Зависимость биологического действия экологических факторов от их параметров.

Важнейшими параметрами действующего экологического фактора, определяющими биологический эффект, являются его интенсивность, продолжительность и характер воздействия.

1.2.1. Общеизвестно, что величина биологической реакции на действие фактора в различной природы зависит от дозы, т.е силы воздействия. Для химических факторов сила воздействия как правило определяется концентрацией действующего вещества, а для физических факторов - величиной поглощенной энергии. С уменьшением дозы биологический эффект снижается и при некотором ее значении экспериментально не обнаруживается. На этом биологически важном принципе построены практически все известные модели воздействия разнообразных химических и физических факторов на живые организмы. На основе таких моделей «доза-эффект» рассчитывают предельно допустимые уровни концентрации веществ (ПДК) и предельно допустимые уровни энергетического воздействия (ПДУ) на живые организмы, в первую очередь на человека. В настоящее время установленные ПДК и ПДУ являются крайне важными экологическими характеристиками в системе безопасности жизнедеятельности человека. Если уровень воздействия по своей абсолютной величине ниже предельно допустимых значений, то считается, что рассматриваемое воздействие крайне мало и не оказывает заметного влияния на организм человека. Естественно, каждый вид живых организмов по своему чувствителен (или наоборот устойчив) к тому или иному физическому или химическому фактору, поэтому для каждого из видов можно экспериментально установить свои «персональные» пределы чувствительности. Эти пределы от вида к виду могут порой различаться на несколько порядков. Тем не менее, все подобные исследования основываются на теоретических представлениях о монотонной и непрерывной зависимости «доза-эффект» (рис. 1.2.А). Теоретические модели, построенные на таких представлениях, подтверждаются экспериментально и позволяют во многих случаях достаточно хорошо качественно и количественно прогнозировать биологические эффекты. Поэтому можно с уверенностью говорить, что одной из основ современной экспериментальной биологии, экологии и медицины является парадигма «доза-эффект». Однако, накапливается все больше сведений о том, что эта зависимость не всегда имеет место. При этом важное понятие – пороговые значения, минимальная интенсивность фактора, при которой регистрируется биологические эффекты.

В 30-40-х годах значительный размах получили исследования действия ЭМП высоких и ультравысоких частот. Были обнаружены 2 вида биологических эффектов ЭМП: 1 – тепловой эффект – нагревание тканей под влиянием ЭМП высоких интенсивностей; 2- нетепловой ответ биологической системы без нагрева. Второй тип эффектов не воспринимался научной общественностью, т.к. согласно господствующей парадигме любое воздействие ЭМП должно быть обусловлено теми или иными энергетическими взаимодействиями. Однако согласно известному биофизику Сент-Дьерди (1964) «биолог зависит от суждения физиков, но вместе с тем он должен быть очень осторожен, когда ему говорят, что-то или иное событие или явление невероятно».

Дальнейшее исследования показали, что различные организмы чувствительны к ЭМП при воздействующей энергии на десятки порядков (!) ниже теоретически оцененного. Эти противоречия были бы объяснены А.С. Пресманом. Он предположил, что наряду с энергетическими взаимодействиями в биологических процессах важную роль играют информационные взаимодействия. Такие взаимодействия характеризуются преобразованием информации, ее передачей, кодированием, хранением. Именно такие взаимодействия с конца 60-х годов изучает Крымская школа магнитобиологии.

Представления о способности факторов очень низкой интенсивности вызывать биологические эффекты часто другого знака по сравнению с его высокой интенсивностью получают все больше подтверждения.

В 80-е годы в биологию было введено специальное понятие - «радиационный гормезис», которое означает, что если большие дозы радиации оказывают неблагоприятные эффекты на живые организмы – (угнетают деление клеток, рост и развитие), то малые дозы стимулируют практически все физиологические процессы, а отсутствие воздействия ионизирующей радиации оказывает угнетающее действие на биологические процессы. Сторонники идеи радиационного гормезиса не без оснований считают, что ионизирующая радиация является естественным, постоянно действующим на организм фактором, без которого нормальное существование невозможно, как невозможна жизнь без гравитации, магнитного поля или кислорода. Один из активных сторонников радиационного гормезиса известный радиобиолог А.М.Кузин предложил гипотезу, объясняющую различные эффекты больших и малых доз облучения. Большие дозы облучения влияют на радиочувствительные ткани, в то время как малые дозы изменяют регуляторные функции радиоустойчивых тканей. Большие дозы вызывают в клетках патологические эффекты, поскольку кванты энергии разрушают ДНК и этот процесс усиливается биологически активными веществами клетки. Малые дозы модулируют свойства мембран и стимулируют работу разнообразных клеточных структур, не затрагивая генетический аппарат. Следует отметить, что исследования в этой области естествознания крайне трудны, мало понятны реальные биологические механизмы такого воздействия. Однако с уверенностью можно констатировать, что существование такого парадоксального явления как радиационный гормезис подтверждено в разных лабораториях и на различных объектах и свидетельствует о сложной зависимости доза – эффект.

В 1983 г. сотрудники Института биохимической физики вместе с коллегами из Института психологии, изучая влияние антиоксидантов на электрическую активность изолированного нейрона виноградной улитки, получили весьма неожиданный результат. Первоначальная доза препарата (10-³М) была не только активной для нейрона, но и довольно токсичной, поэтому пришлось перейти на менее концентрированный раствор. Доза на четыре порядка ниже первоначальной оказалась не только менее токсичной, но и более эффективной. Дальнейшее уменьшение концентрации привело к росту эффекта, он достигал максимума (при 10-¹⁵М), затем снижался до уровня (при 10-¹⁷ М), практически совпадающего с контрольными результатами (Бурлакова Е.Б. и соавт., 1985, 1986, 1999).

Рис.1.2. Современные модели зависимости «доза-эффект» без учета (А) и с учетом (Б) СМД-эффекта (Golovin Yu.L., 2004).

Аналогичные закономерности впоследствии были зарегистрированы в экспериментах с другими веществами на разнообразных клеточных и животных моделях. Эти результаты подтверждали, в частности эффективность гомеопатии. Использование в лечебных целях растительных и природных препаратов в очень низких дозах (30-й сотенной потенции (60 нулей в знаменателе!!)) основоположник гомеопатии Ганеман (конец 18 века) утверждая: увеличение силы лекарства путем уменьшения их дозы.

Результаты многолетних исследований показывали, что уровень биологической организации, на котором проявляется действие сверхмалых доз (СМД) биологически активных веществ, также весьма разнообразен - от макромолекул, клеток, органов и тканей до животных, растительных организмов и даже популяций. Однако такой СМД-эффект наблюдался не для любого биологически активного вещества и не для любого биологического объекта.

Что же понимать под сверхмалыми дозами? В настоящее время пока не существует общепринятого определения сверхмалых доз, впрочем, как и полного всеобщего признания данного феномена. Уж слишком много тут неясностей, неожиданностей и методических тонкостей. Тем не менее, при всех имеющихся различиях в определении границы, разделяющей сверхмалые дозы от обычно применяемых, общая точка зрения состоит в том, что сверхмалыми дозами следует считать такие дозы, биологическая эффективность которых не может быть объяснена в рамках существующих парадигм, а ее объяснение требует разработки принципиально новых концепций. Для химических веществ сверхмалыми дозами предлагается считать концентрации ниже 10-¹²-10-¹³М. Для сверхмалых доз физических факторов не найдено единого определения границ, которые, вне сомнения являются разными для каждого физического воздействия. Так, например, для ионизирующей радиации Научный комитет по атомной энергии ООН рекомендует называть «малыми» дозы менее 200 мГр (20-рентген), а малыми мощностями - 1.5 мГр/мин. Однако отдельные исследователи считают сверхмалыми дозами такие воздействия, когда при снижении дозы радиационного воздействия меняется знак ответа живых организмов, т.е. переход угнетения жизнедеятельности биологического объекта к стимулированию. Что касается границы сверхмалых доз электромагнитных полей, то в данном случае можно условно принять такой уровень энергетического воздействия, когда тепловые эффекты (т.е. разогрев тканей) не происходит, т.е. имеет место «информационные» воздействия.

Сверхмалые дозы биологически активных веществ и физические факторы низкой интенсивности обнаруживают много общего, что касаются как формальных признаков (дозовые зависимости), так и показателей биологической активности. Природа этого феномена может быть связана с общностью первичных механизмов действия. К числу характерных для СМД - эффектов свойств следует отнести:

· немонотонную, полимодальную зависимость «доза-эффект». В большинстве случаев максимумы активности наблюдаются в определенных интервалах доз, разделенных между собой так называемой - «мертвой зоной»;

· изменение чувствительности (как правило, увеличение) биообъекта к действию разнообразных агентов как эндогенных, так и экзогенных (последние могут быть как той же, что в случае воздействия СМД, так и иной природы;

· проявление кинетических парадоксов, а именно возможность уловить СМД-эффект биологически активных веществ, когда в клетке или в организме имеется то же вещество в дозах на несколько порядков выше, а также влияние на рецептор вещества в дозах на порядки более низких, чем константы диссоциации комплекса лиганд-рецептор;

· зависимость «знака» эффекта от начальных характеристик объекта;

· «расслоение» свойств биологически активного вещества по мере уменьшения концентраций, при котором еще сохраняется активность, но исчезают побочные эффекты;

· для физических факторов усиление эффекта с понижением их интенсивности определённых интервалов мощности и доз.

Таким образом, если обобщить накопленный в последние десятилетия экспериментальный материал, то основной вывод таков: зависимости «доза - биологический эффект» подлежат уточнению. Если раньше полагали, что эти зависимости имеют вид, показанный на рис. 1.2. А; то на самом деле зависимости могут выглядеть так, как показано на рис. 1.2 Б. Здесь имеются особенности, которые принято определять как «насыщение», «привыкание», «окна чувствительности», «изменение знака эффекта» и т.д.

Для физических факторов такие зависимости могут иметь еще более сложную форму, потому что для них приходится учитывать их амплитудно-частотные и поляризационные характеристики, которые играют важную роль в первичных механизмах действия на живые организмы.

Таким образом, в настоящее время биологическая эффективность сверхслабых воздействий экспериментально доказана и поэтому совершенно нет оснований отрицать биологическую значимость слабых экологических факторов, например, контролируемых космической погодой. Первичные механизмы воздействия могут быть разными, однако уже сейчас ясно, что эффекты сверхмалых доз, в том числе полимодальные, могут быть объяснены на основании развиваемых представлений о существовании в клетках разноуровневых высокоэффективных кооперативных систем первичного восприятия, проведения и усиления сигнала с обратной положительной и отрицательной связью в одной или нескольких каскадных реакциях (Гуревич К.Г., 2001). Биофизика сверхмалых доз становится новым научным направлением, которое существенно изменит наши представления об организации и регуляции биологических процессов и их взаимосвязи с внешней средой.

Представления о биологической активности сверхмалых (микродоз) доз позволили значительно расширить перечень экологических факторов, оказывающих влияние на различные биологические системы. В частности, к числу таких факторов в настоящее время отнесены факторы среды, контролируемые солнечной активностью, которые могут опосредовать ее влияние на биосферу (рис.1.3). Биологическая активность этих факторов будет рассмотрена в дальнейшем.

Рис. 1.3. Общая схема влияния солнечной активности на Биосферу. Показаны два основных канала воздействия: через солнечный ветер - магнитосферу и через коротковолновое излучение - ионосферу и озоносферу. Отсутствие точного знания о других источниках влияния на биосферные процессы символизирует стрелка со знаком вопроса на правой крайней части схемы и означает, что на нынешнем этапе исследований не все пути воздействия космофизических факторов раскрыты (Мартынюк и др. 2008).