бы создание средств , «избирательно» дейс твующих на опухоль и не повреждающих друг ие органы и ткани. Исследования показали , что цитостатики , в частности адриамицин в СМД (10 – 10 – 10 – 20 М ), обладают противоопухолевой активностью , близкой к той , что характерн а д л я этих препаратов в обычн ых терапевтических дозах (10 – 2 – 10 – 3 М ). В перспективе — клинические испытания адриамици на в СМД при лечении рака . Есть также данные об антиметастатическом действии ряда лекарственных препаратов в СМД. Таким образо м , уже сегодня мо ж но говорить о применении результатов этих исследований . Ч то же касается механизмов действия СМД , то над этой загадкой природы ученым еще предстоит поломать голову. Влияние СМД на биосферу Биосфера — это гигантская многомерная не линейная система . С точки зрения экологи и , особенно важно знать , как влияют на биосферу различные возмущающие факторы , насколько она стабильна , как приспосабливается к эт им воздействиям , возвращаясь в свое исходное состояние квазиравновесия. В 1970-х годах в Академии наук СССР по д руководством академика Н.Н . Моисеева началось систематичес кое изучение биосферы как единой комплексной системы . В компьютерных модельных эксперимен тах анализировались квазиравновесные состояния , к оторыми могло бы завершиться крупномасштабное воздействие ч еловека на биосферу , в частности война с применением атомного оружия. Было установлено , что если интенсивность воздействия достигает некоторого порога (эне ргия воздействия порядка 2 – 3 тыс . Мт троти лового эквивалента ), биосфера уже не возвращае тся в исходн о е состояние . Менялись циркуляция атмосферы , структура океанических течений , распределение осадков и температуры , а значит — и биота . По выводам группы ученых , представивших первые количественные оценки подобного катаклизма , получившего название «ядерной з и мы» , биота если и сохранится , то в весьма обедненном виде и , вполне возможно, — без человека. Однако , как справедливо подчеркивает один из автор ов концепции «ядерной зимы» Н.Н . Моисеев , п одобная качественная перестройка биосферы возмож на не только в резул ь тате яде рной войны . Переход в новое качественное с остояние возможен и за счет незначительных , но постоянно действующих возмущений , что ос обенно важно и особенно опасно , ибо на начальных этапах он незаметен . Таким образо м , биосфера может адаптироваться к с а мым разнообразным внешним и внутренним стимулам средней силы , пока они не дост игают порога , при котором адаптация уже не возможна . В то же время низкоинтенсивные , но длительно действующие факторы , не запуская адаптационные механизмы , могут активно влият ь н а состояние биосферы через б ифуркационные процессы . В какое состояние пер ейдет при этом система , будет зависеть от громадного количества слабых взаимосвязанных изменений , которые мы пока не в силах по-настоящему учитывать. Большие последствия малых доз зас т авляют пересмотреть мног ие привычные представления и требуют новых подходов . Но прежде всего — самого серьезн ого отношения . Малым дозам необходимо большое внимание. Список использованной литературы : Журнал " Экология и жизнь ". Статья Е.Б . Бурлаковой.
© Рефератбанк, 2002 - 2017