4. Раздражимость и реактивность. Различные химические и физические факторы окружающей среды являются своеобразными сигналами или источниками информации, на которые живой организм реагирует в той или иной форме. Структуры, предназначенные для восприятия и переработки соответствующей информации, используют поступающее раздражение, что позволяет организму адекватно на него реагировать.
5. Репродукция. Это свойство обеспечивает поддержание или увеличение численности биологических объектов всех видов и типов. В основе репродукции лежит процесс клеточного деления. В ходе клеточного деления осуществляется перенос ДНК (генетического материала) материнских клеток к дочерним клеткам и за счет этого обеспечивается в последующем репродукция и всех остальных компонентов живого. Сохранение информации о свойствах предшествующих поколений, зашифрованных в молекулах ДНК (генах), передающихся из поколения в поколение - суть наследственности.
6. Изменчивость. В основе изменчивости лежит трансформация, преобразование генетического материала (генотипа), что проявляется изменением структурно-функциональных особенностей организма (фенотипа). В основе изменчивости лежат два явления: половое размножение и мутации. Половое размножение -- это объединение генетического материала половых клеток родителей и образование оплодотворенной яйцеклетки, содержащей двойной набор хромосом. Соотношение генетического материала обоих родителей в дочерней клетке формируется случайным образом. Фенотипические особенности нового организма в этой связи не будут полностью повторять свойства отцовского или материнского организмов, то есть возникает новая, не существовавшая ранее биологическая конструкция.
Под мутацией понимают некое спонтанное или вызванное внешним воздействием изменение генетического материала, которое передается в ходе репродукции дочерним клеткам. Эти модификации фенотипически могут проявляться в различной степени: от практически незаметных изменений признаков, до очевидных, и иметь различные последствия для адаптивных свойств организма.
Мутагенным действием обладают многие химические соединения самого разнообразного строения. Наибольшую мутагенную активность проявляют различные алкилирующие соединения, а также нитрозосоединения, некоторые антибиотики, обладающие противоопухолевой активностью. Такие соединения в целом вызывают преимущественно точковые мутации. Химические мутагены делят на мутагены прямого действия, непосредственно взаимодействующие с генетическим материалом клетки, и мутагены непрямого действия, влияние которых на генетический материал клетки происходит опосредованно, после ряда метаболических превращений. Установлено, что мутагенной активностью обладает несколько тысяч химических соединений. Однако, в отличие от ионизирующего и ультрафиолетового излучений для химических мутагенов характерна специфичность действия, зависящая от природы объекта и стадии развития клетки. При взаимодействии химических мутагенов с компонентами наследственных структур (ДНК и белками) возникают первичные повреждения последних. В дальнейшем эти первичные повреждения ведут к возникновению мутаций.
Широко используют супермутагены, вызывающие до 100% мутаций: ацетилбутан, нитрозометилмочевину, этилметансульфонат, а также этиленимин (ЭИ), диэтилсульфат (ДЭС), диметилсульфат (ДМС), нитрозометилмочевину (НММ), 1,4-бисдиазоацетилбутан (ДАБ), перекись водорода, азотистую кислоту, горчичный газ (иприт) и другие. Все химические мутагены можно классифицировать следующим образом:
ь Ингибиторы азотистых оснований нуклеиновых кислот
ь Аналоги азотистых оснований, включающиеся в нуклеиновую кислоту
ь Алкилирующие агенты
ь Окислители, восстановители и свободные радикалы
ь Акридиновые красители
Фундаментальные свойства живого - тесно связанные, неотделимые друг от друга феномены. Тем не менее, первичные эффекты высокотоксичных соединений порой связаны с избирательным нарушением отдельных фундаментальных свойств живого - метаболизма, пластического обмена, энергетического обмена, регуляции, раздражимости, репродукции. Чем более токсично соединение, тем более выражена эта избирательность. 4. Степени свободы токсического воздействия
С усложнением организации биосистем формируются новые структуры, появляются новые функции, в результате увеличивается разнообразие способов их повреждения химическими веществами. Так, путем образования и совершенствования биологических мембран в процессе эволюции, происходит отграничение формирующихся организмов от окружающей среды. На определенном этапе мембраны представляют собой новое качество, обеспечивающее структурную целостность зарождающейся жизни. Токсиканты, способные в силу особенностей химического строения избирательно взаимодействовать только с компонентами биологических мембран, не действуют на элементы живого, лишенные мембранных структур.
Высшие организмы, характеризующиеся большой массой и высокой степенью организации, имеют специальные анатомо-физиологические образования, обеспечивающие обмен веществом и энергией со средой (например, сердечно-сосудистая система, выделительная система и т. д.). Естественно, что вещество, избирательно взаимодействующее со структурно-морфологическими элементами этих систем, не будет оказывать токсического действия на организмы, лишенные их.
С увеличением сложности организации живого эволюционно формируются регуляторные системы и системы, обеспечивающие межклеточное взаимодействие в организме (нервная система, эндокринная система). Эти элементы живого организма также становятся мишенями избирательного воздействия ксенобиотиков. Однако, зрительные галлюцинации, под влиянием психодислептиков (ДЛК, псилоцин, пиперидилгликоляты и др.) могут возникнуть только у существа с высоко организованной нервной системой, развитым зрительным анализатором.
Итак, суммируя сказанное: по мере совершенствования организации живой материи возрастает многообразие её форм, появляются всё новые структурные элементы, вспомогательные системы, обеспечивающие жизнедеятельность; одновременно увеличивается количество способов, с помощью которых возможно повреждение биологических систем токсикантами; спектр веществ, способных оказывать неблагоприятное действие на организм высших животных и человека, значительно богаче, чем токсикантов, действующих на растения и примитивные одноклеточные и многоклеточные организмы.
Если токсический эффект изучают на уровне клетки (как правило в опытах in vitro), то судят прежде всего о цитотоксичности вещества. Цитотоксичность выявляется при непосредственном действии соединения на структурные элементы клетки. На практике к изучению цитотоксичности прибегают при использовании культур клеток для оценки свойств новых веществ в опытах in vitro и исследования механизмов их токсического действия; для выявления токсикантов в объектах окружающей среды (биотестирование) и т. д.
Токсический процесс на клеточном уровне проявляется:
? обратимыми структурно-функциональными изменениями клетки (изменение формы, сродства к красителям, количества органелл и т. д.);
? преждевременной гибелью клетки (некроз, апоптоз);
? мутациями (генотоксичность).
Если в процессе изучения токсических свойств веществ исследуют их повреждающее действие на отдельные органы и системы, выносится суждение об органной токсичности соединений. В результате таких исследований регистрируют проявления гепатотоксичности, гематотоксичности, нефротоксичности и т. д., то есть способности вещества, действуя на организм, вызывать поражение того или иного органа (системы).
Рис. 3. Токсический процесс на клеточном уровне.
Рис. 4. Изменение формы опухолевых клеток
Органотоксичность оценивают и исследуют, прежде всего, в процессе изучения свойств (биологической активности, вредного действия) новых химических веществ; в процессе диагностики заболеваний, вызванных химическими веществами.
Токсический процесс со стороны органа или системы проявляется:
? функциональными реакциями (миоз, спазм гортани, одышка, кратковременное падение артериального давления, учащение сердечного ритма, нейтрофильный лейкоцитоз и т. д.);
?заболеваниями органа (как установлено, различные вещества, при соответствующих условиях, способны инициировать самые разные виды патологических процессов);
? неопластическими процессами.
Токсическое действие веществ, регистрируемое на популяционном и биогеоценологическом уровне, может быть обозначено как экотоксическое.
Экотоксичность на уровне популяции проявляется:
? ростом заболеваемости, смертности, числа врожденных дефектов развития, уменьшением рождаемости; ? нарушением демографических характеристик популяции (соотношение возрастов, полов и т. д.); ? падением средней продолжительности жизни членов популяции, их культурной деградацией.
Особый интерес для врача представляют формы токсического процесса, выявляемые на уровне целостного организма. Они также множественны, и могут быть классифицированы следующим образом:
? Интоксикации ? болезни химической этиологии;
? Транзиторные токсические реакции - быстро проходящие, не угрожающие здоровью состояния, сопровождающиеся временным нарушением дееспособности (например, раздражение слизистых оболочек);
? Аллобиотические состояния - наступающее при воздействии химического фактора изменение чувствительности организма к инфекционным, химическим, лучевым, другим физическим воздействиям и психогенным нагрузкам (иммуносупрессия, аллергизация, толерантность к веществу, астения и т. д.);
? Специальные токсические процессы - беспороговые, имеющие продолжительный скрытый период процессы, развивающиеся у части экспонированной популяции, при действии химических веществ, как правило, в сочетании с дополнительными факторами (например, канцерогенез).
В качестве ядов (токсикантов) могут выступать практически любые соединения различного строения, если, действуя на биологические системы не механическим путем, они вызывают их повреждение или гибель. В настоящее время науке известны миллионы химических веществ, многие из которых широко используются человеком в быту, медицине, на производстве, в сельском хозяйстве и т. д.
4. Примеры классификации токсикантов
1. По происхождению
1.1. Токсиканты естественного происхождения
1.1.1. Биологического происхождения
? Бактериальные токсины
? Растительные яды
? Яды животного происхождения
1.1.2. Небиологического происхождения
? Неорганические соединения
? Органические соединения
1.2. Синтетические токсиканты (огромное количество веществ с различным строением).
2. По способу использования человеком
2.1. Ингредиенты химического синтеза и специальных видов производств
2.2. Пестициды
2.3. Лекарства и косметика
2.4. Пищевые добавки
2.5. Топлива и масла
2.6. Растворители, красители, клеи
2.7. Побочные продукты химического синтеза, примеси и отходы
3. По условиям воздействия
3.1. Профессиональные (производственные) токсиканты
3.2. Бытовые токсиканты
3.3. Вредные привычки и пристрастия (табак, алкоголь, наркотические средства, лекарства и т. д.)
3.4. Загрязнители окружающей среды (воздуха, воды, почвы, продовольствия)
3.5. Поражающие факторы при специальных условиях воздействия
- аварийно-катастрофального происхождения
- боевые отравляющие вещества и диверсионные агенты.
Для живой материи характерна иерархия организации, строящаяся в соответствии с определёнными закономерностями, имеющими большое значение для понимания явления токсичности:
1. Каждая более высокая форма материи включает в себя элементы более низкого уровня. Поэтому повреждающее действие химических веществ на молекулярном уровне при определенных условиях отражается на состоянии биосистемы в целом.
2. С повышением уровня организации расширяется многообразие и сложность биологических систем. При этом существенно возрастают возможности их токсического повреждения ксенобиотиками, увеличивается разнообразие проявлений токсического процесса.
3. Каждая новая ступень организации живой материи приобретает качественно новые свойства. Токсическое действие веществ следует оценивать с учетом этих новых свойств, не ограничиваясь характеристикой эффектов, наблюдаемых на более низких ступенях организации живого.
4. Эволюция живой материи идет путем расширяющейся дифференциации и специализации составляющих биологическую систему элементов, с одновременным усилением их кооперации. Существует известная избирательность в действии токсикантов. Любая избирательность токсического действия носит условный характер. Повреждение элемента, так или иначе, сказывается на функциональном состоянии системы в целом.
5. Более высокие уровни организации материи предполагают усиление адаптивных возможностей, но требуют более совершенной системы координации составляющих её частей. В этой связи прослеживается закономерность: по мере усложнения организмов увеличивается число специфически действующих на них высокотоксичных соединений.
5. Некоторые современные исследования токсических процессов
Жолдакова З.И. и Синицына О. О. в своей значительной работе на основании понятий «дезорганизация» и «адаптация» изучили изменение количественного критерия токсического эффекта - пороговой дозы (ПД) - в течение эксперимента при энтеральном поступлении 222 химических веществ.