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.
Гипотеза аналогий
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.
Гены и генетическое разнообразие
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.
Эти примеры иллюстрируют тот факт, что на молекулярном уровне мы с вами являемся такими же животными, как и все остальные. Это очень важно для токсикологии, так как воздействие химических веществ на ткани-мишени очень часто остается неизменным для большого разнообразия видов, включая человека.
Естественный отбор и дифференциальная восприимчивость
Консервативность молекулярной структуры и функций – один из основополагающих принципов биологии, однако не менее фундаментальной является и идея об индивидуальном разнообразии. Отдельные особи одного и того же вида животных могут казаться нам совершенно одинаковыми, однако на самом деле очень сильно различаются между собой с точки зрения генетики, биохимии и физиологии, морфологии и поведения. Этой изменчивостью управляет естественный отбор. Основные его принципы следующие:
1. Животные производят на свет больше потомства, чем может выжить при имеющихся ресурсах.
2. Потомки одного животного отличаются друг от друга морфологически и биохимически.
3. От изменчивости признаков зависит, кто из потомков выживет и сможет успешно размножаться, тем самым передавая свои признаки последующим поколениям.
Таким образом, несмотря на то что многие гены и кодируемые ими белки сохраняются в ходе эволюции неизменными, эта консервативность сосуществует с постоянным перемешиванием генетического материала в каждом следующем поколении потомков.
Индивидуальные различия между особями одного вида очень важны для токсикологии по многим причинам. Во-первых, именно они в большой степени определяют кривизну графика зависимости реакции от дозы. От генетической и морфологической изменчивости особей, используемых в экспериментах для построения этой кривой, зависит их способность реагировать на токсическое воздействие. У животных с коротким сроком жизни, которые в природе обычно многочисленны – например, насекомых – индивидуальные различия в реакции могут приводить к развитию популяций, устойчивых к пестицидам. Эти популяции могут возникать очень быстро, так как особо восприимчивые к пестицидам особи гибнут, и возможность размножаться получают только те, кто обладает врожденной устойчивостью. Таким образом, кривая зависимости реакции от дозы меняется со временем, но эти изменения объясняются биологической реакцией популяции на воздействие вещества.
Повсеместное распространение изменчивости в биологических системах также влияет на возможность использования различных животных в диагностике заболеваний, так как чем дальше друг от друга находятся виды эволюционно, тем сильнее различаются их молекулярные особенности. Это создает проблемы при использовании животных в медицинских экспериментах. Например, общий предок двух наиболее распространенных лабораторных животных, мышей и крыс, существовал примерно 23 млн лет назад, а общий предок грызунов и человека – около 100 млн лет назад. За это долгое время эволюция очень сильно развела животных, сделав их совершенно разными не только по внешним признакам или морфологии, но и по реакции на различные химические вещества. Например, при тестировании 392 канцерогенных веществ на мышах и крысах оказалось, что 76 % крысиных канцерогенов являются канцерогенными и для мышей, а 70 % мышиных – для крыс.
