Живе захищає живе
Стаття написана Павлом Чайкою, головним редактором журналу «Пізнавайка». З 2013 року з моменту заснування журналу Павло Чайка присвятив себе популяризації науки в Україні та світі. Основна мета як журналу, так і цієї статті – пояснити складні наукові теми простою та доступною мовою.
Чи треба доводити, що дія на живий організм складної суміші різних речовин зовсім не дорівнює сумі дій компонентів, що складають цю суміш? Мабуть, треба оскільки донині саме шляхом арифметичного складання гранично допустимих концентрацій окремих складових визначають допустиму концентрацію їх суміші. Але ось кілька найпростіших прикладів, які демонструють, наскільки не просто все, що пов’язано з людиною. Припустимо, речовина А здатна пошкоджувати молекули ДНК. Цією вкрай неприємною для організму властивістю, до речі сказати, володіє ряд ліків, – наприклад, багато протипухлинних препаратів і отрутохімікати, що застосовуються в сільському господарстві. Але будь-яка жива клітина має дуже потужну ферментативну систему, звану репаразною, яка ефективно заліковує пошкодження, нанесені молекулі ДНК.
Тому клітина може успішно захищатися від дії нашої речовини А і витримувати досить великі її дози без особливої шкоди для себе. Тепер припустимо, що в організм потрапляє речовина В, яка пригнічує роботу репаразної системи. Вона пригнічує цю систему цілком оборотно і швидко виводиться, тому сама по собі нешкідлива. Але якщо в організм потрапляють одночасно речовини А і В, то руйнівна активність А підвищується в десятки і сотні разів… Зауважимо, що властивістю гіпотетичної речовини В володіє так улюблений багатьма кофеїн, так що чашечка кави може часом зіграти злий жарт — якщо, скажімо, нею запивати протипухлинні ліки.
Інший приклад. Іони важких металів високотоксичні для організму, але у нього є захисні бар’єри, які не пускають чужорідні речовини, особливо заряджені, у внутрішнє середовище. Крім того, кожна клітина оточена власною оболонкою — мембраною, яка також мало проникна для іонів важких металів. Але якщо суміш, що потрапила в організм містить до того ж поверхнево-активні речовини, які «дірявлять» бар’єри, роблять проникною і шкіру, і мембрани, то навіть короткочасний вплив її на організм призведе до важкого отруєння.
Але суміші зовсім не обов’язково недруги людини. Згадаймо, скільки чудодійних лікувальних сумішей є в арсеналі народної медицини. Адже будь-який відвар, настоянка, екстракт з рослин — це досить складні суміші. А в медицині, особливо Східній, застосовують одночасно екстракти, отримані з десятків різних рослин, а іноді до них додають ще й мінеральні компоненти і екстракти, отримані з тваринних організмів. Такі суміші містять сотні і тисячі самих різних хімічних сполук. І адже саме такі складні суміші лікують хронічні хвороби, а так звані «активні початки», тобто чисті речовини, як правило, в цих випадках безсилі. Це й не дивно, так як при хронічній хворобі потрібно одночасно і координовано виправити велике число різних ланок різних регуляторних систем, біохімічних і фізіологічних процесів. Набагато природніше спробувати це зробити сумішшю.
У сумішах речовини можуть не тільки посилювати шкідливу дію один одного, але і нейтралізувати негативні, побічні ефекти, вироблені кожним з них. Нещодавно в науково-дослідному інституті з біологічних випробувань хімічних сполук зіткнулися з таким завданням. Знайдений цінний антимікробний препарат, цей препарат малотоксичний, але, за даними Центру безпеки цього інституту, має досить сильну мутагенну активність. Як же бути? Відмовитися від його використання, обмежити вживання тільки тими випадками, коли питання йде про життя і смерть пацієнта? Або?.. Так, дійсно, вдалося знайти речовину, яка при одночасному введенні з першим багаторазово знизила його мутагенний ефект, не зменшивши корисної антимікробної дії.
Зараз добре відомо, що такі необхідні, звичайні харчові продукти, як цукор і сіль, дуже шкідливі, якщо їх вживати в чистому вигляді. Недарма обидва ці речовини називають білими отрутами, головними харчовими ворогами сучасної людини. Тим часом вчений І. І. Брехман з’ясував, що так званий коричневий цукор — проміжний продукт цукрового виробництва, до останньої стадії рафінування,— не тільки не володіє шкідливою дією очищеного цукру, але і надає помітний адаптогенний ефект, тобто допомагає організму пристосовуватися у важких для нього умовах.
Встановлено цілком надійно також, що спирт або горілка набагато шкідливіше для організму — і в сенсі прямої руйнівної дії, і через легкість звикання, ніж різного роду багатокомпонентні спиртові настоянки. Живий організм людини взагалі, мабуть, не любить занадто примітивних впливів, одною речовиною, йому набагато більше до душі складні і, зрозуміло, добре підібрані гармонійні суміші. Адже і вухо людини воліє складні акорди, і око не любить простих, примітивних поєднань кольорів.
Отже, дію суміші багатьох речовин не можна, як правило, обчислити або передбачити, знаючи дію окремих її компонентів. Але саме суміші речовин, причому часто невідомих, повсюдно і повсякденно оточують людину. Водне, повітряне середовище, грунти, грунтові води — найскладніші в хімічному відношенні суміші природних і рукотворних речовин. І для охорони природи треба знати біологічну активність саме цих, реально існуючих, весь час мінливих сумішей. Точніше, безперервно стежити за їх біологічною активністю – токсичністю, мутагенністю, канцерогенністю, алергенністю і т. д.
Як же можна визначити, та ще швидко і досить дешево, біологічну активність складних сумішей?
Думка до тупості проста: про біологічну активність суміші суди по тому, що буде з живим організмом, який на собі випробував або відчуває її дію.
Читач, хоч трохи досвідчений в питаннях сучасної фармакології, проблемах створення нових ліків, вигукне: «Так цими питаннями здавна і займається фармакологія! Чого тут мудрувати – на різних лабораторних тваринах завжди перевіряють дію різних речовин, а що заважає перевірити суміші? Що ж тут нового?»
Нове виникає, коли ставиться завдання комплексно визначати всі основні види біологічної активності, причому робити це безперервно або в дуже великих масштабах — тисячі, десятки, сотні тисяч окремих випробувань на рік, і відповідь необхідно отримувати досить швидко. Ось така постановка питання нова і вимагає оригінального рішення. Миші і щури тут не допоможуть. Їх знадобилося б багато мільйонів, та й то не відповіли б вони на багато питань.
Завдання визначення біологічної активності всіх знову синтезованих хімічних сполук було поставлено перед інститутом з біологічних випробувань хімічних сполук. У всьому світі – понад 200 тисяч. І лише у малої їх частки – менш ніж у 5 відсотків – визначається хоча б який-небудь вид біологічної активності. Виникає все більше хімічних сполук, про біологічну активність яких людство не має ні найменшого уявлення.
Вирішити це завдання допомогла ідея використання живих організмів як датчиків. Була обрана така система біодатчиків, яка дозволяє визначати більше ста видів біологічної активності. Датчиків же всього близько десяти. Але справа в тому, що окремому виду біологічної активності відповідають не показання одного датчика, а комбінація показань двох-трьох і більше. Виходить як би алфавіт. Окремий вид активності – це слово з букв цього алфавіту. І тому порівняно невеликий набір біодатчиків в принципі може виявити досить велике число видів біологічної активності.
Щоб система таких біодатчиків добре працювала, вона повинна володіти властивістю уявності, тобто відображати різноманітність живих організмів, що населяють Землю. Тоді можна буде з відомою надійністю переносити отримані системою біодатчиків результати на інші живі організми і, що особливо важливо для медицини, на організм людини. Щоб задовольнити цю вимогу, в якості біодатчиків були обрані представники всіх царств живого: клітини тварин, рослин, мікроорганізми, найпростіші, гриби і основні типи тканин людини — епітеліальні, сполучні, м’язові, нервові.
Що ж таке біодатчики і які реакції вони реєструють
Приклад перший. Біодатчик тетрахімена – найпростіше, схоже на волохатий дирижабль, яке рухається, як би угвинчуючись у воду. Тетрахімени швидко плавають, дружно б’ючи по воді своїми віями-веслами. Часто змінюють напрямок. Їх рух добре видно в мікроскоп з’єднаний з монітором. На його екрані вже цілком великі тетрахімени здійснюють складні і досить витончені маневри. Траєкторії і швидкості їх руху вводяться в комп’ютер, який дає узагальнений портрет руху всієї сукупності спостережуваних тетрахімен.
Але ось в середу, де плавали тетрахімени, додали досліджувану речовину. Вії перестали битися узгоджено, рух «дирижаблів» став гарячковим, потім вони почали крутитися на місці. Додана речовина була нейролептиком, тобто основна її активність проявляється в дії на центральну нервову систему. У тетрахімен центральної нервової системи, звичайно, немає, а дія нейролейтика на цей організм виразна. І подібним чином діють на тетрахімену всі нейролейтики, – стало бути, можна говорити про характерний для них вплив на рух тетрахімени. Так цей клас речовин можна відрізняти від речовин з іншими видами активності, які зовсім по-іншому впливають на рух тетрахімен.
Приклад другий. Біодатчик – світні морські бактерії або спеціальні, отримані в лабораторії мікроорганізми, що світяться. Реєструється зміна їх світіння, інтенсивності, спектра.
Приклад третій. Біодатчик – стінка кишки щура. На введення нової речовини вона реагує зміною своєї проникності для іонів води, оптичної щільності тканини.
Приклад четвертий. Біодатчик — еритроцити людини. У них «приладовою шкалою» служать щільність суспензії, розміри клітин, електричний опір мембрани.
Ці кілька прикладів дозволяють уявити собі, що таке біодатчики і як можна з їх допомогою реєструвати реакції живих клітин на випробовувану речовину.
Речовина?! Але ж мова йшла про суміші? Так, абсолютно вірно, але для біодатчика байдуже, чи окрему речовину відчувати або визначати біологічну активність складної суміші. Ось в цьому і справа. І тому виявилося, що знайдене для одного завдання рішення цілком добре і для іншого. На основі біодатчиків, точніше, спеціально підібраної системи біодатчиків, можна будувати моніторинг, тобто систему, що стежить за біологічною активністю природних середовищ. Точно так само можна визначати активність і різних рідин організму людини і по зміні біологічної активності цих рідин стежити за станом здоров’я, ставити діагноз, визначати ефективність лікування.
Автор: А. Маленков, доктор біологічних наук.