Биосенсорные системы в медицине и экологии (стр. 2 )

В БСС также используют организмы с аэробным дыханием, например бактерии E. coli (п. 2.2.7) или ферменты, катализирующие реакции аэробного дыхания, такие как фермент глюкозооксидаза (пп. 2.5.1, 3.2.3).

Анаэробное дыхание. При этом типе дыхания процесс окисления идет в отсутствии кислорода. Процесс включает гликолиз и спиртовое брожение:

C6H12O6 + F ® 2C2H5OH + 2CO2 + F + D G (2 АТФ),

(10)

или молочнокислое:

C6H12O6 + F ® 2 CH3CHOHCOOH + F + D G (2 АТФ),

(11)

где F – ферменты брожения.

В БСС нередко используют дрожжевые клетки, получаемые промышленным способом, которые обладают способностью к анаэробному дыханию (п. 2.3.1).

Внешнее дыхание (газообмен). При аэробном и анаэробном дыхании между организмом и внешней средой должен происходить обмен газами.

У мелких организмов диффузионный газообмен может происходить через тонкие ткани или дыхательные трубочки (трахеи) длиной не больше 1 см. У крупных организмов развиваются специализированные органы газообмена с большой площадью дыхательной поверхности (легкие у человека), а роль переносчика газов выполняет дыхательный пигмент крови. Оптические спектры поглощения дыхательных пигментов изменяются при насыщении крови кислородом.

Загрязнения среды могут действовать на систему диффузионного газообмена и уменьшать кислородную емкость пигментов крови.

1.2.3. Типы передачи наследственной информации

Все организмы делятся на два надцарства – прокариотов (не имеющих ядра), к которым относятся бактерии и сине-зеленые водоросли, и эукариотов (имеющих ядро) – к ним относятся все организмы, начиная с одноклеточных (например, водоросли, простейшие) и кончая человеком.

У прокариотов наследственная информация заключена в ДНК, а у эукариотов – в одном ядре или нескольких, при делении которых после окрашивания можно выделить носителей наследственных признаков – хромосомы (“окрашиваемые тела”). Хромосомы состоят из локусов, в которых локализованы блоки генов с ДНК. При делении ядра может происходить обмен близко расположенными локусами. Генами называются факторы, определяющие признаки организма и соответствующие определенным участкам хромосом.

Изменение генотипа (набора генов) воздействует на фенотип (внешний вид организма), который изменяется за счет дискретного набора наследственных признаков, определяемого составом хромосом. Мутации организмов – внезапные изменения генотипа организмов (структуры ДНК), обеспечивающие передачу мутантного признака последующим поколениям.

Модификации – изменения организма, не затрагивающие его генотипных структур и поэтому не передающихся по наследству.

Для выявления мутаций подбирают организмы с хорошо различимыми фенотипическими изменениями (например, окраски цветка или тычинок у растений, длины или формы хвостового плавника у рыб, цвета глаз у мухи-дрозофиллы, пигментации или формы тела у бактерий).

Свойства ДНК и ее синтез. В 60-е гг. из клеток бактерий E. coli был выделен фермент ДНК-полимераза, позволяющий размножать ДНК, в результате действия которого из двойной спирали родительской ДНК можно получить пару идентичных спиралей ДНК [11]. Однако эти цепи нельзя было использовать для синтеза белков, так как двойные спирали не были связаны между собой. Такое связывание катализирует другой фермент ДНК-лигаза, обеспечивающий биологическую активность ДНК и возможность синтеза белков.

Для получения участков исходных цепей ДНК, выделенных из бактерий, применяют фермент ДНК-рестриктазу (restrict – ограничение), который “узнает” участок ДНК и катализирует расщепление последовательности нуклеотидов.

Этапы синтеза белка. Белки синтезируются под прямым контролем генетического кода. Синтез белка происходит в цитоплазме, тогда как генетический носитель (ДНК) находится в ядре клетки.

а) Транскрипция. Согласно современным представлениям перенос информации из ядра в цитоплазму осуществляет матричная РНК (мРНК), одноцепочечная молекула, нуклеотиды которой присоединяются к ДНК при участии фермента РНК-полимеразы в соответствии с правилами формирования оснований.

Основания ДНК	®	Основания РНК
А (аденин)	®	У (урацил)
Г (гуамин)	®	Ц (цитозин)
Т (тимин)	®	А (аденин)
Ц (цитозин)	®	Г (гуамин)

Время существования мРНК различно у разных клеток: у бактерий – минуты, в эритроцитах во время синтеза гемоглобина до нескольких дней.

б) Трансляция. Механизм перевода кода мРНК в последовательность аминокислот белка осуществляется в рибосомах – органеллах цитоплазмы, в которых находится рибосомная РНК (рРНК). Она кодируется генами, находящимися в ядре клетки.

Структура рРНК сходна у всех организмов от бактерий до растений и животных. Для подтверждения этого сходства в бесклеточный экстракт бактерий E. coli, содержащий наборы аминокислот, вносили рибосомы из клеток крысиной печени и наблюдали синтез белков E. coli на “чужих” рибосомах.

Транспортные РНК (тРНК) доставляют содержащиеся в цитоплазме аминокислоты к рибосомам. Каждая аминокислота присоединяется к тРНК при участии фермента тРНК-синтетазы. Рибосома “считывает”, перемещаясь вдоль мРНК, код аминокислот, присоединяет их, забирая от тРНК до появления стоп-кодонов. После этого полипептидная цепь покидает рибосому, трансляция завершается, а мРНК распадается. Отделяющиеся от рибосомы цепи аминокислот могут сразу приобретать пространственную структуру белков.

Возможен обратный перенос информации – от РНК к ДНК [3]. Фермент обратная транскриптаза позволяет из мРНК получить одноцепочечную молекулу ДНК с комплементарной молекуле мРНК нуклеотидной последовательностью.

Значение ферментов состоит в том, что они образуют набор инструментов для получения новых ДНК, так как появляются возможности разрезать цепи ДНК, включать новые фрагменты, присоединять их и копировать.

Передача информации для синтеза естественного белка:

ДНК (ядро) ® мРНК(цитоплазма) ® белок

Передача информации в целях воспроизводства искусственного белка:

белок ® мРНК(цитоплазма) ® ДНК для нового белка(ядро)

Возможность обратимости передачи наследственной информации используется в генной инженерии (п. 2.2.7).

Гены и ферменты. Еще в начале XX в. высказывалось предположение, что отсутствие необходимых генов определяет врожденные ошибки метаболизма [11]. Сегодня установлено, что синтез ферментного белка определяется структурными генами, а его полипептида – участком ДНК (цистроном).

Гены-регуляторы могут управлять процессом запуска нового фермента (прил. 1). Например, так объясняется способность бактерий E. coli усваивать кроме глюкозы другой вид углевода -– лактозу (находится в молоке млекопитающих), вырабатывая соответственно новый фермент – b -галактоз-оксидазу.

Типы размножения. У организмов встречаются два типа размножения – бесполый (митоз) и половой (мейоз).

При митозе в результате деления ядра клетки образуются два дочерних ядра с набором хромосом, идентичным родительским.

К видам бесполого размножения относятся следующие: 

деление одноклеточных организмов; образование спор – одноклеточных репродуктивных единиц, обычно микроскопических размеров, состоящих из небольшого количества цитоплазмы и ядра); почкование – образование новой особи в виде выроста на родительском теле, отделение от него и превращение в самостоятельный организм, совершенно идентичный родительскому); размножение фрагментами – разделение особей на несколько частей, каждая из которых образует новую особь; клонирование – перенос ядра зрелых клеток, закончивших свое развитие, в новую клетку, ядро которой перед этим искусственно разрушают.

Потомство одной особи, полученное путем митоза, называется клоном. Организмы клона могут иметь заметные генетические различия только в результате мутаций. Это явление применяется для исследования мутагенности загрязнителей.

При мейозе (соединении двух половых клеток) набор хромосом не идентичен родительским. Половое размножение осуществляется у высших организмов с помощью половых клеток – гамет, носителей генетического материала. На их состояние воздействуют мутагенные факторы – вещества химической природы или ионизирующие излучения. При исследовании половых клеток млекопитающих, пыльцы растений, семян плодов, икры рыб можно обнаружить эффект накопления вредных веществ. Яйца водоплавающих птиц часто характеризуются наивысшей аккумуляцией загрязнений.

У прокариотов процессы полового размножения происходят в форме обмена фрагментами ДНК при соприкосновении клеток или при трансформации ДНК под действием внешних факторов. У эукариотов половое размножение происходит в форме распада макроядер и обмена образующимися при этом микроядрами. Переход к половому размножению иногда совершается через некоторое время после начала бесполого размножения (при недостатке корма, наличии мутагенов).

При изменении температуры тип размножения может меняться. Поэтому невозможно получить множество идентичных организмов: изменчивость – фундаментальное свойство живого, обусловливающее приспособление к среде, возникает как при мейозе, так и при митозе.

1.2.4. Защитная система организмов

Виды иммунитета. Млекопитающие обладают иммунитетом, т. е. способностью распознавать вторжение в организм живого вещества, несущего генетически чужеродную информацию, мобилизовывать клетки и образуемые ими вещества на более быстрое и эффективное удаление чужеродного вещества.

У млекопитающих сформировались два вида иммунитета – клеточный и гуморальный.

Клеточный иммунитет основан на окружении инородного тела специализированными клетками крови (лимфоцитами и фагоцитами), в результате чего чужеродные вещества уничтожаются или отторгаются.

Гуморальный иммунитет инактивирует чужеродный материал за счет реакции “антиген-антитело”. Антиген – чужеродное вещество, вызывающее образование антител. Обычно он является белковой или полисахаридной молекулой, находящейся на поверхности микроорганизма или в свободном виде. Антитело – макромолекула, обладающая высоким сродством к чужеродному веществу, синтезируемая организмом в ответ на его присутствие. По структуре антитело представляет собой белок иммуноглобулин, содержащийся в плазме крови [31].

Антитело обладает свойством специфичности, т. е. оно образует комплекс только с определенным антигеном. Образование комплекса антиген-антитело называется преципитацией (с лат. “быстрое падение вниз”). При этом клетки с антигенами слипаются и оседают.

Если анализируемый компонент обладает свойствами антигена, т. е. способностью вызывать в организме человека или животного синтез антител, то взаимодействие антиген-антитело дает возможность количественно определять этот компонент в сыворотке крови, растительном соке, в почве и других средах, содержащих сотни и тысячи различных веществ (п. 2.5.6).

Иммунная память. При естественном врожденном иммунитете антитела передаются от одного организма другому при рождении. Естественный приобретенный иммунитет возникает в результате инфицирования каким-либо новым агентом, когда организм вырабатывает новые антитела, а иммунная память сохраняет информацию об ответе на антиген. При его проникновении она снова быстро вырабатывает нужные средства защиты. Загрязнение окружающей среды может ослаблять иммунитет людей и животных, что способствует росту числа заболеваний.

При искусственном активном иммунитете в организм вводятся ослабленные антигены, на которые он вырабатывает антитела и запоминает этот ответ иногда на всю жизнь. При искусственном пассивном иммунитете сам организм не участвует в борьбе с антигеном, а в него вводится сыворотка с готовыми антителами. При этом лечебное действие достигается в более короткое время, но без запоминания ответа иммунной памятью.

Антибиотики. Это вещества, продуцируемые различными организмами: грибами, бактериями, а также клетками растительного и животного организмов, обладающие способностью препятствовать размножению микробов или вызывать их гибель. Антибиотические свойства были сначала обнаружены в слезах человека, но основные формы антибиотиков получают из почвенных бактерий, особенно рода Streptomyces, из которых выделены антибиотики стрептомицинового и тетрациклинового ряда.

Антибиотики отличаются друг от друга как по своим физико-химическим свойствам, так и по способности действовать на тех или иных патогенных микробов. Для оценки активности антибиотиков используются микроорганизмы и построенные на их основе БСС.

Вирусы. Это мельчайшие живые организмы размерами от 20 до 300 нм, по химической природе представляющие собой фрагменты ДНК, либо РНК в белковой оболочке. Попав внутрь клетки, вирусы “отключают” ее ДНК и дают клетке команду синтезировать новые копии ДНК вируса.

Плазмиды. Так называют фрагменты ДНК, которые присоединяются к ДНК хозяина и размножаются с ней, но не нужны для выживания клетки. В последние годы их считают клеточными паразитами, устроенными проще, чем вирусы. Плазмиды придают клеткам хозяина целый ряд новых свойств. Например, есть плазмиды, которые кодируют выработку фермента пенициллиназы, разрушающей пенициллин и создающий устойчивость к нему бактерий. Плазмиды используются для синтеза новых ДНК (п. 2.2.7).

Свертывание крови. На свертывание крови влияет наличие фермента тромбопластина, который, выделяясь из поврежденных тканей, катализирует превращение белка плазмы протромбина в фермент тромбин, расщепляющий белок фибриноген для образования нитей фибрина. В сети из нитей задерживаются форменные элементы крови и образуется защитный сгусток. Ингибитором свертывания является полисахарид гепарин.

На процесс заживления ран влияет активность коллагеназы (фермента, активизирующего синтез волокон коллагена). Коллагеназу можно получить из почвенных бактерий рода Streptomyces. На основе коллагеназы микробного происхождения разрабатываются нетоксичные, неалллергенные фармацевтические композиции для заживления и очищения раневых, ожоговых и других повреждений кожи [38].

Активные формы веществ [9]. На поверхности свежей раны выделяется жидкость, называемая раневым эксудатом. В ней содержится каталаза, фермент, разлагающий перекись водорода. В присутствии гемсодержащих белков (с группой гемоглобина) и ионов железа, находящихся также в эксудате, такое разложение перекиси водорода проходит с образованием активных форм кислорода (АФК), токсичных для чужеродных клеток. Некоторые клетки крови (гранулоциты и моноциты) также в целях борьбы с чужеродными клетками, такими как болезнетворные бактерии и грибы, выделяют АФК и радикалы гидроксила OH–.

1.3. Особенности восприятия стимулов (раздражителей)

Характерная черта всего живого – раздражимость, или чувствительность. Всем организмам нужна определенная степень внутренней координации и регуляции; надлежащая взаимосвязь между стимулом и реакцией необходима для поддержания жизнеспособности и выживания организма.

У организмов сегодня выделяют два уровня координации – восприятия и передачи сигналов:

уровень целого организма, который получает информацию из окружающей среды с помощью органов чувств; уровень “общения” клеток в пределах многоклеточного организма [50].

1.3.1. Организация рецепторных систем

Общая последовательность обработки стимулов сенсорными рецепторами включает:

1) восприятие значения стимула,

2) первичную дифференциацию (различение стимулов различных интенсивностей),

3) преобразование информации в электрический сигнал и передачу его по нервным волокнам.

Рецепторы и анализатор. Восприятие стимулов организмом осуществляется с помощью специальных клеток или органов, которые называются рецепторами. Они действуют как биологические преобразователи внешних воздействий в электрический сигнал. В зависимости от природы стимула выделяют фоторецепторы (воспринимающие свет), хеморецепторы (воспринимающие влажность, запах, вкус), терморецепторы (воспринимающие изменения температуры) и др.

Выделяют статические и динамические рецепторы. Статические непрерывно и с постоянной частотой посылают в мозг информацию о значении некой физической величины, например кровяного давления. Динамические реагируют лишь на изменение величины сигнала, например зрительные клетки – на колебания интенсивности светового потока, тактильные – на колебания силы давления на кожу.

Различение стимулов осуществляется анализатором. Анализатор – это не отдельный орган, а система, которая по мере повышения уровня своей организации может включать в себя рецепторы, нервные клетки, нервы, группы клеток головного мозга. Рецептор с анализатором и системами управления реакций на стимулы называется сенсором.

Нелинейность восприятия стимулов. Живые организмы характеризуются пороговой нелинейной зависимостью чувствительности S от интенсивности стимула I, часто описываемой законом Вебера–Фехнера:

S = N (log I – log b) = N log (I / b),

(12)

где N – разностная чувствительность; b – абсолютный порог чувствительности сенсора к стимулу.

Это означает, что живое реагирует на стимул, если его значение превосходит пороговое. Организмы различают один стимул от другого, если интенсивность одного изменяется не меньше, чем на определенную долю по отношению к другому: dIi /Ii. В соответствии с законом Вебера – Фехнера зависимости реакций организмов, как правило, отображаются графиками с логарифмической шкалой величин стимулов.

Логарифмическая функция чувствительности позволяет живым организмам воспринимать широкий диапазон интенсивностей стимулов. Например, зрительный анализатор человека может различать яркости от 10–6 до 104 нит (нит – единица яркости в фотометрии).

В то же время информация о чувствительности организмов является достоверной, если величина стимула в опыте была объективно измерена. При ее оценке расчетным методом, например по числу разбавлений исходного раствора химического вещества, могут возникать ошибки.

Так, в литературе указываются в качестве нижнего порога чувствительности БСС значения 10–12–10–20 моль/л, или, например, 1011–10–19 мг/л, которые принципиально неизмеримы техническими методами.

Нелинейность восприятия стимула выражается в том, что для сенсорных систем при увеличении интенсивности стимула снижается способность обнаружения изменений этой интенсивности, что обусловливает невысокую точность определения стимулов. При изменении чувствительности на величину dS погрешность определения интенсивности стимула увеличивается как xdS , где x – основание логарифма. Биологический контроль целесообразно применять там, где высокая чувствительность живого искупает меньшую точность измерения стимулов.

У пурпурных серобактерий выделен сходный по строению с родопсином пигмент, названный бактериальным родопсином. Он меняет свою структуру (конформацию) и заряд при поглощении излучения. Этот биоэффект открывает возможности для создания биологических носителей информации (“0” – молекула родопсина без воздействия лазерного импульса, “1” – после воздействия).

Первичная дифференциация. Специализация рецепторных клеток позволяет организмам распознавать сложные вкусы и запахи за счет разложения состава веществ или аэрозолей на составляющие. Уже у бактерий обнаруживается избирательная чувствительность к определенным видам сахаров и других органических веществ. Вкусовые анализаторы пчел, рыб, млекопитающих обладают способностью различать четыре основных вкусовых качества (сладкое, горькое, кислое, соленое) и нейтральные вещества. Сенсорные системы первичной дифференциации стимулов у высших организмов выделяют пищевые сигналы на фоне множества других сильных шумов. Например, хорьки различают запах сырого мяса, даже если оно залито скипидаром.

Слуховой сенсор внутреннего уха человека осуществляет дифференциацию частот и интенсивностей звуков с помощью примерно 3500 слуховых клеток, на каждой из которых имеется пучок волосков (стереоцилий).

Стереоцилии размещены на каждой клетке плотными рядами разной высоты, подобно трубам в музыкальном инструменте – органе. К тому же они связаны в пучок тонкими поперечными нитями. Такая изящная микромеханическая система обеспечивает при наклоне одной стереоцилии одновременное смещение всех остальных, в которых открываются встроенные в их мембрану ионные каналы. Около 4 млн ионных каналов – молекулярных преобразователей механического смещения в электрический потенциал – обеспечивают нашу способность слышать. Минимальное время ионной реакции 100–500 мкс.

Интегрирование стимулов. Важнейшим свойством форм живого, даже низкого уровня организации, является способность к суммированию или интегрированию воздействий стимулов разных полярностей, причем живой организм предпочитает избегать вредного стимула даже в присутствии полезных пищевых стимулов. Когда суммарный эффект двух стимулов намного выше результата сложения индивидуальных эффектов, говорят о синергизме, проявляющемся при восприятии этих стимулов организмом. Если же суммирование стимулов оказывает противоположное воздействие, то такой эффект называется антагонизмом. Выявление синергизма и антагонизма факторов различной природы возможно только с помощью реакции живого. Обнаружение этих явлений привело к пересмотру всей прежней системы нормирования смесей вредных веществ, которая предполагала простое сложение эффектов от каждого загрязнителя.

Передача электрического импульса. Воспринимаемая рецепторами информация передается в конце концов эффекторным клеткам и вызывает в них реакцию, определенным образом связанную со стимулом. Эффекторными (т. е. связанными с рецепторами) могут быть не только клетки, но и белки, которые называются иначе G-белками. Связь между рецепторами и эффекторами осуществляют проводящие клетки нервной системы – нейроны. Их разветвленные отростки аксоны пронизывают весь организм, образуя сложную систему связей.

Механизм возникновения и распространения импульсов был выявлен только в последние 40 лет, после того как у кальмара были открыты гигантские аксоны толщиной около миллиметра, что позволило провести на них электрофизиологические исследования.

Мембрана аксона с внутренней стороны заряжена отрицательно (–70 мВ) по отношению к наружной поверхности. Эту разность потенциалов называют потенциалом покоя (зависящим от электрохимического градиента ионов К+), который у сенсорных клеток остается постоянным при отсутствии стимула.

Стимуляция сенсорных клеток приводит к кратковременному повышению проницаемости мембраны аксона для ионов Na+. В результате потенциал мембраны повышается до некоторой пороговой величины, после которой возникает потенциал действия – импульс, называемый спайком (+40 мВ). Амплитуда импульса постоянна. Сила стимула кодируется частотой импульсов-спайков.

Передача информации от одной клетки к другой происходит в синапсах – местах контакта окончания аксона одного нейрона с отростком (дендритом) другого. Нервный сигнал передается через синапс с помощью вещества-посредника, названного медиатором. В результате возникновения потенциала действия медиатор на 0,5 мс выделяется и замыкает контакт между клетками, передавая потенциал другому нейрону, после чего разлагается ферментом, и импульс прерывается. Мембрана аксона деполяризуется. Этот механизм позволяет обеспечить задержку для пропускания нового импульса.

Нервно-мышечное соединение представляет собой специализированный вид синапса между окончаниями двигательного нейрона (мотонейрона) и рецептором мышечных волокон. Прерывание импульса в нем необходимо, чтобы не держать мышцу в напряжении.

Основной медиатор нервной системы позвоночных – ацетилхолин. Ферментом, разлагающим медиатор до холина, является ацетилхолинэстераза, (локализованная на мембране синапса). Ее значение огромно. Если она ингибирована, то медиатор накапливается, нервные импульсы следуют один за другим, мышца не расслабляется, наступают паралич и смерть.

Некоторые из применяемых боевых отравляющих веществ и инсектицидов (паратион) на основе фосфорорганических соединений способны подавлять действие фермента. Для обнаружения подобных веществ используют БСС, контролирующие активность ацетилхолинэстеразы. Фермент выделяют, например, из мембран эритроцитов.

Помимо ацетилхолина обнаружены другие вещества, возбуждающе воздействующие на нервно-мышечные соединения: норадреналин, серотонин, дофамин, столбнячный токсин, ботулинический токсин. Для их обнаружения разрабатывают различные БСС (пп. 2.5.1, 2.5.2).

1.3.2. Особенности клеточной сигнализации

Рецепторы клеток и клеточные мишени. Хотя оболочка бактерий и тем более плазматическая мембрана клеток многоклеточных организмов представляют собой лишь тонкий слой, они, тем не менее, служат достаточно надежным препятствием для многих молекул, в том числе для выступающих в качестве первичных сигналов. Так что сигнальные молекулы, включая большинство гормонов, как правило, не проникают внутрь клетки, а специфически взаимодействуют с ее рецепторами, локализованными внутри внешней клеточной мембраны и представляющими собой мембранные белки, полипептидная цепь которых пронизывает толщу мембраны.

Активированный рецептор передает сигнал к внутриклеточным мишеням, т. е. белковым механизмам клетки или белкам, управляющим какой-либо функцией клетки, которые называются эффекторными, или G–белками.

Помимо белковых посредников в передачу сигнала внутри клетки во многих случаях вовлекаются и относительно небольшие молекулы (мессенджеры, англ. “посыльные”), которые могут проходить через мембрану в обе стороны.

Модуляция мишеней. Если мишень представлена ферментом, то сигнал модулирует (увеличивает или уменьшает) его каталитическую активность; если мишенью служит ионный канал, то модулируется проводимость этого канала.

Поведение клеток может зависеть от присутствия соседей и регулироваться путем межклеточных взаимодействий, подобные эффекты также управляются интегрированными во внешнюю клеточную мембрану рецепторами. Значение клеточной сигнализации заключается в том, чтобы работа отдельных клеток многоклеточного организма согласовывалась с функционированием всего клеточного сообщества.

1.3.3. Особенности воздействия стимулов на организм

Пороги регуляции обмена веществ. Советским экологом установлено наличие двух порогов воздействия макро - и микроэлементов на живое – верхнего и нижнего, между которыми находится диапазон нормального функционирования организма [18]. Если концентрация элемента в среде не укладывается в его границы, она вызывает нарушения регуляции организма. Важно отметить, что пороговые концентрации различаются не более чем в 10–50 раз. Например, при уменьшении содержания меди в почве ниже 6 мг/кг у млекопитающих наблюдаются болезни крови и костной системы, а при превышении значения 60 мг/кг – болезни крови и печени.

Условия изменения чувствительности рецепторов. Чувствительность организмов к определенным стимулам может усиливаться или ослабляться. Эти явления называются соответственно “сенсибилизация” и “адаптация”. В данном случае речь идет о физиологической трактовке термина “адаптация”, обозначающего привыкание к стимулу. Сенсибилизацию можно вызвать многократным воздействием на сенсор очень слабых предпороговых раздражений. Это явление имеет и полезные, и вредные стороны. Специальная тренировка чутья на определенные запахи розыскных собак позволяет им обнаруживать наркотики и боеприпасы. Тот же эффект сенсибилизации способствует возникновению аллергии у человека и болезни “множественной химической чувствительности”.

Не случайно при исследовании влияния разных факторов на живое сегодня выделяют диапазон сверхслабых взаимодействий. Уменьшение величины стимула до границ этого диапазона может вызвать не ослабление, а усиление реакции организма на такие факторы.

Адаптация возникает при сохранении постоянства величины или интенсивности стимула, а также при медленном его изменении. Чувствительность сенсора может изменяться (адаптироваться) в зависимости от значения измеряемой величины. Поэтому для организмов опасны, как правило, быстрые скачки температуры, кислотности, солености сред. Напротив, если вредные отходы поступают достаточно равномерно и медленно, микроорганизмы, поедающие эти вещества, в дальнейшем способны перерабатывать их в условиях высоких концентраций токсикантов.

Примеры видов рецепторов. В процессе эволюции у организмов усложнялась структура рецепторов.

Хеморецепторы. У низших организмов (бактерий, простейших) эти рецепторы представляет собой нитеобразный орган (ресничку, жгутик), окончание которого выходит в жидкую среду. У насекомых рецепторные отростки также погружены в жидкость, а рецепторная клетка защищена футляром (кутикулой) и окружена обслуживающими клетками. У позвоночных рецептор состоит из множества микроворсинок, сходящихся в порах, через которые проникает раздражитель, а окончания ворсинок выходят в жидкую слизь ткани. Рецепторные и обслуживающие клетки у высших форм объединены в группы (вкусовые почки). Они воспринимают химические стимулы и запахи.

Фоторецепторы. Процесс преобразования фоторецептором человека света в электрический сигнал включает несколько стадий. Зрительную клетку (палочку) стимулирует свет, чувствительность к которому достигает единиц фотонов. Энергия света поглощается пигментом родопсином. В результате образуется продукт (метародопсин), который после каскада усиливающих ферментативных реакций вызывает изменение проводимости ионных каналов. Один поглощенный клеткой квант вызывает блокирование 250 ионных каналов. После этого с небольшой задержкой запускается ферментативный каскад реакций восстановления темнового состояния.

Двухпороговая регуляция характерна для лекарств, микроэлементов, витаминов и излучений.

В среде нет веществ, которые для организма могут считаться безусловно вредными или полезными. Все зависит от их концентраций. В конце 90-х гг. XX в. были пересмотрены взгляды на роль оксида азота (NO), прежде считавшегося только вредным загрязнителем.  Форчготта и соавторов показали, что NO играет важную роль в регуляции сердечной деятельности и терапевтическое действие нитроглицерина обусловлено тем, что это лекарство является генератором оксида азота. В организме NO вырабатывается с помощью фермента NO-синтазы.

Реакция на обстановочную информацию. Казалось бы, высокоорганизованные млекопитающие должны быть лучшим видом “биологического прибора” для определения веществ, влияющих на метаболизм и для контроля загрязнения окружающей среды. Проблема в том, что по мере усложнения анализатора стимулов увеличивается степень непредсказуемости реакций.

Советский физиолог , развивая теорию условных рефлексов , установил в 60-е гг. XX в., что высокоорганизованное живое помимо стимульной воспринимает как сигнальную, так и обстановочную информацию [4]. Выявлено, что высокоразвитые формы живого реагируют на сложную целенаправленную последовательность операций, так как их центральная нервная система включает особый отдел, названный Анохиным “акцептором (собирателем) действий”.

Например, собака при вырабатывании у нее условного рефлекса выделения желудочного сока на звуковой стимул, реагирует не только на звонок, но и на то, поставлена ли чашка с мясом в качестве подкрепляющего стимула, закрыта ли клетка, удалены ли посторонние. При исключении какого-либо звена последовательности рефлекс мог не проявляться. Поэтому бывает необычайно сложно установить, на какой элемент данной последовательности наблюдается ответная реакция. Центральная нервная система высших организмов способна перестраивать управление органами низшего уровня иерархии для адаптации к дисфункциям какого-либо из органов, например, при повреждении конечностей. Этот механизм еще более затрудняет анализ путей воздействия вредных веществ на живое.

Высокоорганизованные формы живого рационально применять для исследования воздействия веществ на высшие системные уровни функционирования организма (центральную нервную систему, головной мозг и пр.). При контроле процессов питания, дыхания, выявлении нарушений метаболизма методологически оправдана замена высших организмов низшими.

1.4. Этологические реакции организмов

Этологией называется раздел биологии, исследующий поведенческие стимулы и реакции на них организмов. На поведение организмов оказывают влияние различные системы организма, поэтому этологические реакции интегрально отражают воздействие стимулов разной природы.

Одна из важнейших поведенческих реакций живого – подвижность – свойство организмов, позволяющее избегать опасности и отыскивать источники корма, а также наиболее чувствительная и быстрая их реакция на загрязнение среды. Помимо этой реакции для разработки БСС также важна реакция прикрепления микроорганизмов к субстрату или поверхностям.

1.4.1. Локомоции

Локомоции – это перемещения всего организма в пространстве.

Локомоции микроорганизмов. Бактерии, сперматозоиды и некоторые микроскопические водоросли передвигаются с помощью жгутиков, простейшие (одноклеточные животные, например инфузории) – с помощью ресничек. Оба движителя представляют собой нитеобразные структуры, называемые фибриллами.