3. Взаимосвязь биоты (живых систем) и окружающей средой – универсальная парадигма экологии. Что такое "система"? Вероятностный принцип в экологии: большие эффекты малых доз.

1)Взаимосвязь живого организма или человека с окружающей средой, что, традиционно и расценивают как предмет экологии, замечалась даже античными мыслителями, естествоиспытателями и историками. Однако достаточно зрелую научную форму изучение экологических проблем стало приобретать только в XIX веке. Уже первая треть века ознаменовалась плодотворной деятельностью Ю.Либиха, заложившего основы агрохимии. Но основная работа развернулась после появления эволюционного учения Ч.Дарвина, в котором был представлен конкретный и разносторонне обоснованный механизм согласования свойств организма со свойствами среды. Все это было настолько впечатляюще, что не мог не появиться специальный термин для обозначения нового типа исследовательской работы и области научного знания. Такой новый удачный термин «экология» и предложил в 1866 г. немецкий зоолог Э.Геккель, взявший за основу сочетание греческих слов, которые вместе читались, как «наука о доме».

Эта линия исследовательской работы развернулась весьма активно и плодотворно. Уже к концу XIX в. появились новые важные обобщения, связанные со специальным изучением не просто отдельных организмов со своей средой, но взаимосвязанной жизни целых сообществ организмом в пределах однородных по свойствам участков пространства. В этой связи очень интересными оказались работы о почвах нашего соотечественника В.В.Докучаева. Аналогичный же тип анализа активно развивался в Европе и США, причем в заметной степени связанный с моделированием динамики популяций с помощью привлечения математики (исследования Вольтерры, Лотки и др.).

Рост интенсивности и размаха экологических исследований биологов постепенно привел к тому, что появились попытки практического приложения экологических знаний к объяснению и удовлетворению нужд сельского хозяйства и лесоводства. В 1913-16 гг. создаются первые экологические общества (Великобритания, США), а чуть позже начинается выпуск первых специализированных журналов. В 1927 г. появляется труд «Экология животных», содержащий первую систематическую попытку представить вариант теоретической экологии. Постепенно пробуждается интерес к специальному изучению экологии человека.

Успешные исследования эволюционистов, экологов и генетиков привели к тому, что в 30-е – 40-е гг. XX в. биологам удалось выстроить целостную синтетическую теорию эволюции. Параллельно В.И.Вернадский развил свою известную концепцию геологической мощи и значимости всей совокупной массы живых организмов (идея «биосферы») и планетарной цивилизации (идея «ноосферы»). Появляются исследования российского ученого В.Н.Сукачева, в которых формулируются представления о биогеоценозах, т.е. сложных природных комплексах. Подобного рода объекты несколько раньше, но под иным углом зрения заинтересовали английского ботаника-эколога А.Тенсли, который в связи с этим даже ввел новый специальный термин – «экосистема».

С момента появления парадигмального образа «социального организма» и до второй половины XX в. обсуждение проблемы «природа и общество» шло в основном в одном ключе, - во главе всего виделась только экономическая или научно-техническая деятельность человека, его свободное и могучее творчество. Человеку и обществу предписывалось преодолевать временные и случайные затруднения, которые создает несовершенная среда, что зачастую реализовывалось в чрезвычайно воинственных и трагичных формах. В 80-е годы общественность и наука сконцентрировались на осмыслении конкретных важных и сложных проблем, от разрешения которых вполне отчетливо зависит ближайшее существование человечества: потепление климата, угроза озоновому слою, наступление пустынь на плодородные земли и т.п. Появились учебники с комплексным представлением основной экологической тематики, скажем, широко распространенный фундаментальный труд Ю.Одума «Экология».

Все это, в конечном счете, закономерно привело к тому, что в 1992 г. – в Рио-де-Жанейро была проведена крупная международная конференция по проблемам окружающей среды с участием глав государств. Если она и не завершилась принятием обязывающих глобальных решений, то, тем не менее, стала важной вехой в формировании экологического сознания человечества, поскольку ее решения, после поддержки лидерами стран – участниками конференции, фактически определили новую глобальную идеологию, выраженную в форме хорошо известной ныне концепции «устойчивого развития». Таким образом, целенаправленное и масштабное научное освоение экологических реалий является весьма молодым делом. На этом пути, к сожалению, действовали и мощные сдерживающие движение факторы. И все же теперь, в начале XXI в., можно смело утверждать, что экологические исследования уже добились большого общественного признания и быстро прогрессируют.

2) Систе́ма (от др.-греч. σύστημα — целое, составленное из частей; соединение) — множество элементов, находящихся в отношениях и связях друг с другом, которое образует определённую целостность, единство. Существует достаточно много определений системы, но большинство исследователей сходится к тому, что отличительными характеристиками системы является структурность (наличие составляющих ее элементов и возможность разложения системы на составляющие) и процессность (или в некоторых, случаях цикличность, то есть возможность повторения процессов существования для сохранения системы). Как считают представители системного анализа, системные свойства присутствуют во всех явлениях. Наличие таких условий может быть проверено, если явление можно описать через следующую схему (Рис. 1): наличие составляющих, таких как вход, процесс и выход.

3) Большие последствия малых доз заставляют пересмотреть многие привычные представления и требуют новых подходов. Но прежде всего— самого серьезного отношения. Малым дозам необходимо большое внимание.

С точки зрения классической теории биологической активности веществ зависимость «доза—эффект» должна иметь вид кривой, монотонно возрастающей от нуля до некоторого максимума, после которого целебный эффект больше не возрастает, а наступают вредные, порой смертельно опасные последствия передозировки. Поэтому фармакологи, изучающие новый лекарственный препарат, начинают с того, что определяют его токсическую дозу на каких-либо лабораторных животных, а потом снижают ее до приемлемо безвредного уровня, когда целебный эффект еще достаточно силен для того, чтобы им можно было воспользоваться в медицинской практике. Чем больше разрыв между токсической и лечебной дозой, тем лучше; в идеале лекарство должно быть абсолютно безвредным, но этот идеал еще никем не достигнут. Обычно же компромисс между заметной пользой и приемлемым вредом лежит в области концентраций 10-2 — 10-3 моля на литр, и ни одному фармакологу не приходит мысль проверить активность растворов лекарственных веществ с концентрацией, приближающейся к нулю.

А вот токсикологи знают, что некоторые вещества обладают столь мощной активностью, что только одна их молекула способна погубить живую клетку. Такой активностью обладают, например, яд рыбы фугу, тетродотоксин, и некоторые фосфорорганические нервно-паралитические боевые отравляющие вещества. Однако не исключено, что существуют и такие вещества, одна молекула которых не убивает, а исцеляет живую клетку. Возможно также, что и многие известные лекарственные препараты способны оказывать целебное действие в области малых концентраций.

Работы в этом направлении были начаты в нашей стране еще в начале 80-х годов профессором Е.Б. Бурлаковой в одном из отделов Института химической физики АН СССР (ныне преобразован в Институт биохимической физики РАН). Ей и ее сотрудникам удалось обнаружить, что при снижении концентрации некоторых биологически активных веществ (например, предотвращающих образование в организме свободных радикалов) ниже обычного уровня 10-2 — 10-3 моля на литр эффект действительно исчезает, но при концентрации порядка 10-17 моля на литр — чудовищно малой с точки зрения любого правоверного фармаколога — возрастает почти до прежнего уровня! Этот результат был столь обескураживающим, что опубликовать его (как у нас было принято говорить, «пробить в печать») удалось лишь в 1986 г. в журнале «Биофизика» после долгих препирательств с редакцией.

С тех пор наличие такого эффекта подтверждено многими примерами, указывающими на бесспорное существование двух (а иногда и нескольких) пиков биологической активности, последний из которых лежит в области, когда одна капля раствора содержит всего несколько десятков молекул действующего начала. Бурлакова полагает, что при самых малых дозах вещества оказывают положительное влияние на клеточные мембраны, каким-то образом изменяя их структуру. Это было показано не только в опытах на животных in vivo, но и in vitro, на изолированных клеточных мембранах, структура которых изучалась методом так называемого спинового эха.

Из данных исследований можно сделать два важных вывода — один обнадеживающий, а другой тревожный.

Вывод первый: открывается возможность создавать лекарственные препараты, обладающие минимальным побочным действием при сохранении их основной активности только за счет подбора правильной малой дозы. Так, известный транквилизатор феназепам в обычной дозировке не только успокаивает, но и вызывает сонливость, замедленность реакций, что может представлять опасность, например, для водителей автотранспорта. Однако малые дозы феназепама таким побочным действием не обладают и могут применяться не только на ночь, но и днем, перед работой, требующей внимания и координированности движений.

Вывод второй: существующие нормы ПДК вредных веществ должны быть пересмотрены с учетом возможности всплеска их активности даже после очистки выбросов промышленных предприятий или их разбавления. Проблема осложняется еще и тем, что разные организмы могут по-разному реагировать на одни и те же микропримеси. Так, если в сточных водах Байкальского целлюлозно-бумажного комбината резвятся рыбки, то это не значит, что эта вода абсолютно безопасна для других обитателей озера и для человека…