Алан Колок - Современные яды: Дозы, действие, последствия

Так как беспозвоночные животные (черви, моллюски, насекомые и т. д.) очень сильно отличаются от нас внешне (морфологически), провести воображаемую черту, отделяющую «настоящих» (позвоночных) животных от всех прочих, становится достаточно просто. Даже в нашем языке отражается не только отсутствие эмпатии, но и, наоборот, присутствие отвращения, к беспозвоночным. Мы нередко говорим про кого-то: «Он бесхребетный», используя это выражение в негативном смысле, подразумевая принципиальное отличие беспозвоночных от наших позвоночных собратьев.

Но какими бы ни были наши предрассудки, сходство между человеком и другими животными не заканчиваются с проведением черты между позвоночными и беспозвоночными. Хотя, конечно, трудно сказать, насколько боль и страдания, испытываемые животными «без лица», соответствуют тому, что может испытывать млекопитающее или другое позвоночное животное, нельзя не принимать во внимание функциональную, метаболическую и молекулярную общность наших организмов. Эта общность в области сравнительной физиологии привела к установлению так называемого принципа Крога. Август Крог – датский физиолог, лауреат Нобелевской премии 1920 г., сказал: «Для каждой проблемы (в физиологии) должно существовать такое животное или несколько видов животных, на которых ее будет проще всего изучить и решить». Принцип Крога применим ко всем животным, а не только к позвоночным.

Примеров функциональности принципа Крога можно найти предостаточно. Строение некоторых систем у беспозвоночных животных может быть проще, чем у позвоночных, но при этом они могут обладать уникальными или более крупными структурами либо иметь свойства, не так явно проявляющиеся у позвоночных животных. Классический пример этого феномена – гигантские аксоны кальмара Loligo .

У всех животных электрические импульсы передаются от спинного мозга к мышцам по нервным волокнам. Эти пучки, во многом подобные коаксиальным кабелям, состоят из отростков (аксонов) отдельных нервных клеток, расположенных в спинном мозге, и идут к мышцам конечностей и других частей тела. Эти аксоны могут быть очень длинными (даже больше метра), но при этом очень малы в диаметре. Учитывая, что они отходят от тела клетки, имеющей в поперечнике всего лишь 10–25 мкм (10–6 м), получается, что это действительно тончайшие «провода».

Скорость движений организма отчасти зависит от скорости передачи нервных импульсов по аксонам. Чтобы повысить эту скорость, каждый «проводок» в нервном «кабеле» у позвоночных животных покрыт метаболически неактивной мембраной. У беспозвоночных же увеличение скорости передачи импульса достигается за счет увеличения диаметра самих аксонов. Оба эти видоизменения направлены на уменьшение сопротивления потоку электрических зарядов. У гигантского кальмара Loligo это увеличение диаметра (в так называемом звездчатом нерве) доведено до крайности: один аксон может быть толщиной 300–800 мкм. Иными словами, аксон – покрытый мембраной отросток одной нервной клетки – больше по крайней мере в 12 раз по сравнению с диаметром среднего нейрона спинного мозга позвоночных!

Это очень важно для физиологов, так как с таким гигантским аксоном относительно просто производить какие-либо действия. Эксперименты на этой уникальной структуре позволили физиологам начала XX в. определить механизмы передачи электрических импульсов нервными клетками. Принцип Крога отлично применим к этой системе, так как гигантский кальмар оказался действительно оптимальным организмом для изучения передачи информации по нейронам у всех животных, как позвоночных, так и беспозвоночных. Конечно, аксоны кальмара отличаются от аксонов млекопитающих, у которых есть свои механизмы, направленные на ускорение передачи. Тем не менее фундаментальные принципы функционирования аксонов остаются неизменными, и искусственное разделение животных на позвоночных и беспозвоночных не имеет здесь никакого значения.

Сходство человека с другими видами животных полезно не только для подбора модельных организмов для медицинских исследований, но и для определения негативного воздействия химических веществ, попадающих в окружающую среду. Позднее мы подробнее поговорим о том, как продукты фармацевтической промышленности и средства личной гигиены попадают в среду, порой в очень сложных сочетаниях. Учитывая, что многие из этих веществ не считаются вредными для окружающей среды, а их концентрация очень низка, оценить реальный риск оказывается очень сложно.

Здесь может оказаться полезным концептуальный подход, получивший название гипотезы аналогий. Продукты фармацевтической промышленности и средства личной гигиены могут оказывать воздействие на ткани животных, сходные с воздействием на человека, если молекулярная мишень для того или иного вещества у них одинакова. В этом случае можно предположить, что данное вещество, попав в кровь животного, вызовет фармакологическую реакцию в концентрациях более низких, чем требуется для токсической реакции. Более того, если это действительно так, данные, полученные в процессе разработки лекарства, будут полезны для оценки возможного токсического воздействия на живые организмы в природе. Важно, что реакция животных на определенные лекарственные средства может быть сходной с человеческой, если у них имеются одни и те же клеточные молекулярные мишени.

Животные с совершенно разной морфологией могут тем не менее обладать сходством сложных функциональных структур потому, что все они имеют общее происхождение. У животных передача локомоторных сигналов от мозга к мышцам возникла в ходе эволюции лишь единожды и по сути своей осталась неизменной, или эволюционно консервативной. Конечно, существуют многочисленные видоизменения этой системы, так как позвоночные и беспозвоночные животные довольно давно разошлись на пути эволюции. Таковы, к примеру, механизмы, необходимые для увеличения скорости передачи импульса, о которых мы уже говорили. Однако фундаментальные молекулярные механизмы работы нейронов в большой степени остались такими же, какими были в тот момент, когда у первого животного в ходе эволюции возникла нейронная сеть.

Тот же самый принцип применим и ко многим метаболическим ферментам – белкам, которые участвуют в получении клеткой энергии в форме аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). На ранних стадиях метаболизма сахаров, ведущего к получению энергии, активация ключевого белка-фермента (А-киназы) регулируется белковой субъединицей, дезактивирующей фермент при присоединении к нему. Присоединением этой субъединицы к А-киназе, в свою очередь, управляет производное АТФ, передающее сигналы внутри клетки, циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Оно может связываться с регуляторной субъединицей, в результате чего происходит ее отделение от А-киназы и фермент начинает функционировать. Этот метаболический уровень контроля настолько консервативен, что регуляторные субъединицы одного животного могут связываться с А-киназой многих других живых организмов, даже очень далеко отстоящих от него эволюционно. Метаболизм сахаров, или гликолиз, – это основной путь биохимических преобразований для всех животных. Именно поэтому участвующие в нем белки так консервативны. И поскольку человек – тоже животное, у него имеются те же самые ферменты, и регуляторные субъединицы других животных легко присоединяются к человеческой А-киназе.