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.
Поэтому, несмотря на то что по многим фундаментальным физиологическим и молекулярным процессам человек ничем не отличается от множества других видов животных, что и позволяет использовать их в токсикологических тестах, естественный отбор может действовать таким образом, что токсикологический ответ лабораторного животного может оказаться совершенно иным, чем у человека. Учитывая, что эволюционная дистанция между человеком и грызунами больше, чем между крысой и мышью, можно с уверенностью сказать, что веществ, одновременно канцерогенных и для человека, и для грызунов, будет не больше, чем упомянутые выше 70 %. Это не значит, что лабораторные грызуны не имеют ценности для науки; однако это подчеркивает тот факт, что на всех животных, включая человека, одновременно воздействуют как консервативность молекулярной структуры, так и изменчивость естественного отбора.
Человек – это животное, и наше общее с другими видами животных молекулярное происхождение создает основу для использования лабораторных животных в медицинских исследованиях. В зависимости от исследуемой системы модельные организмы могут быть похожи на человека (это служит аргументом для использования приматов в исследованиях инфекционных болезней) или быть эволюционно очень далекими от него (как в случае с гигантским кальмаром Loligo, которого используют для изучения работы нервных клеток). Возможно, лабораторные мыши и сдадут свои позиции как главный объект исследований, но скорее всего, они просто продолжат сосуществовать в лабораториях с другими модельными организмами. Ведь в конце концов внешнее сходство или различие может быть обманчивым, а главную роль играет биохимическая близость организмов.
Глава 4
Химические путешествия: абсорбция
Тот, кто где-то оказался, обязательно должен был начать оттуда, где был.
