Экологическая токсикология в системе биологических наук

Химическую войну невозможно выиграть, вся жизнь попадает под ее жестокий перекрестный огонь.

Р. Карсон

Предмет экологической токсикологии

Экстенсивный характер развития производительных сил общества имеет следствием растущую деградацию природной среды. Многочисленные исследования показывают, что последствия ядерного конфликта будут трагичны для природной среды и человека во всем мире. Но не все представляют себе, что энергия всех ядерных зарядов меньше, чем энергия, вырабатываемая ежегодно всеми энергетическими установками в мире. Фактически человечество живет в состоянии, энергетически эквивалентном продолжающейся ядерной войне. При этом в своем взаимодействии с природой человек длительное время пребывал в плену иллюзий о том, что:

• • возможно создание такой социальной системы, когда будет обеспечен высокий уровень благосостояния всего населения земного шара;
• • при этом можно не ограничивать численность живущих на Земле людей;
• • природная среда при этом будет сохранена.

Сегодня ясна необоснованность подобных упований.

Острота современной ситуации находит отражение в повышенном внимании общественности к проблемам охраны природы, которые чаще всего воспринимаются как проблемы экологические. Мы часто слышим о «плохой экологии» в каком-нибудь районе страны или города. Между тем экология и экологическая токсикология — это биологические науки, изучающие функционирование и стабильность природных систем. «Плохими» могут быть ученые-экологи или специалисты, отвечающие за сохранность природы, а не отдельные научные направления.

В связи с этим часто имеет место неоправданное тиражирование термина «экология», при котором эта биологическая наука рассматривается в качестве некоторой панацеи от всех бед современного общества. Подобное «размывание» границ научного направления, несомненно, не способствует решению конкретных проблем сохранности природной среды. Для решения этой задачи необходима строгость в определении предмета экологии и ее специфических методов. В равной мере это относится и к новому направлению экологической науки — экологической токсикологии.

Экотоксикология является ветвью токсикологии (toxicon — яд). История токсикологии теряется в глубине веков. Еще в каменном веке человек столкнулся с ядовитым действием различных веществ растительного и животного происхождения. Наиболее ранним документом, свидетельствующим о знаниях древних о ядах, считают Эберский папирус, написанный примерно за 1500 лет до н.э. Он содержит сведения о некоторых ядах, широко известных и в наше время (например, мышьяк). Уже в древние времена было известно, что пары металлов негативно влияют на развитие скелетных тканей. В греческой мифологии бог кустарничества изображался в виде колченогого человека с искривленным позвоночником.

Теоретически не существует веществ, лишенных токсичности. Еще крупнейший врач Средневековья Парацельс (1493—1541) писал: «Что является и что не является ядом? Все вещества являются ядами, и не бывает вещества без ядовитости. Только доза определяет ядовитость».

По мере освоения природной среды в поле зрения человека стали попадать все новые и новые ядовитые вещества, в том числе и антропогенные, т. е. такие, которые производились самим человеком в виде конечных продуктов его трудовой деятельности либо как промежуточные результаты этих процессов. 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 дробление этой науки. Появились, например, такие ее ветви и самостоятельные разделы, как токсикология металлов, пестицидов, полимеров, военная токсикология, токсикология замкнутых пространств.

Таким образом, первоначально сфера химического загрязнения включала ограниченные пространства бытовой и производственной деятельности человека. При этом под токсичностью понимали внутренне присущую химическому веществу способность оказывать вредное действие, которое проявляется только при взаимодействии вещества с живыми организмами (Общая токсикология, 2002). Проблемы негативного воздействия на млекопитающих токсических факторов среды, включая химическое загрязнение, решались дисциплинами медико-биологического направления: общей и частной токсикологией, промышленной и коммунальной гигиеной, гигиеной питания и т. д. При этом под токсикологией понимался раздел медицинской науки, изучающей свойства ядовитых веществ, механизмы их действия на живые организмы, сущность вызываемого ими патологического процесса, методы его лечения и предупреждения. Речь шла об обеспечении безопасных условий для человека при прямом токсическом влиянии химических и физических факторов среды. Подобные исследования изучают токсические проявления на молекулярно-генетическом, клеточно-тканевом и организменном уровнях. Направленность на человека полностью оправданна в силу его особого социального статуса и потому, что только человек впервые осознал роль повышенного содержания токсических веществ в окружающей бытовой и производственной среде.

Важнейшей целью токсикологических исследований стало установление безопасных уровней воздействия токсических факторов на человека. В 1986 г. Хиртом были введены первые предельно допустимые концентрации (ПДК) для хлористого водорода в воздухе для промышленных условий. В 1922 г. Наркомат труда СССР утвердил первые ПДК для трех химических веществ. В 1941 г. было утверждено уже 80 ПДК, в настоящее время таких утвержденных регламентов, например, в России насчитывается уже более 1000.

Сегодня под предельно допустимой концентрацией вещества понимается такая его концентрация в атмосфере, воде, почве, продуктах питания, воздействие которой не может вызвать заболеваний или отклонений в состоянии здоровья, обнаруживаемых современными методами исследования в процессе работы или в отдаленные сроки настоящего и последующих поколений.

Вводимые регламенты не являются чем-то раз и навсегда установленными. По мере расширения наших познаний о патологических процессах, по мере улучшения методов диагностики и по мере увеличения контингента лиц, подвергаемых действию токсических веществ, ПДК периодически пересматриваются (табл. 1.1). Например, допустимая концентрация анилина в воздухе за последние 40 лет была снижена в 1000 раз!

Таблица 1.1

Значения ПДК некоторых веществ.

Ориентация медиков-гигиенистов на защиту человека через использование системы ПДК предполагает возможность поступления токсических веществ по пищевым цепочкам. Например, регламентация содержания химических веществ в почвах основана на возможности их поступления в продукты питания. Но при этом не предусматривается защита составляющих почвы (почвенной фауны, микроорганизмов, водорослей и т. д.), определяющих плодородие этого, по В. И. Вернадскому, биокосного компонента, не ставится вопрос о влиянии загрязненных почв на растения и животных, обитающих на этих участках.

Очевидна несостоятельность формулировки Международной комиссии по радиационной защите (МКРЗ), согласно которой «если защищен человек, то окружающая среда защищена автоматически».

Начало развитию новой ветви науки — экологической токсикологии положила книга шведской журналистки Рашель Карсон «Молчаливая весна», вышедшая в 1962 г., 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. С научной беспристрастностью и публицистической страстью журналистка предупреждала: «Химическую войну невозможно выиграть, вся жизнь попадает под ее жесткий перекрестный огонь». Эта книга по праву может считаться первой публикацией по экологической токсикологии. Появились и другие: «Оскальпированная земля» Ф. Дугласа, «Трехсотлетняя война: хроника экологического бедствия» Д. Уинер, «Мировая динамика» Дж. Форрестера, «Пределы роста» Д. Л. Медоуза с прогнозами судьбы человечества в ближайшем будущем. Т. Колборн, Д. Думански и Дж. П. Майерс в книге «Наше украденное будущее» писали: «Многочисленные химические вещества, созданные руками человека и выброшенные им в окружающую среду, потенциально способны разрушить всю эндокринную систему животных, включая человека». Эти публикации привлекли всеобщее внимание. Появились общества защиты окружающей среды, правительственные законодательные акты, регламентирующие выбросы токсических веществ в окружающую среду.

В самостоятельную науку экотоксикологию (ecotoxicology) выделил Рене Траут, который впервые, в 1969 г., связал воедино два, казалось бы, разных научных направления — 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 г. 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. К этому времени стало очевидно негативное влияние человеческой деятельности на природные системы и самого человека. Отмечены многочисленные факты поражения лесных экосистем под влиянием выбросов металлургических предприятий (в Великобритании — район Манчестера, в Германии — Рур и др.). Стали известны случаи загрязнения водных объектов и вызванные этим заболевания населения (например, Минамата в Японии и др.). Общество осознало опасность широкого применения в сельском хозяйстве пестицидов. Накоплен большой опыт по диагностике и лечению отравлений человека металлами и рядом органических соединений, включая боевые отравляющие вещества. В эти годы активно разрабатываются такие важные для экологической токсикологии направления, как химический и радиационный мутагенез, эндемические заболевания человека и сельскохозяйственных животных, радиобиология.

В 1978 г. Батлер (G. С. Butler) рассматривал экотоксикологию как науку, изучающую токсические эффекты химических агентов на живые организмы, особенно на уровне популяций и сообществ, в пределах определенных экосистем. С. В. Левин и др. в 1989 г. определили ее как науку, прогнозирующую влияние химических веществ на экосистемы. В 1994 г. В. Форбс и Т. Форбс 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» (цит. по: Куценко, 2002).

Сегодня складывается ясное представление о том, что все происходящее в природе (прежде всего в результате антропогенной деятельности) не может быть безразличным для человечества. Имеется в виду не человек — потребитель природы, а человечество как ее неотрывная часть. Критичным для его судьбы окажется не ограниченность ресурсов биосферы, в том числе ее способность к «переработке» продуктов жизнедеятельности, а такие следствия развития цивилизации, как химическая деградация природной среды, изменение климата и в целом нарастающее экологическое неблагополучие. Очевидно, что предпринимаемые попытки свести регламентацию вредного воздействия на природную среду к действующим гигиеническим ПДК не адекватны реальным требованиям экологической регламентации. Современные медицинская гигиена и токсикология — это науки о сохранности здоровья человека. Экологическая токсикология — это наука о функционировании и стабильности природных систем надорганизменного уровня в условиях химического загрязнения среды. Таким образом, медицинская токсикология и экологическая токсикология не могут оперировать едиными критериями даже в случае выбора наиболее жестких из них (Кацнельсон и др., 1994, 1995).

В последние десятилетия проблема химического загрязнения природной среды вышла за рамки только прямого влияния на состояние здоровья человека. Вызванная загрязнением деградация природной среды требует разработки новых подходов к обеспечению безопасности существования и человека, и природы. Речь идет не просто об изменении масштабов воздействия на природную среду; необходимы принципиально новые подходы к проблеме ограничения токсического воздействия на нее.

Принципиально изменяется и понятие «загрязнение», включающее в себя все токсические поступления в биосферу продуктов человеческой деятельности. Антропогенное загрязнение — это неблагоприятная модификация естественной природной среды, следствием которой является изменение сложившихся распределений потоков энергии, вещества, радиационного фона и проявляющаяся в изменении состояния биоты.

В этих условиях именно экология с ее методами изучения и анализа процессов функционирования надорганизменных систем определяет подходы и решения проблем окружающей среды. Сегодня мы являемся свидетелями формирования новой ветви экологической науки — экологической токсикологии.

Мы придерживаемся официального определения экологической токсикологии, рекомендованного Международным научным комитетом по проблемам окружающей среды (СКОПЕ), которое было принято в 1978 г. на конференции этого комитета: экотоксикология — это «междисциплинарное научное направление, связанное с изучением токсических эффектов действия химических веществ на живые организмы, преимущественно на популяции организмов и биоценозы, входящие в состав экосистем, изучающее источники поступления вредных веществ в окружающую среду, их распространение в окружающей среде, действие на живые организмы. Несомненно, что человек является наивысшей ступенью в ряду биологических мишеней». В данном определении следует особо подчеркнуть надорганизменный характер изучаемых экотоксикологических эффектов (популяционных, биогеоценотических). Упоминание человека в определении экологической токсикологии «в ряду биологических мишеней», с нашей точки зрения, требует комментариев.

Ранее было отмечено, что человек находится в центре изучения всех направлений медицинской науки, включая токсикологию и гигиену. Сегодня при определении экологической токсикологии мы исходим из ясного понимания того, что и человек как биологический вид, и человечество как социальное явление в конечном счете страдают не только от непосредственного неблагоприятного воздействия антропогенных факторов, но рано или поздно от вызываемых этими же факторами существенных, а то и необратимых нарушений состояния отдельных биогеоценозов и биосферы в целом. В свое время Н. В. Тимофеев-Ресовский (1968) писал: «Наша основная задача — сохранить то состояние биосферы, которое существует на данный момент, потому что биосфера настолько сложная система, что нарушение границ ее устойчивости может привести к принципиально новому состоянию. Это состояние не обязательно будет худшим, но оно будет другим и пока не предсказуемым, а человек должен жить в предвидимом будущем».

Самостоятельность любого научного направления определяется следующими необходимыми компонентами. Объектом экологической токсикологии являются системы надорганизменного уровня (популяции организмов различного вида, их сообществ, биоценозы и биосфера в целом), в отличие от медицинской токсикологии, объектом которой выступают организмы. Предмет — реакция биологических систем надорганизменного уровня на антропогенное загрязнение среды. Теоретической основой экологической токсикологии служат фундаментальные закономерности функционирования и структуры подобных природных систем. Важнейшее значение имеет общая концепция их устойчивости и стабильного существования.

К важнейшим задачам экотоксикологии относятся:

• 1) разработка теоретических основ и основополагающих концепций взаимодействия человека с природными экосистемами;
• 2) выявление степени вредного воздействия или риска (в качественном и количественном отношении), предотвращение опасных явлений, разработка мероприятий по восстановлению биологических систем;
• 3) выявление структурно-видовых изменений надорганизменных систем. Для экотоксикологии особенно важен фактор снижения разнообразия видов (диверсификация), так как именно он определяет стабильное функционирование природных систем.

Близкие к экотоксикологическим задачи решает и смежное направление экологической науки — биоиндикация состояния природных систем. В отличие от экологической токсикологии в рамках биоиндикации фиксируется оперативное состояние биологических систем, подверженных антропогенному влиянию. Изучение механизмов поражения и прогноз будущего таких систем не является задачей собственно биоиндикации (табл. 1.2).

Таблица 1.2

Различия экологической токсикологии и биоиндикации природных систем (по: Покаржевский и др., 2003).

Изложенное определяет своеобразие методов и подходов экологической токсикологии. В экологической токсикологии физиологические, биохимические, функциональные и другие эффекты, вызванные токсическим фактором, рассматриваются в качестве первичных эффектов, имеющих следствием нарушение популяционных и биоценотических механизмов.

Экологическая токсикология использует весь арсенал традиционных методов экологии, но наибольшее значение имеют следующие:

• • виварные эксперименты с затравкой животных и растений в климатических камерах;
• • эксперименты и наблюдения в природных биогеоценозах, подверженных влиянию антропогенного загрязнения;
• • математическое моделирование и экстраполяция.

Как всякое научное направление, экологическая токсикология базируется на достижениях смежных наук, прежде всего на фундаментальных достижениях экологии и медицинской токсикологии. Современная экотоксикология исходит из основных положений популяционной экологии (Г. Ф. Гаузе), генетики популяций (С. С. Четвериков, С. С. Шварц, Н. В. Тимофеев-Ресовский), концепции биогеоценоза (В. Н. Сукачев), медицинской токсикологии и гигиены (Н. В. Лазарев).

Укажем еще на одно очень важное обстоятельство. Изучение природных систем, оказавшихся под интенсивным антропогенным прессом, представляет нам очень важную информацию о том, как функционируют природные системы в нормальных условиях. В связи с этим место экологической токсикологии в системе биологических наук определяется тем, что процессы трансформации, вызванные химическим загрязнением природных систем, представляют собой естественную реакцию, которую можно рассматривать в качестве микроэволюционных преобразований на популяционном и биоценотическом уровнях (Шварц, 1974).

С точки зрения экологии подобные химически деградированные системы следует рассматривать в качестве естественного полигона для изучения быстрых микроэволюционных процессов, основанных на видовой норме реакции, диапазоне изменчивости популяционных процессов, а также на адаптивных возможностях изучаемых систем. Следовательно, стабильность биологических систем, подверженных химическому влиянию различного уровня, поддерживается за счет биологической пластичности и популяционной внутривидовой разнородности природных сообществ животных и растительных ценопопуляций (Шварц, 1976).

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 (Иваненко, 2006).

Оценочные средства

Вопросы для подготовки студентов к семинарскому занятию.

• 1. Кто и в каком году выделил в самостоятельную науку экологическую токсикологию?
• 2. В каком году был введен термин «экологическая токсикология». Что он означает?
• 3. Что легло в основу создания экологической токсикологии как научной дисциплины? Как шло ее становление?
• 4. Каково место экологической токсикологии в системе экологических и медицинских наук?
• 5. Что представляет собой экотоксикология как направление общей экологии?
• 6. Каковы медицинские и экологические аспекты экотоксикологии?
• 7. Что является предметом и объектом экологической токсикологии?
• 8. Каковы особенности методов, используемых в экологической токсикологии?
• 9. Что такое предельно допустимая доза (концентрация)?
• 10. Для кого и с какой целью введены уровни предельно допустимых концентраций?

Типовые задания для текущего контроля успеваемости СК-1:

• 1. Охарактеризуйте методологический аппарат (объект, предмет, методы, цель и задачи изучения) экологической токсикологии.
• 2. Обоснуйте отличие экологической токсикологии от медицинской токсикологии.
• 3. Объясните, почему экологическая токсикология возникла на стыке таких наук, как экология, медицинская токсикология и промышленная гигиена.

СК-5:

• 4. Объясните, в чем состоит сущность экологической токсикологии и ее отличие от биоиндикации.
• 5. Раскройте понятие предельно допустимой дозы (концентрации), применяемой в медицинской токсикологии и гигиене. Почему периодически необходимо пересматривать вводимые гигиенические нормативы?
• 6. Раскройте особенности методов экологической токсикологии.

СК-8:

• 7. Выскажете предположения о методах установления предельно допустимых концентраций.
• 8. Спрогнозируйте, что произойдет с биотой в случае превышения предельно допустимой концентрации какого-либо вещества?