CC BY
113
УДК 549.11+611.466.1
БИОЛОГИЧЕСКАЯ МИНЕРАЛОГИЯ И УРОЛОГИЯ: ОБЛАСТИ СОВМЕСТНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
А.К. Полиенко, О.А. Севостьянова
Томский политехнический университет E-mail: polienkoa@yandex.ru
Показана роль биологической минералогии (биоминералогии) и её место среди других наук. Представлено многообразие минеральных образований, образующихся в различных органах и системах человека. Рассмотрены методы, применяемые при изучении объектов биоминералогии. В результате определены области совместной научной деятельности биоминералогии и урологии.
Ключевые слова:
Биоминералогия, урология, уролитиаз.
Введение
В последние годы активное развитие получила биологическая минералогия (биоминералогия) - одно из направлений генетической минералогии. Среди объектов изучения этой науки важное место занимают органоминеральные агрегаты (ОМА).
Минеральные продукты живой природы имеют большое значение в жизни человека. До самого последнего времени они не привлекали внимание широкого круга исследователей и в минералогическом отношении изучены недостаточно.
Между тем минералогия оказывает неоценимую помощь в выяснении природы неорганического (минерального) и органического мира. Минерал в современном понимании является не только физическим телом, химическим соединением с плотной упаковкой закономерно расположенных атомов, но и сложной системой, тесно связанной с окружающей средой. Минералогия располагает необходимым теоретическим аппаратом, современными методами и новейшим оборудованием, позволяющим изучить строение, состав и природу как обычных минералов, так и биоминеральных объектов.
Биологическая минералогия
Зарождение, рост и изменение биогенных кристаллов происходит в живом организме. Отсюда вытекает насущная необходимость тщательного изучения этих кристаллов и процессов, их порождающих, силами современной минералогической, медицинской и биологической наук. Между тем отсутствие должных контактов между специалистами минералогического, медицинского и биологического профилей не позволяет полно проинтерпретировать полученные данные, дать им оценку и наметить пути дальнейшего исследования.
Биоминералогия находится на стыке целого ряда наук, прежде всего медицины (остеологии, урологии, стоматологии, отоларингологии и т. д.), зоологии, ботаники, биохимии, эволюционной физиологии, минералогии, органической минералогии, палеонтологии, геологии месторождений полезных ископаемых и др.
В зависимости от условий образования все ОМА подразделяются на три типа: ортобио-генные, метабиогенные и тафобиогенные.
Полиенко Александр Константинович, канд. геол.-минерал. наук, доцент кафедры общей геологии и землеустройства Института природных ресурсов ТПУ.
E-mail: polienkoa@yandex.ru
Область научных интересов: минералогия, кристаллография, биологическая минералогия, геоэкология. Севостьянова Ольга Александровна, канд. геол.-
минерал. наук, ассистент кафедры общей геологии и землеустройства Института природных ресурсов ТПУ.
E-mail: polienkoa@yandex.ru
Область научных интересов: минералогия, биологическая минералогия, геоэкология.
Ортобиогенные ОМА характеризуются тем, что они образуются непосредственно в живом организме - в животных, человеке, растениях, бактериях. К этим агрегатам относятся кости и зубы человека и животных; различные отложения солей на стенках сосудов, в лёгких и опухолях; отолиты, продукты внескелетного костеобразования, камни мочевой системы, желчные камни, раковины моллюсков, жемчуг и т. д.
Ортобиогенные ОМА возникают во всех живых организмах, а также во многих растениях. В растениях они формируются в клетке или вне её как продукт процесса фотосинтеза либо в застойных участках сосудистой системы, где замедляется скорость тока древесных соков и возможно накопление минералообразующих элементов. Состав последних в большой степени зависит от состава почвенных вод, физиологических особенностей самих растений, возможных резких изменений погоды и т. д. В настоящее время в растениях обнаружено довольно большое число минералов; встречаясь совместно с органическими веществами, они образуют ОМА, которые рекомендовано обозначать как фитолиты.
Ортобиогенные ОМА, возникающие в животных и человеке и называемые зоолитами, по месту их в истории жизни организма могут быть подразделены на две большие группы [1. С. 17] - физиогенные и патогенные (рисунок). Зоолиты создаются представителями самых различных таксонов, что накладывает отпечаток на их состав и строение. При этом устанавливается эволюционный ряд минеральной (вероятно, и органической) составляющей от более примитивных классов животных к более совершенным.
Физиогенные ОМА являются закономерными продуктами живых клеток, они генетически обусловлены, и пространственное их место в организме строго определено всей эволюционной историей таксона. К физиогенным ОМА относятся кости и зубы человека и животных, скорлупа яиц, отолиты, раковины и некоторые другие. Функции, которые несут физиогенные ОМА, самые различные: это и опорная, и защитная, и реакция на условия земной силы тяжести и некоторые другие. Чрезвычайно важной является и роль кальциевого «депо», которую выполняет скелет организма, в случае необходимости поставляющий кальций в кровь. В меньшей степени эту функцию реализуют и зубы. В целом можно отметить, что физиогенные ОМА характеризуются устойчивым химическим и минеральным составом, изменяющимся в соответствии с состоянием организма.
Патогенные ОМА, в отличие от физиогенных, генетически не предопределены и являются «болезнями» организма. К ним относятся камни мочевой системы, желчного пузыря и поджелудочной железы, зубные и слюнные камни, жемчуг, минеральные отложения на стенках сосудов, продукты внескелетного костеобразования и некоторые другие. Характеризуя в целом состав этих агрегатов, можно отметить, что он колеблется в значительных пределах. Причины появления патогенных ОМА нередко связаны с «дурной» наследственностью, когда человек или животное с рождения несут в себе возможность их возникновения.
Занимая разное место в онтогенезе животного (человека), физиогенные и патогенные ОМА имеют как общие особенности, так и серьезные различия. Многие патогенные ОМА представляют собой противоположности (антиподы) физиогенных: например, зубные камни и зубы, продукты внескелетного костеобразования и кости, жемчуг и раковина моллюсков. Последняя пара является особенно ярким примером отмеченной противоположности, указывая на различие этих ОМА в онтогенезе животного.
В зарубежной литературе достаточно широко используются термины «патологическая биоминерализация», «ненормальная минерализация». Эти обозначения применяются для отличия от «нормальной минерализации», под которой понимаются процессы, приводящие к формированию генетически предопределенных твердых тканей.
В классификации ОМА биогенного происхождения подробно подразделены только ор-тобиогенные агрегаты.
Таким образом, объектами биоминералогии являются специфические агрегаты, состоящие из минерального и органического веществ и созданные живыми организмами или при их участии.
Кости человека
Зубы человека
Отолиты,
отоконии
(ушные
камни)
ОМА в сосудах (ангиолиты)
Камни поджелудочной железы (панкреолиты)
Глазные камни (офтальмолиты)
ОМА в опухолях (туморолиты)
ОМА в легких (пульмолиты)
Минеральные новообразования в сердечной мышце (кардиолиты)
ОМА в мышцах (остеолиты)
Кишечные камни (интестинолиты)
Камни мочевой системы (уро-литы)
Желчные камни (холелиты)
Зубные камни (дентолиты)
Камни слюнных желез (са-ливолиты)
Рисунок. Органоминеральные агрегаты (ОМА) в органах и системах человека. Составлен А.К. Полиенко с использованием данных А.А. Кораго [1]
Значительный объем исследований в области биологической минералогии проведен в последнее время А.А. Кораго [1] и С.Н. Голубевым [2]. За рубежом такие исследования интенсивно ведутся в Японии, а также в Швеции, Бельгии, Швейцарии, США, ФРГ и в других странах. Актуальными остаются вопросы урологии, биологии и минералогии.
Биоминералогия изучает строение, состав, условия образования и изменения объектов, возникающих в живых организмах, находящихся на стыке биологии и минералогии. К ним относятся продукты деятельности живых клеток, кости и зубы человека и животных, раковины моллюсков, жемчуг, скелет кораллов, скорлупа птичьих яиц, отолиты и другие продукты живой природы. Биологическая минералогия, как генетическая наука, исходит из того, что неживое, возникшее из живого, является его частью, и они тесно связаны. Существование в природе форм, в которых соединены свойства живого и неживого (например, вирусов), наглядно подтверждает пример внутреннего единства неорганического и органического мира.
Главным объектом исследований биоминералогии является органо-минеральный агрегат, состоящий из минеральных и органических индивидов, имеющих определенные форму, размер, строение, свойства и состав. В структуре многих индивидов имеются специфические внутренние элементы. От их упорядоченного сочетания во многом зависят свойства всего агрегата.
Возникновение и рост этих агрегатов объясняется не только законами физики и химии, как это имеет место в минералогии. Здесь выступает ещё один важный фактор - биохимические законы развития живой клетки, но он пока не нашел четкого выражения в качестве регулятора процесса минералообразования. Однако необходимо констатировать, что кристаллохимические закономерности растущих минеральных индивидов подчиняются генетическому контролю со стороны биохимических законов. В этом проявляется тесная взаимосвязь живой и неживой материи, о чем говорится в работе Б.И. Сребродольского [3].
Термин «биоминералогия» в отечественной литературе появился в 1976 г. в работе А.А. Кораго [1], в которой были сформулированы основные особенности объектов исследования этой науки. В 1988 г. Н.П. Юшкин предложил проблемы «изучения как конструктивных, так и патологических минералов и минералообразующих процессов в организме человека, выявление с точки зрения медицины свойств минералов и минералогическую экологию» [4. С. 28] объединить в область исследований медицинской минералогии.
Определенные результаты исследований в области биоминералогии имеются в ряде опубликованных работ [5-13].
В работе А. А. Кораго [1] достаточно подробно освещаются взгляды различных исследователей на место биоминералогии среди других наук, и делается вполне обоснованный вывод о том, что все возникающие в организмах неорганические или органические фазы кристаллического строения следует относить к минералам, и отделять их от абиогенных минералов нельзя.
Большое значение биологическая минералогия придает изучению патогенных ОМА, приводящих к заболеваниям, в частности, к уролитиазу или мочекаменной болезни (МКБ). Природа этих образований пока еще недостаточно изучена, особенно мочевых камней (уроли-тов), морфогенетические особенности которых могут помочь выяснить целый ряд генетических аспектов изучаемых ОМА.
Решение поставленных проблем позволит глубже исследовать минеральный уровень органической материи, характерной особенностью которой является кристаллическое строение. В сравнении с процессами минералообразования вне живой материи эти исследования позволят расшифровать механизм образования ОМА.
Урология и уролитиаз
Мочекаменная болезнь занимает 3-е место по распространенности среди урологических заболеваний, уступая по частоте только инфекциям мочевых путей и патологии предстательной железы. МКБ встречается у детей, у взрослых, наиболее часто поражая людей в самый активный период их жизни, а также у лиц пожилого возраста. В связи с широкой распространенностью и особенностями развития МКБ остается одной из актуальных проблем современной медицины, тем более что за последние десятилетия отмечена тенденция к увеличению частоты этого заболевания, связанная с ростом влияния ряда неблагоприятных факторов окружающей среды на организм.
Ухудшение экологической обстановки в крупных промышленных мегаполисах приводит к постоянному росту заболеваний, связанных с патогенным камнеобразованием в организме человека, что обусловливает необходимость разработки новых методов лечения и профилактики этих болезней. В связи с этим за последние 10-15 лет интерес к изучению патогенных биоминералов и условий их образования существенно возрос.
Уролиты в разных частях мочевой системы весьма близки по своему составу. Наиболее значительные отличия отмечаются только для камней предстательной железы, в которой их образование связано с хроническими воспалительными процессами [14]. Распространению МКБ способствуют условия современной жизни: гиподинамия, ведущая к нарушению фосфорно-кальциевого обмена, характер питания (обилие белка в пище), что позволило назвать это заболевание «болезнью цивилизации». К возникновению данного недуга предрасполагают также такие факторы, как возраст, пол, раса, климатические, географические и жилищные условия, профессия и наследуемые генетические особенности. Причинами образования камней могут быть и факторы местного характера: инфекция мочевых путей, анатомические и патологические изменения в верхних мочевых путях, приводящие к затруднению нормального оттока мочи из почек, обменные и сосудистые нарушения в организме и почке.
Единой концепции МКБ в настоящее время не существует, она является многофакторным заболеванием, и развитие ее связано с рядом сложных физико-химических процессов, происходящих как в организме в целом, так и на уровне мочевыводящей системы.
В настоящее время всемирно признана минералогическая классификация уролитов. Примерно 70...80 % уролитов являются неорганическими соединениями кальция - оксалаты, фосфаты, карбонаты. Уролиты, содержащие соли магния, встречаются в 5.10 % случаев, они часто сочетаются с мочевой инфекцией. Уролиты, являющиеся производными мочевой кислоты, составляют до 15 % всех мочевых камней, причем с возрастом они встречаются все чаще. Наиболее редки белковые уролиты, их обнаруживают в 0,4.0,6 % случаев (цистиновые, ксан-тиновые и др.), они свидетельствуют о нарушении обмена соответствующих аминокислот в организме больных.
Чтобы продвинуться в направлении понимания закономерностей патогенного минера-лообразования в организме человека, необходимо более детально изучать вещество органоминеральных агрегатов (почечных, желчных, слюнных, зубных и других камней) с привлечением широкого круга современных инструментальных методов, активно привлекать методы теоретического и экспериментального моделирования.
Частота встречаемости и распространенность по составу минеральных фаз уролитов распределена неравномерно по разным территориям на планете. Здесь играют роль и специфика местных условий (жесткость воды, климат и пр.), и род занятий человека, тип питания, экологическая обстановка в данном регионе. Поэтому исследования, проводимые различными группами ученых, не являются простым тиражированием сведений о природе тех или иных твердых образований в организме человека. Накопление аналитического материала и его обобщение с учетом местных условий и состояния окружающей среды способствуют выполнению важной социальной задачи предупреждения и эффективного лечения соответствующих заболеваний.
Знание структуры и состава уролита играет немаловажную роль при выборе методов лечения и профилактики мочекаменной болезни.
Выводы
1. Биологическая минералогия располагает необходимым теоретическим аппаратом, современными методами и новейшим оборудованием, вполне достаточным для исследования как обычных минералов, так и минеральных объектов живой природы, в том числе и органоминеральных агрегатов, формирующихся в организме человека.
2. Перед наукой урологией, занимающейся профилактикой и лечением мочекаменной болезни, стоят задачи по снижению уровня заболевания МКБ. В вопросах лечения неоценимую помощь урологам может оказать информация о составе, структуре и природе уролитов, получаемая специалистами-минералогами.
3. Биоминералогия и урология имеют достаточно обширную область соприкосновения. Вра-чу-урологу для назначения обоснованного лечения и предупреждения рецидивного камне-образования крайне необходимо знать минеральный состав и структуру уролита, удалённого у пациента. Эту задачу на высоком профессиональном уровне способны решить минералоги и кристаллографы.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кораго А.А. Введение в биоминералогию. - СПб.: Недра, 1992. - 280 с.
2. Голубев С.Н. Биоминерализация и предбиологическая эволюция // Актуальные вопросы современной палеонтологии. - Киев: Наукова думка, 1986. - С. 15-17.
3. Сребродольский Б.И. Биологическая минералогия. - Киев: Наукова думка, 1983. - 102 с.
4. Юшкин Н.П. Биоминеральные взаимодействия. От биоминералогии к витаминералогии // Минералогия и жизнь: биоминеральные взаимодействия: Материалы II междунар. семинара. - Сыктывкар, 1996. - С. 7.
5. Барсков И.С. Биоминерализация и эволюция. Коэволюция минерального и биологического миров // Происхождение и эволюция биосферы: Материалы Междунар. рабочего совещания. - Новосибирск, 2005. - С. 71-72.
6. Жабин А.Г. Новые данные в области биоминералогии // Записки ВМО. - 1983. - Вып. 8. -С. 243-248.
7. Зузук Ф.В., Павлишин В.И. Ювеллит в геологических и биологических объектах // Органическая минералогия: Материалы I Российского совещания по органической минералогии. -СПб., 2002. - С. 11-13.
8. Каткова В.И. Мочевые камни: минералогия и генезис. - Сыктывкар: Изд. Коми НЦ УрО РАН, 1996. - 87 с.
9. Полиенко А.К., Шубин Г.В., Ермолаев В.А. Онтогения уролитов. - Томск: РИО «Пресс-Интеграл» ЦПК ЖК, 1997. -128 с.
10. Полиенко А.К., Бощенко В.С., Севостьянова О.А. Взаимосвязь органических и неорганических веществ при формировании мочевых камней // Бюллетень сибирской медицины. -2012. - Т. 11. - № 2. - С. 52-58.
11. Полиенко А.К., Севостьянова О.А. Развитие научных исследований по биоминералогии и урологии в Томском политехническом университете // Известия Томского политехнического университета. - 2012. - Т. 320. - № 1. - С. 206-211.
12. Козловский Ю.Г. О минералогической классификации мочевых камней // Урология и нефрология. - 1973. - № 2. - С. 24-26.
13. Колпаков И.С., Глики Н.В. Морфология и генез мочевых камней по данным поляризационно-оптического исследования // Урология и нефрология. - 1965. - № 5. - С. 15-22.
14. Тиктинский О.Л. Уролитиаз. - Л.: Медицина, 1980. - 192 с.
Поступила 04.07.2012 г.
