У нашому журналі вже розповідалося про ефекти надмалих доз (дивися добірку матеріалів у «ЕіЖ» 2 '99, де розповідалося про сенсаційні результати в цій галузі досліджень, які поки з великими труднощами вкладаються в рамки уявлень сучасних наук про будову речовини). Однак з урахуванням важливості цього напрямку, самим безпосереднім чином пов'язаного з вивченням незвичайних властивостей звичайної води, з урахуванням того, що останнім часом у засобах масової інформації все частіше з'являються повідомлення про «чудеса», що творяться тими чи іншими конкретними речовинами у надмалих або гомеопатичних дозах , ми вирішили в номері, присвяченому в основному «водної» тематики, надати слово одному з провідних фахівців у цій галузі, щоб, як кажуть, відокремити «зерна» від «плевел» і дати максимально точну картину дійсно незвичайного явища, заслуговує найпильнішої уваги представників різних наук.
Про автора:
Олена Борисівна Бурлакова, доктор біологічних наук, професор, лауреат Державної премії, заступник директора, завідувач лабораторією Інституту біохімічної фізики ім. Н.М. Емануеля (ІБХФ РАН).
Думка, висловлена знаменитим французьким математиком Ж. Адамаром, що будь-яка система (як вивчається експериментально, так і модельна) може вважатися коректною (правомірною в науковому сенсі, що має «право» на розгляд), якщо більш сильному впливу відповідає і більш значний відгук, панує в науці дуже давно. Однак життя показало, що цей фундаментальний принцип порушується в природі набагато частіше, ніж можна було припустити, і слабкі впливу грають найважливішу роль в так званих біфуркаційних переходах систем в новий стан. Під час таких переходів різко зростає роль флуктуацій, від яких залежить, у яке з безлічі можливих станів перейде система.
Схоже, що ці міркування мають безпосереднє відношення до дії самих різних фізичних і хімічних чинників у надмалих дозах, як у природних умовах, так і в техногенному середовищі. Ці дії, як видається сьогодні, змінюють не тільки силу існували у вихідній системі зв'язків, але і їх ієрархію і картину розподілу.
При таких діях, як показано далі, не працюють системи адаптації, оскільки організм здатний пристосовуватися лише до «звичним» впливів, які лежать в звичайному діапазоні інтенсивностей, а це означає, що порушується управління внутрішніми і зовнішніми регуляторами, змінюються співвідношення позитивних і негативних зворотних зв'язків, відносини між популяціями і, в кінцевому підсумку, процеси гомеостазу та розвитку. Постійне вплив цих факторів або довга «пам'ять» системи про їх впливах сприяють тому, що ці слабкі впливу можуть зіграти вирішальну роль саме під час проходження всією системою критичних точок біфуркації. Ці взаємодії можуть в кінцевому підсумку грати вирішальну роль і у долі такої глобальної системи, як біосфера.
Але перш ніж робити висновки, розглянемо наявні факти.
Історія питання
У 1983 р., вивчаючи вплив антиоксидантів на електричну активність ізольованого нейрона виноградного равлика, в ІБХФ отримали несподіваний результат. Початкова доза препарату (10-3 М) була для нейрона не тільки активною, але і досить токсичною, тому концентрацію розчину вирішили знизити. Ковсеобщему подив, доза в 10 тис. разів нижче первісної виявилася не тільки менш токсичною, а й більш ефективною. Її подальше зменшення лише посилювало ефект, він досягав максимуму при 10-15 М, а потім послаблювався і при 10-17 М пропадав. Схожі результати спостерігали пізніше в макромолекулах, клітинах, органах, тканинах, організмах і навіть популяціях при впливі на них протипухлинних, антиметастатичної, радіозахисних і нейротропних препаратів, інгібіторів і стимуляторів росту, гормонів, адаптогенів, імуномодуляторів, детоксикантів, антиоксидантів, а також різних фізичних факторів - іонізуючого випромінювання і т. п. З'ясувалося, що це не особливість якогось препарату або біологічного об'єкта, а новий тип взаємодії будь-яких біологічних об'єктів зі сверхмалимі дозами (СМД) біологічно активних речовин (БАР). Кожне з них може володіти специфічними мішенями, з якими воно безпосередньо взаємодіє, механізмом, що визначає це взаємодія і його посилення в певних умовах, особливостями метаболізму, проте в СМД вони демонструють загальні закономірності. Оскільки дослідників досліджуваних об'єктів і факторів, активних у СМД, стає все більше, має сенс проаналізувати цей феномен докладніше.
Перш за все, необхідно уточнити, що таке СМД. Це дози, ефективність яких не піддається поясненню з сучасних позицій і вимагає розробки нових механізмів. На думку ряду дослідників, що розділяється і автором, кордон СМД визначається числом молекул БАР на клітину. У одному молі речовини близько 6.1023 молекул, а число клітин в будь-якому багатоклітинному організмі (наприклад, тварини) по порядку величини становить приблизно 1010, так що при введенні БАР в організм у дозах 10-12-10-13 М на одну клітку доводиться від 10 до однієї (!) молекули БАР. Тому СМД відповідають концентрації 10-12 М і нижче. Для фізичних ж чинників поки немає загального кількісного визначення. Так, для іонізуючого випромінювання Міжнародне агентство з атомної енергії вважає малими дози до 250 мГр (25 Р), а малими потужностями-1,5 мГр / хв і нижче. Однак таке визначення не придатне для радіоустойчівих організмів (бактерії, найпростіші еукаріоти) або рослинних клітин. Тому в радіобіології малими часто називають такі дози радіації, для яких ефект змінює знак (наприклад, придушення клітинного росту змінюється стимулюванням).
Особливості впливу малих доз a
З наших результатів та літературних даних випливає, що СМД БАР і фізичні чинники низької інтенсивності подібним чином впливають на метаболізм як за формальними ознаками (залежність «доза-ефект»), так і по проявляють властивостями. Це може пояснюватися їх впливом на одні й ті ж мішені (наприклад, клітинні та субклітинні мембрани) або особливостями протікання викликаних ними реакцій.
Характерні риси таких впливів:
1. Немонотонний, нелінійна (полімодальний) залежність «доза-ефект». Як правило, максимуми активності спостерігаються в певних інтервалах доз і розділені свого роду «мертвою зоною», де система практично нечутлива до впливів. (Мабуть, через це активність СМД не відзначалася раніше, оскільки, досягнувши «мертвої зони» і переконавшись у відсутності ефекту, дослідники не бачили сенсу в подальшому зменшенні дози і припиняли експерименти.)
2. Зміна (зазвичай збільшення) чутливості об'єкта до різноманітних факторів: як внутрішнім, так і зовнішнім, як тієї ж (що і вплив у СМД), так і іншої природи.
3. Ефект спостерігається навіть «на тлі» впливу значно більших доз.
4. «Знак» (спрямованість) ефекту залежить від тих характеристик, якими об'єкт мав до того, як піддався впливу.
5. Властивості БАР із зменшенням концентрації змінюються, зокрема, при збереженні активності лікарських препаратів зникають побічні ефекти від їх застосування.
6. Для фізичних факторів (наприклад, опромінення) ефект посилюється з пониженням інтенсивності впливу в певних межах.
Чутливість біологічних об'єктів до дії різноманітних факторів у «звичайних» дозах і в СМД змінюється дуже сильно. Наприклад, вдавалося домогтися синергізму (багаторазового посилення) дії двох протипухлинних препаратів, вводячи один з них у СМД. Результуюча активність гербіцидів також підвищувалася, якщо хоча б один з них застосовували в СМД.
Прикладами залежності «знака» ефекту від початкових характеристик біологічних об'єктів можуть служити різний вплив антиоксидантів на потенціали ізольованих нейронів (високий-знижують, низький-підвищують) або на властивості мембран еритроцитів, а також вплив радіації на активність ферментів.
Зміна властивостей БАР із зменшенням концентрації (зокрема, ослаблення побічних ефектів) добре видно на прикладі феназепаму-вельми популярного транквілізатора. У звичайних дозах феназепам поряд з транквілізуючі дією викликає сонливість, м'язову слабкість, запаморочення і нудоту, тому його рекомендують приймати на ніч. У СМД він залишається ефективним заспокійливим засобом, але повністю позбавляється небажаних додаткових властивостей. У результаті отриманий патент на використання феназепаму в СМД як денного транквілізатора.
Біологічна дія малих доз радіації
В останні роки однозначно доведено, що опромінення навіть у найменших дозах викликає численні зміни в клітинах. У своїх дослідженнях ми опромінювали мишей, використовуючи гамма-джерело Cs137. Виявлено зростання ефекту при малих дозах. Величина максимуму і відповідна йому доза залежать від специфіки об'єкта і потужності джерела, але загальна тенденція очевидна: при зменшенні інтенсивності опромінення максимум досягається при менших дозах. При найменших дозах опромінення вкрай низької інтенсивності відзначено зміна структури ДНК і клітинних мембран. Зміни, що відбулися в результаті опромінення, зберігалися протягом тривалого часу після його припинення.
Дуже важливо, що в результаті опромінення змінюється чутливість (як окремих макромолекул і клітин, так і організму в цілому) до додаткових впливів (як тієї ж, так і іншої природи). У наших дослідах виявилося, що в опромінених мишей еритроцити руйнувалися швидше, змінювалися чутливість центральної нервової системи і реакція клітин на різноманітні впливи, в тому числі на повторне опромінення.
Вид залежності «доза-ефект», як вважають деякі дослідники (автор належить до їх числа), пов'язаний з тим, що дози, що викликають пошкодження в біологічних об'єктах і приводять в дію системи їх відновлення, вельми різняться. Поки ці системи не діють повною мірою, ефект наростає зі збільшенням дози, потім-зменшується, коли процеси відновлення в системі активізуються, може навіть змінити «знак», і знову наростає зі збільшенням дози, коли ушкодження превалюють над відновленням.
У цілому ж реакція організму на опромінення залежить від дози, потужності і часу опромінення.
Ферменти та дози
Досліди, в яких досліджувався вплив СМД БАР на активність ферментів, проводилися як з ізольованими ферментами, так і в клітках або організмах. На ізольований фермент (протеїн-С), виділений з серця тварин, діяли антиоксидантом токоферолом, у звичайних дозах (10-4-10-5 М) переважною активність ферменту.
Ми досліджували значно ширший діапазон концентрацій (10-18-10-5 М). Виявилося, що токоферол пригнічує активність ферменту в інтервалах 10-16-10-12 М і 10-4-10-5 М, а в проміжку майже не впливає на неї.
В іншій серії експериментів, виконаних співробітниками Московського державного університету ім. М.В. Ломоносова, вивчалася дія препарату ізобруфена на активність ферменту простагландінсінтази. Виявилося, що в концентраціях 10-11-10-14 М він підвищує активність ферменту, а в концентрації 10-6 М помітно зменшує її. Правда, в СМД ізобруфен діяв тільки на клітини і не виявляв ніякого впливу на ізольований фермент. Максимальний ефект спостерігався при концентрації 10-12 М. Цікаво, що в діапазоні 10-9-10-6 М, тобто при переході від стимуляції до пригнічення, ефект пропадав-це була «мертва зона».
Всі ці результати не можна пояснити в класичній біохімії. Схоже, для БАР в дозах 10-11-10-18 М необхідно переглянути механізми дії на ферменти, наприклад, з огляду на можливість зміни структури води.
Приклади залежностей "доза - ефект" для різних об'єктів.
Можливі механізми дії
Щоб зрозуміти, як СМД БАР впливають на біологічні об'єкти, треба насамперед з'ясувати, як їх молекули взаємодіють з клітинами-мішенями. При концентраціях 10-15 М і нижче непридатний закон діючих мас (основа хімічної кінетики) і втрачає сенс саме поняття «концентрація». Визначальними стають флуктуації, особливо для біологічних структур розміром 102-103 А.
На думку відомого російського біофізика Л. А. Блюменфельда, механізм дії СМД на клітинному і субклітинному рівнях представляє собою параметричний резонанс, тобто збіг часових параметрів запускаються діючою речовиною внутрішньоклітинних процесів і характерного часу взаємодії цієї речовини з клітиною-мішенню. Порівнюються характерні часи підходу (шляхом дифузії) до поверхні клітинної мембрани (1), час протікання реакції на поверхні і в об'ємі мембрани (2) і час виникнення клітинної реакції (3). При високих концентраціях БАР, коли час (1) мало, а самі взаємодії відбуваються часто, клітинний фермент (рецептор) перебуває у стані, яке характеризується малою активністю. При дуже малих концентраціях, коли час взаємодії (2) досить велика, майже весь фермент (рецептор) залишається у вихідному рівноважному стані, в якому його активність також виявляється невисокою. І тільки для доз, при яких час взаємодії БАР зі своєю мішенню (2) і тимчасові параметри запускаються їм внутрішньоклітинних процесів (3) збігаються, можна очікувати підвищення активності. Розрахунки показують, що її пік припадає на дози від 10-11до10-15М.
Але чи мають право на життя й інші пояснення парадоксів СМД. Зокрема, може розглядатися «гра», в якій фермент (рецептор) може містити кілька центрів з різною активністю. При низьких дозах БАР його молекули «віддають» більш активний центр. Із зростанням дози в «гру» вступає другий центр. Він взаємодіє з першим так, що всі молекули, пов'язані з першим центром, залишають його. У всякому разі, подібним чином пояснюють складну реакцію нюхового рецептора на зміну дози субстрату.
Головне ж у дії СМД-як впливають молекули БАР на мішені. Як взаємодіє БАР з білком або ліпідом мембрани, якщо молекул БАР в 106-109 разів менше, ніж молекул білка?
Є дві точки зору. Згідно з першою, схожість залежностей "доза-ефект», зміна чутливості біологічних об'єктів до різних факторів (внутрішнім і зовнішнім) свідчать лише про зовнішній схожості явищ. У кожному разі існує свій механізм. Прихильники іншої (в тому числі, автор), не заперечуючи специфіки конкретних реакцій, наполягають на загальному характері відгуку біологічних об'єктів на СМД БАР, на системному зміні метаболізму під їх впливом.
У першу чергу виникає бажання пояснити спостережувані закономірності впливом СМД на структурні характеристики води. Висновки численних (головним чином, теоретичних) досліджень ролі структури води в її біологічної активності можна розділити на дві групи. До першої відносяться висновки про те, що довгоживучі структурні кластери присутні в самій воді спочатку або індукуються вводяться БАР. На думку інших дослідників, СМД не породжують нові стабільні структури в воді, а лише впливають на її взаємодія з биополимерами (клітинними мембранами та ін), змінюючи, таким чином, їх активність.
Увага: структура води!
У ряді робіт виділено можливі типи ієрархічних структур зв'язаної води, що збігаються з морфологічними структурами, найбільш часто зустрічаються в живій природі, і сприяють утворенню просторових структур в біологічних об'єктах, які зазнають впливу СМД БАР. При цьому безпосередню взаємодію лігандів з біологічними мішенями може змінитися їх взаємодією за направленими водневим зв'язкам, що нагадує за формою спіралі. Іншими словами, СМД БАР впливають на своєрідний каркас з спіралей зв'язаної води.
Цікаві результати отримані при вивченні люмінесценції дистильованої води. Її спектр збудження має максимуми при 280 і 310 нм, спектр випромінювання-прі 360 і 410 нм. Інтенсивність люмінесценції залежить від часу зберігання води, а також від малих домішок, часом мають власної люмінесценції. Судячи по спектрах люмінесценції, структура води тільки через кілька діб після приготування розчинів стає рівноважної. Її зміна протягом цього часу може бути монотонним або коливальним. Інтенсивність люмінесценції виявилася чутливою до дії слабких електромагнітних полів. Реакція водних розчинів на зовнішнє поле залежить від стану розчину у момент включення поля і максимальна, коли система далека від рівноваги.
На думку автора, структура води та водних розчинів-основний об'єкт впливу СМД БАР і слабких полів. У свою чергу, її зміна змінює властивості біологічних мембран, а отже, і активність клітин.
Деякі дослідники взагалі вважають, що вода-єдина структура (на зразок кристала), і при розчиненні будь-якої речовини в ній виникають своєрідні «дефекти», які довго зберігаються в розчинах як завгодно малої концентрації. Інші фахівці основною ланкою механізму впливу СМД вважають гідратацію білків і зміна водно-білкових взаємодій, що міняє структуру білків і їх активність. На думку третє, при впливі на біологічні об'єкти в розчинах БАР або електромагнітними полями у воді виникають активні форми кисню, і саме вони надають такий вплив.
Отже, існує багато моделей, які намагаються пояснити реакцію біологічних об'єктів на СМД БАР зміною структури води. Однак експериментальних доказів поки що недостатньо (головне ж у цих доказах-переконатися в тому, що структурні кластери в розчинах як завгодно малої концентрації можуть зберігатися досить довго).
Зараз настав час активного вивчення структури води і її ролі в поясненні ефектів СМД. Певні надії пов'язані з дослідженням речовин, близьких за структурою і однаково активних у «нормальних» дозах (10-5-10-4 М), але які поводяться по-різному в СМД. Квантово-хімічний аналіз цих речовин дозволяє виявити різницю між ними, але чи має воно визначальне значення для ефектів СМД, чи можна його пов'язати з особливостями впливу цих речовин на структуру води - ще не ясно.
Застосування ефекту малих доз
У спеціальній літературі вже з'являються повідомлення про лікарські речовини в СМД, які дозволені для медичного застосування (адгелон) або передані на затвердження у Фармакологічний комітет (феназепам в СМД).
Про переваги таких ліків коротко говорилося вище. Особливо потрібні вони онкологів. Не секрет, що основна проблема хіміотерапії злоякісних новоутворень-токсичність протипухлинних препаратів. Тому справжньою революцією в хіміотерапії стало б створення засобів, «вибірково» діючих на пухлину і не ушкоджують інші органи і тканини.
Дослідження показали, що цитостатики, зокрема адріаміцін в СМД (10-10-10-20 М), мають протипухлинну активність, близької до тієї, що характерна для цих препаратів у звичайних терапевтичних дозах (10-2-10-3 М). У перспективі-клінічні випробування адриамицина в СМД при лікуванні раку. Є також дані про антиметастатичної дії ряду лікарських препаратів в СМД.
Таким чином, вже сьогодні можна говорити про застосування результатів цих досліджень. Що ж стосується механізмів дії СМД, то над цією загадкою природи вченим ще доведеться посушити голову.
Вплив СМД на біосферу
Біосфера-це гігантська багатовимірна нелінійна система. З точки зору екології, особливо важливо знати, як впливають на біосферу різні возмущающие чинники, наскільки вона стабільна, як пристосовується до цих впливів, повертаючись у свій початковий стан квазірівноваги.
У 1970-х роках в Академії наук СРСР під керівництвом академіка М.М. Моїсеєва почалося систематичне вивчення біосфери як єдиної комплексної системи. У комп'ютерних модельних експериментах аналізувалися квазірівноважних стану, якими могло б завершитися великомасштабне вплив людини на біосферу, зокрема війна із застосуванням атомної зброї.
Було встановлено, що якщо інтенсивність впливу досягає деякого порогу (енергія впливу близько 2-3 тис. Мт тротилового еквівалента), біосфера вже не повертається в початковий стан. Змінювалися циркуляція атмосфери, структура океанічних течій, розподіл опадів і температури, а значить - і біота. За висновками групи вчених, які представили перші кількісні оцінки такого катаклізму, що отримав назву «ядерної зими», біота якщо й збережеться, то в дуже обедненном вигляді і, цілком можливо, - без людини.
Однак, як справедливо підкреслює один з авторів концепції «ядерної зими» М.М. Моїсеєв, подібна якісна перебудова біосфери можлива не тільки в результаті ядерної війни. Перехід в новий якісний стан можливий і за рахунок незначних, але постійно діючих збурень, що особливо важливо і особливо небезпечно, бо на початкових етапах він непомітний. Таким чином, біосфера може адаптуватися до найрізноманітніших зовнішніх і внутрішніх стимулів середньої сили, поки вони не досягають порогу, при якому адаптація вже неможлива. У той же час низкоинтенсивние, але довготривалі фактори, не запускаючи адаптаційні механізми, можуть активно впливати на стан біосфери через біфуркаційні процеси. У який стан перейде при цьому система, буде залежати від величезної кількості слабких взаємозалежних змін, які ми поки не в силах по-справжньому враховувати.
Великі наслідки малих доз змушують переглянути багато звичні уявлення і вимагають нових підходів. Але перш за все-самого серйозного ставлення. Малих доз необхідно велику увагу.
Список використаної літератури:
Журнал "Екологія і життя". Стаття Є.Б. Бурлакової.