На современном этапе развития естествознания все более явными становятся два причинно обусловленных процесса — дифференциация и интеграция отдельных наук.
Дифференциация и разделение наук — обусловлена прогрессом каждой из наук, совершенствованием методов исследования, возрастанием количества информации, расширением сфер практического применения достижений фундаментальных исследований. Дифференциация усиливает специализацию отдельных наук по более или менее узким разделам, приводит к созданию новых научных направлений, способствует возникновению новых смежных отраслей, лежащих на стыке уже существующих наук, содействует проникновению методов и представлений одних наук в другие. Интеграция — объединение отдельных наук — основана на возникновении крупных обобщающих научных теорий, базирующихся на достижениях каждой из наук, охватывающих всю сумму знаний, накопленных отдельными науками, способствует систематизации знаний. Эти два процесса — интеграция и дифференциация наук — тесно связаны друг с другом и обусловливают друг друга.
В XX веке основной тенденцией в развитии химии стало тесное ее взаимодействие с другими фундаментальными науками — математикой, физикой и биологией, образование новых разделов химии «на стыках наук».
Известно, что до середины прошлого столетия в химии, как и в естествознании вообще отрицалось, по существу, изменение, развитие. «Природа вообще, — писал Ф. Энгельс, — не представлялась тогда чем-то исторически развивающимся, имеющим свою историю во времени. Внимание обращалось только на протяжение в пространстве; различные формы группировались исследователями не одна за другой, а лишь одна подле другой…». А ведь вес процессы в природе закономерно развиваются во времени, т. е. все в природе изменяется.
Химия изучает химическую форму движения материи, которая охватывает внутреннее движение тел, способное привести к качественным изменениям, и сам процесс качественных изменений и внутреннего движения тел.
Биология изучает биологическую форму движения материи. Однако биологические процессы подчиняются также физическим и химическим закономерностям. Существуют общие закономерности, с помощью которых можно количественно описать развитие не только химических или физических процессов, но и биологических. Поэтому уже многие годы триумвират — биологи, физики и химики — плодотворно работает в области естествознания.
Почему же химики и физики так настойчиво стремились в биологию? Дело в том, что биохимические процессы осуществляются с участием тех же частиц, что и химические процессы. Это — молекулы, ионы, свободные радикалы и комплексы. Поэтому у экспериментаторов появилась возможность вмешательства в биологические процессы с помощью тех же агентов, которые участвуют в химическом процессе. Естественно, биологические процессы, биологические формы движения материи принципиально отличаются от химических форм материи. Например, только биологическим объектам свойственны размножение и обмен веществ. Однако в основе этих процессов лежат молекулярные механизмы, которые подчиняются законам физики и химии.
Кроме того, все процессы в биологии закономерно развиваются во времени. Поэтому они могут служить объектом изучения кинетики — науки о развитии процессов во времени.
Функционирование живого организма с точки зрения химии можно рассматривать как, осуществление сложнейшей совокупности сопряженных химических превращении протекающих под действием и при участии множества инициирующих, катализирующих, ингибирующих и регулирующих эти процессы химических и физических факторов. Это открывает обоснованные перспективы познания жизненных процессов и управления ими, делает возможным применение методов и представлений, свойственных химии, физике и математике, в биологических и медицинских исследованиях.
Кинетические исследования приобретают важное значение во многих областях естествознания. Если физическая и химическая кинетика уже реально оформились в самостоятельные научные дисциплины, то кинетика биологических процессов еще находится на начальных этапах становления. Между тем знание молекулярного механизма и объективных количественных закономерностей развития биологических процессов во времени — необходимое условие дальнейшего прогресса в биологии и медицине.
За последние два десятилетия эти положения стали настолько очевидными, что сейчас в ряде стран мира ученые различных специальностей — математики, физики, химики, биологи и врачи — работают совместно над решением биологических и медицинских проблем.
Рак, несомненно, относится к числу проблем, которые привлекают внимание человечества, и каждое новое достижение в этой области — весьма существенно.
В 1957 г. в Секторе кинетики химических и биологических процессов Института химической физики АН СССР были начаты систематические исследования кинетических закономерностей и молекулярных (главным образом свободно-радикальных) механизмов злокачественного роста, а также поиски рациональных принципов подхода к созданию эффективных противоопухолевых препаратов. Эти вопросы разрабатываются коллективом сотрудников Сектора и в настоящее время. Многочисленные экспериментальные исследования кинетики и механизма опухолевого роста привели к результатам, имеющим не только теоретическое, но и практическое значение, поскольку некоторые из предложенных Сектором химиотерапевтических препаратов нашли применение в клинике.
Кинетические кривые — наиболее распространенная форма представления результатов кинетических исследований. В биологии и медицине наряду с терминами «кинетика» и «кинетическая кривая» часто пользуются одним общим термином «динамика». Кинетическая кривая — это графическое изображение изменения некоторой величины F, характеризующей развитие процесса во времени. При этом под величиной F понимают любое свойство рассматриваемой системы, которое может быть измерено, а результат измерения представлен в виде числа для каждого заданного момента времени.
При построении кинетических кривых используют? величины, имеющие различную математическую природу. Некоторые из них изменяются во времени непрерывно, другие — только дискретно. Например, применительно к развитию опухоли непрерывно изменяющимися величинами могут быть объем или диаметр, площадь или вес опухоли, а дискретной функцией — изменение числа опухолевых клеток. В большинстве исследований кинетические кривые получают в результате статистической обработки экспериментальных данных. Для изучения развития опухоли, как правило, берут не одно животное, а группу и усредняют полученные результаты. Это позволяет построить вероятностную математическую модель опухолевого процесса, а затем разработать количественные и объективные методы оценки эффективности противоопухолевых средств в эксперименте и клинике, контроля за лечением больных.
В Институте химической физики созданы противоопухолевые препараты, относящиеся к новым классам химических соединений. Прежде всего, следует упомянуть дибунол, который применяют для лечения рака мочевого пузыря, циститов, а также лучевых ожогов, Этот препарат относится к классу малотоксичных антиоксидантов, является аналогом природных биоантиоксидантов. В настоящее время его производит Министерство медицинской промышленности СССР. Лечение рака мочевого пузыря дибунолом (30-дневный курс) в 60 раз дешевле, чем лечение антибиотиками. Работа коллектива ученых, практических врачей и производственников была в 1981 г. отмечена премией Совета Министров СССР. Второй препарат, нитрозометилмочевина, применяется для лечения некоторых форм рака легкого и лимфогрануломатоза с хорошим эффектом. Этот препарат применяется в других странах, в частности, в Югославии. Выявление эффективности этих препаратов полностью обязано кинетическим исследованиям,
В работах по созданию новых противоопухолевых Средств успешно применяется такой теоретический раздел химии, как квантовая химия, играющая важную роль в решении задач определения строения, веществ и установления связи между их строением и свойствами. Разработаны соответствующие методы, помогающие определять оптимальную химическую структуру вещества, Необходимого для достижения наибольшей эффективности его действия.
Исключительное значение имеет ранняя диагностика рака. Здесь весьма перспективно изучение разного рода биохимических и биофизических сдвигов, которые сопровождают развитие опухоли в тех или иных органах. Например, изменение парамагнитных свойств опухолевых тканей изучают методом электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), открытого в 1944 г. Этот метод позволяет обнаружить и идентифицировать так называемые Парамагнитные частицы — свободные радикалы и различные комплексы, изучать воздействие различных химических и физических факторов на живой организм, фиксировать отклонения, своеобразные «бури», возникающие при этих воздействиях и т. д. Так физика вторгается в изучение биохимических процессов, происходящих в живых организмах.
Один из насущных вопросов в проблеме рака — профилактика. Общеизвестно, что лечить рак все еще трудно, и поэтому поиски методов его профилактики чрезвычайно актуальны. Оказалось, что существует возможность защиты организма против действия некоторых Сильных химических канцерогенов. В частности, изучен Молекулярный механизм защиты от такого сильного канцерогена, как диметиламиноазобензол. При введении в Пищу животным одновременно канцерогена и дибунола ни у одного подопытного животного опухоли печени не возникает. По-видимому, следует развивать исследования методов профилактики рака путем применения синтетических биоантиоксидантов.
Несомненно, прогресс в области создания новых эффективных противоопухолевых препаратов тесно связан с достижениями фундаментальных наук: биологии, химии, физики и математики. Придание этой области медицины количественной строгости и дальнейшее внедрение в нее физических методов несомненно будет способствовать победе в борьбе с злокачественными новообразованиями.
Старение живых организмов представляет собой наиболее драматическую закономерность среди явлений природы. Процесс старения по самому своему смыслу есть процесс, протекающий во времени, и, следовательно, он с полным основанием становится предметом кинетических исследований. В последнее время был проведен строгий кинетический анализ закономерностей выживаемости и эффекта увеличения продолжительности жизни в эксперименте. При этом свойства геропротектора (вещества, замедляющего процесс старения) были обнаружены у одного из малотоксичных ингибиторов радикальных процессов, получившего лабораторное название «эпигпд» (хлоргидрат 2-этил-6-метил-3-оксипиридина).
Это очень интересное кинетическое направление исследований в столь волнующей всех людей области, как поиски путей увеличения продолжительности активной жизни. В данном случае речь идет лишь об экспериментальных исследованиях. Однако, видимо, нет принципиальных трудностей на пути разработки эффективных геропротекторов для человека.
Кинетические исследования в биологии, таким образом, позволяют количественно описывать развитие биологических процессов, влияние на них различных факторов, разрабатывать объективные критерии для оценки эффективности воздействий, стимулирующих положительные и тормозящих нежелательные изменения. Математическое описание кинетических закономерностей дает возможность определить различные параметры, которые могут быть использованы для моделирования исследуемых процессов и их анализа средствами современной вычислительной техники.
Уже сейчас нам известно много примеров, когда знание кинетики и детального механизма привело к сознательному управлению химическим и биологическим процессом. В химии это приводит к созданию новых высокоэффективных технологических процессов, к разработке новых принципов торможения нежелательных процессов (например, подавление окислительных реакций в смазочных маслах, полимерах, пищевых продуктах, лекарственных препаратах), к развитию приемов, стимулирующих воздействия химических и физических агентов на ход химического превращения и т. п. В биологии и медицине это открывает новые возможности рационального выбора способов лечения, контроля за ходом лечения и т. п.
Методологически полностью обоснованный кинетический подход к изучению явлений природы оказывается исключительно эффективным.
Автор: Н. М. Эмануэль, академик, лауреат Ленинской премии