Надорганизменный характер зависимости «доза — эффект»

Дозовые зависимости следует рассматривать в соответствии с уровнями организации биологических систем. При этом в подавляющем большинстве случаев будет регистрироваться общая закономерность: с увеличением дозы увеличивается степень повреждения системы; в процесс вовлекается все большее число составляющих ее элементов.

В современной биологии выделяют пять основных уровней организации, в соответствии с которыми рассматриваются эффекты токсического поражения (Безель, 2006).

• 1. На молекулярно-генетическом уровне происходит воспроизведение в неизменном виде молекулярных структур, ответственных за жизненные процессы, в которых закодирована генетическая информация. Этими структурами обеспечивается передача наследственной информации, поэтому молекулярно-генетический уровень считается элементарной основой эволюции. С точки зрения экологической токсинологии на этом уровне возможно нарушение генетических структур соматических и половых клеток, что проявляется в появлении доминантных и рецессивных мутаций.
• 2. Клеточно-тканевый уровень ответственен за пространственное и функциональное разграничение процессов жизнедеятельности. При воздействии токсических факторов происходит дифференциация токсического эффекта, специфичность которого проявляется по отношению к различным тканям и органам.
• 3. На онтогенетическом уровне осуществляется декодирование и реализация генетической информации, завершающиеся в конечном итоге становлением фенотипических признаков. На этом уровне реализуются структурные и функциональные особенности организма. Экотоксикологические эффекты проявляются в виде различных постнатальных заболеваний, врожденных дефектов развития и даже ведут к летальному исходу.
• 4. На популяционно-видовом уровне изменения, возникающие на предшествующих уровнях, приводят к выработке новой адаптационной нормы, что в перспективе ведет к эволюционным преобразованиям. При токсическом загрязнении среды обитания может иметь место изменение пространственно-функциональной структуры популяции и, как следствие, популяционной адаптации к токсическим факторам.
• 5. На биогеоценотическом уровне осуществляется вещественноэнергетический круговорот, формируемый в результате жизнедеятельности живых организмов. При токсическом загрязнении среды токсиканты вовлекаются в круговорот, что может привести к деформации естественных потоков вещества и энергии и, как следствие, деградации природной среды, часто выходящей за пределы зоны прямого токсического загрязнения.

Рассмотрим упрощенную ситуацию. Предположим, что речь идет о концентрации какого-либо токсиканта в крови. Обозначим ее как уровень токсического фактора (рис. 1.2). При превышении определенной критической концентрации С_кр1 будут отмечены признаки поражения системы молекулярного уровня (например, снижение активности какого-либо фермента, рис. 1.2А). При этом орган или ткань продолжают нормально функционировать до достижения следующего критического значения концентрации С_кр2, при превышении которого будут отмечены признаки поражения функции этого органа или ткани (рис. 1.2Б). Например, это может быть поражение почек или иного органа. Дальнейшее увеличение концентрации в крови может привести к гибели особи. Естественно, что сразу погибнут не все особи, наиболее резистентные (устойчивые) из них выживут, но численность популяции будет снижаться по мере увеличения концентрации токсиканта в крови животных. При этом критическое значение С_кр3 будет означать начало снижения численности такой популяции (популяционный уровень эффектов, рис. 1.2В). Аналогичным образом уменьшение количества популяций в сообществе будет определяться при превышении уровня токсиканта в крови выше С_кр4 (рис. 1.2Г).

Рис. 1.2. Зависимость «доза — эффект» для нескольких уровней организации биологических систем (по: Безель, 2006):

С_кр1, С_кр2, С_кр3, С_кр4 — критические уровни токсиканта На основании подобного анализа упрощенной схемы можно сделать следующие выводы.

• 1. Каждому уровню организации систем присущи особые виды взаимодействия между специфическими для данного уровня структурами (например, активность ферментов, функционирование органа, смертность организма, численность популяции и т. д.). С переходом к вышележащим уровням механизмы взаимодействия, свойственные нижележащим, могут сохранять свое функциональное значение, но ведущую роль приобретают новые типы взаимодействия, по отношению к которым первые находятся в подчиненном состоянии.
• 2. Критические значения токсического фактора С_кр, отражающие переход к альтернативным факторам, смещаются в сторону больших значений токсического фактора по мере перехода от низших уровней организации к высшим.
• 3. Диапазон проявления токсичности от первичных признаков до полного поражения объекта сужается по мере перехода к биологическим системам надорганизменного уровня. Это значит, что для таких систем даже малые изменения действующего фактора в этом диапазоне могут привести к полному поражению.
• 4. Все альтернативные эффекты по своей природе являются пороговыми. Все градированные зависимости беспороговы.
• 5. Пороговый характер альтернативных эффектов основывается на беспороговости предшествующих градированных показателей. В равной мере в беспороговости градированных показателей присутствует альтернативность эффектов на предшествующем уровне организации.

Следует отметить, что приведенные рассуждения и выводы относятся к крайне упрощенной ситуации, когда рассмотрена реакция лишь отдельной системы. В реальности ответ организма многовариантен, и критические значения действующего фактора для различных систем могут значительно различаться. Реакция систем разного уровня в этом случае не будет столь четко выражена (Безель, 2006).

В равной мере это относится и к биоценотическому уровню, для которого диапазон проявления токсичности будет значительно шире, поскольку элиминация из сообщества популяций одного вида организмов (популяционный уровень эффектов) не ведет к поражению цельного биоценоза в силу возможной замены популяциями других, более резистентных видов.

Вводимое значение критического уровня С_кр, однозначно определяющее наличие поражения или его отсутствие, представляется столь же неопределенным. Чаще всего используют статистический подход, в основе которого лежит 95% (99%)-я степень статистической значимости. Это означает, что при данном уровне токсического фактора признаки поражения могут наблюдаться соответственно у заранее обоснованного 5% или 1% числа случаев.

Рассматриваемые нами в качестве дозы концентрации токсикантов в крови или в цельном организме не могут характеризоваться некоторыми средними значениями. Эта мера должна отражать разнородность организмов в популяции, основанную на своеобразии обменных процессов, различии пищевых рационов, специфичности пространственных перемещений по загрязненной территории и прочих факторах. Все это обусловливает разнокачественность особей в популяции по накапливаемым ими уровням токсикантов.

Таким образом, в экологической токсикологии в качестве аргумента в зависимости «доза — эффект» следует рассматривать спектр концентраций токсических веществ в популяционной выборке, описываемый одним из законов статистического распределения.