Коллектив Авторов - Цифровой журнал «Компьютерра» № 157

Компьютерра

21.01.2013 - 27.01.2013

Колумнисты

Дмитрий Шабанов: Средние, непонятные дозы

Дмитрий Шабанов

Опубликовано 23 января 2013 года

В этой колонке я хочу рассказать об одной интересной для меня проблеме факториальной экологии. Для завязки процитирую фрагмент обсуждения предпоследней колонки. В комментариях я упомянул хорошо известный факт: стимулирующее действие малых доз радиации. Конечно, самый активный из участников обсуждения моих колонок не мог это пропустить. Он даже прочитал статью в «Википедии», посвящённую так называемому гормезису — стимулирующему действию малых доз повреждающих факторов. Этот проницательный читатель копирует кусок текста Википедии и заканчивает собственным категорическим суждением.

"На данный момент теория радиационного гормезиса у людей не имеет достаточно значимых эмпирических подтверждений. На практике обычно используется линейно-квадратическая модель, которая основана на предположении, что любая, даже самая малая доза облучения вредна".

Так что ересь пишете, Шабанов Дмитрий. Махровую ересь. Имхо".

Уважаемого читателя так возмутило, что я упомянул стимулирующий эффект малых доз радиации, что он и в других местах не устает приводить этот пример в качестве редкого абсурда. Этот пример «сетевой демократии» кажется мне достаточно характерным. Почитавший Википедию человек готов выносить вердикты по сложным теоретическим вопросам и ставить на место кого угодно («имхо» в конце мало что меняет). И дело тут не в академическом статусе, а хотя бы просто в количестве душевных сил, потраченных на вхождение в проблему. У меня, кстати, заграничная публикация о стимулирующем эффекте малых доз радиации вышла ещё в советское время, когда я был студентом. Тем не менее полной уверенности в том, что я знаю решение столь сложной проблемы, у меня нет…

Итак, первое предупреждение, которое я должен сделать, состоит в том, что я описываю гипотезу, а не общепринятые взгляды. Второе связано с тем, что я даже не являюсь автором этой гипотезы. Она принадлежит руководителю моей дипломной работы Артуру Барановскому. В качестве руководителя я в своё время выбрал лаборанта, который был на пять лет меня старше и только-только закончил университет. Выбрал, несмотря на его своеобразный характер, за способность к нетривиальному мышлению. И третье важное предупреждение состоит в том, что я изложу свое понимание этих идей – и не факт, что Артур с ним согласится.

А почему я озвучу свою трактовку чужих идей в неспециализированном, популярном тексте? Нормальный путь научной гипотезы должен быть совсем иным: вначале (при достаточной поддержке фактами) она должна публиковаться в специализированном журнале, а уже потом о ней можно рассказывать широкой общественности. Увы, мы не довели проверку наших предположений до конца, и я расскажу вам о недоделке. Мне кажется, можно закинуть эту идею во всеобщий доступ: вдруг кому-то да пригодится.

Я буду говорить о реакции организмов на экологические факторы и начну с того, что эти факторы делятся на две принципиально разные группы: ресурсы и условия. Ресурсы потребляются организмом и исчерпываются, условия не обладают таким свойством.

Ещё в 1840 г. немецкий агрохимик Юстус Либих сформулировал так называемый закон минимума. Современным языком его можно передать так: наибольшее влияние на рост и развитие оказывает тот ресурс, которого более всего недостаёт. Увы, тот элементарный факт, что закон минимума Либиха относится только к ресурсам, упоминается лишь в считанных пособиях по экологии. Типичная реакция организма на обеспеченность ресурсом весьма проста: это кривая с насыщением.

А как действуют условия? Их касается обобщение, выдвинутое в 1913 году американским экологом Виктором Шелфордом: правило толерантности. Согласно правилу (или закону) толерантности Шелфорда, оптимальное для организма значение экологического фактора лежит внутри диапазона толерантности, ограниченного крайними значениями, которые может вынести организм. Обычно колоколообразную зависимость, описывающую реакцию организма на условие, рисуют симметричной, что вовсе не обязательно; на рисунке выше я специально отступил от симметрии.

Авторы Википедии, которые пишут, что «закон толерантности расширяет закон минимума Либиха» или что «любой фактор, находящийся в избытке или недостатке, ограничивает рост и развитие организмов и популяций», путают ресурсы и условия. Это распространённая ошибка. Кстати, я не хочу обидеть Википедию. Это хорошая отправная точка, чтобы начать разбираться в какой-то проблеме. Но глупо пытаться её использовать как инстанцию для вынесения окончательного вердикта в споре.

А разве ресурсы не могут ограничивать избытком? Вот, представьте себе, страдает растение от азотной недостаточности, вызванной малым количеством солей азотной кислоты в почве. Добавим селитру – получим отчётливый благодарный ответ растения и убедимся, что его ограничивал именно этот ресурс. А если добавить селитры слишком много, почва засолится и растению станет трудно получать воду из почвенного рассола. Будет ли это примером ограничения избытком ресурса? Нет. Засоление почвы не ресурс.

Тут можно принять одно из двух формальных решений. Можно считать, что один и тот же фактор (содержание солей азотной кислоты) является ресурсом в одной области значений и условием – в другой. Но мне больше нравится иной вариант: считать, что с одними и теми же молекулами в почве связано два разных фактора. Первый – соединения азота (и соли азотной кислоты, и соли аммония) как источник минерального питания (ресурс), второе – соли (и азотной кислоты, и, например, соляной) как источник засоления почвы (условие).

Некоторые условия ограничивают развитие как своим избытком, так и недостатком (температура, например), некоторые – только избытком (засоление почвы, или, к примеру, токсическое действие плутония).

А теперь попробуем разобраться, что происходит по краям диапазона толерантности к условию (я «увеличил» одну такую точку на графике). Значение фактора растёт, организмам становится всё хуже. А что, потом – раз, и все сразу умерли? Конечно, нет.

Вопреки распространённым убеждениям, токсикологи не определяют смертельную (летальную) дозу ядов. Они определяют полулетальную (ЛД50) – дозу, от которой в определённый срок погибнет половина экспериментальных организмов. При этом нужно чётко указывать условия эксперимента. От такой-то дозы яда жаб в течение, допустим, 48 часов, умирает 50 процентов мышей такой-то линии. А что будет, если определять ЛД50 в течение 72 часов или на более чувствительной линии? Значение ЛД50 окажется меньшим (понятно, почему?).

На то, выживет конкретная особь или нет, влияет множество факторов; этот процесс можно рассматривать как стохастический. Чем однороднее особи, тем меньше разброс, но всё равно такой точки, чтоб до её достижения все были живы, а после – сразу умерли, быть не может. Как отразить это на графике?

Показать как позитивное, так и негативное влияние фактора на организм. Если действие условия повышает его продуктивность или вероятность выживания, можно говорить о стимулировании; если снижает – об ингибировании. Вот давайте и построим такую картинку, к примеру, для ионизирующего облучения.

Ионизирующее облучение (рентген, гамма-лучи и т.д.) ионизирует ткани. Прошивая клетку насквозь, электромагнитный квант может отдавать энергию окружающим его молекулам. Образуются свободные радикалы – осколки молекул, обладающие высокой реакционной способностью. Если этот процесс идёт активно, нормальные процессы в клетках нарушаются и развивается лучевая болезнь (точка № 4 на рисунке). При фоновом, естественном облучении его действие можно считать нейтральным (точка № 2).

Как ни расстроит это упомянутого в начале колонки читателя, стимулирующее действие малых доз облучения (точка № 3) – хорошо показанный во многих экспериментах феномен. Можно (и нужно!) спорить о его механизмах, но сомневаться в его существовании уже не нужно. Наблюдал его и я (сейчас расскажу, как).

И, наконец, точка №1. Насколько мне известно, при снижении уровня ионизирующего облучения существенно ниже фона (это нелегко обеспечить в эксперименте – нужна мощная радиационная защита) деление клеток оказывается затруднено. Вообще, внутриклеточная среда, в которой не возникают свободные радикалы, — это что-то настолько необычное, что организмы не имели возможности (и повода) к нему приспособиться. Вероятно, для инициации некоторых этапов деления нужны радикалы, которые всегда есть в среде, а если их нет – возникают проблемы.