Предмет и задачи общей токсикологии, место в системе наук об окружающей среде

Предмет и задачи общей токсикологии, место в системе  наук об окружающей среде.

Экотоксикологические исследования направлены на изучение миграции ксенобиотиков (чужеродных для живых организмов соединений, не вступающих ни в пластический, ни в энергетический обмен в клетке) в экологических системах, механизмов включения их в природные циклы, а также последствий изменения естественных потоков веществ в биосфере – нарушения экологического равновесия и трансформации элементов биосферы, снижения биоразнообразия, риска в отношении здоровья человека.

История токсикологии теряется в глубине веков. Человек столкнулся с ядовитым действием различных  веществ растительного и животного  происхождения еще в каменном веке. По мере освоения природной среды  в поле его зрения стали попадать все новые и новые ядовитые вещества, в том числе и антропогенные, т.е. такие, которые производились  самим человеком либо как промежуточные, либо как конечные продукты его трудовой деятельности. В связи с развитием  промышленности, химии и химической технологии эти вещества – «промышленные  яды» – потребовали пристального внимания. Зародилась промышленная токсикология. Затем – сельскохозяйственная. В  дальнейшем с формированием общей  токсикологии, изучающей наиболее общие  закономерности взаимодействия организма  и яда, происходило и происходит все большее ее дробление. Появились, например, такие ее ветви и самостоятельные  разделы, как токсикология металлов, пестицидов, полимеров, военная токсикология, токсикология замкнутых пространств, экотоксикология (рис. 1).

Основным понятием современной  токсикологии является токсичность. В  общей форме можно определить токсичность как свойство (способность) химических веществ, действуя на биологические системы немеханическим путем, вызывать их повреждение или гибель, или, применительно к организму человека, – способность вызывать нарушение работоспособности, заболевание или гибель.

Теоретически не существует веществ, лишенных токсичности. При  тех или иных условиях обнаружится  биологический объект, реагирующий  повреждением, нарушением функций, гибелью  на действие вещества в определенных дозах. Токсичность веществ, полностью  инертных в отношении биологических  объектов, может быть количественно  обозначена, как стремящаяся (но не равная) к нулю.

В связи с изложенным представляется возможным определить токсикологию как науку, изучающую свойство, присущее практически всем веществам окружающего  нас мира как естественного, так  и антропогенного происхождения  – токсичность.

Рис. 1. Классификация основных разделов токсикологии (По: И. Трахтенберг, 2000)

Действие веществ, приводящее к нарушению функций биологических  систем, называется токсическим действием. В основе токсического действия лежит  взаимодействие вещества с биологическим  объектом на молекулярном уровне. Химизм взаимодействия токсиканта и биологического объекта на молекулярном уровне называется механизмом токсического действия.

Следствием токсического действия веществ на биологические  системы является развитие токсического процесса (формирование и развитие реакций биосистемы на действие токсиканта, приводящих к её повреждению, т.е. нарушению её функций, жизнеспособности или гибели).

Становление токсикологии в  нашей стране связано с работами физиолога Ивана Сергеевича Цитовича. Признанные лидеры промышленной токсикологии – Николай Сергеевич Правдин  и Николай Васильевич Лазарев.

Начало развития новой  ветви науки – экотоксикологии, положила книга Рашель Карсон «Молчаливая весна», вышедшая в 1962 году, в которой автор описывает случаи массовой гибели птиц и рыб от бесконтрольного использования пестицидов. Карсон сделала вывод, что выявляемые эффекты поллютантов на дикую природу предвещают надвигающуюся беду и для человека. Эта книга привлекла всеобщее внимание. Появились общества защиты окружающей среды, правительственные законодательные акты, регламентирующие выбросы ксенобиотиков.

В самостоятельную науку  экотоксикологию (ecotoxicology) выделил Рене Траут, который впервые, в 1969 году, связал воедино два совершенно разных предмета: экологию и токсикологию. На самом деле эта область знаний включает в себя, помимо указанных, элементы и других естественных наук, таких как химия, биохимия, физиология, популяционная генетика и др.

Термин «экологическая токсикология» (экотоксикология) появился в отечественной и зарубежной литературе в 1973 году как направление профилактической токсикологии, которое занимается изучением приспособления (адаптации) живого к изменениям химического состава среды его обитания в условиях целостного ансамбля абиотических, биотических и социальных факторов.

Позднее это определение  было уточнено на конференции СКОПЕ (Международный научный комитет  по проблемам окружающей среды) в 1978 г.

По мере развития само понятие  «экотоксикология» претерпело определенную эволюцию. В 1978 году Батлер (По: С.А. Куценко, 2002) рассматривал экотоксикологию как науку, изучающую токсические эффекты химических агентов на живые организмы, особенно на уровне популяций и сообществ, в пределах определенных экосистем. Левин и др. в 1989 г. определили ее как науку, прогнозирующую влияние химических веществ на экосистемы. В 1994 году В. и Т. Форбсы дали следующее определение экотоксикологии: «Область знаний, которая суммирует экологические и токсикологические эффекты химических поллютантов на популяции, сообщества и экосистемы, прослеживая судьбу (транспорт, трансформацию и удаление) таких поллютантов в окружающей среде» (По: С.А. Куценко, 2002).

В настоящее время под  экологической токсикологией понимается междисциплинарное научное направление, связанное с токсическим воздействием на живые организмы, преимущественно  на популяции организмов, и биоценозы, входящие в состав экосистем. Она изучает источники поступления вредных веществ в окружающую среду, их распространение в окружающей среде, действие на живые организмы. Человек, несомненно, является наивысшей ступенью в ряду биологических мишеней.

Позже в рамках экотоксикологии стали выделять в качестве само­стоятельного направления один из её разделов, получивший название «токсикология окружающей среды» (environmental toxicology).

Сформировалась тенденция  использовать термин «экотоксикология» только для обозначения суммы знаний, касающихся эффектов химикатов на экосистемы, исключая человека. Так, по Уолкеру и др. (1996) экотоксикология – учение о вредных эффектах химикатов на экосистемы (По: С.А. Куценко, 2002). Устраняя из круга рассматриваемых экотоксикологией объектов человека, это определение детерминирует различие между экотоксикологией и токсикологией окружающей среды, определяет предмет изучения последней. Термин «токсикология окружающей среды» предлагается использовать только для исследований прямого действия «загрязнителей» окружающей среды на человека.

В процессе изучения эффектов химических веществ, присутствующих в  окружающей среде, на человека и человеческие сообщества, токсикология окружающей среды оперирует уже устоявшимися категориями и понятиями классической токсикологии и применяет, как правило, ее традиционную экспериментальную, клиническую, эпидемиологическую методологию. Объектом исследований при этом являются механизмы, динамика развития, проявления неблагоприятных  эффектов действия токсикантов и продуктов их превращения в окружающей среде на человека.

Методологические различия между экотоксикологией и токсикологией окружающей среды полностью стираются, когда перед исследователем ставятся задачи оценить опосредованное действие загрязнителей на человеческие популяции (например обусловленное токсической модификацией биоты), или, напротив, выяснить механизмы действия химикатов, находящихся в среде, на представителей того или иного отдельного вида живых существ. В этой связи, с теоретических позиций, «токсикология окружающей среды» как наука является лишь частной проблемой «экотоксикологии», при этом методология, понятийный аппарат и структура наук – едины.

По С.А. Куценко (2002), содержанием  дисциплины «Экотоксикология» является учение об экотоксичности, а основными рассматриваемыми вопросами: характеристика ксенобиотического профиля среды обитания, проблемы экотоксикокинетики, экотоксикодинамики, экотоксикометрии.

В.С. Безель с соавторами (1994) отмечает, что экотоксикологические исследования направлены на изучение биологических систем надорганизменного уровня, подверженных техногенному загрязнению. Тогда естественно, что теоретической основой экотоксикологии служат фундаментальные закономерности функционирования и структуры природных систем популяционного и биоценотического ранга, активно разрабатываемые современной теоретической экологией. Важнейшее значение имеет общая концепция устойчивости и стабильности экологических систем.

Как отмечают Ф. Корте и др. (1997), к важнейшим задачам экотоксикологии относятся:

1) выявление степени вредного  воздействия (в качественном и  количественном отношении) и разработка  «лечебных мероприятий»;

2) выявление изменений  видового состава и функций  экосистемы.

В первом случае последствия  могут проявляться как в количественном, так и в качественном отношении. Исследования колебаний видового состава, а также взаимосвязей видов на одном трофическом уровне имеют  преимущественно качественный характер. Для экотоксикологии особенно важен фактор снижения разнообразия видов (диверсификация), так как уменьшение числа видов может повлечь за собой исчезновение существовавших ранее организмов-индикаторов. Если проводятся эпидемиологические исследования, то выпадение или снижение численности ведущих видов организмов требует проведения анализа тенденций развития биологических сообществ. Такие исследования являются еще одной задачей экотоксикологии, они могут способствовать выявлению степени риска и предотвращению опасных явлений.

Такое же важное значение, как и структурно-видовые изменения, имеют функциональные нарушения в экосистеме. Здесь речь идет о контрольных количественных параметрах роста организмов и обмена веществ.

Если под экотоксикологией понимать одно из направлений исследования экосистем, то ее важнейшими частями должны быть проблемы сохранения (при работе с ненарушенными экосистемами) и восстановления (для уже пострадавших систем). Обе эти цели могут быть достигнуты лишь на пути функционального моделирования. Однако в связи с тем, что нет никакой универсальной модели, разработка таких моделей, а также создание лабораторных и математических моделей или подобные исследования в естественных условиях проводят исходя из поставленной цели для решения какой-либо конкретной проблемы.

Считается, что по видовому составу легче поддаются изучению аграрные системы, чем природные  или близкие к природным экосистемы. Однако здесь требуются довольно дорогие исследования для количественной оценки экотоксикологического влияния агрохимических препаратов.

По мнению Ф. Корте и др. (1997), следует отказаться от применения термина экотоксичность, поскольку он предполагает точное и однозначное воздействие вещества на природу. В действительности это невозможно ввиду сложной структуры и путей взаимодействия химического вещества с природными объектами (индивидуальное, суммарное, синергическое, антагонистическое действия). Даже само понятие «экотоксикология» имеет некоторую неопределенность, поскольку оно появилось в виде кальки с английского ecotoxicology.

Трудности становления экологической  токсикологии в качестве самостоятельного направления связаны сегодня  с отсутствием достаточно строгой  теоретической основы, объединяющей накапливаемый полевой и экспериментальный  материал и объясняющий его. Неоднозначность  исходных данных, получаемых в различных  природных условиях и при различных  воздействиях, отсутствие объяснимой связи между натурными наблюдениями и экспериментом, оторванность теоретических  положений от конкретного их приложения к решению практических задач  – все это признаки новизны  научного направления, его первых шагов.

Упоминание человека в  качестве "биологической мишени" требует комментариев. Первоначально  сфера техногенного загрязнения  включала лишь ограниченные пространства бытовой и производственной деятельности человека. Вопросы воздействия разнообразных  токсичных веществ на человека или  млекопитающих длительное время  оставались предметом изучения ряда научных дисциплин медико-биологического направления: общей и частной  токсикологии, промышленной и коммунальной гигиены, гигиены питания и др.

В рамках этих направлений  мы стоим на последовательной антропоцентрической  позиции и ограничиваемся изучением  эффектов прямого токсического влияния  на человека — токсических проявлений на молекулярном, клеточно-тканевом и  организменном уровнях, а широко используемые в токсикологических  исследованиях лабораторные животные рассматриваются в качестве модельных  объектов, с различной мерой адекватности отражающих воздействие на человека. Направленность токсикологических исследований на человека оправдана еще и потому, что именно ему в условиях промышленного производства и в быту в первую очередь приходится сталкиваться с повышенными уровнями токсичных веществ.

Однако в последнее  время становится очевидным, что  человек как биологический вид  и человечество как социальное явление  в конечном итоге страдают не только от непосредственного влияния токсических  факторов, но и от вызываемых ими  существенных, иногда необратимых нарушений  состояния отдельных экосистем  и биосферы в целом. Эти аспекты, связанные с изменением качества окружающей природной среды как  среды обитания человека в результате ее токсического загрязнения, и являются содержанием экологической токсикологии.

Самостоятельность любого научного направления определяется наличием трех непременных его компонент: специфического предмета исследования, совокупности применяемых методов  и методик, а также поставленными  задачами.

Предмет экологической токсикологии — биологические системы надорганизменного уровня, подверженные токсическому загрязнению.

Своеобразие применяемых  методических подходов и методик определяется сочетанием методологии токсикологической науки и экологии. При этом физиологические, функциональные, биохимические и другие нарушения, вызванные действием загрязнителя на растительные и животные организмы, рассматриваются в качестве первичных токсических эффектов, вызывающих нарушение популяционных и биоценотических механизмов.

Отметим, что в настоящее  время мы располагаем оперативной  информацией о содержании токсичных  веществ в отдельных компонентах  биоты, а также оценками физических и химических параметров среды. Выявление значимости этих показателей для состояния изучаемых биологических систем и прогноза их будущего требует разработки специальных методических подходов, использующих виварные исследования, эксперименты и наблюдения в природных биоценозах, исследование загрязненных территорий, методы математического моделирования и экстраполяции. Эти и другие подходы отражают своеобразие методологии экологической токсикологии самостоятельного научного направления.

Важнейшая цель экотоксикологии, имеющая огромное прикладное значение, — разработка теоретических основ и основополагающих концепций взаимодействия природных экосистем и производительной деятельности человека.

Было бы неправильно ограничивать задачи экологической токсикологии только изучением потоков техногенных  веществ. Сегодня мы располагаем  данными о содержании токсикантов в отдельных компонентах биоты, однако это не отражает еще прямого биологического эффекта. Оценка значимости этих явлений для судьбы популяций и экосистем — важнейшая задача экологической токсикологии. Научно обоснованное предвидение судьбы биоценозов, подверженных влиянию токсического загрязнения, позволяет обоснованно говорить о рациональной эксплуатации природных экосистем, основываясь на допустимых уровнях воздействия.

Особенностью экологической  токсикологии является то, что при  изучении токсических эффектов на популяционном  и биоценотическом уровнях возрастает значение окружающей среды как активного  фактора, влияющего на поведение  токсикантов в отдельных компонентах биоты, их фиксацию и деструкцию в природных системах и как следствие этого определяющего уровни поступления их в живые организмы. Последнее обстоятельство особо важно, поскольку условия существования и функционирования природных популяций и биоценозов могут выступать в качестве модифицирующего фактора, усиливающего или ослабляющего прямое токсическое влияние.

Практическое  значение и актуальность эколого-токсикологических  исследований.

Объекты химико-токсикологического анализа чрезвычайно разнообразны. Это кровь, моча, рвотные массы, экскременты, внутренние органы трупов людей и животных, волосы, ногти, остатки пищевых продуктов и напитков, фураж, остатки лекарственных веществ, пестициды, средства дератизации и бытовой химии, посуда, предметы домашнего обихода, одежда, вода, земля и т. д.

Особую трудность для  исследования представляют биологиче­ские объекты животного происхождения (внутренние органы трупа, кровь, моча и т. п.).

В большинстве случаев  объекты исследования направляют на химико-токсикологический анализ в  связи с отравлением или подозрением  на отравление с постановкой основного  вопроса к химику: содержатся ли те или иные ядовитые или сильнодей­ствующие вещества в доставленном на анализ материале и, если содержатся, то в каких количествах? Могли ли найденные при анализе химические вещества причинить отравление?

В химико-токсикологических  лабораториях центров по ле­чению отравлений обычными объектами являются кровь, моча, рвотные массы, промывные воды желудка, иногда экскре­менты.

Основная задача исследования в этих случаях - возможность обнаружения  и определения химических веществ, вызвав­ших отравление. Результаты химико-токсикологического ана­лиза используются врачами для уточнения диагноза и оказания быстрой и эффективной помощи, для наблюдения за ходом лечения интоксикации и выведением яда и для других целей.

Вместе с мочой, рвотными массами и другими объектами  на химико-токсикологический анализ могут поступать остатки раз­личных лекарственных препаратов, химических веществ, содер­жимого домашней посуды, пищевых продуктов, части растений и т. п.

При химико-токсикологическом  исследовании остатков лекар­ственных препаратов ставятся и решаются вопросы о содержании в них ядовитых веществ, подлинности этих препаратов, о ко­личестве действующих веществ в них и т. п.

При исследовании частей растений в большинстве случаев решаются вопросы о возможной принадлежности этих частей к ядовитым растениям, о  том, какие химические вещества в  них содержатся, какие признаки отравления они могут вызвать и т. д. Вопросы, связанные с исследованием частей растений, часто решаются химиком  совместно с фармакогностом или даже направляются фармакогносту на специальное исследование.

При анализе остатков пищевых  продуктов и напитков в боль­шинстве случаев основным является вопрос о том, не содержит ли этот продукт введенных в него ядовитых химических веществ (соединения мышьяка, ртути, фториды и т. п.). Посуда может быть объектом химико-токсикологического исследования при подозрении на отравление через нее. В этих случаях может ста­виться вопрос о возможности извлечения из посуды (луженая, эмалированная, кадмированная и др.) в процессе приготовления или содержания в ней пищи химических веществ, которые могли вредно отразиться на состоянии здоровья человека (свинец, сурьма, кадмий и др.).

Объектами исследования могут  оказаться одежда и белье. Эти  объекты поступают на химико-токсикологический  анализ при подозрениях на обливание (с преступной целью) кислотой, например серной, при наличии на белье или  одежде пятен, подо­зрительных на остатки каких-либо химических веществ (краси­тели, пикриновая кислота, нитрат серебра и др.) или рвотных масс. Иногда на химико-токсикологический анализ направляется вода с подозрением на наличие в ней различных химических соединений, могущих причинить вред здоровью при ее использо­вании для питья или привести к гибели рыбы в водоеме.

Воздух, содержащий те или  иные ядовитые химические веще­ства (сероводород, формальдегид, бром, окись углерода и др.), также может быть объектом химико-токсикологического анали­за. Исследование воздуха промышленных предприятий на при­сутствие ядовитых или вредных для здоровья веществ и их ко­личественное определение в настоящее время выросло в особую область - промышленно-санитарную химию, получившую в на­шей стране особенно мощное развитие. Тем не менее токсиколо­гическая химия и промышленно-санитарная химия не потеряли связи между собой, они являются частями одной и той же дис­циплины и имеют много общего в методах исследования. В от­дельных случаях при нарушении правил техники безопасности или охраны труда вопросы о необходимости исследования воз­духа промышленных предприятий (а также шахт, колодцев, ем­костей) могут быть поставлены и перед химиком, работающим в области токсикологической (судебной) химии. Провизоры как лица, имеющие химическую и биологическую подготовку, успеш­но развивают иромышленно-санитарную химию.

Перечислить все объекты  и все вопросы, возникающие перед  практическими работниками в  области токсикологической хи­мии, не представляется возможным. Иногда их трудно даже предвидеть.

Помимо решения перечисленных  выше чисто практических задач, большое  место в токсикологической химии  принадлежит разработке и усовершенствованию химических, физико-хими­ческих и некоторых физических методов изолирования из раз­ных биологических объектов, очистки, качественного обнаруже­ния и количественного определения различных химических ве­ществ и соединении, на которые токсикология указывает как на яды, а фармакология  как на лекарства.

Изучение метаболизма  и биотрансформации ядовитых и ле­карственных веществ в организме и трупе и методов химическо­го доказательства продуктов превращения приобретает все больший интерес и значение. В связи с расширяющимися иссле­дованиями метаболизма ядовитых и особенно лекарственных веществ перед провизорами, посвятившими свою деятельность токсикологической химии, неизбежно встанут вопросы о разра­ботке методов синтеза химических веществ, встречающихся в качестве метаболитов, и дальнейших путей их анализа.

Важное значение не только для токсикологической химии, но и для ряда смежных с нею  дисциплин приобретает изучение распределения отдельных ядовитых, сильнодействующих и ле­карственных веществ в различных органах и системах, сохра­няемости их в живом организме и в трупе, возможности обнару­жения и определения одних веществ в присутствии других, ча­сто сопутствующих им, и многие другие вопросы, без решения которых невозможно дальнейшее развитие токсикологической химии и химико-токсикологического анализа.