Одним из древних (с эволюционной точки зрения) каналов коммуникации является коммуникация с помощью химических агентов (см. выше 5.5.). Химические коммуникационные агенты (сигнальные вещества) переносят информацию между свободно живущими одноклеточными существами; между клетками внутри организма; между многоклеточными организмами. Достаточно многие из сигнальных веществ эволюционно-консервативны. Они возникли в эволюции как сигналы, используемые микроорганизмами и далее приобрели новые роли у многоклеточных организмов, включая высших животных и человека. Многие из категорий сигнальных веществ представляют несомненный биополитический интерес, влияя на социальное поведение человека. Мы рассмотрим в этом подразделе 1) нейротрансмиттеры; 2) гормоны и 3) феромоны. Следует иметь в виду, что многие химические агенты сочетают несколько ролей, например, серотонин одновременно выступает как нейротрансмиттер и в то же время как локально действующий внутритканевый агент межклеточной коммуникации (гистогормон). Серотонин и целый ряд других соединений, выполняющих нейромедиаторные функции у животных и человека, представляют собой весьма эволюционно-консервативные агенты, содержащиеся в тканях растений, в донервных эмбрионах животных2, у одноклеточных форм жизни (Олескин и др., 1998, 2000).
См. Рощина В. В. Биомедиаторы в растениях. Ацетилхолин и биогенные амины. Пущино 1991. С.31-37; Бузников Г.А. Нейротрансмиттеры в эмбриогенезе. М. 1987. С. 30-40.
6.6.1. Нейротрансмиттеры у микроорганизмов. Для создания эволюционно-биологической перспективы для дальнейшего повествования о непосредственном вкладе нейротрансмиттеров в биополитику компактно изложим собственные данные о синтезе нейротрансмиттеров про- и эукариотическими микроорганизмами и об эффектах добавленных нейротрансмиттеров в микробных системах3:
Экспериментальные данные излагаются в работах: Олескин А.В., Кировская Т.А., Ботвинко И.В., Лысак Л.В. Действие серотонина (5-окситриптамина) на рост и дифференциацию микроорганизмов // Микробиология. 1998. Т.67. № 3. С.305-312; Цавкелова Е.А., Ботвинко И.Б., Кудрин В.С., Олескин А.В. Детекция нейромедиаторных аминов у микроорганизмов методом высокоэффективной жидкостной хроматографии // Докл. Росс. Акад. Наук. 2000. Т. 372. С.840—842. См. также обзоры (Олескин и др., 1998, 2000).
Микроорганизмы содержат аминные нейротрансмиттеры. Методом высокоэффективной жидкостной хроматографии с электродетекцией продемонстрировано наличие серотонина в биомассе грамположительных бактерий Bacillus subtilis и Staphylococcus aureusв концентрациях порядка 10 -6 М, сопоставимых с его содержанием в крови млекопитающих (таблица). Катехоламины (норадреналин и дофамин) оказались широко распространены у тестированных прокариот; их концентрации приблизительно соответствуют таковым в крови млекопитающих или даже превышают последние. Экуариоты (дрожжи Saccharomyces cerevisiae и грибок Pennicilum chrysogenum)содержали только норадреналин из числа детектироованных аминных нейротрансмиттеров. У большинства микроорганизмов обнаружены также продукты метаболизма (окислительного дезаминирования) нейротрансмиттеров – 5-гидроксииндолуксусная кислота (5-ГИУК) и дигидрофенилуксусная кислота (ДГФУК). В разделе 5 (5.13) мы упомянули биополимерное покрытие клеток в колонии (матрикс). На примере богатой матриксом бактерии B. subtilis (вариант М) нами продемонстрировано, что нейромедиаторные амины (норадреналин и дофамин) содержатся не внутриклеточно, а в покрывающем клетки матриксе. Данный факт представляет довод в пользу возможной межклеточной коммуникативной роли этих аминов, поскольку слагающие матрикс биополимеры способствуют диффузии низкомолекулярных химических сигналов в пределах колонии. В свете предположения о внутриколониальной коммуникативной функции нейротрансмиттеров они, возможно, служат информационными молекулами ограниченного радиуса действия не только у многоклеточных животных (где они "прицельно" передают информацию от нейрона к нейрону, см. ниже), но и даже у прокариот, ибо матрикс удерживает низкомолекулярные вещества в пределах синтезировавшей их микробной колонии.
| Микроорганизм | Нораденалин | Дофамин | ДГФУК | Серотонин | 5-ОИУК |
| Bacillus cereus | - | 2.13 | 0.69 | 0.85 | 0.95 |
| B. mycoides | 0.32 | 0.25 | 0.81 | - | 0.33 |
| B. subtilis: В целом Фракция клеток Фракция матрикса | 0.25 | 0.36 | - | - | 0.42 |
| - | - | - | - | - | |
| 0.26 | 0.34 | - | - | 0.52 | |
| Staphylococcus aureus | - | 1.35 | 1.54 | 2.2 | - |
| Escherichia coli | - | 1.61 | 2.64 | - | 0.81 |
| Proteus vulgaris | 0.6 | 0.73 | 0.46 | - | 0.4 |
| Pseudomonas aeruginosa, вариант R | - | - | 1.62 | - | 2.7 |
| P. aeruginosa, вариант S | - | - | 3.74 | - | 2.1 |
| Serratia marcescens | 1.87 | 0.6 | 1.47 | - | 0.51 |
| Zoogloea ramigera | - | - | 14.2 | - | 0.34 |
| Дрожжи | 0.21 | - | - | - | 0.26 |
| Penicillum chrysogenum | 21.1 | - | 88.9 | - | 10.8 |
Добавленные нейротрансмиттеры вызывают ростовые и структурные эффекты в микробных системах. Так, мы показали, что серотонин (Рис. 14) в микромолярных концентрациях (0,1—25 мкМ), стимулируют рост кишечной палочки Escherichia coli, пурпурной бактерии Rhodospirillum rubrum4 В тех же концентрациях серотонин меняет макро- и микроструктуру колоний – стимулирует агрегацию микробных клеток (образование их скоплений) и формирование межклеточного матрикса (Рис. 15). В более высоких концентрациях (25-50 мкМ и выше) серотонин оказывает противоположное влияние – частично подавляет рост микроорганизмов и агрегацию их клеток с матриксообразованием. Стимуляция роста микробных культур наблюдали также в присутствии дофамина, но не норадреналина (не показано). Эффекты микромолярных концентраций серотонина и дофамина нами интерпретируются в рамках предположения о сигнальной роли этих агентов, что согласуется с приведенными выше данными об их эндогенном синтезе. По их концентрации клетки могут оценивать плотность собственной популяции и активно расти, если эта плотность выше определенного порога (гипотеза кворум-зависимого действия нейротрансмиттеров, по аналогии с данными литературы об эффектах других коммуникативных факторов, см. обзор Олескин и др., 2000). Для выяснения конкретных механизмов действия нейромедиаторов в микробных системах(предположительно зависимых от рецепторов в мембранах) в настоящее время наша лаборатория исследует их эффекты на мембранный потенциал, скорость дыхательного транспорта элеткронов и другие параметры микробных мембранных систем.
Стимуляция серотонином роста бактерии Enterocococcus faecalis и дрожжей Candida guillermondii устаноывлена в работах другой лаборатории. См. Страховская М.Г., Иванова Е.В., Фрайкин Г.Я. Стимулирующее влияние серотонина на рост дрожжей Candida guillermondii и бактерий Streptococcus faecalis //Микробиология. 1993. Т.62. С.46-49.
Полученные данные в о роли нейротрансмиттеров серотонина, норадреналина и дофамина в микробных системах представляют интерес не только как яркая иллюстрация эволюционно-консервативного характера этих сигнальных молекул. Известно, что митохондрии эукариотических клеток – симбиотические потомки прокариот, а именно, той их подгруппы, в состав которой входит E. coli и R.rubrum. Поэтому исследования бактериальных рецепторов к нейромедиаторам и в целом эффектов эволюционно-консервативных нейромедиаторов в микробных системах актуальны для нейрохимии мозга в связи с данными о роли митохондрий мозговых нейронов в связывании нейромедиаторов. Избыточное связывание нейротрансмиттеров рецепторами митохондриальных мембран нейронов мозга – важная предпосылка ряда мозговых заболеваний (инсульт, болезнь Альцгеймера и др.)5. Что касается конкретно серотонина, то он представляется в свете изложенных фактов эволюционно консервативным "гормоном социальности", побуждающим клетки и целые многоклеточные организмы вступать во взаимодействие друг с другом, формировать социальные структуры (Masters, 1994). Отметим в порядке сопоставления, что серотонин вызывает агрегацию также тромбоцитов крови млекопитающих. От эволюционно-биологической перспективы с включением данных о нейромедиаторах в микробных системах перейдем к их специфической роли в нервной системе высших животных и человека.
Montal M. Mitochondria, glutamate neurotoxicity and the death cascade // Biochim. Biophys. Acta. 1998. V.1366. P.113-126
6.6.2. Нейротрансмиттеры и нейромодуляторы. Нейротрансмиттеры (нейромедиаторы) необходимы для передачи информации от нейрона к нейрону (или между нейронами и сенсорными клетками или клетками мышцы/железы). Интересно, что за перенос информации между двумя нейронами через разделяющих их синапс могут отвечать сразу несколько нейротрансмиттеров. В этом факте усматривают еще один пример параллельного действия модулей мозга – в данном случае нейротрансмиттерных систем. Говорят о своеобразной "мозговой демократии", позволяющей мозгу частично скомпенсировать дефицит одного нейротрансмиттера за счет использования другого (Харт, 1998).
Среди многих сотен обнаруженных нейротрансмиттеров, наиболее важными представляются следующие группы: (1) аминокислоты: глутаминовая кислота, аспрагиновая кислота глицин, гамма-аминомасляная кислота (ГАМК); (2) моноаминовые нейротрансмиттеры: серотонин, ацетилхолин, катехоламины (адреналин, норадреналин, дофамин); (3) летучие неорганические нейротрансмиттеры исследуемые в последние годы, особенно окись азота (NO); (4) пептиды (например, вещество Р); многие из пептидов, впрочем, чаще играют не непосредственно нейротрансмиттерную, а нейромодуляторную роль — повышают или понижают эффективность переноса информации через синапс, обслуживаемый другим нейротрансмиттером. Нейромодуляторная роль характерна для эндорфинов и энкефалинов.