Научно-популярная библиотечка им. Монаха Мун-дака
ОРГАНИЗМ ЗАЩИЩАЕТСЯ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
Владимир Михайлович БРЕСЛЕР, доктор
медицинских наук,
Институт эволюционной физиологии и биохимии
имени И. М. Сеченова АН СССР
"Наука и Жизнь" № 7 1989 г.
Выхлопные газы автомобилей, выбросы промышленных предприятий, отходы животноводческих комплексов, аэрозоли, удобрения, пестициды, моющие средства, пищевые консерванты и красители — трудно даже перечислить все органические и неорганические вещества, загрязняющие природу. Следовые количества этих и подобных веществ сохраняются в растениях, попадают в молоко и мясо сельскохозяйственных животных... Одним словом, в организм человека с пищей, водой и воздухом проникает множество химических веществ, для него совершенно чуждых, а нередко и очень вредных.
Как это ни удивительно, ученые в полной мере осознали значение постоянного присутствия чужеродных веществ в пище совсем недавно — в 50-е годы. Тогда же было дано и определение понятию “чужеродное вещество”, “чужеродное соединение” — это вещество, которое данный организм не может использовать ни для производства энергии, ни для построения каких-либо своих частей. В последнее десятилетие в литературе все шире употребляется как синоним понятия “чужеродное вещество” термин “ксенобиотик” (от греческого “ксенос” — чужой, “биос” — жизнь. Так как первые ксенобиотики, привлекшие внимание ученых, были созданы человеком, то этот термин закрепился за химическими соединениями, способными навредит живой природе; на них и изучали судьбы “чужаков” в организме животных и человека: как они проникают во внутреннюю среду организма, как в организме распределяются, каким превращениям подвергаются, как выводятся и т. д.
Ученые обнаружили, что в организме животных и человека имеется довольно много различных механизмов защиты от ксенобиотиков. Главные из них:
— система барьеров, препятствующих проникновению ксенобиотиков во внутреннюю среду организма, а также защищающих особо важные органы — мозг, половые и некоторые другие железы внутренней секреции,— от тех “чужаков”, которые все же прорвались во внутреннюю среду;
— особые транспортные механизмы для выведения ксенобиотиков из организма;
— ферментные системы, которые превращают ксенобиотики в соединения менее токсичные и легче удаляемые из организма;
— тканевые депо, где как бы под арестом могут накапливаться некоторые ксенобиотики.
Рассмотрим системы защиты чуть подробнее. Барьеры, стоящие на страже внутренней среды организма, образованы одно- или многослойными пластами клеток.
Как известно, каждая клетка одета тончайшей жировой пленкой—липидной мембраной, почти непроницаемой для растворимых в воде веществ. Тем более трудно, а то и невозможно этим веществам преодолеть один или несколько слоев клеток. Однако вещества, хорошо растворяющиеся в липидах, естественно, могут преодолеть такой барьер. Его роль в организме животных и человека играют кожа, эпителий, выстилающий внутреннюю поверхность желудочно-кишечного тракта и дыхательных путей, и т. п.
Если все же ксенобиотик прорвался в кровь, то в наиболее важных органах — центральной нервной системе, некоторых железах внутренней секреции — его встретят так называемые гистогематические барьеры (от греческих слов “гистос” — ткань и “гема” — кровь), расположенные между тканью и кровью. К сожалению, и гистогематический барьер не всегда бывает непреодолимым для ксенобиотиков — ведь снотворные и некоторые другие лекарства действуют на нервные клетки, а значит, они барьер преодолевают!
Более того, некоторые ксенобиотики могут повреждать клетки, образующие гистогематические барьеры, и те становятся легко проницаемыми. Это очень опасно, так как лишенные защиты половые или нервные клетки сначала “болеют”, а затем могут и погибнуть. Так, одной из причин бесплодия у мужчин является нарушение гистогематического барьера в семеннике. Из года в год число лиц с повреждением барьера растет, причем стали преобладать тяжелые формы повреждения, сопровождающиеся полной гибелью половых клеток. Стало быть, с ростом загрязнения воздуха, воды и пищи различными ксенобиотиками не у всех мужчин барьер в семеннике выдерживает. Опыты на животных показали, что сильнее всего повреждают барьер соединения кадмия. Загрязнение окружающей среды кадмием в последние годы растет во всем мире, поэтому можно думать, что именно он действует в данном случае на людей. Во всяком случае, возможность такой взаимосвязи следует изучить.
Транспортные системы, выводящие ксенобиотики из крови, обнаружены во многих органах млекопитающих, в том числе и человека. Наиболее мощные находятся в клетках печени и почечных канальцев. В органах, защищенных гистогематическим барьером, имеются особые образования, откачивающие ксенобиотики из тканевой жидкости в кровь. Так, например, в желудочках головного мозга есть так называемое хориоидное сплетение, клетки которого перемещают чужеродные соединения из ликвора (жидкости, омывающей мозг) в кровь, протекающую по сосудам сплетения.
Таким образом, имеются как бы два типа систем выведения ксенобиотиков: те, что поддерживают чистоту внутренней среды одного органа (например, системы выведения в клетках хориоидного сплетения), и те, что очищают внутреннюю среду всего организма (например, системы в клетках печени и канальцев почек). Однако общий принцип работы систем выведения одинаков: “транспортные” клетки образуют слой (пласт), одна сторона которого граничит с внутренней средой, а другая — с внешней; липидная мембрана клеток этого слоя не пропускает водорастворимые ксенобиотики, но в этой мембране имеется специальный белок-переносчик, который опознает подлежащее удалению вещество, образует с ним транспортный комплекс и проводит через липидный слой из внутренней среды в одну из клеток пласта. Затем другой переносчик выводит нежелательного гостя из клетки во внешнюю среду.
Но ведь ксенобиотики крайне разнообразны по химическому строению — сколько же надо иметь в мембране белков-переносчиков? Опыты показали, что основная масса чужеродных веществ выводится всего двумя системами—для органических кислот и для органических оснований. Иначе говоря, все антропогенные органические вещества, образующие во внутренней среде отрицательно заряженные ионы (основания), выводятся одной системой, а образующие положительно заряженные ионы (кислоты) — другой. К 1983 году было описано более 200 соединений разного химического строения, которые способна опознавать и выводить система транспорта органических кислот в почке. На деле же их число, по-видимому, значительно больше. Подобная широта охвата очень выгодна для организма. Было бы замечательно довести до такого уровня технические системы очистки.
К сожалению, и системы выведения ксенобиотиков не всесильны. При высокой концентрации ксенобиотиков в крови все молекулы переносчика в мембране (а число их, естественно, ограничено) будут заняты, и процесс переноса, достигнув определенной скорости, вынужден будет ею и ограничиться. Кроме того, выяснилось, что некоторые антропогенные загрязнители, как и в случае с гистогематическими барьерами, могут повреждать и даже убивать “транспортные” клетки. Так, в 70-е годы американские исследователи создали полусинтетические антибиотики пенициллинового ряда (цефалоридины), которые при испытании в пробирках оказались гораздо более эффективными, чем пенициллин. Но, попав в организм, цефалоридины стали смертоносными — животные умирали изза гибели клеток почечных канальцев. Дело в том, что система транспорта органических кислот начинает выводить цефалоридин, лишь когда его концентрация в клетке много выше, чем в крови. Но при этой концентрации антибиотик начинает разрушать структуры клетки, и она погибает. Так защитная система становится воротами для смерти!.. Эта история показывает, насколько опасными могут быть синтез и применение сложных органических соединений, как трудно предвидеть биологические последствия использования таких веществ. Но знают ли эту историю химики?
Следующий механизм защиты — ферментные системы, которые превращают ксенобиотики в менее ядовитые и легче поддающиеся выводу соединения. Для этого используются ферменты, катализирующие или разрыв какой-либо химической связи в молекуле ксенобиотика, или, наоборот, соединение ее с молекулами других веществ. Чаще всего в итоге получается органическая кислота, которая легко удаляется из организма.
Наиболее мощные ферментные системы находятся в клетках печени. Это естественно, ведь кровь, оттекающая от кишечника, со всеми попавшими в нее питательными веществами и ксенобиотиками поступает в печень, и клетки этого органа должны перехватить “чужаков”, не дать им по возможности прорваться в общий кровоток. Надо сказать, что в большинстве случаев печень хорошо справляется с этой сложной задачей. В печени могут обезвреживаться даже такие опасные вещества, как полициклические ароматические углеводороды, способные вызывать рак. Однако и тут, как говорится, не все слава богу: иногда в результате работы этих ферментных систем образуются продукты, гораздо более ядовитые и опасные, чем исходный ксенобиотик. Грустный парадокс: система обезвреживания иногда срабатывает как производитель яда.
Ну и, наконец, о депо для ксенобиотиков. Некоторые из них избирательно накапливаются в определенных тканях и длительное время в них сохраняются; в этих случаях и говорят о депонировании ксенобиотика. Так, хлорированные углеводороды, предназначавшиеся для борьбы с вредителями полей, хорошо растворимы в жирах и поэтому избирательно накапливаются в жировой ткани животных и человека, где в силу своей стойкости могут сохраняться очень долго. Одно из таких соединений, так называемый ДДТ, до сих пор обнаруживается в жировой ткани человека и животных, хотя его применение в большинстве стран мира запрещено лет 20 назад. Соединения тетрациклинного ряда сродни кальцию и потому избирательно депонируются в растущей костной ткани, и т. д. Является ли такое депонирование надежным способом защиты от ксенобиотиков? И да, и нет. Когда ксенобиотик собирается в одной ткани, очищая другие, то это способствует нормальной жизни организма. Но если он “застревает” там надолго, то в конце концов его отравляющее действие сказывается.
Итак, в организме животных и человека имеются системы защиты от чужеродных веществ. Надо сказать, что больше всех заинтересовались этими системами фармакологи. Чтобы лекарство действовало, надо “научить” его преодолевать барьеры, надо быть уверенным, что при деградации лекарства не станут появляться ядовитые вещества, надо знать, с какой скоростью данное лекарство обезвреживается и с какой скоростью и как выводится из организма... Токсикологи и гигиенисты также заинтересовались системами защиты, потому что мы выживаем в условиях растущего антропогенного загрязнения среды только благодаря этим системам.
Но подавляющее большинство ученых, изучавших системы защиты от ксенобиотиков, как ни странно, так и не задали себе вопрос: а почему, собственно, в организме животных и человека могли появиться такие системы? Как природа могла предвидеть, что понадобятся способы выведения или обезвреживания веществ, которых на Земле до появления заводов, автомобилей, химических производств, очевидно, просто не было? Ответ на этот вопрос подсказала не биохимия чужеродных веществ, не фармакология или токсикология, а экология, точнее, особый ее раздел, называемый либо химической экологией, либо экологической биохимией.
Строго говоря, ученые знали, что ядовитыми могут быть не только антропогенные, но и природные вещества: бактериальные и грибковые токсины, алкалоиды, гликозиды, хиноны, таннины, изофлавоноиды растений — тут все зависит от дозы, а еще от того, образно говоря, что кому нравится. В 1959 году американский исследователь Ж. Френкель опубликовал результаты поразительных опытов — они показывали, что некоторые насекомые выбирают себе в пищу растение, в котором есть определенные природные токсины! Так, например, гусеница табачного бражника узнает листья табака по наличию в них никотина. Никотин очень ядовит, и практически все насекомые его избегают. Но гусеница табачного бражника, посаженная в чашку, на дне которой лежит фильтровальная бумага, безошибочно находит и начинает грызть то место на бумаге, куда нанесена капля раствора никотина, и не обращает никакого внимания на места нанесения сахаров, аминокислот и других полезных веществ. Вещества, привлекающие животных, принято называть аттрактантами, а отпугивающие — репеллентами. Стало быть, никотин для большинства насекомых — репеллент, а для гусеницы табачного бражника он аттрактант.
Но почему никотин не отравляет этих гусениц? Вообще растения синтезируют токсины для защиты от своих многочисленных врагов. В свою очередь, животные, питающиеся растениями, вынуждены вырабатывать механизмы защиты от ксенобиотиков — только таким путем они могут питаться определенной растительной пищей. Вот и оказалось, что у гусениц табачного бражника имеется специальная транспортная система для быстрого выведения никотина из внутренней среды организма.
По-видимому, развитие этих механизмов — синтеза ядов и систем защиты от них — шло в эволюции параллельно и взаимообусловленно. В результате такой ко-эволюции складывались подчас удивительнейшие формы взаимодействия между растениями и растительно ядными насекомыми. Например, растение ваточник для защиты от врагов синтезирует так называемые сердечные гликозиды. Они очень ядовиты и опасны и для насекомых, и для позвоночных, включая млекопитающих. Но гусеницы бабочки данаиды выработали надежные механизмы защиты от сердечных гликозидов и депонируют их. Накопленные гликозиды переходят по наследству в организм взрослой бабочки, в результате чего она становится ядовитой для птиц. Но наученные горьким опытом птицы избегают склевывать бабочек данаид.
Здесь мы сталкиваемся с двумя стратегиями защиты, выработанными в процессе коэволюции растений и животных. Первая стратегия — выбор индивидуального механизма защиты. Растения научаются синтезировать мощные защитные токсины — такие, как сердечные гликозиды, никотин, атропин, стрихнин. Подавляющее большинство животных не в состоянии защититься от них. Но у одного-двух видов возникает какой-то механизм защиты, такой вид животных может даже питаться данным растением — и здесь он не имеет конкурентов. Дальнейшая коэволюция закрепляет связь между животным и растением, токсин последнего становится для животного аттрактантом.
Вторая стратегия защиты — избегание причин гибели. Животное научается избегать ядовитые растения, узнавая их токсины по запаху или вкусу. Такие токсины становятся для животного репеллентами. Оно выискивает пищу, в которой подобных репеллентов нет, и круг пищевых растений при этом может быть достаточно широким.
Эти две стратегии определяют и особенности систем защиты от современных ксенобиотиков. Первая стратегия может осуществляться только с помощью систем, защищающих именно от данного ксенобиотика. Они, естественно, могут быть разными по механизму (детоксикация, выведение, депонирование или что-то другое), но их возможности ограничены.
Диапазон второй стратегии значительно шире, использующие ее защитные системы могут уберечь внутреннюю среду организма от ксенобиотиков, встречающихся в различных видах пищи и достаточно разнообразных по химическому строению. Поэтому эффективность систем защиты от ксенобиотиков, а частности систем выведения кислот, должна быть различной у животных с разным типом питания — монофагов, олигофагов, полифагов (то есть использующих один, несколько или много видов пищи). И действительно, у монофага (пчелиной огневки) и олигофага (черепахи) скорость выведения низка, а у полифагов (особенно всеядных) она велика.
Но какая польза нам от этих данных? Представим себе, что на все эти виды действует высокая концентрация ксенобиотика, который может выводиться системой транспорта органических кислот. Ясно, что саранча, американский таракан, крыса с такой нагрузкой справятся, а вот черепаха и пчелиная огневка не справятся. Если воздействие достаточно длительно, то такие виды, как черепаха и огневка, оказываются под угрозой гибели (темп вымирания вида, естественно, будет зависеть от эффективности работы и других систем защиты от ксенобиотиков). Таким образом, получая количественные характеристики эффективности работы систем защиты от ксенобиотиков у представителей различных систематических групп животных, мы можем прогнозировать судьбу их в условиях антропо-генного загрязнения среды. Здесь открывается возможность объективно определять, какие вещества и в каких дозах может вынести интересующий нас вид.
Знание возможностей защитных систем позволяет также установить, какие вещества не должны попадать в пищу человека и сельскохозяйственных животных. Сейчас во всем мире, и у нас в стране особенно, создаются новые виды кормового белка, новые комбикорма. При этом, однако, не проверяется, какие ксенобиотики содержатся в этих новых продуктах, могут ли с ними справиться системы защиты, не будут ли эти ксенобиотики сами нарушать работу защитных систем...
В настоящее время предпринимаются попытки снизить уровень загрязнения окружающей среды, но все мы знаем, как медленно и непросто идет это дело. Изучение свойств систем защиты от ксенобиотиков может помочь нам выиграть время — дать возможность ослабить вредное действие загрязнений, повысив эффективность работы защитных систем (фармацевтическим путем). Особенно важно это для детей — они очень чувствительны к чужеродным химическим веществам, а механизмы защиты у них еще не развиты в полной мере.
Системы защиты от ксенобиотиков у животных обладают, как мы видели, удивительным совершенством — созданные в процессе эволюции для борьбы с природными ядами, они пока защищают нас и от ксенобиотиков. Причем самое ценное их свойство — это способность обезвреживать самый широкий круг разнообразнейших ксенобиотиков, техническим устройствам до такой широты далеко. Поэтому возникла мысль создать искусственные системы очистки, аналогичные лучшим образцам природных. Например, искусственные системы транспорта органических кислот, которые можно было бы использовать для очистки воды. Эта идея не фантастика, она уже реализуется практически: в нескольких лабораториях США и в нашей стране ведутся опыты по выделению чистого переносчика из мембран.
Таким образом, изучение систем защиты от ксенобиотиков может дать очень много для борьбы за здоровье природы, за здоровье человека. Химическая экология дает нам шанс достойно справиться с проблемой антропогенных загрязнений среды, с нарушениями экологического равновесия. Используем ли мы этот шанс?