//

Стресс - Устойчивость - Приспособление

За всю очень долгую историю жизни на Земле — а это примерно три миллиарда лет — общее число видов животных и растений превысило миллиард. Более 400 миллионов из них населяют нашу планету в настоящее время. Сущность эволюции — процесса, породившего такое фантастическое разнообразие ныне живущих и вымерших видов,— в прочной и многосторонней связи организмов с окружающей их средой. И теория происхождения видов Ч. Дарвина блестяще доказала действие такой связи.

Все без исключения организмы — от одноклеточной примитивной амебы до сложного многоклеточного млекопитающего — испытывают на себе влияние широкого спектра факторов среды обитания. Но мало того, что каждый организм в своих многогранных связях с внешней средой постоянно подвергается воздействию разнообразных по качеству и интенсивности раздражителей, он в то же время сам в процессе своего развития оказывает определенное влияние на окружающую среду. Существование такой «обратной связи» создает состояние динамического равновесия в природе, а это, в свою очередь, и есть определяющее условие и гарантия активного функционирования организма.

Однако такая идиллия во взаимоотношениях «организм — окружающая среда» сохраняется до тех пор, пока агенты внешней среды — температура, влажность, атмосферное давление, радиация (в широком спектре — от ионизирующей до видимого света), условия питания (пища для животных и содержание минеральных солей в почве для растений) и т. д. — действуют в пределах нормы. Если же время и мощность действия названных и многих других воздействий среды выходят за пределы естественных, как говорят, фоновых доз, то это уже существенно изменяет процессы, идущие в организмах. Появляются глубокие, необратимые изменения в работе клетки, повреждаются ее главные составные части — ядро, хлоропласты, митохондрии,— постепенно изменяется характер координации между органами, что в конце концов может привести организм к гибели.

Представим себе, что в каком-то районе Земли изменились климатические условия (такое может случиться в результате промышленной деятельности человека). Допустим, что влажный, прохладный климат сменился засушливым. Сами по себе создавшиес условия еще не могут быть непосредственной причиной гибели растительного и животного мира данного района, но в то же время, действуя долго, они могут сработать в роли своеобразного селекционера — выделить из организмов те, что обладают наибольшей устойчивостью, приспособляемостью к изменившимся условиям среды.

С давних пор многими исследователями, работающими в данной области, было отмечено два важных момента. Во-первых, длительное действие факторов внешней среды, если оно не приводит организм к гибели, способствует появлению у него определенных признаков устойчивости, иммунитета к этим неблагоприятным явлениям. Во-вторых, и это очень важно, приобретенный иммунитет является, как говорят биологи, неспецифическим! Другими словами, если организм подвергся, например, действию повышенных доз ионизирующего излучения, то он становится устойчивым к радиации вообще, а не только к данному его виду.

Без понимания механизма взаимоотношений «организм — внешняя среда» нельзя создать фундаментальную теорию единства организма и среды. Необходимость же в такой теории определяется многими практическими задачами, остростоящими сегодня перед человечеством. Наиболее актуальны из них, по крайней мере, две — охрана окружающей среды и обеспечение населения нашей планеты продуктами питания. Есть здесь и еще один аспект — космический: недавно человек начал осваивать совершенно неизведанную область и столкнулся с новыми, до сих пор неизвестными по своей природе и действию на живое факторами космического пространства и среди них — с невесомостью — отсутствием привычной для земных организмов силы тяжести.

Что сегодня можно положить в основу этой теории? Во-первых, медико-биологическую концепцию стресса, выдвинутую и разработанную известным канадским физиологом Гансом Селье на уровне целого организма. Во-вторых, сформулированную выдающимся советским физиологом Дмитрием Николаевичем Насоновым цитофизиологическую концепцию неспецифической реакции клеток на внешнее воздействие— паранекроз. И наконец, ряд гипотез и теоретических обобщений о том, как действует механизм устойчивости и адаптации на уровне биологических мембран.

Вот, образно говоря, «три кита», на которые можно опереться в обосновании теории приспособления организма к влияниям окружающей среды. Рассмотрим это подробнее.

В начале тридцатых годов ХХ века молодой, тогда еще неизвестный врач, Г. Селье, экспериментируя с традиционными лабораторными животными, морскими свинками, заметил одну, часто повторяющуюся особенность. У подопытных животных, которые подвергались воздействию различных факторов, и характер и этапы заболевания выражались в однотипных реакциях: увеличивался вес и объем надпочечников, активизировались гормоны, вырабатываемые в корковой части этих органов, а лимфатические узлы уменьшались, их активность постепенно подавлялась.

Результаты этих экспериментов были опубликованы Г. Селье в 1936 году в журнале «Nature» в короткой статье «Синдром, вызванный различными повреждающими агентами». Эту дату можно считать днем рождения учения о стрессе, становление и развитие которого за прошедшие 40 лет вызвало к жизни исследования, имевшие далеко идущие последствия как в экспериментальной и клинической медицине, так и в теоретических работах биологов, изучающих механизмы адаптации организма.

Примерно в это же время, в 1934 году, советский ученый Д. Н. Насонов впервые показал своими исследованиями, что содержимое живой клетки — протоплазма — поразительно однотипно реагирует на любые изменения окружающей среды. Ученый действовал на клетку самыми разнообразными раздражителями—органическими красителями, температурой, механическими и другими раздражениями — и наблюдал, какие изменения претерпевает при этом клетка. Эти изменения выражались главным образом в следующем: увеличивалась вязкость протоплазмы, уменьшалась ее дисперсность, возрастала концентрация водородных ионов (рН).

Этот комплекс изменений, последовательно происходящих в протоплазме в ответ на раздражение, и был назван Насоновым паранекрозом.

Концепция паранекроза — этого универсального биологического явления — была обобщена в монографии «Местная реакция протоплазмы и распространяющиеся возбуждения» (1940 год). В ней убедительно показано, что ведущая роль в реакции клеток на внешние воздействия принадлежат белкам протоплазмы, их химической активности и физическим свойствам. Развивая и экспериментально обогащая идею о главенствующей роли белков, ученик и сподвижник Д. Н. Насонова профессор В. Я. Александров в 1965 году выдвинул так называемую денатурационную теорию повреждения. Вот ее суть. В неблагоприятных условиях, вызванных различными воздействиями, ослабевает прочность и упругость белковых макромолекул, в которых изменяется порядок крепления их субъединиц — аминокислот.

Истинность и значимость любой научной концепции доказывается не только ее широким признанием, но и тем, что основные положения данной концепции становятся необходимым инструментом дальнейших экспериментальных исследований и теоретических обобщений в определенной области науки.

В полной мере это относится к работам Г. Селье и Д. Н. Насонова. Заслуга Г. Селье прежде всего в том, что там, где многие исследователи видели лишь частные отклонения от нормы, он увидел общую закономерность — систему стресса. Идеи и творческое наследие Д. Н. Насонова, интенсивно развиваемые его учениками, уже принесли и продолжают приносить неоценимую пользу для создания фундамента общей теории механизма возбуждения и повреждения клетки на основе современных достижений физиологии, биохимии и биофизики.

Однако что здесь «начало»? Где пусковой механизм тех изменений, которые развиваются в организме под действием внешних факторов? Приобретает ли организм устойчивость в процессе своего прямого столкновения с неблагоприятными факторами среды или же развитие устойчивости — следствие последовательных изменений, происходящих в клетке? Что причина и что следствие?

Поиски ответа на вопрос неизбежно приводят нас к точке, где пересекаются основы двух уже упомянутых теорий — теории стресса, объясняющей явление биологической неспецифичности на уровне целого организма, и теории паранекроза, объясняющего эти явления на клеточном уровне. И тем не менее окончательный ответ на вопрос, по-видимому, лежит глубже — на субклеточном и молекулярном уровнях и может быть получен благодаря расшифровке регуляторных механизмов клетки.

Действительно, клетка — это тот первый уровень организации живого, который способен воспринимать сигналы из окружающей среды. Современные физические и химические методы исследования, которыми располагает биолог-экспериментатор, дали возможность тщательно исследовать важнейшие «детали» протоплазмы, их тонкую структуру, химический состав и «рабочие» качества. Сегодня мы знаем о содержимом клетки почти все. Центральное место в ней, как по местоположению, так и выполняемой роли, занимает ядро, где сконцентрировано высокомолекулярное соединение — дезоксирибонуклеиновая кислота — ДНК — материальный субстрат наследственной информации. Следующими по значению в клетке выступают структуры, ответственные за ее энергетику,— митохондрии и хлоропласты,— своего рода энергетические станции, где идет синтез и разложение аденозинтрифосфорной кислоты — АТФ — универсального источника энергии.

Исследованию состояния и работы этих «энергетических станций» посвящены многие работы, выполненные за последнее десятилетие. Были проведены такие работы и нами в Институте биофизики АН СССР, в лаборатории покойного академика Г. М. Франка, под руководством профессора С. В. Тагеевой. Вот основные ее результаты.

Меняя условия внешней среды, в которой находились клетки животных и растений,— действуя на них высокими и низкими температурами, составом минерального питания, ионизирующей радиацией, различными режимами водоснабжения,— мы наблюдали, как в ответ на эти вариации среды изменяется состояние митохондрий и хлоропластов клетки, как отражается это на их «рабочих» качествах и структуре.

И оказалось, что независимо от того, какой фактор среды доминирует, в клеточных органеллах появляются четко выраженные, происходящие поэтапно стереотипные изменения: вся органелла набухает, уменьшается количество мембран, увеличивается объем гомогенного вещества-наполнителя (матрикса) и в результате снижается интенсивность идущих в органелле процессов.

На следующем этапе опытов мы провели сравнительный анализ между активностью синтеза АТФ и распадом этого соединения в клетках, поставленных в неблагоприятные условия. Результаты оказались более чем убедительными: клетка как автоматическая саморегулирующаяся система стремится в этих условиях сохранить равновесие между скоростью образования и интенсивностью распада АТФ, этого высокоэнергетического соединения.

Однако, по-видимому, такое удается клетке до тех пор, пока сила внешнего воздействия не переходит физиологических границ, в которых может жить клетка, а происходящие в ней изменения являются еще обратимыми. Если же доза такого воздействия становится повреждающей, равновесие нарушается: процессы распада АТФ начинают преобладать над процессами синтеза. Если такое состояние сохраняется долго, начинается деградация самих митохондрий и полное подавление их функций — клетка лишается главного своего источника энергии.

Итак, составные части любой клетки — ее органеллы — отвечают на воздействие внешних факторов комплексом неспеци фических (однотипных) морфологических и функциональных изменений. Этот вывод можно сделать на основании многочисленных экспериментов.

Ну, а если заглянуть еще глубже? Ведь составная часть всех без исключения клеточных структур — элементарная биологическая мембрана. Какова ее роль?

Прежде чем перейти к обсуждению степени участия биологических мембран в процессе выработки клеткой устойчивости к действию неблагоприятных условий, необходимо хотя бы коротко сказать о принципе организации этих универсальных элементов живой материи.

Концепцию элементарной биологической мембраны можно считать ровесницей века. Именно в этот период немецкий физиолог Пфеффер, а вслед за ним и англичанин Овертон сформулировали понятие о плазматической мембране, окружающей всю клетку и создающей в ней барьер проницаемости для различных веществ. Однако мысль о существовании клеточной мембраны еще долго оставалась на уровне гипотезы, хотя многочисленные эксперименты и подтверждали, что существует некая материальная субстанция, осуществляющая обменные процессы между клеткой и окружающей средой.

Лишь в 1935 году два исследователя — итальянец Дж. Даниэлли и англичанин Т. Даусон — предложили принципиальную модель строения биологической мембраны. На основании теоретических вычислений они пришли к выводу, что для выполнения той роли в клетке, которую ей приписывают, элементарная мембрана должна представлять собой чередующиеся слои белковых и липидных (то есть жировых) молекул. Увидеть же их и окончательно убедиться в существовании этих образований удалось лишь с появлением электронного микроскопа и методов приготовления ультратонких срезов (а до того в экспериментальной биологии был даже такой период, когда некоторые видные специалисты в области клеточной физиологии высказывали сомнение в реальности мембран). Американец Робертсон в 1961 году и вслед за ним швед Шестранд в 1963 году показали, что основу элементарной мембраны составляет трехслойная структура толщиной в 110 ангстрем. Средний слой, видимый под электронным микроскопом как «пустой», представляет собой цепи жирных кислот липидов, он окружен с обеих сторон темными слоями, состоящими из белковых молекул.

Сегодня с уверенностью можно сказать, что во всех без исключения процессах, протекающих в живой клетке, прямо или косвенно участвует мембрана. Это уже настолько очевидно, что сведения о ее строении и рабочих характеристиках перекочевали из академических монографий на страницы учебников.

Что же может делать мембрана? Прежде всего она защищает клетку от вредных воздействий внешней среды. Во-вторых, клеточная мембрана — это основа избирательной проницаемости клетки: она пропускает через себя одни вещества и задерживает другие. В-третьих, биомембрана наряду с генетическим аппаратом принимает участие в регуляции синтеза белков клетки.

Однако наиболее важными в клетке являются так называемые сопрягающие мембраны, составляющие основу митохондрий и хлоропластов, ответственных за выработку в клетке энергии.

По химическому составу мембраны — сложные полимерные образования. Достаточно сказать: в нуклеиновые кислоты входят 24 мономера, а содержимое липидных компонентов насчитывает около 50 единиц. Липиды составляют от 30 до 75 процентов мембраны — это зависит от назначения и активности последней.

В принципе к липидам относятся все вещества с гидрофобными, то есть водоотталкивающими свойствами. Однако есть и гидрофильные — водорастворимые — липиды, основу которых составляют полярные жирные кислоты. (Эти важные компоненты биологической мембраны состоят из водонепроницаемой углеводородной цепи, длина которой зависит от количества углеводородов (СН₂) и водорастворимой карбоксильной группы СОО. Поэтому они и называются полярными или полурастворимыми. Жирные кислоты могут быть насыщенными и ненасыщенными в зависимости от числа двойных связей между звеньями углеводородной цепи.)

Вторым основным компонентом биологической мембраны являются белки — весьма многочисленные и разнообразные по составу и свойствам .вещества. Достаточно сказать, что почти все ферменты, составляющие основу мембран, участвующих в выработке энергии в клетке,— это белки. Плазменные мембраны содержат большое количество так называемых сократимых белков, обладающих способностью расщеплять богатые энергией связи в молекуле АТФ (или, как говорят специалисты, обладающих АТФ-азной активностью).

Что же происходит на уровне мембран? Экспериментальные исследования тех изменений, которые происходят в мембранах клеточных органелл под действием неблагоприятных факторов, начались сравнительно недавно, в конце 50-х годов, но очень интенсивно и велись широким фронтом. Сначала внимание специалистов привлекли липиды и особенно группа полярных жирных кислот. Американские исследователи Ричардсон и Лион с сотрудниками, изучая клеточные органеллы, ответственные за выработку энергии в клетке у теплолюбивых и холодостойких видов животных и растений, обнаружили, что мембраны митохондрий в клетках организмов, приспособленных к жизни при пониженных температурах, содержат значительно больше ненасыщенных жирных кислот, чем мембраны митохондрий теплолюбивых организмов. И эта особенность дает организму преимущество, позволяя ему нормально расти и развиваться в менее благоприятных условиях: высокое содержание ненасыщенных жирных кислот позволяет митохондрии изменять свой объем (набухать и сокращаться) в более широком диапазоне, а такие периодические изменения объема совершенно необходимы клеточным структурам для выполнения их рабочих функций — от частоты и размера этих изменений зависит активность биохимических и энергетических процессов, идущих в клетке.

Но мембрана, состоящая из белков и жиров, представляет собой неразрывно связанное целое не только в структурном (архитектурном) отношении, это и функционально единый комплекс. Поэтому, естественно, исследователи не могли не проявить интереса и к белковому ингредиенту мембраны.

Мы уже говорили о работах профессора В. Я. Александрова, изучавшего роль мембранных белков в механизме устойчивости и адаптации, В результате многолетних исследований он пришел к выводу, что структура (строение) белковой молекулы имеет решающее значение для прочности и упругости мембран. Более того, американский исследователь Пекер обнаружил, что те изменения .объема органелл — набухание и сокращение,— о которых мы упоминали выше, в сильной степени зависят также и от присутствия в мембране белков, обладающих АТФ-азной активностью. Эти белки, как было выяснено, имеют много общего с сократительными белками мышечных волокон. В серии работ, выполненных нами, было показано решающее значение этих белков в устойчивости растений к неблагоприятным условиям среды.

Таким образом, если липидный компонент мембраны определяет в основном эластичность, гибкость мембраны, то белковый состав, а именно АТФ-азные белки, придают мембране прочность, упругость.

Итак, от того, какими свойствами обладают мембраны основных клеточных органелл, будут зависеть структурная и функциональная целостность клетки, ее высокие «рабочие качества» в условиях, когда на нее действуют неблагоприятные факторы.

Как показывает многолетний опыт, накопленный экспериментальной биологией и медициной, «главные события» происходят именно в клетке. Но клетка, хотя и основная, но ничтожно малая элементарная ячейка. Возможности высокоорганизованного многоклеточного организма, несомненно, гораздо выше, однако сложный каскад защитной реакции в конечном счете реализуется именно на клеточном уровне.

Пока организм находится в нормальных, «комфортных» условиях, он расходует свои ресурсы (материальные и энергетические) расчетливо и экономно. При первых же признаках появления внешнего или внутреннего «врага» включается сигнал «тревоги», и организм мобилизует регуляторные механизмы, которые по различным каналам — электрическим, химическим — спускают этот сигнал до клеточного уровня. Клетка в ответ на это немедленно активизирует синтез необходимого защитного материала (ненасыщенных жирных кислот и АТФ-азных белков) и выработку дополнительной энергии.

Эти перестройки ритма клеточного метаболизма и есть основные условия успешной борьбы организма с неблагоприятными факторами среды.

Таким образом, как видно из сказанного, существует органичная взаимосвязь между биологическим смыслом явления стресса, появлением признаков устойчивости на разных уровнях организации живого и сложным механизмом общей адаптации организма.

См. также: Стрессовые состояния

Рейтинг: / 0
неактуальноактуально