Физиологические аспекты поведенческих реакций животных вследствие воздействия токсинов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

"ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ"

Химико-биологический факультет

Кафедра биологии и почвоведения

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине: "Мониторинг и экологическая экспертиза"

на тему: "Физиологические аспекты поведенческих реакций животных вследствие воздействия токсинов"

Исполнитель: студентка группы 13 Био(ба)-Бэ

М.Е. Егорова

Руководитель работы: канд. биол. наук, доцент

А.В. Шамраев

Оренбург - 2016

Содержание

Аннотация

Введение

1. Актуальные аспекты исследований поведения животных

1.1 Ретроспективный анализ научной информации по изучению поведенческих реакций позвоночных животных

1.2 Характеристика поведенческих реакций животных

2. Особенности воздействия токсических веществ на морфофизиологические особенности животных

2.1 Характеристика токсических веществ

2.2 Типы классификации вредных веществ и отравлений

2.3 Общее и специфическое воздействие вредных веществ

2.4 Последствия влияния ядов на организм

3. Использование лабораторных крыс в токсикологическом эксперименте

3.1 Острые, подострые и хронические эксперименты

3.2 Способы введения токсических веществ

3.3 Методика теста "Открытое поле"

3.4 Методика теста "Приподнятый крестообразный лабиринт"

3.5 Методика условного рефлекса пассивного избегания

3.6 Характер поведения и условно-рефлекторные реакции крыс под влиянием токсических веществ

Заключение

Список использованных источников



Аннотация

Курсовая работа посвящена физиологическим аспектам поведенческих реакций вследствие воздействия токсинов.

Структура курсовой работы выглядит следующим образом.

В первой главе данной курсовой работы рассматриваются актуальные аспекты исследований поведения животных.

Во второй главе рассматриваются особенности воздействия токсических веществ на животных.

В третьей главе рассматривается использование лабораторных крыс в токсикологическом эксперименте.

В заключении сделаны выводы об особенностях воздействия и возможных последствиях токсических веществ на животных.

Работа содержит 36 листов текста, 4 рисунка, 1 таблицу, 1 формулу, 32 использованных источника.



Введение

В окружающей природной среде находится огромное количество химических соединений, действие которых на живые организмы развивает токсический процесс. Действие же малых доз химических веществ не оказывает губительного влияния на живые организмы. Данные химические вещества, которые в соприкосновении с живыми организмами в определенных условиях среды обитания и в определенном количестве способны оказывать повреждающее влияние на живые организмы, вплоть до гибели, называются токсическими веществами или токсикантами. Действие этих веществ на живые организмы изучает наука токсикология. Нет одной классификации, которая бы объединила все существующие токсические вещества, существуют множество классификаций, к которым относят вещества по различным признакам.

Токсические вещества оказывают на живые организмы губительные действия, которые называются токсикациями. Токсикации оказывают огромный вред живому организму, которые проявляются в изменении поведенческих реакций. Поведенческие реакции бывают врожденными и приобретенными. Поведенческие реакции изучаются наукой этологией.

Для того, чтобы выяснить токсичность того или иного вещества проводят токсикологические экспертизы. Токсикологические экспертизы проводят на лабораторных животных, с использованием разработанных методик и предписаний. Наиболее часто используются грызуны (мыши, крысы, морские свинки, кролики).

Целью данной курсовой работы является выявление физиологических аспектов поведенческих реакций вследствие воздействия токсинов.

Объектами исследования являются живые организмы.

Предмет исследования является воздействие токсических веществ на морфофизиологические особенности живых организмов.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Рассмотреть поведенческие реакции животных: ретроспективный анализ научной информации и характеристика поведенческих реакций;

2. Рассмотреть особенности воздействия токсических веществ на живые организмы, характеристику, классификацию токсических веществ;

3. Рассмотреть использование лабораторных крыс в токсикологическом эксперименте, характер их поведения и условно-рефлекторные реакции под влиянием токсических веществ.



1. Актуальные аспекты исследований поведения животных

1.1 Ретроспективный анализ научной информации по изучению поведенческих реакций позвоночных животных

Первые работы по изучению поведенческих реакций животных относятся к XVIII веку, когда Д. Уайтом и Ш.Ж. Леруа впервые был применён научный подход к изучению поведения животных. Основоположником изучения поведения животных также является Ч. Дарвин. Своей теорией естественного отбора он заложил основу эволюционной точки зрения на поведение животных. Кроме того, Ч. Дарвин проводил многочисленные наблюдения за поведением животных, которые доказывают эволюционное единство человека как биологического вида с другими животными. Он впервые сформулировал представление об инстинкте, которое было с успехом использовано в классической этологии.

Систематическое изучение поведения животных началось со второй половины XVIII века. Многие известные натуралисты - Ж. Бюффон, Р. Реомюр, А. Таллер, Э. Кондильяк, Г. Реймарус - начали серьезное изучение поведения животных, делая попытки дать характеристику его отдельным категориям. С этого момента изучение поведения животных становится важной частью изучения природы с естественнонаучной точки зрения [1,3,5] Ж. Бюффон (1707-1788) делает попытку создания широкой природной системы. Он использовал материал, который характеризует не только морфологические особенности разных видов животных, но и их образ жизни, нравы, привычки и поведение. Его труды содержат подробное для своего времени описание особенностей поведения животных. Описывая "естественную историю" отдельных видов Ж. Бюффон полагал, что одни виды животных умнее других, то есть допускал различие в их умственных способностях. Таким образом, заслуга Ж. Бюффона заключается в том, что он одним из первых способствовал созданию предпосылок для классификации отдельных форм поведения различных групп животных.

В 1809 году была издана книга Ж. Ламарка " Философия зоологии". Ж. Ламарк в значительной степени на основе изменения поведения животных построил свою теорию эволюции. Он особое внимание уделял рассмотрению строения и функций нервной системы и дал характеристику основным чертам поведения животных. Основываясь на четком определении физиологической функции головного мозга. Ж. Ламарк особое внимание обращал на параллельное усложнение строения нервной системы и поведения животных разного уровня филогенетического развития. Усложнение строение нервной системы животных он сопоставил со сложностью ее функциональных проявлений. Важнейшим шагом вперед, который прояснил вопрос исторического развития нервной деятельности, послужило введение Ж. Ламарков эволюционного принципа в рассмотрении усложнения у животных нервной организации и ее деятельности [2,4].

В первой половине XIX века исследования поведения животных обстоятельно проводил Фридрих Кювье (1773-1838). Ф. Кювье свои познания об особенностях поведения животных добывал из непосредственных наблюдений за ними. Его работы являются одними из первых, в которых было проведено широкое сравнительно-поведенческое исследование. Ф. Кювье, параллельно исследуя поведение животных и анатомию их мозга, делал попытки установить соответствие между усложнением поведения и морфологией мозга в филогенезе (Меннинг, 1982).

Таким образом, конец XVIII и начало XIX веков являются таким периодом в истории науки, который привлек внимание многих крупнейших натуралистов к изучению поведения животных. В этот период были сделаны попытки выделения и описания различных сторон поведения животных и в результате, наконец, начались экспериментальные изучения поведения животных. (Крушинский, 1986)

Данные о поведении животных, накопленные многими исследователями и натуралистами, являются материалом для крупнейшего обобщения, которое произвело научную революцию в естествознании. В 1859 году была издана книга Чарльза Дарвина "Происхождение видов", являющаяся значительнейшим событием во многих областях естествознания, в том числе и для изучения поведения животных.

Также и сам Ч. Дарвин осуществлял сравнительное изучение поведения животных. Наиболее известный его труд в изучении поведения животных - это "Выражение эмоций у человека и животных"(Ghiselin, 1973). После формулирования Ч. Дарвином основной направляющей причины эволюции поведения, Д. Роменс (1888) опубликовал работу " Ум животных", в которой приведена обширная сводка по изучению поведенческой деятельности беспозвоночных и позвоночных животных [6].

1.2 Характеристика поведенческих реакций животных

Поведение животных представляет собой сочетание врожденных форм поведения и индивидуально приобретенного жизненного опыта. Сложные поведенческие реакции, которые свойственны данному виду животных и передающиеся по наследству, называются инстинктами. В основе инстинктов лежат комплексы безусловных рефлексов, которые реализуются в обычных условиях жизни в ответ на раздражения. Инстинкты, являющиеся продуктом естественного отбора, направлены на сохранение и воспроизводство вида.

Врожденными формами поведения являются эмоции. Эмоции присущи всем видам животных.

Приобретенные, то есть индивидуальные формы поведения у животных складываются из их способности к обучению и мышлению. Обучение - это формирование определенного поведения животных в процессе индивидуального развития с момента рождения. Основное значение в обучении играет окружающая среда. В процессе обучения на основе уже существующих врожденных инстинктов у животных возникают и закрепляются новые - условные рефлексы [7,8,9].

Условные рефлексы имеют способность сохраняться в течение долгого времени, а иногда и всей последующей жизни животного, но могут затормаживаться и исчезать навсегда, в случае, когда нет в них необходимости. поведение рефлекторная токсическое отравление

У животных в процессе обучения могут вырабатываться как полезные, так и вредные условные рефлексы. К формированию вредных условных рефлексов приводит, например, неправильное обращение с животными (побои, грубый окрик, причинение боли).

В обучении животных важную роль играют также импринтинг (запечатление) и подражание. Импринтинг - запоминание окружающих предметов и обстановки (одна из форм проявления ранней памяти). Детеныши запоминают мать, неподвижные предметы вокруг логова или гнезда, место обитания. Многие животные инстинктивно перемещаются за движущимся предметом (утята, гусята и цыплята обычно следуют стайкой или цепочкой за матерью; если вместо матери перед ними идет человек - они его "запечатлевают" и двигаются за ним, как за матерью).

Таким образом, в импринтинге сочетаются как врожденные формы поведения, так и индивидуально приобретенные условные реакции [11].

Подражание также является формой обучения. Подражая матери или другим животным, молодняк обучается выбирать и принимать корм, правилам поведения внутри группы. Обучению способствует игровая форма поведения. В играх со сверстниками или взрослыми животными отрабатываются элементы взрослого поведения - охоты, нападения, защиты.

Таким образом, импринтинг и подражание приводят к развитию новых рефлекторных реакций и сложных форм поведения на основании уже собственного опыта. Но не всегда, проводя анализ поведения животных, возможно объяснить его обучением или подражанием другим животным и закрепленными условными рефлексами.

Многим животным присуще и мышление, которое проявляется в форме инсайта (озарение) и элементарной рассудочной деятельности. Инсайт - проявление у животных определенной реакции без предварительных проб и ошибок (не является условным рефлексом). Животное начинает понимать отношения между стимулами или событиями и у него внезапно возникает новая реакция. Первоначально реакции типа инсайта были описаны у человекообразных обезьян, когда шимпанзе, для того чтобы достать высоко подвешенный банан, составляли пирамиду из ящиков и залезали на нее или же использовали палки как орудия труда.

Физиологические механизмы инсайта объяснить весьма трудно, так как не всегда ясно, чем именно этот процесс отличается от научения или подражания. Однако большинство зоопсихологов признают, что инсайт включает в себя элементы мышления, так как животные обнаруживают причинно-следственные связи между предметами и явлениями, используя их в достижении своей цели [10, 12].

Еще меньше изучена элементарная рассудочная деятельность животных. Животные улавливают простейшие эмпирические законы, то есть те, которые выведены из собственного опыта, которые связывают предметы и явления окружающей среды, и способны оперировать ими при выстраивании своего поведения.

Рассудочная деятельность основывается на способности отдельных нейронов мозга выборочно реагировать на раздражители в зависимости от их свойств и расположения в пространстве. Для осуществления рассудочной деятельности необходим избыток нейронов в мозге для восприятия всех разнообразных объектах окружающей среды, а также хорошо развитые взаимосвязи между ними, то есть сложная система синаптических контактов между нейронами.

Рассудочная деятельность любой сложности состоит из следующих последовательных этапов:

1. Восприятие информации, которое является функцией анализаторов. Центральный аппарат восприятия заложен в сенсорных отделах коры больших полушарий. Сбор информации обо всех проявлениях окружающей среды и отдельных раздражителей называется аналитической функцией мозга.

2. Отбор наиболее существенной информации, которая необходима для принятия решения определенной задачи - синтетическая функция мозга. Оба эти процесса происходят при участии эмоций, благодаря которым оценивается биологическое значение раздражителей и самого поведения. Проводится функциональное объединение отдельных нейронов, обеспечивающие аналитико-синтетическую деятельность мозга.

3. В процессе синтеза осуществляется принятие решения, который направлен на выполнение биологически адекватного поведенческого акта в данной обстановке [13].

Таким образом, мышление животных основано на аналитико-синтетической интерпретации корой больших полушарий головного мозга внешних воздействий, биологических потребностей и условно-рефлекторной деятельности. Конкретное мышление дает возможность животным использовать собственный жизненный опыт для изучения конкретной ситуации и принятия решения, которое отражается в соответствующем поведении.

С момента рождения у животных начинается развиваться сознание, то есть восприятие происходящих событий окружающей действительности, что является основным компонентом его поведения, которое направленно на выживание (инстинкт самосохранения). Однако для принятия правильного решения животное должно обладать информацией и о своем месте в среде обитания на основе индивидуального опыта.

Таким образом, поведение животных основывается на трёх важных компонентах высшей нервной деятельности: инстинктах, обучаемости и рассудке.

В зависимости от преобладания каждого из вышеперечисленных компонентов можно условно охарактеризовать ту или иную форму поведения животного как инстинктивную, условно-рефлекторную или рассудочную [14,15,16].



2. Особенности воздействия токсических веществ на морфофизиологические особенности животных

2.1 Характеристика токсических веществ

Токсические вещества - химические вещества, которые в соприкосновении с живыми организмами в определенных условиях среды обитания и в определенном количестве способно оказывать повреждающее влияние на живые организмы, вплоть до гибели. Практически любое химическое вещество, в зависимости от действующего количества и условий взаимодействия, может быть безразличным, полезным и вредным для организма.

Вещества, которые вызывают не только интоксикацию, но провоцируют и другие формы токсического процесса, называют - токсикантами. Токсикантами могут быть абсолютно любые химические соединения, которые способны вызывать повреждение или гибель, оказывая действие на биологические системы не механическим путем.

Очень часто используют термин ксенобиотики. Ксенобиотики - это чужеродные для организма химические соединения, которые в любом количестве способны оказывать на организм неблагоприятное воздействие. К ним относятся препараты бытовой химии, промышленные загрязнители, лекарственные средства, пестициды, то есть соединения, которые не образуются в живых организмах, а синтезируются искусственным путем человеком [17,18,21].

При попадании в окружающую природную среду ксенобиотики имеют способность нарушать природные процессы в биосфере, поэтому необходимо изучать пути попадания, миграции и превращений ксенобиотиков в биологических объектах для того, чтобы разрабатывать меры по защите окружающей среды. Вредные вещества образуются, как в организме (эндогенные), так и вне организма (экзогенные).

Вещества значительно различаются по степени токсичности и опасности. Чем в наименьшем количестве вещество способно вызывать повреждение организма, тем оно токсичнее.

Саноцкий И.В. дал понятие токсичности, как меры несовместимости вещества с жизнью или способности вещества оказывать вред всему живому. Теоретически не существует веществ, которые были бы лишены токсичности. В определенных условиях обязательно обнаруживается биологический объект, который способен реагировать на действие вещества в определенных дозах повреждением, нарушением функций или гибелью.

Опасность вещества или вероятность вредного воздействия химического соединения, наиболее часто, может проявляться в реальных условиях производства. Поэтому опасность химических соединений не может характеризоваться одной величиной для всех случаев, а имеет ряд параметров (летучесть, растворимость веществ, температура, влажность).

Механизм взаимодействия вещества с биологическим объектом является основой токсического действия, он приводит к развитию токсического процесса. Интоксикация является одним из внешних признаков проявления токсического процесса. Патологическое состояние или нарушение функций биологических систем, которое развивается при взаимодействии токсиканта с организмом, называют интоксикацией вещества или отравлением [19,20,21]

Токсикология изучает закономерности развития токсического процесса и явления, которые возникают при взаимодействии химических веществ и живых организмов, поэтому это наука о токсичности и токсическом процессе.

Строение вещества и его концентрация влияют на механизмы формирования и развития токсического процесса. Формирование токсического процесса также зависит от вида и свойств биологического объекта.

Токсичность вещества изучается на разных уровнях организации живого (клетки, органа, организма, популяции). Токсический процесс проявляется на клеточном уровне в виде обратимых структурно-функциональных изменений, преждевременной гибелью (некрозом), мутациями. На уровне органа или системы в виде различных заболеваний, функциональных реакций (учащение дыхания, лейкоцитоз). На уровне целостного организма в виде болезней химической этиологии (например, отравления), психических и физических нагрузок (например, аллергией, повышенной утомляемостью), нарушений репродуктивных функций и на уровне популяций и биогеоценозов в виде роста заболеваемости, смертности, нарушения демографических характеристик популяций (соотношение возраста, пола) [22,23].

В зависимости от продолжительности взаимодействия химического вещества и организма интоксикации могут быть острыми и хроническими.

Острой называется интоксикация, развивающаяся в результате однократного или повторного действия веществ в течение ограниченного периода времени (как правило, до нескольких суток). Хронической называется интоксикация, которая развивается в результате продолжительного периода действия токсиканта. При интоксикации организма выделяют периоды: контакта с веществом, скрытый, обострения и период выздоровления. Выраженность и продолжительность периодов зависит от вида и свойств вещества, дозы и условий взаимодействия с организмом.

В зависимости от локализации патологического процесса интоксикация может быть местной и общей. При местной интоксикации патологический процесс развивается непосредственно на месте аппликации яда. Например, поражение глаз и отдельных участков кожи, под действием кислот, щелочей, проявляется в виде воспалительных и некротических изменений. При общей интоксикации в патологический процесс вовлекаются органы и системы организма удаленные от места аппликации яда, в результате резорбции токсиканта во внутренние среды. Если система или орган имеют низкий порог чувствительности к токсиканту, то при воздействии определенных концентраций (доз) возможно избирательное поражение этого органа или системы. А вещества, порог чувствительности к которым значительно ниже одних органов по сравнению с другими называют избирательно действующими (нефротоксиканты - соли ртути, гематотоксиканты - мышьяковистый водород). Избирательное действие вещества наблюдается редко и чаще интоксикация носит смешенный характер [24,25,26].

В зависимости от интенсивности воздействия химического соединения, которая обусловлена концентрацией вещества и временем, интоксикация может быть тяжелой, средней тяжести и легкой. Тяжелая интоксикация это угрожающее жизни состояние, крайней формой которого является смертельное отравление. Возможность длительного течения, развития осложнений, а также необратимых повреждений органов и систем - интоксикация средней тяжести. Легкая интоксикация подразумевает полное выздоровление в течение нескольких суток [27].

2.2 Типы классификации вредных веществ и отравлений

Огромное количество химических соединений, которые использует человек, и разнообразный характер их биологического действия, являются препятствием для создания единой классификации токсических веществ. Таким образом, на сегодняшний день, пользуются различными типами классификации токсических веществ и отравлений. Например, химическая классифицирует все химические вещества на органические, неорганические и элементарно-органические [5,11,26,28].

Существуют классификации, которые учитывают происхождение токсических веществ и их принадлежность к определенному классу химических соединений. Очень часто химическая опасность токсических веществ классифицируется нескольким принципам:

По происхождению:

а) Токсические вещества естественного происхождения:

- неорганические соединения;

- биологические (бактериальные, растительные токсины и животные яды).

б) Токсические вещества неорганического происхождения;

в) Синтетические токсические вещества, в том числе органические соединения небиологического происхождения.

По практическому использованию:

- токсические вещества, которые применяют в промышленности (растворители, топливо, красители);

- побочные продукты и отходы химического производства;

- химикаты, которые применяют в сельском хозяйстве (пестициды, гербициды, инсектициды);

- лекарственные препараты;

- химикаты, которые используют в быту (пищевые добавки, косметика, средства санитарии и ухода за одеждой, мебелью, автомобилями);

- боевые отравляющие вещества (БОВ) - иприт, зарин.

По характеру воздействия:

- психотропного действия - наркотики (кокаин, опий), БОВ (Би-зет, ЛСД);

- нервнопаралитического действия (карбофос, зарин);

- кожно-резорбтивного действия (дихлорэтан, ртуть, мышьяк);

- общетоксического действия, которые сопровождаются симптомами гипоксических судорог, отека мозга, паралича (цианистый водород, алкоголь и его суррогаты);

- удушающего действия с симптомом отека легких (оксиды азота, фосген);

- слезоточивого и раздражающего действия (хлорпикрин, БОВ, пары сильных кислот и щелочей); [15,17,22]

По признаку "избирательной токсичности":

- сердечные токсические вещества, вызывающие нарушение сердечного ритма, поражение сердечной мышцы (сердечные гликозиды, соли бария, калия);

- нервные токсические вещества, вызывающие психические нарушения, параличи, кому (наркотики, фосфорорганические соединения, алкоголь);

- печеночные яды, вызывающие поражение печени (ядовитые грибы, фенолы);

- почечные яды, вызывающие поражение почек (соединения тяжелых металлов, щавелевая кислота);

- кровяные яды, вызывающие разрушение эритроцитов и изменяющие свойство гемоглобина связываться с кислородом крови (нитриты, мышьяковистый водород);

- желудочно-кишечные яды, поражающие различные отделы желудочно-кишечного тракта (соединения тяжелых металлов, сильные кислоты и щелочи);

- легочные яды, поражающие легкие, вызывающие отек легких (окислы азота).

За основу гигиенической классификации принята количественная оценка опасности химических соединений, которая получена на основании экспериментальных данных по определению их предельно-допустимой концентрации (ПДК) и других показателей. По данной классификации токсические вещества делятся на классы:

I - чрезвычайно токсичные;

II - высоко токсичные;

III - умеренно токсичные;

IV - малотоксичные [27,28].

Все биологические организмы постоянно взаимодействуют с окружающей средой, если время наблюдения организма не длительное, то его состояние можно считать стационарным. Такое состояние назвали гомеостазом (способностью живого организма к авторегуляции при изменении условий окружающей среды). Выраженность нарушений под действием токсических веществ, находится в прямой зависимости от степени воздействия. При воздействии токсического вещества происходит нарушение гомеостаза, но такое состояние может происходить редко. При воздействии очень малых концентраций нарушения состояния равновесия не происходит, так как в процессе эволюции сформировалась система детоксикации организма, такую способность организма на влияние определенного количества токсических веществ без формирования токсического эффекта называют толерантностью.

Состояние организма, которое развивается в результате взаимодействия токсического вещества и организма, называется отравлением или интоксикацией [5,21,30]

По причине возникновения отравления бывают:

- случайные, независящие от воли пострадавшего;

- преднамеренные, которые связаны с осознанным применением токсического вещества.

По конкретным условиям возникновения отравления делятся:

а) Производственные, развивающиеся при воздействии токсических веществ, в результате нарушения техники безопасности при работе с вредными веществами;

б) Бытовые, которые возникают в результате неправильного использования и хранения препаратов в домашних условиях и неумеренного приёма алкоголя и его суррогатов.

Среди производственных отравлений доминируют ингаляционные, а среди бытовых - поступление токсических веществ через рот [15,31,32].

Также отравления могут быть эндогенного и экзогенного происхождения, вызывающиеся поступлением токсических веществ в организм человека из окружающей среды или в результате образования и накопления токсических веществ при различных заболеваниях печени, почек.

По клиническому принципу отравления бывают острые и хронические. Острые отравления могут развиваться при одномоментном поступлении в организм токсической дозы вещества, и характеризуется острым началом и выраженными специфическими симптомами. Хронические отравления обусловлены длительным, часто прерывистым, поступлением ядов в малых дозах. Заболевание начинается с появления мало специфических симптомов, которые отражают первичное нарушение функций главным образом нервной и эндокринной систем [23,29,32].

Острые отравления, характеризующиеся острым началом и выраженными специфическими симптомами, развиваются при одномоментном поступлении в организм токсической дозы вещества. Хронические отравления, обусловлены длительным, часто прерывистым, поступлением токсических веществ в небольших дозах. Заболевание начинается с появления неспецифических симптомов, отражающие незначительное нарушение функций нервной и эндокринной систем.

По степени тяжести отравления делятся на:

- легкие;

- средние;

- тяжелые;

- крайне тяжелые;

- смертельные.

Такие отравления в большинстве случаев не зависят от количества принятого токсического вещества и прямо зависят от выраженности клинической симптоматики [1,4,6,11,17].

2.3 Общее и специфическое воздействие вредных веществ

Для развития токсического эффекта огромное значение имеют два показателя: количество токсического вещества и время, в течение которого это вещество будет оказывать свое действие. Такая зависимость между концентрацией вредного вещества, временем его воздействия и токсическим эффектом при поступлении через дыхательные пути имеет количественное выражение в виде формулы Габера (1):

W=С_xt или C_xt=const, (1)

где С - концентрация яда;

t - время воздействия;

W - величина токсического эффекта.

Веществом, для которого формула Габера справедлива, является фосген. Для него время воздействия и концентрация, определяются соотношением: С_xt=450. При различных вариациях изменения концентрации и времени их произведение не изменяется и равно 450. Поэтому при концентрации фосгена 45 мг/м³ время воздействия составит 10 мин., а при 10 мг/м^3-45 мин [7,9,24].

Формула Габэра применима не ко всем веществам, например, цианистый водород. При уменьшении его концентрации, вызывающей смерть животных в первые минуты воздействия, токсический эффект не наблюдается при длительном воздействии.

По соотношению между концентрацией и временем токсические вещества делятся на две группы: хроноконцентрированные и концентрированные. Концентрированные - это вещества, действие которых зависит от концентрации, а не от времени (цианистый водород, наркотики - кураре и кокаин) [15,19].

Токсический эффект хроноконцентрированных веществ зависит от времени воздействия (фосген, ацетон).

Идея высокой избирательности при взаимодействии вещества и клетки принадлежит Эрлиху, который полагал, что "во всех клетках содержатся химиорецепторы, определенные химические группы, которые обладают сродством к определенным лекарственным веществам, которое и определяет связывание, а, следовательно, и причину действия лекарственного вещества".

При первичном взаимодействии токсического вещества с компонентами клетки предпосылкой высокой специфичности является выраженная избирательность. Наибольшая избирательность токсического вещества проявляется тогда, когда благодаря своему структурному сходству с тем или иным метаболитом он вмешивается в клеточные процессы обмена веществ.

Благодаря своему сходству к ингибиторам ферментативных систем или к их субстратам химические вещества оказывают влияние на деятельность ферментов [1,6,23].

Не все вещества оказывают воздействие на клетку строго избирательно. Установлено, что совершенно не похожие между собой вещества могут вызывать обратимый паралич (наркоз), так к хирургическим наркотикам принадлежат: спирты, простые эфиры, неорганические вещества (N₂O), хлорзамещенные углеводороды. Наркотическим действие оказывают такие инертные вещества, как ксенон и гелий. В связи с тем, что невозможностью установления общих черт в химическом строении тех или иных химических соединений, их называют структурно-специфическими.

При взаимодействии вещества с организмом его воздействие может вызывать ответную реакцию, характер и развитие которой определяется не только свойствами вещества, но и физиологическими функциями организма. Поэтому даже при высокой избирательности, при воздействии далеких по механизму действия химических веществ, есть возможность установить и нечто общее в ответной реакции организма [17,19,23,28].

Воздействуя на организм очень малыми концентрациями химические вещества в значительной мере, а то и полностью теряют присущую им особенность влияния на организм. Поэтому считается, что длительное воздействие малых количеств токсичных веществ способствует формированию нового качества в проявлении токсического эффекта, выражающегося через мало специфические признаки [14].

2.4 Последствия влияния ядов на организм

Вредные вещества могут оказывать специфическое действие, которое проявляется не в период воздействия и не сразу по его окончании, а в периоды жизни, отдаленные многими годами от периода химического воздействия.

Возможность отдаленных последствий является важной гигиенической проблемой, так как необходимы пути ее профилактики, чтобы не допустить неблагоприятных последствий последующих поколений.

"Отдаленный эффект" - есть развитие патологических процессов и состояний у индивидуумов, имевших контакт с химическими загрязнениями среды обитания в отдаленные сроки их жизни, а также в течение жизни нескольких поколений их потомства. Изучение отдаленных эффектов необходимо при обосновании санитарных стандартов для повышения их надежности [23,25,29,32].

Влияние химических веществ на работающих возможно при многих видах профессиональной деятельности. Наибольшая возможность контакта с разными веществами имеется в химической промышленности, так как нередко сырье, промежуточные соединения и конечные продукты способны оказать вредное влияние на здоровье работающих. В нашей стране достигнуты значительные успехи в химизации народного хозяйства, созданы крупнейшие в мире комбинаты нефтехимии, моющих средств, заводы по производству удобрений и ядохимикатов. В связи этим возросло количество промышленных ядов.

В профилактике производственных отравлений большую роль играет внедрение новейшей технологии, современного оборудования, эффективной вентиляции, использование системы гигиенических и медицинских мероприятий - соблюдения гигиенических норм, контроль за состоянием здоровья рабочих [1,7,15].

Применяемые в промышленности химические соединения в зависимости от решаемых задач могут оцениваться с помощью различных видов классификаций. Наиболее частое применение находят классификации ядов: по характеру воздействия на организм человека (общетоксическое, раздражающее, сенсибилизирующее, канцерогенное, мутагенное, влияющее на репродуктивную функцию; по пути проникновения в организм (действие через дыхательные пути, пищеварительную систему, кожный покров); по химическим классам соединений (органические, неорганические, элементоорганические); по степени токсичности (чрезвычайно токсичные, высокотоксичные, умеренно токсичные, малотоксичные); по степени воздействия на организм (вещества чрезвычайно опасные, высокоопасные, умеренно опасные, малоопасные) [7,15,17,23].

Патологические процессы, развивающиеся при воздействии производственных ядов на организм, могут рассматриваться как проявление дезорганизации его функционального и структурного состояния, необходимого для нормальной жизнедеятельности. Характер и степень выраженности таких изменений при действии яда обусловлены его концентрацией (дозой), временем действия и периодом элиминации (выведения) из организма.

Действие экзогенных факторов на организм, отдельные его органы и системы осуществляются через рецепторный аппарат цитоплазматических мембран или их компоненты.

Во многих случаях рецепторы представляют собой ферменты. Например, оксигруппа серина, входящая как составная часть в молекулу фермента ацетил-холистеразы, служит рецептором для фосфорорганических соединений (хлорофос, карбофос) образующих с этим ферментом прочный комплекс. В итоге развивается специфический антихолинэстеразный эффект, сопутствующий воздействию большинства фосфорорганических соединений [17,19].

Кроме ферментов, рецепторами первичного действия ядов являются аминокислоты (гистадин, цистеин), нуклеиновые кислоты, пуриновые и пиримидиновые нуклеотиды, витамины. Рецепторами часто бывают наиболее реакционно способные функциональные группы: сульфгидрильные, гидроксильные, карбоксильные, амин - и фосфорсодержащие, которые играют жизненно важную роль в метаболизме клетки. Наконец в роли рецепторов могут выступать различные медиаторы и гормоны.

Образованием комплекса: вещество + рецептор. Токсическое действие вещества по теории А. Кларка при этом пропорционально площади рецепторов, занятой молекулами этого вещества. Максимальное токсическое действие яда проявляется, когда минимальное количество его молекул способно связывать и выводить из строя наиболее жизненно важные клетки-мишени [2,5,17,18,23].

Наряду с этим в токсическом действии многих веществ отсутствует строгая избирательность. Их вмешательство в жизненные процессы основано не на специфических химических воздействиях с определенными клеточными рецепторами, а на взаимодействии со всей клеткой в целом. Этот принцип вероятно лежит в основе наркотического действия разнообразных органических и неорганических веществ, общим свойством которых является то, что они представляют собой неэлектролиты. Обнаружив это, известный токсиколог Н.В. Лазарев предложил термин "неэлектролитное действие" для обозначения всех эффектов, которые прямо определяются физико-химическими свойствами вещества (наркотические, раздражающее).

Изложенные закономерности действия химических веществ касаются лишь первичных пусковых механизмов этого действия. Изменения в организме, возникающие вслед за первичными, характеризуются в зависимости от интенсивности воздействия общим и избирательным вовлечением в развивающийся патологический процесс обменных нарушений, функциональными и органическими поражениями различных органов и систем. При этом развиваются различные клинические синдромы. Некоторые промышленные яды поражают функции центральной нервной системы. К таким ядам относятся пары металлической ртути, марганец, соединения мышьяка, сероуглерод, тетраэтилсвинец. Нейротропным действием обладают фосфорорганические ингибиторы, сероуглерод и лекарственные препараты нейротропного действия.

Клиническая картина нейротоксикаций выражается совокупностью психических, неврологических, соматовегетативных симптомов, которые являются следствием сочетания прямого токсического воздействия на нервную систему и поражением ряда органов и систем [16,23,27,32].



3. Использование лабораторных крыс в токсикологическом эксперименте

Одно из основных направлений современной токсикологии напрямую связано с исследованием патологических изменений организма при острых и хронических токсических воздействиях.

Большую помощь в изучении физиологических аспектов поведенческих реакций вследствие воздействия токсинов могут оказать эксперименты на лабораторных животных. Опыты на животных позволяют проследить динамику патологических изменений в органах и составить представление о развитии патологических процессов на системном, органном, клеточном и субклеточном уровнях, что является необходимым условием для разработки эффективных методов профилактики и лечения отравлений различной этиологии [3,9,12,18,23,27,30].

При проведении эксперимента необходимо руководствоваться принципами гуманного отношения к животным в соответствии с Международными рекомендациями (1993), а также с соблюдением биоэтических норм и требований Международного комитета по науке (1978).

При моделировании токсических эффектов химических веществ наиболее часто используются грызуны (мыши, крысы, морские свинки, кролики). Лабораторные крысы (альбиносы черной и серой крыс) (рисунок 1) являются наиболее распространенным видом экспериментальных животных для разработки моделей последствий острых и хронических интоксикации.

Рисунок 1 - Лабораторные крысы

В настоящее время выведено более 100 отдельных аутобредных стоков и инбредных линий лабораторных крыс. Наиболее часто при токсикологических исследованиях используются крысы стоков Wistar, Bio Breeding Sprague-Dawley, C57BL, CFI, C3H и др. Отдельно выделяют конвенциональных (беспородных) животных, микрофлора которых полностью или частично неизвестна [12,17,19].

Удобство использования крыс для исследования токсических эффектов химических и биологических препаратов объясняется простотой их содержания, возможностью размещения на сравнительно небольшой территории достаточного количества животных, небольшим весом, устойчивостью к инфекционным заболеваниям, большим приплодом, который они дают. Крыс легко фиксировать рукой; постоянная наполненность желудка пищей при обычном режиме питания позволяет вводить им интрагастрально достаточные дозы токсических агентов, не вызывая катаральных изменений слизистой. Предпочтение в токсикологических исследованиях отдается самцам, так как они не имеют гормональных колебаний, способных оказывать влияние на мембранотропное действие ядов; целесообразнее использование молодых животных, поскольку у них меньше толерантность к различным токсическим веществам [5,17,19].

3.1 Острые, подострые и хронические эксперименты

Острый токсикологический эксперимент используется для моделирования острой токсичности вещества, проявляющейся после его однократного или повторного введения через короткие (не более 6 часов) интервалы в течение суток. Целями изучения острой токсичности являются определение безвредных, токсических, летальных доз вещества, его способности к кумуляции, а также причин гибели животных.

Подострый эксперимент проводится для определения допустимых условий воздействия, оптимальных суточных доз, для выбора доз в хроническом эксперименте.

Исследование токсических свойств веществ в субхроническом и хроническом экспериментах осуществляется с целью установления степени их повреждающего действия при длительном введении, определения уровня обратимости вызываемых ими повреждений, а также выявления наиболее чувствительных к токсическому действию органов и систем организма [21,26,30].

Выбор продолжительности эксперимента при изучении токсических свойств изучаемых веществ определяется целями исследования (таблица 1).

Таблица 1 - Продолжительность и цели токсикологического эксперимента

Характер эксперимента	Продолжительность	Цели эксперимента
Острый	Однократное введение; 1 сутки	Определение смертельных доз, среднего времени гибели, порога острого действия химических веществ
Подострый	2-8 недель	Определение кумуляции, аллергического действия, влияния на репродуктивную функцию химических веществ
Субхронический	13-18 недель	Определение пороговой дозы общетоксического действия при установлении ПДК веществ в воздухе
Хронический	6-12 месяцев	Определение пороговой дозы общетоксического действия при установлении ПДК веществ в воде и пище
Пожизненный	от 1 года и более	Определение пороговой дозы общетоксического действия химических веществ

3.2 Способы введения токсических веществ

Для формирования характерных токсически обусловленных патологических изменений у животных используются добровольные, полудобровольные и принудительные способы введения токсических веществ.

На добровольный выбор животными потребляемых жидкостей или сухих кормов влияют индивидуальная чувствительность, скорость метаболизма вещества, порода, возраст, условия содержания, наличие дополнительных стрессорных факторов, концентрация раствора, наличие пищевых добавок. Данный способ не может обеспечить достаточно высоких и стабильных доз поступления токсических веществ в организм, поэтому более эффективными являются модели полудобровольного и принудительного введения.

При полудобровольном способе животные имеют возможность самостоятельно регулировать количество потребляемого вещества. К ним, в частности, относится методика предоставления раствора исследуемого вещества в качестве единственного источника жидкости.

Способы принудительного введения позволяют обеспечить массивную токсическую нагрузку, что обусловливает высокую концентрацию агента в крови и приводит к быстрому развитию патологических изменений [17,19,32].

Ингаляционный метод введения веществ позволяет создавать практически любые токсические нагрузки. В то же время, принудительная продувка токсических веществ через затравочную камеру требует значительного расхода химических ингредиентов, а постоянную их концентрацию создать, практически, невозможно. Существующий способ разлива химического вещества в камере, где находятся животные, более пригоден для моделирования острых отравлений, однако, при данном способе невозможен количественный токсикологический контроль в условиях работы с несколькими веществами одновременно.

Выбор концентраций и доз токсического вещества решается с учетом целей эксперимента и физиологических особенностей подопытных животных. Необходимо помнить, что количество вводимых растворов ограничивается рамками физиологических возможностей, массой и возрастом животных. Так, максимальные объемы введения у крыс составляют интраназально до 0,4 мл, ректально - 1 мл, внутрикожно - 0,04 мл, подкожно - 10 мл, внутримышечно и внутрибрюшинно - до 5 мл, внутривенно - 6 мл, внутрисердечно - 1 мл, субокципитально - 0,15 мл, интрагастрально при весе тела 100-190 г - 3 мл, 200-290 г - 4-5 мл, 250-300 г - 6 мл, 300 г и более - 8 мл [5,6,9,11].

Наряду с этим, введение веществ животным производится с учетом особенностей их анатомии, а также формы исследуемого вещества. Например, порошкообразные - вводятся крысам перорально, путем приготовления пилюль из данного вещества и муки, хлеба или его добавления к воде или корму.

Введение растворов веществ осуществляется перорально с помощью резинового или металлического зонда, интраназально с помощью мочевого катетера, ректально. Кожное введение подразумевает предварительное удаление волосяного покрова, выполнение насечек, после чего наносят исследуемое вещество. Внутрикожные инъекции осуществляют в задней части спины или на животе, предварительно также удалив волосяной покров. Подкожные инъекции делают на шее, спине или животе. Внутримышечно вещества вводят в заднебедренные мышцы. Внутрибрюшинные инъекции выполняют в левый нижний квадрант брюшной полости. Внутривенно вещества вводят в хвостовую вену или в дорсальную вену полового члена. Введение веществ также возможно непосредственно в сердце, либо субокципитально предварительно анестезированной крысы [7,8,11,13,19].

3.3 Методика теста "Открытое поле"

"Открытое поле" - классическая модель исследования поведения, основанная на конфликте двух мотиваций - инстинктивной тенденции к исследованию нового окружения и тенденции минимизировать возможную опасность со стороны такового. Тест "открытое поле" является информативной методикой, позволяющей адекватно оценивать нейротропные эффекты повреждающих факторов окружающей среды. В этом тесте оцениваются двигательная и ориентировочно-исследовательская активность.

Снижение общей подвижности животных в данном тесте является следствием повышения уровня их стрессированности, поскольку крысы реагируют замиранием на новые, потенциально опасные стимулы. В тесте "открытое поле" потенциально опасная ситуация имитируется помещением животного в камеру, которая значительно больше, чем клетка, в которой живет крыса. Тестирование можно проводить либо при ярком свете (в стрессогенной обстановке), либо при свете красной лампы. В последнем случае уровень стрессированности животных меньше [1,15,16,17].

Животные исследования проводят на линейных (линий Wistar, Sprague-Dawley и др.) или нелинейных крысах. В случае использования линейных животных необходимо указать линию. Количество животных в группе зависит от целей исследования, но не должно быть менее 10 особей. Разброс по исходной массе тела в группе не должен превышать 10 %. В течение всего эксперимента животные должны иметь свободный доступ к корму и питьевой воде (за исключением времени измерения физиологических параметров). Для унификации исследований животные на протяжении всего эксперимента получают полусинтетический рацион согласно МУ 1.2.2520-09 "Токсиколого-гигиеническая оценка безопасности наноматериалов".

Оборудование Установка для проведения методики "открытое поле". Видеокамера. Компьютер IBM PC-совместимый по ГОСТ 27201-87 с установленным программным обеспечением EasyTrack, разработанным в НИИ Нормальной физиологии РАМН и программным обеспечением SPSS 12(SPSS Inc., США).

Метод введения наноматериалов животным. Наноматериалы можно вводить: парентерально (внутривенно, внутримышечно, внутрибрюшинно), ингаляционно и перорально (в составе корма, питьевой воды или через зонд).

Используется острое (однократное введение), подострое (ежедневное введение в течение 3 месяцев) и хроническое введение (ежедневное введение в течение 6 месяцев) наноматериала.

Тест проводят сначала в режиме экспозиции, т.е. через 1 час после введения наноматериала, а затем каждый день в течение 14 дней (при остром введении), на 210, 240, 270, 300, 330 и 360 дни (при хроническом введении).

Дозы введения наноматериала при остром воздействии - от минимальной токсической дозы до 1 LD, при подостром воздействии - от минимальной токсической дозы до 1/5 LD, при хроническом воздействии - 1/3-1/10 части минимальной токсической дозы [13,15].

Проведение измерений. Установка представляет собой круглую арену диаметром 90 см с боковыми стенками высотой 50см (рисунок 2). Арена освещается неярким светом красной лампы мощностью 40 Вт, которая расположена на высоте 2 м. В начале тестирования крысу помещают в центр арены. За поведением животного наблюдают в течение 10 минут.

Параметры поведения регистрируют визуально, а также ведется видеозапись поведения крыс для анализа с использованием программы EasyTrack, разработанной в НИИ Нормальной физиологии РАМН.

Рисунок 2 - Установка "Открытое поле"

Анализ и интерпретация полученных данных. Помещение животного в новое окружение ведет к возникновению исследовательского поведения, которому в то же время препятствуют условия, вызывающие страх. Две антагонистические тенденции характеризуются разным временным ходом.

При анализе поведения животного в тесте "открытое поле" выделяют центральную зону арены с диаметром 35 см. Выпущенное животное начинает двигаться вдоль стен камеры. Первоначально исследовательское поведение ограничивается периферическим сектором, а внутренние области посещаются редко. Исследовательское поведение животных наиболее выражено в течение первой минуты, затем оно постепенно ослабевает. При тестировании в свете красной лампы в течение 10 минут животное адаптируется к экспериментальной обстановке и начинает исследовать окружение, что проявляется в виде вторичного подъема активности [17,18].

...