Современные яды: Дозы, действие, последствия

Колок Алан

Если в Средние века отравляющие вещества, природные и синтетические, применялись точечно, то в наше время они производятся и используются в промышленных масштабах. Сегодня химикаты или их следы можно обнаружить почти везде. Мы потребляем их с пищей, наносим на кожу и волосы. Наша одежда, дома, машины, любимые гаджеты – все это создается с «участием» опасной для здоровья химии.

Вы узнаете из книги о том, что происходит в мире токсикологии сейчас, как и для чего ученые разрабатывают всё новые смертоносные яды, под какими красивыми масками они нам преподносятся, как проникают в наш организм и какие последствия вызывают, и, конечно, о тех маленьких бездумных преступлениях против окружающей среды, которые мы ежедневно совершаем не задумываясь.

 

Переводчик Мария Кульнева

Научный редактор Елена Ванисова

Редактор Антон Никольский

Руководитель проекта О. Равданис

Корректор И. Астапкина

Компьютерная верстка М. Поташкин

Дизайн обложки Ю. Буга

Иллюстрация на обложке shutterstock.com

© Alan Kolok, 2016

Published by arrangement with Island Press

© Издание на русском языке, перевод, оформление. ООО «Альпина Паблишер», 2017

Все права защищены. Произведение предназначено исключительно для частного использования. Никакая часть электронного экземпляра данной книги не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами, включая размещение в сети Интернет и в корпоративных сетях, для публичного или коллективного использования без письменного разрешения владельца авторских прав. За нарушение авторских прав законодательством предусмотрена выплата компенсации правообладателя в размере до 5 млн. рублей (ст. 49 ЗОАП), а также уголовная ответственность в виде лишения свободы на срок до 6 лет (ст. 146 УК РФ).

* * *

 

Предисловие

Токсикология – междисциплинарная область исследований. Другие предметы, например анатомию, можно изучать более или менее как самостоятельную дисциплину, не привлекая большого количества сведений из других научных сфер. Студентам можно рассказывать о строении и расположении костей, мышц или внутренних органов, не упоминая, к примеру, о химическом составе скелета или биомеханических основах мышечной активности. Токсикология же изучает вредное воздействие различных химических веществ на живые организмы, поэтому ее нельзя причислить исключительно к сфере биологии или химии. Она скорее представляет собой пересечение этих двух дисциплин.

Кроме того, токсикология – прикладная наука, отражающая изменения в окружающей среде и потребностях общества. С начала своего формирования, то есть уже более 500 лет, токсикология неразрывно связана с медициной. Врачи, сталкивавшиеся с ужасными последствиями отравлений, пытались понять механизмы действия яда на человека, в результате чего были сформулированы два общих принципа: воздействие яда зависит от дозы, и природа химических веществ раскрывается в их структуре. На ранних этапах развития токсикологии происходил постоянный обмен идеями с ее более милосердной сестрой – фармакологией, изучавшей полезное действие лекарственных веществ на организм. Действительно, эти две дисциплины очень прочно переплетены друг с другом; терапевтический эффект многих лекарств может обратиться во вред, если превысить дозировку или время воздействия.

Несмотря на историческую связь токсикологии с медициной, меняющаяся природа взаимодействий человеческого общества с химикатами изменила и контекст понятия токсичности. В старину воздействие ядов на людей было, как правило, индивидуальным. Контакт с ядовитым плющом, поедание несъедобных грибов или укус змеи могли привести к тяжелым последствиям или даже смерти; однако это происходило с отдельными людьми в отдельные моменты времени. Даже ранние исторические опыты в области металлургии и иных отраслей промышленности могли повлиять лишь на ограниченное число людей, работавших на небольших и относительно изолированных производствах. На протяжении долгих веков воздействие ядов было скорее личной проблемой, нежели общественной.

Все изменилось с наступлением индустриальной революции. С развитием тяжелой промышленности, в частности металлургии, и увеличением добычи полезных ископаемых началось масштабное загрязнение почв, воды и воздуха. Теперь воздействию вредных химических веществ подвергались уже не отдельные люди, а целые сообщества. Токсикология объединилась с эпидемиологией – разделом медицины, изучающим возникновение и распространение болезней в определенных человеческих популяциях. Начались исследования, призванные оценить опасность различных загрязняющих веществ для человеческого общества.

Химическая революция, более поздний отпрыск революции промышленной, породила огромное разнообразие химических веществ, попадающих в окружающую среду, и еще более изменила лицо современной токсикологии. Изначально воздействующие на человека химикаты имели природное происхождение или являлись относительно простыми видоизменениями существовавших в природе соединений, получавшимися, к примеру, при обогащении руд или сжигании древесного или ископаемого топлива. Начавшееся в начале XX в. развитие промышленного органического синтеза обогатило мир токсикологии новыми группами веществ, которые, как оказалось, ведут себя совершенно иначе, чем природные соединения. Вместо того чтобы быстро разлагаться в естественной среде, они сохраняются неизменными – в некоторых случаях на протяжении многих десятков лет. Более того, эти вещества стали обнаруживать в тканях различных животных в самых неожиданных местах.

С ростом объема и разнообразия загрязняющих веществ стала меняться и сама природа токсической реакции. Когда-то подавляющее большинство эффектов, которые оказывали на человека яды, – к примеру, при укусе змеи или пчелы, – были острыми и быстротечными, однако в современную эпоху существует все больше примеров воздействия долговременного и проявляющегося далеко не сразу. Такие загрязнители, наряду с лекарствами и средствами личной гигиены, стали действовать как непредусмотренные сигналы для клеток организма, нарушая их взаимодействие. Это приводит к таким неприятным последствиям, как канцерогенез, репродуктивная дисфункция, нарушения внутриутробного развития. Хуже всего то, что эти последствия проявляются спустя продолжительное время после того, как химический сигнал исчезает, – иногда даже у детей или внуков человека, подвергшегося воздействию яда. Когда ущерб становится очевидным, химического «взломщика» уже и след простыл.

Тройная угроза современных ядов – их глобальное распространение, огромное разнообразие и длительное неявное воздействие с отсроченными последствиями – сильно усложняет ситуацию в сфере токсикологических исследований. Поэтому нет ничего удивительного в том, что природа объектов исследований современной токсикологии не всегда ясна не только неспециалистам или студентам, но и серьезным ученым. Зачастую возникает неверное понимание метаболического пути, транспорта, абсорбции, выделения и биологической активности токсичных веществ.

Сложность понимания токсикологии, в силу описанных выше причин, стала поводом к написанию этой книги. Моя цель – внести немного ясности в существующий хаос и представить современные достижения в этой сфере таким образом, чтобы они были понятны непрофессионалу. Вероятно, кому-то материал книги покажется чересчур упрощенным, однако я не стремился создать исчерпывающий учебник по токсичным веществам, а всего лишь хотел познакомить широкий круг читателей с некоторыми тонкостями и нюансами современной токсикологии.

 

Благодарности

Эта книга посвящается трем группам людей. Первая – мои коллеги, которые помогали в создании книги: Шеннон Бартелт-Хант, Шерри Чирек, Стивен Ресс, Кристин Кутукэш, Пол Дэвис, Элинор Роган, Филип Смит, Джереми Уайт и Хейко Шенфусс. Спасибо вам за редакторскую помощь и комментарии. Вторая – мой брат, сестра и мать, которые вежливо интересовались у меня, когда же книга будет окончена? Да, дорогая моя семья, после долгих лет этот момент наступил. И наконец, спасибо за терпение моим жене и сыну, Венди и Джареду. Они лучше других знают, что я имею в виду.

 

Глава 1

Все зависит от дозы

 

Когда я учился в начальной школе, наши разговоры на игровой площадке нередко приобретали фаталистический характер. Быть может, это объяснялось эпохой холодной войны, но я хорошо помню, как мы с товарищами болтали о химии и смерти: «Если слишком глубоко дышать, можно умереть!», «Если выпить очень много воды, то умрешь!»

Сегодня людей волнует в основном не летальное количество этих относительно безобидных субстанций, а содержание в нашей пище, воде и воздухе вредных загрязняющих веществ. Однако, несмотря на недостаток образования, я и мои сверстники были не так уж далеки от истины. Мы тогда ничего не знали о токсинах, но по сути повторяли мысли Парацельса, врача XVI в. Его недаром считают отцом токсикологии, потому что именно Парацельс сформулировал первый и главный догмат этой науки – идею о том, что ядовитость вещества зависит от дозировки: «Все есть яд и ничто не лишено ядовитости; одна лишь доза делает яд незаметным». Иными словами, даже такое вроде бы совершенно безвредное вещество, как вода, будучи употреблено в избыточном количестве, может оказаться не менее опасным, чем всем известные яды, например мышьяк.

Революционная идея Парацельса отражает связь дозы с реакцией: в большинстве случаев чем выше доза, тем сильнее негативная (токсическая) реакция. Эта очевидная концепция создала тематическую платформу, на которой строится современная регуляторная токсикология. К тому же упомянутая связь куда интереснее, чем кажется на первый взгляд, так как и в дозировке, и в реакциях существует множество нюансов.

Когда химическое вещество, токсичное или безвредное, контактирует с организмом, оно оказывает на него определенное воздействие. Дозой воздействия, или экспозиционной дозой, называется количество вещества, которое подействовало на организм. Это количество можно измерить различными прямыми или косвенными методами. Для стандартных химикатов, которые человек принимает намеренно (например, лекарств), существует прямой путь воздействия – чаще всего оральный или инъекционный. Для такого типа воздействия доза обычно определяется через массу (в граммах или миллиграммах) вещества, назначаемого для приема. Например, обычная таблетка аспирина, одного из самых распространенных лекарственных средств, содержит 325 мг активного ингредиента – ацетилсалициловой кислоты. В этой таблетке также содержится ряд инертных химических веществ (наполнителей), но дозировка определяется именно количеством активного ингредиента. Точно так же выражается дозировка и для инъекционных препаратов. Например, эпинефриновый инъектор, широко используемый людьми, страдающими от различных пищевых аллергий, позволяет ввести дозу в 0,3 мг эпинефрина, несмотря на то что в растворе содержатся и другие вещества.

В приведенных примерах путь воздействия прямой и доза легко определяема, но что делать в тех случаях, когда воздействие оказывается непрямым и непреднамеренным? Это может происходить, если человек, к примеру, съел рыбу, которая прокачивала через свои жабры загрязненную воду, или же он является пассивным курильщиком. В таких случаях количество потребленного вещества сложно точно измерить. Поэтому проще определить не экспозиционную дозу, а концентрацию вещества в среде (в воде, которая проходит через жабры рыбы, или в воздухе, которым дышит животное или человек).

Вне зависимости от прямого или косвенного источника воздействия реакция животного (в том числе человека) на воздействие химического вещества может быть дискретной или непрерывной. Гибель организма – крайний случай дискретной реакции, в котором возможны лишь два состояния: жизнь или смерть. Как бы ни был печален факт смерти, она дает токсикологам очень ценный исследовательский материал. В других же случаях возможно весьма существенное разнообразие реакций на воздействие токсина. В качестве классического примера непрерывной реакции можно привести нарушения в когнитивной сфере в результате воздействия на мозг алкоголя. Реакция на алкоголь не происходит по типу «все или ничего»; она усиливается с увеличением дозы. То же самое можно сказать и о других типах нарушений, вызванных токсинами, например экспрессии генов или активности белков.

Что интересно, ни способ получения дозы воздействия – прямой или косвенный, – ни метод измерения реакции – дискретной или непрерывной, – не влияет на общий принцип связи между дозировкой и реакцией. В подавляющем большинстве случаев форма кривой этого взаимодействия остается неизменной вне зависимости от того, как представлены данные о дозе и реакции.

 

Количественная оценка зависимости реакции от дозы

Зависимость реакции от дозы – очень полезный показатель, часто используемый регуляторными организациями. Стандартный подход к тестированию новых веществ или веществ, используемых в новом качестве, начинается именно с выяснения этого соотношения. Обычно на первой стадии определения токсичности проводится оценка способности вещества давать дискретный результат – а именно смерть – в популяции лабораторных животных, к примеру мышей.

Кривая зависимости реакции от дозы на самом деле описывает не смерть, а смертность. Смерть – это реакция отдельного организма, и здесь очевидно, что организм может находиться лишь в одном из двух состояний: он может быть либо жив, либо мертв. Смертность же – реакция популяции организмов. Уровень смертности – показатель, отражающий, какая часть популяции гибнет в результате воздействия токсина. В качестве графической иллюстрации смертности в группе животных, подвергшихся воздействию одинаковых доз токсичного вещества, мы используем дискретную кривую зависимости. В одной крайней точке токсикологической кривой все животные, подвергшиеся воздействию малых доз, выживают (уровень смертности равен нулю), а в противоположной – все животные, подвергшиеся воздействию высоких доз, гибнут (уровень смертности 100 %).

Между этими крайностями полной выживаемости и полной смертности зависимость реакции от дозы становится более интересной. В подавляющем большинстве случаев она описывается характерной S-образной, или сигмоидальной, кривой. При низких дозировках токсичного вещества постепенное повышение его концентрации не приводит к сильному увеличению смертности. При средних дозировках смертность начинает резко возрастать с повышением концентрации, а при высоких дозах разница в уровне смертности при увеличении дозы снова становится минимальной.

Важный параметр, который помогает прояснить зависимость – это точка перегиба кривой. В нижней части кривой повышение дозировки ведет не только к увеличению общего числа умерших животных, но и к увеличению количества животных, умерших с каждой новой дозой. Иными словами, угол наклона кривой при переходе от одной концентрации вещества к следующей продолжает увеличиваться, пока не достигнет максимума в точке перегиба. Дальнейшее повышение дозы действующего вещества продолжает приводить к усилению биологического ответа, но скорость, с которой ответ растет, начинает уменьшаться с каждым последующим повышением дозы. Точка перегиба всегда находится в средней части кривой, там, где при тесте на летальную токсичность наблюдается 50 %-ная смертность, и, как мы увидим далее, эта точка имеет большое значение при токсикологическом тестировании веществ.

Переход от экспериментальных данных к применимой на практике зависимости реакции от дозы (которая позволяла бы количественно определить интересующие точки на кривой) оказывается сложнее, чем кажется на первый взгляд. Для того чтобы заполнить пробелы между относительно немногочисленными экспериментально определенными точками и получить непрерывную кривую, необходимо найти математическое уравнение, описывающее эту зависимость. Когда такое уравнение найдено, с его помощью можно определить значения для любой точки кривой, а не только для тех, где имеются экспериментальные данные.

На практике, для того чтобы выявить зависимость реакции от дозы того или иного химического вещества, нужно преодолеть существенные трудности, связанные с методикой экспериментов. Например, если токсичное вещество является новым и ранее никогда не подвергалось тестированию, то исследователь вынужден «стрелять вслепую» и экспериментально устанавливать зависимость в очень широком диапазоне концентраций. Часто этот диапазон широк настолько, что ось х на координатной сетке выглядит не линейной (то есть 1, 2, 3 и т. д.), а скорее логарифмической (то есть 1, 10, 100 и т. д.). В этом случае весьма вероятно, что в процессе эксперимента в одной или более группах животных уровень смертности будет нулевым из-за слишком малых концентраций, а одна или более экспериментальных дозировок приведут к 100 %-ной смертности. Важно, что эти дозировки не помогут выстроить кривую зависимости. После исключения их из анализа количество оставшихся точек, которые можно использовать для построения S-образной кривой, может оказаться слишком маленьким, и достоверность результатов тем самым серьезно снизится.

К счастью, существуют математические методы, которые позволяют обойти ряд сложностей. Пробит-анализ, к примеру, позволяет производить такие математические преобразования, в результате которых можно превратить сигмоидальную кривую в прямую линию. Как известно всем, кто изучал евклидову геометрию, кратчайшее расстояние между двумя точками – это прямая, и наоборот, любую прямую можно построить по двум точкам. Поэтому с помощью пробит-анализа можно точно оценить всю кривую зависимости реакции от дозы, имея данные всего лишь в двух точках, лежащих где-то между нулевой и 100 %-ной смертностью. Более того, если зависимость описывается линейным уравнением (y = угол наклона × x + свободный член), можно легко определить значение любой точки, подставив несколько цифр в это простое уравнение.

 

Танцы вдоль кривой

Прелесть линейной зависимости реакции от дозы заключается в том, что она дает много предварительной информации о взаимодействии животного с химическим веществом. Например, угол наклона прямой сообщает нам об эффективности токсичного вещества, то есть его способности вызывать биологическую реакцию. С увеличением угла наклона эффективность также растет. Более того, если эффективности двух веществ оказываются сходными, то на основании зависимости реакции от дозы можно определить некоторые полезные точки, дающие при сокращении одно число, с помощью которого можно проводить сравнение токсичности различных веществ.

А теперь вернемся к точке перегиба. Эта точка в токсикологии и фармакологии известна как ЛД50, доза, при воздействии которой гибнет 50 % популяции животных. Эту точку можно определить и в тех случаях, когда животные подвергаются косвенному воздействию вещества (при содержании токсичного компонента в воздухе для животных, дышащих легкими, или в воде, для тех, кто дышит жабрами), но тогда она обозначается, как ЛК50 (концентрация вещества в среде, при которой 50 % организмов погибают). Эти точки перегиба дают ученым практический числовой индекс, с помощью которого можно сравнивать токсичность различных веществ.

Вторая точка, которую можно выявить из зависимости реакции от дозы, – это пороговая концентрация. Пороговая концентрация – та, при которой вероятность негативного воздействия (например, один случай заболевания на миллион человек) достаточна низка и считается допустимой. Интересно то, что, хотя пороговую дозу легко определить по зависимости реакции от дозы при условии наличия соглашения о приемлемом уровне негативного воздействия, допустимая вероятность этого негативного воздействия устанавливается не наукой, а на общественно-политическом уровне. Этот вопрос мы обсудим подробнее в главе 14.

Третья важная деталь, касающаяся пороговой дозы, состоит в том, что эта доза является не столько эмпирической, сколько математической. Иными словами, пороговая доза не ограничивается решениями ученого, проводящего тестирование. Если он, к примеру, вводил крысам какое-то вещество в пяти различных концентрациях (0,01, 0,1, 1, 10 и 100 мг на кг массы тела), то пороговая доза вовсе не обязательно будет одной из них. Прямая линия, которую мы получаем при пробит-анализе зависимости реакции от дозы, описывает взаимоотношения не просто нескольких точек на линии, а всех составляющих ее точек. Однако с двумя другими показателями, NOEC и LOEC, дело обстоит иначе. Эти показатели ранее часто использовались для описания химической безопасности продукта, но в настоящее время впали в некоторую немилость. NOEC – это максимальная из измеренных концентраций на кривой, при которой не наблюдается видимого положительного воздействия на организмы, а LOEC – минимальная из измеренных концентраций, при которой выявляется негативное биологическое воздействие химического вещества. Проблема в том, что эти показатели по своей сути необъективны. В то время как пороговая доза – это величина, выведенная математически с использованием всех точек кривой зависимости реакции от дозы, значения NOEC и LOEC связаны только с теми точками кривой, для которых были получены эмпирические данные. Поэтому общее число возможных значений для этих точек лимитируется количеством вариантов дозировок, выбранных экспериментатором. Например, если ученый вводил крысам вещество в пяти различных концентрациях (0,01, 0,1, 1, 10 и 100 мг на кг массы тела), то значения NOEC и LOEC могут соответствовать лишь каким-либо из этих пяти вариантов. Поэтому результаты очень сильно зависят от прихоти экспериментатора и весьма ограничены, тогда как при математическом вычислении они куда более точны и теоретически могут быть абсолютно любыми.

Когда какая-либо правительственная структура разрабатывает стандарты химической безопасности, считающаяся безопасной дозировка практически всегда оказывается ниже, чем реальная пороговая концентрация, рассчитанная на основании уравнения зависимости реакции от дозы. Это делается по чисто практическим причинам, так как токсикологическое тестирование обычно проводится на лабораторных грызунах (мышах и крысах), и его результаты экстраполируются на человека. Грызуны могут быть более чувствительны или менее чувствительны, чем люди, к тем или иным химическим веществам, поэтому максимально допустимый уровень загрязнения из соображений безопасности уменьшается на порядок по сравнению с экспериментальным. Кроме фактора возможных различий в реакции между биологическими видами, во внимание принимается также повышенный риск воздействия того или иного вещества на особо чувствительные группы людей (дети, пожилые и лица с нарушениями иммунной системы).

 

Исключения

Но во всех ли случаях применима S-образная кривая? Возьмем, к примеру, витамин А. Это вещество представляет собой смесь компонентов, в том числе ретинола, ретиналя и других сходных по структуре каротиноидов. Недостаток витамина А в рационе может вызывать нарушения зрения, особенно при недостатке освещения. Однако витамин А – жирорастворимое вещество, которое не так быстро выводится из организма, как водорастворимые витамины, например витамин С. Поэтому, если употребить слишком много витамина А, возникает риск отравления. Постоянно повышенный уровень витамина А вреден для организма, особенно для развития органов плода. В случае с этим веществом кривая зависимости реакции от дозы будет не сигмоидальной. Она, скорее, напоминает чашу, где негативный эффект наблюдается как при низких, так и при высоких дозировках. В данном случае влияние дозировки будет двояким: при высоких концентрациях витамина А преобладает негативное воздействие, и чем ниже будет его концентрация, тем лучше. Однако в низких концентрациях витамин А действует как микроэлемент, дефицит которого также наносит организму вред, и в этом случае его концентрацию нужно увеличить.

На самом деле подобный дефицит нельзя считать истинно токсическим воздействием, но есть примеры и других веществ, которые оказывают на организм негативное воздействие как в низких, так и в высоких концентрациях. Прекрасный пример такого вещества – это 17-бета-эстрадиол. При высоких концентрациях это вещество обладает канцерогенным эффектом и очень токсично. Но при уменьшении дозы зависимость начинает приближаться к классической сигмоидальной кривой. Дозы ниже пороговых не увеличивают риск развития рака. Однако в концентрации намного ниже пороговой этот половой гормон действует так же, как клеточный сигнал, влияющий в том числе и на эмбриональное развитие у позвоночных животных. Хотя эстрадиол необходим для развития как мужских, так и женских особей, слишком высокий его уровень в определенные моменты может быть токсичным, в том числе приводить к развитию у плода мужского пола ряда женских признаков. Именно это является причиной необычной морфологии репродуктивных органов у некоторых животных, например развития женских фолликулов в ткани мужских семенников. (В последующих главах мы еще вернемся к влиянию различных химических веществ на внутриутробное развитие.)

Наш взгляд на токсичные вещества определяется идеями Парацельса. Вероятно, для подавляющего большинства токсинов все действительно зависит от дозы. Этот первый закон токсикологии породил огромное количество исследований и правовых актов, касающихся безопасности. В мире современных ядов многие виды взаимодействий между молекулой и организмом определяются именно этим простым, но элегантным принципом.

 

Глава 2

Природа химических веществ

 

Второе правило токсикологии помогает нам понять, почему одни химические вещества легко выводятся из организма, а другие – нет. Оно же объясняет нам, почему разные яды действуют по-разному. Это правило первым сформулировал Амбруаз Паре, французский хирург XVI в., который сказал, что «яд… убивает определенным свойством, противоположным нашей человеческой натуре». Иными словами, конкретное действие вещества зависит от свойственной ему химической природы.

Эта идея на первый взгляд может показаться очень простой, но давайте попробуем разобраться, что такое «химическая природа» вещества? Нам известно, что эффекты, оказываемые на организм различными химическими веществами, зависят от структуры их молекул. Токсичность по определению проявляется на молекулярном уровне, потому что действие яда определяется тем, как его конкретные молекулы взаимодействуют с конкретными биологическими мишенями в организме. Эти биологические мишени могут быть общими, как, например, фосфолипиды – тонкий слой жиров, входящих с состав всех клеточных оболочек, или очень узкими – например, рецептор к какому-либо нейротрансмиттеру, который может быть навсегда заблокирован по-особому устроенной молекулой пестицида, подходящей именно к данному рецептору. Таким образом, природа токсичного вещества – это его молекулярная структура, так как именно она определяет его химическую активность.

Для многих токсичных веществ, особенно для тех «специалистов», что связываются со строго определенными клеточными рецепторами, кажется вполне логичным, что за воздействие несет ответственность именно трехмерная структура молекул токсикантов. Если токсичное вещество – это ключ, то рецепторная молекула – замок, и для многих токсичных веществ изменения химической структуры молекул (аналогично различиям в форме бородки ключа) могут приводить к изменению токсичности. Более того, если нам известен механизм токсического воздействия вещества на организм, можно сделать вывод, что молекулы со сходной структурой могут оказывать на организмы сходное воздействие. Зависимость активности от структуры – корреляция между структурой молекул химического вещества и его биологической активностью – важный принцип, который можно вывести из трудов Паре.

Зависимость активности от структуры помогает понять, почему разные члены некоторых небольших групп токсинов направленного действия (тех самых «специалистов») действуют на организм одинаково. Но давайте попробуем разобраться в общих закономерностях строения химических веществ. Если нарисовать все известные науке химические вещества на воображаемой школьной доске (доска понадобится о-о-очень большая!), их можно было бы разделить на многочисленные небольшие родственные группы: на одной части доски окажутся сахара, на другой – металлы, на третьей – диоксины и т. д. Какие же критерии можно использовать, чтобы объединить эти группы в более крупные подразделения?

Есть два весьма практичных и простых способа разделения всех веществ на нашей доске. Во-первых, можно выделить органические и неорганические молекулы – то есть, попросту говоря, отделить вещества, в которых есть углерод, от тех, в которых углерода нет. В общем можно сказать, что углеродсодержащие вещества могут быть химически модифицированы в результате процессов, происходящих в живых организмах, и считаются основой жизни. Все необходимые для существования живых организмов молекулы – сахара, жиры, белки, ДНК и РНК, липидная мембрана и т. д. – являются органическими, так как содержат углерод.

Второй способ классификации химических веществ основан на их относительной растворимости; иными словами, вещества могут быть водо– или жирорастворимыми. В отличие от органической или неорганической природы, которая определена однозначно, относительная растворимость веществ может варьироваться – от высокой растворимости в липидах, или жирах, до высокой растворимости в воде. Тем не менее разделение веществ на водо– и жирорастворимые весьма информативно, так как позволяет многое объяснить.

Отличие водорастворимости от жирорастворимости можно легко понять, если представить себе процесс приготовления заправки для салата. Для традиционного итальянского салатного соуса нужно взять воду, оливковое масло и специи, соединить их в емкости и тщательно встряхнуть. Получившийся раствор на самом деле не раствор, а эмульсия – смесь веществ, которые не могут полностью соединиться. Со временем эмульгированные жидкости разделятся, и слой оливкового масла окажется поверх слоя воды. Теперь разберемся со специями, которые используются в заправке для салата: на молекулярном уровне некоторые из них (поваренная соль, сахара и т. д.) растворяются в первую очередь в воде, а не в масле. Другие (например, ванилин, экстракт мяты или винтергреновый экстракт – ну ладно, последний не назовешь традиционным компонентом салата) растворяются в оливковом масле, а растворить их в воде нельзя.

А теперь давайте посмотрим, что будет, если мы добавим к смеси воды и масла какое-нибудь из веществ, расположенных на нашей доске. Если хорошенько встряхнуть сосуд, а потом дать смеси отстояться и разделиться, вещество растворится в одном из слоев – в воде или масле – или не растворится вообще и окажется в виде кристаллов на дне сосуда.

На основании этих двух принципов разделения химических веществ на группы любое вещество можно отнести к одной из пяти категорий: нерастворимые вещества, жирорастворимые неорганические вещества, жирорастворимые органические вещества, водорастворимые неорганические вещества и водорастворимые органические вещества. Молекулы нерастворимых веществ, как органических, так и неорганических, связаны очень прочными химическими связями, которые трудно разорвать, поэтому они и не переходят в раствор. Если рассмотреть этот факт более пристально, становится понятно, что если вещество нерастворимо ни в воде, ни в липидах, значит, оно не может быть усвоено организмом, и, следовательно, не может быть токсично. Так что с точки зрения токсикологии нерастворимые вещества не представляют большого интереса.

Таким образом, классификацию токсичных веществ можно свести к четырем категориям: жиро– и водорастворимые неорганические вещества и жиро– и водорастворимые органические вещества. Список можно еще сократить, так как жирорастворимые неорганические вещества с точки зрения токсикологии также не слишком интересны. Во многих смыслах разделение веществ на водо– и жирорастворимые не менее важно, чем их разделение на органические и неорганические. Чтобы понять это, необходимо получше приглядеться к месту, где химия буквально сталкивается с биологией: к клеточной мембране.

 

Клеточная мембрана

Прежде чем обратиться к теме абсорбции веществ из среды организмом, давайте вспомним, как устроена живая клетка. Когда я читаю курс общей биологии студентам непрофильных специальностей, я прошу их взять лист бумаги и за отведенное время нарисовать клетку. Тут я хитрю, потому что без предупреждения даю им всего одну-две секунды, и, едва они успевают начать рисовать, кричу: «Время вышло!» За это очень короткое время большинство рисуют одно и то же – замкнутый круг. По сути, то, что они рисуют, – это клеточная мембрана. Хотя для жизнедеятельности клетки, несомненно, важны ядро, митохондрии, аппарат Гольджи и прочие органоиды, именно клеточная мембрана отделяет внешнюю среду от внутренней, и именно ее первым делом рисуют практически все, кому дается задание нарисовать клетку за несколько секунд.

Клеточная мембрана состоит из двойного слоя фосфолипидов. Во внешнем слое молекулы расположены так, что полярные головки молекул смотрят наружу, а неполярные хвосты направлены в сторону цитоплазмы. За первым слоем следует небольшая щель, а затем – внутренний слой фосфолипидов. В этом слое хвосты молекул направлены наружу, то есть к таким же хвостам внешнего слоя, а головки – внутрь клетки, в цитоплазму. Таким образом, с обеих сторон липидного слоя находятся полярные головки, а между ними – неполярные хвосты.

Для этой структуры полярные головки имеют принципиальное значение. Каждая из них имеет положительно и отрицательно заряженные стороны. Так как одинаковые заряды отталкиваются, а противоположные – притягиваются, липидный слой представляет собой непроходимый барьер для проникновения любых заряженных ионов – как органических, так и неорганических.

Эта относительная непроницаемость создает проблему, так как цитоплазма внутри клетки не может существовать без водорастворимых компонентов. Многие необходимые ионы – ионы натрия и кальция, хлорид, а также органические вещества, например глюкоза и другие сахара, – являются полярными и не могут преодолеть липидную мембрану. Как же им попасть внутрь? Для этого существуют специальные белки. Они усеивают двойной липидный слой, как стразы на узорчатом поясе. Эти белки работают как поры, или перевозчики, которые доставляют полярные молекулы с одной стороны мембраны на другую. Если начать подробно рассматривать различные биологические мембраны, то выясняется, что у наиболее активных структур (например, митохондрий) белков в мембранах больше всего, а у наименее активных (например, оболочках отростков нервных клеток), их, напротив, очень мало.

Чтобы возникла токсическая реакция, ядовитое вещество должно проникнуть к своей мишени. Иногда это рецептор, иногда – определенный белок или ядерная ДНК, но в целом можно сказать, что мишенью токсина является либо какое-то место внутри клетки, в пределах ее клеточной мембраны, либо сама эта мембрана (двойной липидный слой). Поэтому многие токсичные вещества, чтобы проявить свою активность, должны преодолеть мембраны, и как раз здесь на сцену выходит их растворимость. Водорастворимые вещества (и органические, и неорганические) не могут легко пройти сквозь липидные слои, если только не воспользуются белковыми каналами. Таким образом, транспорт водорастворимых веществ подвергается контролю, и содержание многих из них – например, таких неорганических ионов, как ионы натрия, хлорид, ионы калия или кальция, – поддерживается в клетке на постоянном уровне.

Данная система эволюционировала так, чтобы была возможна регуляция транспорта этих ионов, однако она не всегда работает безошибочно. Ионные каналы, точно регулирующие поступление неорганических или органических ионов в клетку, случайно могут пропускать и вредные токсичные ионы. Переносчики таких микроэлементов, как медь и цинк, не могут отличить эти необходимые для жизнедеятельности металлы от потенциально опасных, таких как кадмий, серебро или ртуть.

С токсичными жирорастворимыми веществами дело обстоит иначе. Для них липидная мембрана не является препятствием, и поэтому они могут перемещаться по организму безо всяких ограничений, словно бродяги. Хотя, согласно одному из определений, живой организм – это система, контролирующая свой внутренний состав, жирорастворимые молекулы умудряются обходить правила, регулирующие жизнедеятельность клеток.

Поскольку растворимость так важна для абсорбции и конечной судьбы молекул в организме, нам нужно ее как-то измерять. Это возвращает нас к аналогии с салатной заправкой. Если добавить в смесь (эмульсию) воды и масла некое таинственное вещество и дать смеси отстояться, чтобы масло оказалось сверху, все, что понадобится для определения растворимости, – это измерить содержание вещества в слоях воды и масла. В экспериментах по измерению степени растворимости в качестве масла используется октанол, и получившееся численное отношение называется коэффициентом распределения октанол/вода (Ков).

Если взять разные молекулы, от водорастворимых (поваренная соль) до жирорастворимых (холестерин), насколько разными будут их Ков? Оказывается, различаются они действительно очень сильно. Нередко бывает так, что вещество растворяется в воде в миллион раз лучше, чем в жире, и наоборот. Коэффициенты могут быть настолько велики, что обычно их представляют в виде логарифмической функции (Ков жирорастворимого вещества может составлять 1 000 000, или 106, то есть lg Ков = 6), а разница в растворимости между водо– и жирорастворимыми веществами может превышать 1012, так что растворимость жирорастворимых молекул в двойном липидном слое мембраны может быть более чем в триллион раз выше, чем водорастворимого вещества в том же липидном слое.

Теперь мы можем рассмотреть двойной липидный слой как химический барьер с точки зрения Ков. Водорастворимое вещество по определению является жиронерастворимым и поэтому не может пройти через мембрану. Скорость его диффузии через этот барьер будет минимальной. Без помощи белков-переносчиков поступление этого вещества в клетку практически невозможно, поэтому минимальной будет и его токсичность. И наоборот, вещество, растворимое в масле или жире, легко проходит через клеточную мембрану и поэтому обладает большим токсическим потенциалом. Вещество с большим Ков легко растворяется в липидном слое, и скорость его диффузии в клетку будет гораздо выше, чем у водорастворимых веществ.

Итак, растворимость можно назвать основной дихотомией токсикологии. Поведение практически любого токсичного вещества зависит от его растворимости в жире или воде. Растворимость влияет на такие фундаментальные процессы, как абсорбция из среды, попадание в кровь, диффузия в ткани-мишени, выведение из них, метаболизм, разрушение и полное устранение из организма. Эти функции в большей степени регулируются относительной растворимостью в воде и жире, чем размером или формой молекул. Именно с растворимости вещества и начинается дорога токсикологии.

 

Глава 3

Человек как животное

 

Когда мы думаем о биомедицинской лаборатории, вместе с образом ученого в белом халате в сознании сразу же возникает образ лабораторной мышки. Но несмотря на этот закрепившийся стереотип, место мышей очень скоро могут занять аквариумные рыбки рода Данио. Почему же холоднокровная рыба может быть для ученых более ценной, чем теплокровная мышь, и какую роль рыбы, так сильно отличающиеся от нас, могут играть в медицинских или токсикологических экспериментах?

Чтобы ответить на эти вопросы, в первую очередь нужно вспомнить о том, что мы, люди, – тоже животные. И у всех животных, вне зависимости от того, насколько они похожи на человека, есть множество сходных черт. Во-первых, все мы являемся гетеротрофами (потребителями органики) и способны к движению. Даже наше строение по сути своей одинаково: все мы – многоклеточные организмы, а генетический материал у нас содержится в ядре – особой и четко определенной структуре внутри клетки. На молекулярном, биохимическом, уровне процессы дыхания, пищеварения, выделения и метаболизма в целом (состоящего из катаболизма, или распада пищи на элементарные строительные «кирпичики» нашего тела, и анаболизма, или построения тканей из этих «кирпичиков») на удивление похожи у самых разных видов животных. Такое сходство создает основы для тестирования веществ на животных: если мы знаем, как тот или иной токсин действует на таких лабораторных животных, как мышь или данио, эти знания могут помочь нам понять, как то же самое вещество может подействовать на человека.

Чтобы решить, какие виды лучше всего подходят для медицинских исследований, нужно рассмотреть ряд факторов, в том числе и отношение общества к разным животным. Люди обычно склонны больше сочувствовать позвоночным животным, чем беспозвоночным. Например, до недавнего времени в США Комитет по содержанию и использованию животных (IACUC), административный орган, регулирующий проведение опытов над животными, обращал внимание в первую очередь на позвоночных, особенно на млекопитающих. Это понятно, потому что именно млекопитающие, в частности грызуны, чаще всего использовались в биомедицинских исследованиях. И дело здесь не только в традиции или частоте использования этих животных. Одна из функций IACUC – следить за тем, чтобы животным в лабораториях не причиняли излишних страданий. Но чем дальше от нас животное в эволюционной цепочке (то есть чем глубже в прошлое мы должны погрузиться, чтобы найти общего с нами предка), тем сложнее нам понять, чувствует ли оно что-то, и если да, то что.

Так как беспозвоночные животные (черви, моллюски, насекомые и т. д.) очень сильно отличаются от нас внешне (морфологически), провести воображаемую черту, отделяющую «настоящих» (позвоночных) животных от всех прочих, становится достаточно просто. Даже в нашем языке отражается не только отсутствие эмпатии, но и, наоборот, присутствие отвращения, к беспозвоночным. Мы нередко говорим про кого-то: «Он бесхребетный», используя это выражение в негативном смысле, подразумевая принципиальное отличие беспозвоночных от наших позвоночных собратьев.

Но какими бы ни были наши предрассудки, сходство между человеком и другими животными не заканчиваются с проведением черты между позвоночными и беспозвоночными. Хотя, конечно, трудно сказать, насколько боль и страдания, испытываемые животными «без лица», соответствуют тому, что может испытывать млекопитающее или другое позвоночное животное, нельзя не принимать во внимание функциональную, метаболическую и молекулярную общность наших организмов. Эта общность в области сравнительной физиологии привела к установлению так называемого принципа Крога. Август Крог – датский физиолог, лауреат Нобелевской премии 1920 г., сказал: «Для каждой проблемы (в физиологии) должно существовать такое животное или несколько видов животных, на которых ее будет проще всего изучить и решить». Принцип Крога применим ко всем животным, а не только к позвоночным.

 

Крог и гигантский кальмар

Примеров функциональности принципа Крога можно найти предостаточно. Строение некоторых систем у беспозвоночных животных может быть проще, чем у позвоночных, но при этом они могут обладать уникальными или более крупными структурами либо иметь свойства, не так явно проявляющиеся у позвоночных животных. Классический пример этого феномена – гигантские аксоны кальмара Loligo.

У всех животных электрические импульсы передаются от спинного мозга к мышцам по нервным волокнам. Эти пучки, во многом подобные коаксиальным кабелям, состоят из отростков (аксонов) отдельных нервных клеток, расположенных в спинном мозге, и идут к мышцам конечностей и других частей тела. Эти аксоны могут быть очень длинными (даже больше метра), но при этом очень малы в диаметре. Учитывая, что они отходят от тела клетки, имеющей в поперечнике всего лишь 10–25 мкм (10–6 м), получается, что это действительно тончайшие «провода».

Скорость движений организма отчасти зависит от скорости передачи нервных импульсов по аксонам. Чтобы повысить эту скорость, каждый «проводок» в нервном «кабеле» у позвоночных животных покрыт метаболически неактивной мембраной. У беспозвоночных же увеличение скорости передачи импульса достигается за счет увеличения диаметра самих аксонов. Оба эти видоизменения направлены на уменьшение сопротивления потоку электрических зарядов. У гигантского кальмара Loligo это увеличение диаметра (в так называемом звездчатом нерве) доведено до крайности: один аксон может быть толщиной 300–800 мкм. Иными словами, аксон – покрытый мембраной отросток одной нервной клетки – больше по крайней мере в 12 раз по сравнению с диаметром среднего нейрона спинного мозга позвоночных!

Это очень важно для физиологов, так как с таким гигантским аксоном относительно просто производить какие-либо действия. Эксперименты на этой уникальной структуре позволили физиологам начала XX в. определить механизмы передачи электрических импульсов нервными клетками. Принцип Крога отлично применим к этой системе, так как гигантский кальмар оказался действительно оптимальным организмом для изучения передачи информации по нейронам у всех животных, как позвоночных, так и беспозвоночных. Конечно, аксоны кальмара отличаются от аксонов млекопитающих, у которых есть свои механизмы, направленные на ускорение передачи. Тем не менее фундаментальные принципы функционирования аксонов остаются неизменными, и искусственное разделение животных на позвоночных и беспозвоночных не имеет здесь никакого значения.

 

Гипотеза аналогий

Сходство человека с другими видами животных полезно не только для подбора модельных организмов для медицинских исследований, но и для определения негативного воздействия химических веществ, попадающих в окружающую среду. Позднее мы подробнее поговорим о том, как продукты фармацевтической промышленности и средства личной гигиены попадают в среду, порой в очень сложных сочетаниях. Учитывая, что многие из этих веществ не считаются вредными для окружающей среды, а их концентрация очень низка, оценить реальный риск оказывается очень сложно.

Здесь может оказаться полезным концептуальный подход, получивший название гипотезы аналогий. Продукты фармацевтической промышленности и средства личной гигиены могут оказывать воздействие на ткани животных, сходные с воздействием на человека, если молекулярная мишень для того или иного вещества у них одинакова. В этом случае можно предположить, что данное вещество, попав в кровь животного, вызовет фармакологическую реакцию в концентрациях более низких, чем требуется для токсической реакции. Более того, если это действительно так, данные, полученные в процессе разработки лекарства, будут полезны для оценки возможного токсического воздействия на живые организмы в природе. Важно, что реакция животных на определенные лекарственные средства может быть сходной с человеческой, если у них имеются одни и те же клеточные молекулярные мишени.

 

Гены и генетическое разнообразие

Животные с совершенно разной морфологией могут тем не менее обладать сходством сложных функциональных структур потому, что все они имеют общее происхождение. У животных передача локомоторных сигналов от мозга к мышцам возникла в ходе эволюции лишь единожды и по сути своей осталась неизменной, или эволюционно консервативной. Конечно, существуют многочисленные видоизменения этой системы, так как позвоночные и беспозвоночные животные довольно давно разошлись на пути эволюции. Таковы, к примеру, механизмы, необходимые для увеличения скорости передачи импульса, о которых мы уже говорили. Однако фундаментальные молекулярные механизмы работы нейронов в большой степени остались такими же, какими были в тот момент, когда у первого животного в ходе эволюции возникла нейронная сеть.

Тот же самый принцип применим и ко многим метаболическим ферментам – белкам, которые участвуют в получении клеткой энергии в форме аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). На ранних стадиях метаболизма сахаров, ведущего к получению энергии, активация ключевого белка-фермента (А-киназы) регулируется белковой субъединицей, дезактивирующей фермент при присоединении к нему. Присоединением этой субъединицы к А-киназе, в свою очередь, управляет производное АТФ, передающее сигналы внутри клетки, циклический аденозинмонофосфат (цАМФ). Оно может связываться с регуляторной субъединицей, в результате чего происходит ее отделение от А-киназы и фермент начинает функционировать. Этот метаболический уровень контроля настолько консервативен, что регуляторные субъединицы одного животного могут связываться с А-киназой многих других живых организмов, даже очень далеко отстоящих от него эволюционно. Метаболизм сахаров, или гликолиз, – это основной путь биохимических преобразований для всех животных. Именно поэтому участвующие в нем белки так консервативны. И поскольку человек – тоже животное, у него имеются те же самые ферменты, и регуляторные субъединицы других животных легко присоединяются к человеческой А-киназе.

Эти примеры иллюстрируют тот факт, что на молекулярном уровне мы с вами являемся такими же животными, как и все остальные. Это очень важно для токсикологии, так как воздействие химических веществ на ткани-мишени очень часто остается неизменным для большого разнообразия видов, включая человека.

 

Естественный отбор и дифференциальная восприимчивость

Консервативность молекулярной структуры и функций – один из основополагающих принципов биологии, однако не менее фундаментальной является и идея об индивидуальном разнообразии. Отдельные особи одного и того же вида животных могут казаться нам совершенно одинаковыми, однако на самом деле очень сильно различаются между собой с точки зрения генетики, биохимии и физиологии, морфологии и поведения. Этой изменчивостью управляет естественный отбор. Основные его принципы следующие:

1. Животные производят на свет больше потомства, чем может выжить при имеющихся ресурсах.

2. Потомки одного животного отличаются друг от друга морфологически и биохимически.

3. От изменчивости признаков зависит, кто из потомков выживет и сможет успешно размножаться, тем самым передавая свои признаки последующим поколениям.

Таким образом, несмотря на то что многие гены и кодируемые ими белки сохраняются в ходе эволюции неизменными, эта консервативность сосуществует с постоянным перемешиванием генетического материала в каждом следующем поколении потомков.

Индивидуальные различия между особями одного вида очень важны для токсикологии по многим причинам. Во-первых, именно они в большой степени определяют кривизну графика зависимости реакции от дозы. От генетической и морфологической изменчивости особей, используемых в экспериментах для построения этой кривой, зависит их способность реагировать на токсическое воздействие. У животных с коротким сроком жизни, которые в природе обычно многочисленны – например, насекомых – индивидуальные различия в реакции могут приводить к развитию популяций, устойчивых к пестицидам. Эти популяции могут возникать очень быстро, так как особо восприимчивые к пестицидам особи гибнут, и возможность размножаться получают только те, кто обладает врожденной устойчивостью. Таким образом, кривая зависимости реакции от дозы меняется со временем, но эти изменения объясняются биологической реакцией популяции на воздействие вещества.

Повсеместное распространение изменчивости в биологических системах также влияет на возможность использования различных животных в диагностике заболеваний, так как чем дальше друг от друга находятся виды эволюционно, тем сильнее различаются их молекулярные особенности. Это создает проблемы при использовании животных в медицинских экспериментах. Например, общий предок двух наиболее распространенных лабораторных животных, мышей и крыс, существовал примерно 23 млн лет назад, а общий предок грызунов и человека – около 100 млн лет назад. За это долгое время эволюция очень сильно развела животных, сделав их совершенно разными не только по внешним признакам или морфологии, но и по реакции на различные химические вещества. Например, при тестировании 392 канцерогенных веществ на мышах и крысах оказалось, что 76 % крысиных канцерогенов являются канцерогенными и для мышей, а 70 % мышиных – для крыс.

Поэтому, несмотря на то что по многим фундаментальным физиологическим и молекулярным процессам человек ничем не отличается от множества других видов животных, что и позволяет использовать их в токсикологических тестах, естественный отбор может действовать таким образом, что токсикологический ответ лабораторного животного может оказаться совершенно иным, чем у человека. Учитывая, что эволюционная дистанция между человеком и грызунами больше, чем между крысой и мышью, можно с уверенностью сказать, что веществ, одновременно канцерогенных и для человека, и для грызунов, будет не больше, чем упомянутые выше 70 %. Это не значит, что лабораторные грызуны не имеют ценности для науки; однако это подчеркивает тот факт, что на всех животных, включая человека, одновременно воздействуют как консервативность молекулярной структуры, так и изменчивость естественного отбора.

Человек – это животное, и наше общее с другими видами животных молекулярное происхождение создает основу для использования лабораторных животных в медицинских исследованиях. В зависимости от исследуемой системы модельные организмы могут быть похожи на человека (это служит аргументом для использования приматов в исследованиях инфекционных болезней) или быть эволюционно очень далекими от него (как в случае с гигантским кальмаром Loligo, которого используют для изучения работы нервных клеток). Возможно, лабораторные мыши и сдадут свои позиции как главный объект исследований, но скорее всего, они просто продолжат сосуществовать в лабораториях с другими модельными организмами. Ведь в конце концов внешнее сходство или различие может быть обманчивым, а главную роль играет биохимическая близость организмов.

 

Глава 4

Химические путешествия: абсорбция

 

Чтобы токсичное вещество стало вредным, для начала ему нужно проделать путешествие из среды к конкретной мишени в организме. Большая часть этого путешествия осуществляется на первый взгляд простым путем диффузии: молекулы мигрируют прочь от источника своего происхождения. Примеры диффузии можно найти повсюду: это и соль, растворяющаяся в воде, и дым, распространяющийся в атмосфере, из заводской трубы. Но диффузия становится более сложной, если молекулы переходят из одной части окружающей среды в другую. Например, когда молекулы переходят из воды в воздух, скорость диффузии зависит как от их собственных свойств, так и от свойств воды и воздуха. Более того, расстояние от источника, которое могут преодолеть молекулы, и размеры поверхности, с которой они распространяются, также оказывают влияние на степень диффузии.

Чтобы токсичная молекула вызвала реакцию в ткани-мишени, токсичное вещество нередко преодолевает несколько различных сред. Загрязняющее вещество, присутствующее в воздухе, может проникать из него в водный слой (влажная среда в воздухе), затем – в липидный слой (мембрана, покрывающая каждую клетку) и наконец – снова в водную среду внутри клетки.

Чтобы попасть в кровь, вещество должно повторить все эти ступени, перемещаясь из внутренней водной среды клетки через липидную мембрану и обратно в водную среду крови.

Вне зависимости от того, каким образом токсины попадают в организм животного – через пищеварение, дыхание или кожу, – все химико-биологические реакции начинаются с перемещения химического вещества через слой эпителия. Кожа – первый приходящий в голову пример эпителиальной ткани, потому что она всегда у нас перед глазами. Но эпителий также имеется в легких и пищеварительном тракте. Эти три эпителиальных слоя не совсем одинаковы, поскольку у них разные функции.

 

Кожа

Кожа млекопитающих, среди прочего, служит барьером между внешней средой и внутренним «океаном» крови. Кожа плотно натянута на все наше тело, имеется лишь небольшое число складок, которые незначительно увеличивают общую площадь ее поверхности. Однако по сравнению с поверхностью внутренних органов, например печени, поверхность кожи очень велика.

Внешний слой кожи состоит из отмерших клеток. В находящемся под ним слое дермы клетки постоянно делятся, производя новые клетки, которые умирают, обезвоживаются и кератинизируются. Процесс кератинизации – это накопление кератина в эпителиальном клеточном слое. Кератин – это волокнистый белок, который можно обнаружить не только в наружном слое кожи, но и в ногтях, копытах и даже роге носорога. Пучки кератиновых волокон очень прочны и, что не менее важно, нерастворимы в воде. Поэтому кератиновый слой вашей кожи можно рассматривать в первую очередь как водонепроницаемый барьер между вами и окружающим миром.

В слое мертвых клеток нет живых белков, поэтому через кожу не может происходить активный транспорт веществ. А как же жирорастворимые вещества? В мертвой клетке сохраняются липиды, образовавшиеся при ее жизни, поэтому жирорастворимые молекулы могут проникать в слой мертвых клеток кожи. В ходе эволюции кожа не развивалась специально как абсорбирующая поверхность, но так как защитный кожный барьер состоит из мертвых клеток, он по своей природе остается способным к абсорбции жирорастворимых веществ.

Способность кожи абсорбировать жирорастворимые вещества – это и наше благословение, и наше проклятие. Например, способность кожи всасывать небольшие липофильные молекулы используется в фармакологии: с помощью адгезивных пластырей можно доставлять в организм такие вещества, как скополамин, средство от морской болезни или никотин. К несчастью, урушиол, активный компонент, содержащийся в ядовитом плюще и сумахе, также может абсорбироваться кожей.

 

Легкие

Внутренняя поверхность легких значительно отличается от внешнего слоя кожи, так как все клетки легких вполне живые, однако имеется одно очень важное общее свойство. Между воздушными мешочками – альвеолами – и внутренней средой клеток легких также не происходит транспорта веществ с помощью белков. Но на этом сходство двух эпителиальных слоев практически заканчивается.

В легких, заполненных воздухом, происходит диффузия кислорода и углекислого газа. У земноводных, например лягушек, легкие похожи на гроздь винограда, состоящую из нескольких очень крупных воздушных мешков с относительно небольшой общей площадью поверхности и относительно большим расстоянием для диффузии от центра каждого мешочка до крови. У млекопитающих в легких того же объема (у крупной лягушки-быка объем легких приблизительно такой же, как у небольшой крысы) альвеолы гораздо мельче и более многочисленные. Кроме того, у крысы гораздо выше уровень метаболизма, для чего требуется более быстрое поступление кислорода в кровь. Отчасти это достигается уменьшением расстояния, на котором осуществляется диффузия (так как альвеолы значительно мельче) и увеличением площади поверхности. Поэтому у крыс кислород поступает из легких в кровь, а углекислый газ – в обратном направлении, быстрее, чем у земноводных.

Однако через эпителий легких проникают не только такие простые газы, как кислород и углекислый газ. Может происходить также абсорбция различных паров. Пар – это газообразная фаза вещества, которое улетучивается с поверхности жидкости (представьте себе пары, поднимающиеся от капельки духов), однако не все химические вещества в одинаковой степени способны производить пары. Например, водорастворимые вещества не улетучиваются из раствора, а упорно в нем остаются. И даже если сама вода полностью испарится, эти вещества, как правило, не попадают в атмосферу, а остаются в виде твердого осадка, часто в форме соли. Так что в легких нет белков-переносчиков водорастворимых веществ, и эти вещества не обнаруживаются в легких в каких-либо значительных концентрациях.

А что же происходит с более летучими органическими соединениями? Эти вещества могут абсорбироваться в различной степени, и определяющим фактором здесь служит коэффициент распределения кровь/газ. Чтобы понять, как абсорбция зависит от этого коэффициента, представьте себе пары воздуха, находящиеся в коктейльном шейкере вместе с небольшим количеством воды. При взбалтывании коктейля пар частично перейдет в воду, а в основном останется в воздухе внутри шейкера. В этом случае у веществ, оставшихся в газовой среде шейкера, будет низкий коэффициент распределения кровь/газ, а у веществ, которые преимущественно перейдут в воду, этот коэффициент будет высоким. Это сильно влияет на способность к абсорбции, так как низкое значение коэффициента означает и низкую абсорбцию, а при повышенном значении коэффициента распределения абсорбция через легочный эпителий будет гораздо выше.

Жабры рыб – очень интересный вариант дыхательного органа. В отличие от легких, жабры контактируют с водой, поглощая растворенный в ней кислород и выделяя углекислый газ из крови непосредственно в воду. Кроме того, прямой контакт жабр с водой позволяет осуществлять транспорт водорастворимых веществ. Поэтому жабры рыб, в отличие от легких млекопитающих, содержат белки, ответственные за этот транспорт, в частности за перенос таких неорганических ионов, как ионы натрия, кальция и калия. Жабры являются не просто дыхательным органом, но и ионорегуляторной структурой, подобной почкам млекопитающих, функция которой состоит в поддержании нужных концентраций необходимых ионов в крови.

 

Пищеварительная система

Мы уже увидели, что перенос химических веществ через кожу минимален, а через легкие – ограничен небольшим числом высокоспецифичных классов химических веществ. Однако транспорт через эпителиальный слой пищеварительного тракта происходит быстро и неукротимо. Главная функция гастроинтестинального эпителия – абсорбция пищи на молекулярном уровне. Поэтому кишечная эпителиальная мембрана заполнена белками, переносящими водорастворимые вещества из пищеварительной системы в кровь, откуда они, в свою очередь, поступают в печень.

Можно предположить, что транспорт липидов через кишечный эпителий будет простым, но на самом деле это довольно сложный процесс. При употреблении в пищу различные липиды – жиры и масла – обычно не остаются в виде отдельных химических веществ, а смешиваются в желудке и кишечнике, образуя крупные глобулы. Эти большие сгустки жира для дальнейшего переваривания необходимо разбить на мелкие капли. Этот процесс носит название эмульгирования. Эмульгирование происходит при помощи солей и кислот желчи, которые заставляют крупные глобулы распадаться на мелкие, называемые мицеллами. Эти мелкие частицы жиров и масел могут перемещаться через эпителиальную выстилку пищеварительного тракта, в конечном итоге попадая в кровь.

Транспортная магистраль, по которой молекулы питательных веществ доставляются из кишечника к другим органам и тканям, к сожалению, так же хорошо абсорбирует токсичные вещества. Белки, предназначенные специально для переноса водорастворимых молекул пищи, «по ошибке» могут переносить через мембрану водорастворимые токсины. Жирорастворимые вещества обычно встраиваются в кишечнике в липидные глобулы и мицеллы. Но, помимо полезных жиров и масел, там могут оказаться и липофильные яды, проникающие вместе с мицеллами в кровь.

 

Что происходит в крови

Когда химическое вещество попадает в организм, оно перемещается по кровеносным сосудам, как гондола по каналам Венеции, к своему пункту назначения – ткани-мишени. Как именно химические вещества путешествуют по кровеносной системе, зависит от ряда факторов, в том числе их растворимости. Водорастворимые вещества растворяются в плазме крови и перемещаются вместе с ее потоком, как правило, совершенно беспрепятственно. Жирорастворимые вещества связываются с белками, и в крови возникает равновесие между небольшим количеством свободных веществ и гораздо большим количеством связанных. Это очень важно, так как свободная форма является биологически активной и может диффундировать из крови к определенным рецепторам. Но если свободно находящееся в крови вещество попадает в межклеточную жидкость и далее к своей клетке-мишени, то равновесие нарушается, и часть молекул, которые были связаны с белками, переходят в свободную форму. Таким образом биологически активные вещества постепенно поступают в кровь, откуда могут транспортироваться через близлежащий эпителий капилляров.

Попадая в организм через кожу, легкие или пищеварительную систему, токсичное вещество нередко должно преодолеть долгий путь по кровеносным сосудам, прежде чем доберется до своей ткани-мишени. Способ его попадания в кровь из эпителиальных клеток, где произошла абсорбция, идентичен процессу попадания в сам эпителиальный слой. Для жирорастворимых веществ попадание в кровь не составляет проблемы – клетки стенок сосуда не задерживают их. В свою очередь, водорастворимые вещества могут использовать белки-переносчики для проникновения через клеточные мембраны.

Способность вещества мигрировать из тканей в кровь определяется не только его химическими свойствами, но и способностью кровеносных сосудов как содействовать, так и препятствовать подобному обмену. Так, например, капилляры головного мозга расположены так тесно, что никакой транспорт не может осуществляться без участия клеток этой капиллярной сети. Поэтому водорастворимые вещества могут проникать в мозг только через клетки, составляющие гематоэнцефалический барьер (барьер между кровью и мозгом). В печени же капиллярная сеть не такая густая, в ней имеются лакуны, позволяющие большим количествам жидкости проникать в ткань печени и обратно. Эта система обеспечивает легкое попадание в кровь водорастворимых питательных веществ (например, сахаров), но по тому же пути могут перемещаться и водорастворимые токсины.

После того как вещество попало в кровь, время его нахождения в ней зависит от типа растворимости. Водорастворимые вещества остаются в плазме крови, пока не смогут выйти из сосуда через клеточные каналы или крупные лакуны, например, в печени и почках. Перемещение водорастворимых веществ по кровеносным сосудам жестко контролируется организмом. Жирорастворимые вещества, напротив, могут свободно проникать в кровеносные сосуды и выходить из них.

На клеточном уровне в нашем организме происходит борьба между контролем и хаосом, и неконтролируемые липофильные вещества постоянно сопротивляются попыткам регуляции внутренней среды. К счастью, жирорастворимые вещества в крови обуздываются, присоединяясь к крупным заряженным белкам. В результате получаются несущие заряд супермолекулы – протеино-токсиновые конъюгаты, которые всегда полярны, поэтому определенным образом расположены в крови. Для многих токсичных веществ (а также неполярных нетоксичных соединений, например половых гормонов) в крови существует равновесие между конъюгатами и небольшим числом свободных неполярных молекул. Когда молекула отделяется от белка плазмы, она продолжает вести свою кочевую жизнь и легко проходит сквозь клеточную мембрану капилляра, проникая таким образом к рецепторам, где и наносит свой удар.

 

Секвестрация

Вещество из крови может попадать на клеточные мембраны и связываться с молекулами-мишенями на поверхности клетки или же проникать в клетку и связываться с мишенями внутри нее. Если вещество проникает внутрь клетки, далее с ним могут происходить различные процессы, приводящие к разным последствиям, помимо нанесения очевидного ущерба данной клетке. Некоторые вещества подвергаются секвестрации, то есть накоплению в организме в неактивной форме, оставаясь относительно безвредными. Например, водорастворимые ионы металлов могут встраиваться в кости, а липофильные вещества – в жировые отложения.

Прекрасный пример секвестрации – таинственная смерть Наполеона Бонапарта в 1821 г. В своем завещании он пишет: «Я умираю преждевременно, убитый английской олигархией и ее палачом; английский народ не замедлит отомстить за меня». Эта фраза наводила на мысль, что великий полководец был отравлен. К счастью, слуги сохранили локоны его волос, и когда их проверили на содержание мышьяка, выяснилось, что оно в 100 раз превышает норму. Возможно, причина его смерти была не в этом, однако химический анализ дал неопровержимые доказательства того, что в последний период своей жизни Наполеон действительно подвергался воздействию мышьяка.

Кстати, в истории Наполеона обнаружился неожиданный поворот: современные исследования показали, что, вероятно, он умер все же не от отравления мышьяком. Ученые считают, что причиной его смерти был рак желудка и язвенная болезнь. Интересно, что на обоях в доме на острове Святой Елены, где жил Наполеон в изгнании, имелся зеленый рисунок. В те времена зеленую краску для обоев делали из арсенита меди. При увлажнении (которое было весьма вероятно, так как на острове сыро) и под воздействием плесени эта соль мышьяковистой кислоты способна превращаться в газ триметиларсин. Скорее всего, именно этот газ, а не яд убийцы, был источником мышьяка, найденного в волосах Наполеона.

Накапливающиеся в тканях в результате секвестрации вещества могут оставаться в них на протяжении всей жизни, выводиться из организма в инертной форме (как мышьяк в волосах Наполеона) или возвращаться обратно в кровь. Вне зависимости от способа перемещения веществ в организме и уровня их токсичности, все они подчиняются одним и тем же правилам диффузии и путешествуют к своим тканям-мишеням в соответствии с этими правилами.

 

Глава 5

Защита организма

 

Учитывая огромное значение для человека его головного мозга, можно предположить, что в ходе эволюции должна была развиться мощная защитная система, предохраняющая мозг от воздействия токсичных веществ. Однако всем известно, что мозг можно очень легко отравить некоторыми самыми обычными веществами. Алкоголь, никотин, кофеин, героин, метамфетамин, кокаин – все эти вещества путешествуют по крови, достигают черепной коробки и попадают в спинномозговую жидкость так быстро и эффективно, что создается впечатление, что наш мозг совершенно беззащитен перед химической атакой. Но если мозг так необходим для нашего существования, почему же вышеупомянутые психоактивные вещества, являющиеся токсинами, запросто могут проникать в него и влиять на его функционирование?

Как это ни странно, хотя человеку легко отравить себя наркотиками, доставка к мозгу терапевтических средств оказывается гораздо более сложной задачей. Кровеносные капилляры головного мозга сложены из очень плотно пригнанных друг к другу клеток эндотелия, поэтому любой перенос веществ из крови в спинномозговую жидкость возможен только через эти клетки. Молекулы всех психоактивных веществ, упомянутых ранее, от кофеина до метамфетамина, являются липофильными; для них эндотелиальные клетки не представляют никакого препятствия, поэтому они легко проходят из крови в мозг, где и оказывают свое воздействие на нейроны. Многие же лекарственные средства, наоборот, водорастворимы, и поэтому гематоэнцефалический барьер оказывается для них серьезным препятствием.

И все же мозг, а также ткани человека (и других животных) не являются пассивной жертвой химической атаки. У нас развились механизмы, которые способны снижать, а во многих случаях и полностью блокировать поступление токсичных веществ. Однако эффективность этих защитных систем зависит как от самого вещества, так и от его мишени. Те самые особенности, которые способствуют переносу определенных веществ к биологически активному месту, для других соединений могут быть эффективными барьерами. Сами клеточные мембраны, от эпителиального слоя гематоэнцефалического барьера до жесткого рогоподобного внешнего слоя кожи, служат эффективными барьерами против водорастворимых токсичных соединений, но при этом относительно неэффективны против жирорастворимых веществ. В этой главе мы рассмотрим различные способы защиты от токсинов, возникшие у организмов в ходе эволюции, а также способы преодоления токсинами этих барьеров.

 

Дезориентация и секвестрация

Химический транспорт из окружающей среды к биологически активной точке может следовать по любому из нескольких альтернативных путей. Если молекула попадает в клетку метаболически активной ткани, например в нейрон или гепатоцит (клетку печени), она может нанести существенный урон. Если же токсичное вещество перенаправляется или накапливается в относительно неактивной ткани, например костной или жировой, то оно может так и не пропасть к рецепторам более активных тканей, по крайней мере в тех количествах, которые способны оказать мгновенное токсическое воздействие. Ионы металлов, накапливающиеся в костях или волосах, или жирорастворимые вещества, такие как ДДТ, накапливающиеся в жировой ткани, – классические примеры секвестрации.

Если химическое вещество проходит через внешние слои защиты и все-таки попадает в клетку-мишень – например, нейрон головного мозга, – его путешествие на этом не заканчивается. Внутри клетки также существует несколько дополнительных линий обороны, которые препятствуют попаданию токсичного вещества к его пункту назначения.

Один из способов защиты, выработанный клеткой против воздействия токсинов, – производство альтернативных точек связывания. Общая применяемая здесь стратегия – те же дезориентация (перенаправление) или секвестрация (накопление). Классический пример секвестрации в животной клетке – образование металлотионеинов. Это небольшие богатые цистеином белковые молекулы, активно связывающиеся с ионами различных металлов. Вероятно, металлотионеины возникли в ходе эволюции для того, чтобы связывать такие микроэлементы, как медь и цинк. В рационе большинства животных (особенно травоядных) этих веществ очень мало, и их накопление в клетках могло иметь эволюционные преимущества. Эти микроэлементы необходимы животным в очень низкой концентрации, при этом в высокой они являются токсичными (см. главу 1). Более того, другие ионы металлов, не являющиеся необходимыми для жизнедеятельности, например кадмий, серебро или ртуть, также связываются с металлотионеинами, в результате чего концентрация свободных ионов в клетках уменьшается, снижая их общую токсичность.

 

Биологические барьеры

До сих пор мы рассматривали способы защиты от токсичных веществ, включающие в себя физические барьеры, дезориентацию и секвестрацию. Однако в клетке существуют также метаболические механизмы, способные прямо менять структуру токсичных веществ. Этот процесс носит название биотрансформации и служит ключевой линией обороны, дезактивирующей токсичные вещества. В результате биотрансформации некоторые вредные молекулы могут разбиваться на менее токсичные части. Например, этиловый спирт полностью метаболизируется до углекислого газа и воды, поэтому не может накапливаться в головном мозге человека. Однако не все вещества в одинаковой степени подвержены биотрансформации. В отличие от спирта, большинство веществ, содержащих атомы одного или более элементов из группы галогенов – фтора, хлора, брома и йода, – обладают высокой сопротивляемостью к биотрансформации. Поскольку многие из этих веществ жирорастворимы, они могут накапливаться в жировой ткани, где сохраняются годами и даже десятилетиями. Одни из самых печально известных галогенпроизводных – это пестицид ДДТ и полибромированные дифениловые эфиры (ПБДЭ), используемые в производстве негорючих материалов. (Позже мы подробнее рассмотрим галогенсодержащие соединения.)

Ряд процессов биотрансформации связан с преобразованием водорастворимых веществ в жирорастворимые. При этом токсичное вещество не обязательно дезактивируется, но может быть выведено из организма через почки или кишечник. Такие преобразования осуществляют два больших класса белков через процессы так называемого метаболизма фазы I и фазы II. Эти названия не совсем удачны, так как фаза II не обязательно следует за фазой I, и два процесса не обязательно должны происходить последовательно, чтобы появился подлежащий экскреции продукт. В ходе метаболизма исходное соединение (поступившее в клетку извне) превращается в один или более метаболитов, которые обладают более высокой растворимостью в воде. При этом в большинстве, хотя и не во всех, классах веществ биотрансформация снижает токсичность исходного вещества.

Метаболизм фазы II предсказуем и специфичен. Участвующие в ней белки – это высокоизбирательные катализаторы, способствующие преобразованию одних химических веществ (субстратов) в другие (продукты). Ферменты фазы II очень избирательны в отношении субстратов и ускоряют образование только определенных продуктов. Каждый из них действует на ограниченную группу субстратов, в результате чего получается относительно небольшое число возможных продуктов. Их основная функция – это конъюгация, то есть присоединение к исходному веществу какой-либо группы атомов, в результате чего оно становится полярным или водорастворимым. С повышением растворимости в воде вещество может быть выведено с мочой. Кроме того, белки фазы II в основном находятся в цитоплазме, то есть плавают в водянистом, богатом белками «супе» внутри клетки, быстро и эффективно конъюгируя с жирорастворимыми молекулами, как только они проникают через клеточную мембрану.

В отличие от белков фазы II ферменты фазы I – это работники широкого профиля. Продукты метаболизма фазы I менее специфичны, так как многие ферменты этой фазы действуют на самые разнообразные молекулы – субстраты – и способны производить разнообразные продукты. Основная функция большого класса ферментов фазы I, цитохромов P450, – процесс монооксигенирования, то есть присоединения части молекулы воды (ОН-группы) к одному из нескольких потенциальных мест связывания исходного вещества. Этот процесс лишь ненамного увеличивает водорастворимость вещества, однако этого может быть достаточно для его выведения. Эти белки обычно находятся не в цитоплазме, а на внутренней мембране митохондрий. В каждой реакции фазы I участвует не один, а два белка, обменивающихся друг с другом электронами. Из-за этого общая скорость реакций метаболизма фазы I обычно меньше, чем фазы II.

Когда в клетке происходят процессы как первой, так и второй фаз, это может приводить к постепенному преобразованию жирорастворимого вещества в водорастворимое. Но в некоторых случаях взаимодействие двух систем может давать непредсказуемые последствия. Прекрасным примером может служить метаболизм ацетаминофена, активного ингредиента «Тайленола». Многие полагают, что это лекарство совершенно безопасно, и «если немного – это хорошо, то чем больше, тем лучше». Это очень опасное заблуждение. За выведение ацетаминофена из организма отвечают немногочисленные белки фазы II, локализованные в клетках печени. При метаболизме ацетаминофена образуется водорастворимый конъюгат (ацетаминофенная основа с присоединенной к ней сульфатной или глюкуронидной группой). Однако при его образовании примерно 2 % молекул исходного вещества превращаются под воздействием белков фазы I в два других метаболита (хинонимины). Эти вещества высокотоксичны и способны разрушать ткани печени и почек, но, к счастью, они претерпевают быстрое преобразование (с помощью других белков фазы II) в конъюгированную водорастворимую нетоксичную форму.

При передозировке ацетаминофена в результате тех же самых процессов биотрансформации концентрация как конъюгатов, так и хинониминов в клетке многократно возрастает. Поэтому увеличивается и токсическое воздействие. Точно так же увеличивается образование хинониминов и при сочетании «Тайленола» и других подобных препаратов с алкоголем, так как он уменьшает активность ферментов фазы II (тем самым снижая скорость преобразования токсичных метаболитов в подлежащие выведению конъюгаты).

Этот пример иллюстрирует несколько важных аспектов биотрансформации. Во-первых, метаболизм фазы I не всегда влечет за собой фазу II, но может происходить независимо от нее. Во-вторых, продукты метаболизма фазы I могут быть более токсичны, чем исходная молекула! Это биологическое подтверждение классического тезиса «ни одно доброе дело не остается безнаказанным», так как усилия клетки по повышению водорастворимости, и, следовательно, выводимости, молекул могут приводить к повышению их токсичности. Поэтому биотрансформация не является панацеей от всех токсичных органических веществ, но тем не менее это лучший метаболический способ защиты и удаления из организма жирорастворимых токсичных веществ, который эволюция изобрела на сегодняшний день.

Если вещество все же смогло преодолеть все вышеописанные рубежи обороны, у клетки остается последняя возможность предотвратить связывание токсичной молекулы с ее мишенью. Некоторые из таких мишеней требуют очень точного соответствия структуры токсичной молекулы рецептору. В этом случае самые ничтожные изменения в структуре рецептора могут помешать присоединению молекулы токсина. Эти изменения могут возникать в белковых рецепторах. Белки состоят из различных аминокислот, соединенных вместе, а затем скрученных в трехмерную структуру, поэтому даже небольшие изменения могут очень сильно менять пространственную конфигурацию молекулы и ее функции. С точки зрения эволюции такие преобразования должны совершаться с осторожностью, так как значительные изменения аминокислотного строения рецептора могут нарушить его функции, а не только обезопасить его от токсинов.

 

Вернемся к Парацельсу

Правила Парацельса, нашего старого знакомого из 1-й главы, помогают представить защитные механизмы организма в более ясном контексте. В большинстве случаев мощность волны атакующих нас токсичных молекул прямо влияет на силу их воздействия. При низких дозировках количество молекул, взаимодействующих с биологическими рецепторами, настолько мало, что никаких негативных последствий не наблюдается. Это отчасти может объясняться недостаточным количеством молекул, присоединяющихся к рецепторам, но также зависит и от эффективности защитных механизмов, препятствующих их попаданию в мишень. При более высокой концентрации к рецепторному месту мигрирует больше молекул, поэтому больше вероятность того, что они преодолеют защитные барьеры и достигнут своей цели. Если же концентрация еще выше, защитные механизмы организма могут быть подавлены и количество молекул, достигающих пункта своего назначения, многократно возрастает, и негативный эффект, например такой, что возникает при передозировке ацетаминофена, может быть весьма серьезным.

 

Глава 6

Большие путешествия: загрязнение

 

Сторонники гипотезы Геи считают, что биосфера (часть поверхности и атмосферы Земли, поддерживающие жизнь) – это единая саморегулирующаяся система, создающая условия для существования жизни. В этой главе я не собираюсь ни опровергать, ни подкреплять гипотезу Геи, однако нельзя не отметить, что многое в сфере токсикологии вполне согласуется с ней. Действительно, можно обнаружить весьма явные параллели между передвижением химических веществ по поверхности Земли и процессами абсорбции, транспорта, секвестрации и биотрансформации, происходящими в организме животных.

 

Три среды: воздух, вода, земля

Природную среду нашей планеты можно разделить на части, подобно организму, состоящему из различных органов и их систем. Три основных компонента биосферы – это атмосфера, гидросфера и литосфера, то есть воздух, вода и земля. Когда в среду попадают молекулы каких-либо веществ, как токсичных, так и безвредных, они могут перемещаться из одной ее части в другую. Характер этих передвижений зависит от свойств самого вещества и свойств среды, в которой оно движется.

Изменение состояния вещества от твердого к жидкому и газообразному называется фазовым переходом. Для простых веществ и небольших молекул эти переходы очень тесно связаны с геохимическими циклами. Основная масса таких часто встречающихся на Земле элементов, как углерод, азот и фосфор, находится в виде разных соединений в твердой форме в земной коре, где они могут сохраняться неизменными на протяжении долгих эпох. Некоторое количество молекул этих веществ переходит в растворенную в воде форму и испаряется в атмосферу.

Самый известный, и самый очевидный, геохимический цикл – это круговорот воды. Вода мирового океана испаряется, попадает в атмосферу, перемещаясь на большие расстояния, и снова переходит в жидкую фазу, выпадая в форме дождей. Затем вода течет по суше и достигает океана, откуда начинала свой путь. Не все химические вещества транспортируются так же легко, как вода, и многие элементы с трудом переходят в атмосферу, так как не подвержены испарению в обычных условиях. Тем не менее многие элементы совершают фазовые переходы между твердой породой и водными растворами.

Химические циклы, хоть и являются естественными, не всегда безвредны. Например, мышьяк может естественным образом вымываться из горных пород и растворяться в грунтовых водах. Концентрация мышьяка в них может быть настолько высокой, что представляет опасность для человека, так что вода становится непригодной для употребления без соответствующей обработки. Ртуть также способна переходить из земной коры в атмосферу во время извержений вулканов и накапливаться в водных системах, где может проявлять свои токсичные свойства.

Вещества с более крупными молекулами – природные и синтезированные человеком – также могут попадать в среду и, если они достаточно стойки, вступают в собственные циклы, совершая фазовые переходы в зависимости от свойств, которыми обладают. Конечно, сложные вещества, в отличие от простых, редко сохраняют при этих переходах свою химическую структуру. Она часто изменяется в результате таких абиотических процессов, как фотоокисление или горение. Но какие бы изменения структуры ни происходили, циклы сложных веществ обусловлены их химическими свойствами, в частности способностью к ионизации при погружении в воду и к испарению при попадании на воздух.

 

Четвертая среда: организмы

Всю массу земной биоты (микроорганизмов, растений, животных) можно рассматривать как еще одно состояние среды, участвующее в круговороте различных веществ. Например, когда животное пьет воду, поедает пищу или вдыхает воздух, оно неизбежно становится частью геохимического цикла веществ, содержащихся в среде. Когда эти вещества возвращаются обратно в окружающую среду, они могут заново вступать в геохимические циклы неживой природы.

Однако по сравнению с другими тремя состояниями среды в живых организмах многократно возрастает общая скорость и сложность химических циклов. Рассмотрим, к примеру, геохимический цикл кальция. При попадании воды в содержащие кальций породы происходит его ионизация и переход в раствор. Ионы кальция (Ca2+) реагируют с растворенным в воде углекислым газом (СО2), образуя карбонат кальция, или известняк, который выпадает в виде твердого осадка и может оставаться в таком состоянии сотни миллионов лет. Животные научились использовать этот относительно простой фазовый переход от ионов кальция к карбонату кальция в водном растворе и включили эту соль в некоторые наиболее твердые биологические ткани. Карбонат кальция содержится в костях, панцире черепахи и раковинах моллюсков и других беспозвоночных животных. А кроме того, ионы кальция служат важным клеточным сигналом, участвующим в мышечной работе и активации внутриклеточных белков. У большинства организмов, имеющих скелет или раковину, твердый карбонат кальция находится в состоянии равновесия с ионами, содержащимися в крови (жидкой фазе). Обмен ионами кальция между этими двумя фазами происходит постоянно, так как время их удержания в виде твердого осадка в организме ограничивается максимум несколькими десятками лет.

Как видно на примере кальция, время, которое вещество проводит внутри организма, незначительно по сравнению с временными масштабами многих геохимических циклов, например постепенного разрушения горных пород в результате замораживания и оттаивания или других гидрологических событий. Таким образом, медленный геохимический круговорот веществ в неживой природе очень сильно отличается от скоростных и коротких перемещений ионов в биологических системах.

Чтобы организм стал частью геохимического цикла какого-либо вещества, оно должно быть биологически доступным. Идея биодоступности происходит из фармакологии, и по определению химическое вещество, введенное в кровь, обладает 100 %-ной биодоступностью. Важно, что вещество считается биологически доступным, если оно может попасть в кровь животного из окружающей среды. Биологическая доступность отличается от биологической активности: биологически активное вещество должно достичь места физиологической или биохимической активности, где производит свой биологический эффект.

Биологическая доступность может быть активной или пассивной. Допустим, молекула жирорастворимого вещества попала в пруд, наполненный живыми организмами (рыбами, водорослями, бактериями). С большой вероятностью эта молекула попадет в липидные компоненты среды – то есть в какой-либо живой организм. Перемещение жирорастворимых веществ в организм будет пассивным, так как они способны беспрепятственно проникать в клетки. Но если в воде находятся ионы металлов, они никак не попадут в живые организмы пруда без посторонней помощи из-за своей полярности и неспособности преодолеть липидные слои мембраны, как мы уже видели ранее. В этом случае абсорбция вещества должна быть активной и происходить с помощью белков-переносчиков.

Как токсичные, так и безвредные вещества, распадающиеся в растворе на ионы, почти всегда в той или иной степени биодоступны. Здесь важен не столько сам факт того, что вещество попадет в живой организм, сколько скорость его абсорбции. Хотя липиды клеточной мембраны служат барьером для транспорта ионов из воды, в клетках жабр или кишечника водных животных имеется достаточно ионных каналов или пор, которые позволяют осуществлять постоянный перенос ионов в кровь. Таким образом, большинство ионов обычно оказываются биодоступны. Точно так же и липофильные вещества обычно биодоступны: летучие могут попадать в организмы при вдыхании с атмосферным воздухом, а нелетучие – при проглатывании или абсорбции через кожу.

Таким образом, живые организмы можно считать еще одним звеном природной среды, через которое происходит транспорт веществ. Однако, в отличие от других, сред биологические системы принимают активное участие в этом транспорте, так как могут управлять потоком веществ из одной своей части в другую или же из внутренней среды организма обратно во внешнюю.

Если скорость поступления вещества в биоту превосходит скорость его выведения из организмов, возможны два варианта развития событий. Во-первых, вещество может быть преобразовано так, чтобы его было легче вывести. Но если это невозможно, то оно накапливается в тканях организма, увеличивая свою биоконцентрацию. Биоконцентрация – это процесс прямого поступления вещества в водный организм из воды. Часто накопление вещества представляют как фактор биоконцентрации, то есть отношения концентрации вещества в организме к его концентрации в воде. У липофильных веществ фактор биоконцентрации часто бывает больше 1, то есть в организме концентрация этих веществ выше, чем в окружающей его водной среде.

Когда животное съедает другой организм (растение, животное или бактерию), вещества, поглощенные с пищей, попадают в ткани и концентрация этих веществ в организме животного повышается. Это явление называется биоаккумуляцией. Биоаккумуляцию часто наблюдают в водных экосистемах, и здесь мы снова видим, что стойкие липофильные органические вещества представляют важный, хотя и не единственный, класс соединений, способных к биоконцентрации. Клетки фитопланктона – одноклеточных фотосинтезирующих организмов, которых можно найти в любом водоеме, – богаты липидами и способны биоконцентрировать из воды жирорастворимые молекулы. Затем фитопланктон поедается зоопланктоном – мелкими ракообразными, их, в свою очередь, ест мелкая рыба, ее – крупная (или млекопитающие, или хищные птицы), продолжая процесс биоконцентрации жирорастворимых соединений с продвижением по пищевой цепочке. Так и происходит биоаккумуляция данных веществ.

Известный исторический пример биоаккумуляции стойкого органического загрязнителя – последствия неоднократного распыления ДДТ на Чистом озере, крупнейшем пресноводном водоеме Калифорнии. ДДТ применялся там для борьбы с так называемым гнусом Чистого озера (Chaoborus astictopus). Эти насекомые похожи на комаров, но не имеют колющего ротового аппарата и не представляют опасности для людей, однако размножаются в таких количествах, что их буквально приходится вдыхать. В норме личинки гнуса развиваются в воде и начинают вылетать весной, примерно в начале апреля. До начала использования пестицидов эти насекомые были столь многочисленны, что под уличными фонарями образовывались целые кучи мертвого гнуса, а любой автомобилист, оказавшийся летом в районе озера, была вынужден останавливаться каждые полкилометра, чтобы соскрести их с лобового стекла и фар. С 1947 по 1957 г. над озером многократно распыляли ДДТ, и популяция гнуса значительно сократилась. Однако, помимо гнуса, была уничтожена колония западноамериканских поганок (Aechmophorus occidentalis). В пищевых цепочках Чистого озера была выявлена биоконцентрация ДДД (метаболита ДДТ). В групповых пробах фитопланктона содержалось в среднем 5,3 части ДДД на миллион, что в 250 раз превышало концентрацию этого вещества в воде. В тканях мелких рыб концентрация была еще в два раза выше, чем в планктоне. Когда ученые определили концентрацию ДДД в жировой ткани западноамериканских поганок, рыбоядных птиц, занимающих верхнее положение в пищевой цепочке озера, они обнаружили, что она выше, чем в воде, до 85 000 раз.

Когда животные, в том числе человек, подвергаются воздействию химических загрязнителей, содержащихся в атмосферном воздухе или в воде, они, сами того не зная, становятся частью абиотического геохимического цикла. В отличие от воздействия табака или алкоголя, дозировку и соответствующий вред загрязнителей для здоровья оценить гораздо сложнее. Тем не менее ущерб для здоровья человека может быть очень серьезным, особенно при наличии биоконцентрации или биоаккумуляции вещества.

Неважно, является ли Земля саморегулирующейся системой, но для нее определенно характерна цикличность процессов: химические вещества переходят из одной фазы в среде в другую, зачастую затрачивая на это целые геологические эпохи. И живые организмы также принимают участие в этом круговороте, служа кратковременными пристанищами для веществ на их большом геохимическом пути.

 

Глава 7

Частицы-путешественницы

 

В предыдущей главе мы изучили транспорт веществ между разными фазами среды – но только в их свободной молекулярной форме. Однако реальность куда сложнее: твердые частицы тоже могут перемещаться в воде и воздухе, наряду с жидкими аэрозолями. Перемещение частиц в воде и воздухе происходит по-разному, но в этих процессах есть поразительное сходство. Во-первых, зависимость расстояния, на которое способны перемещаться частицы, от их размера: чем меньше частица, тем больше расстояние. Во-вторых, процесс колонизации, то есть связывание токсичных веществ с какими-либо частицами, «верхом» на которых вещества могут путешествовать по течению или по ветру.

 

Перемещение твердых веществ в воде: осадочные частицы

Если осадок в воде – это просто твердые частицы разного размера, то чем больше эти частицы, тем большей харизмой они обладают. Белоснежный песок на карибском пляже и массивные булыжники в горном ручье Колорадо – настоящий подарок для фотографа, но они создают искаженное представление о взаимодействиях воды и осадочных частиц. На самом деле это не две разные несмешивающиеся фазы веществ, а инь и ян водной среды, которые, дополняя друг друга, составляют единое целое. Вода перемещает осадочные частицы, и чем больше ее напор, тем более крупные частицы передвигаются. Они, в свою очередь, также взаимодействуют с водой, обмениваясь молекулами с раствором.

Самые крупные осадочные частицы называются булыжниками – это куски камня более 25 см в поперечнике. Обломки поменьше (по мере убывания размера) – это галька, гравий, песок, пыль и глина. Самые мельчайшие частицы – коллоиды, которые остаются во взвешенном состоянии даже в полностью спокойной воде. Коллоидные частицы ведут себя не совсем как истинные частицы (не выпадают в осадок), но и не как истинно водорастворимое вещество. Они занимают некое промежуточное положение. Подобно белкам плазмы крови, коллоидные частицы могут влиять на концентрацию веществ в воде, связываясь с ними, удаляя их из растворимой фазы и таким образом снижая токсичность.

Но если коллоиды остаются во взвешенном состоянии, то почему океаны и реки не наполнены коллоидным материалом? По двум причинам: во-первых, неорганические и органические коллоидные частицы в определенных условиях среды объединяются, образуя хлопьевидные структуры, и оседают на дно, прихватывая с собой различные связавшиеся с ними вещества. Во-вторых, органические коллоиды – это пища для детритофагов и прожорливых микроорганизмов. Голодные бактерии, питающиеся органическими коллоидами, могут изменять структуру молекул некоторых токсичных веществ или разрушать их полностью. В некоторых природных системах коллоиды и токсичные вещества могут находиться в состоянии постоянного потока и перемешивания. Там, где коллоидный материал доминирует, токсичность переносимых водой веществ может быть снижена, а в других водоемах, где коллоидов практически нет, токсины остаются в растворенном состоянии и наносят максимальный вред.

По мере увеличения осадочных частиц в размере, от коллоида до глины и далее, на их транспорт по воде требуется все больше энергии (то есть вода должна течь быстрее), в противном случае они оседают на дно. Однако, даже оказавшись в донных отложениях, осадочные частицы продолжают влиять на подвижность токсичных молекул. Отчасти это объясняется тем, что мелкие осадочные частицы, например глина, могут как притягивать, так и отталкивать различные химические вещества. Поверхность частицы обычно имеет отрицательный заряд, поэтому она будет отталкивать другие отрицательно заряженные частицы в воде, а положительно заряженные – притягивать.

Говоря в общем, чем меньше осадочная частица, тем важнее ее роль в передвижении веществ в водной среде. На это есть две основные причины. Первая – отношение площади поверхности к объему частицы. Представьте себе, что вы сняли оболочку с баскетбольного мяча и разложили ее на плоской поверхности. Она покроет определенную площадь, приблизительно равную площади небольшого полотенца для рук. Но если вы набьете баскетбольный мяч бусинами, а потом разложите поверхность всех этих бусин на плоскости, то она покроет площадь примерно с простыню, то есть приблизительно в 10 раз большую, чем площадь оболочки мяча. Общая площадь поверхности всех частиц в определенном объеме называется удельной поверхностью. Этот показатель очень важен, так как помогает объяснить, почему в горсти мелких камушков во много раз больше мест для связывания молекул, чем у одного большого камня. В случае с мелкими частицами это труднее представить наглядно, однако общая закономерность остается той же: в ложке глины или пыли во много раз больше мест для связывания органического материала, чем в ложке песка.

Удельная поверхность частиц различного размера во многом объясняет взаимодействие различных молекул с осадочными частицами, но это еще не вся история. По мере уменьшения размера частиц также уменьшается и свободное пространство между ними (представьте себе пустые места между сложенными в кучу баскетбольными мячами и пустые места между сложенными бусинами). В водных системах это пространство заполнено водой, которая называется внутрипóровой, так как находится в пустых местах, или порах, между осадочными частицами.

В горных потоках вода движется очень быстро и вымывает ил и глину вместе со всем органическим материалом – например, кусочками разлагающихся листьев, – оставляя таким образом чистую воду, крупные отложения и минимум органики. Токсичные вещества и органика, находящиеся в воде внутри пор, по большей части не успевают взаимодействовать с имеющимися осадочными частицами, а уносятся вниз по течению. Вода в равнинных реках – например, текущая через кукурузные поля Иллинойса, – наоборот, движется достаточно медленно, и мелкие частицы (песок, пыль и глина) оседают на дне. Любая органика, движущаяся вниз по течению, также может задерживаться в поровом пространстве между мелкими неорганическими осадочными частицами. Этот органический материал обладает большей липофильностью, чем окружающие его неорганические частицы, поэтому липофильные молекулы притягиваются к ним. В отличие от горных потоков, где липофильные вещества, прилипающие к осадочным частицам, в основном уносятся течением, в медленно текущей воде они главным образом формируют органические донные отложения.

Мы все интуитивно понимаем эту зависимость между размером частиц и бактериальной активностью, что видно даже по терминологии. Наименования более крупных осадочных частиц (от гравия до песка) не меняются, в каком бы состоянии они ни находились. Мокрый песок остается песком, мокрый гравий – гравием. Однако названия пыли и глины меняются, когда эти частицы намокают и смешиваются с органическим материалом. Мокрая глина и мокрая пыль, особенно смешанные с большим количеством органики, становятся илом или просто грязью.

У большинства людей термины «ил» и «грязь» вызывают негативные ассоциации, и на это есть причина. Грубо говоря, они воняют. Илы и грязи – это место разложения органических веществ (биотрансформации на высокомолекулярном уровне), при котором выделяются газы и пары, которые действительно могут иметь не слишком приятный запах. Бактерии в таких сообществах совершают грязную, но необходимую для экосистемы работу.

Вполне понятно, колонии бактерий, растущие в иле и грязи, гораздо более многочисленны, разнообразны и активны, чем те, что живут среди частиц песка. Все эти бактерии находятся в постоянном поиске съедобных молекул и, когда находят их, производят биотрансформацию, изменяя структуру прилипшего к осадочным частицам органического материала и в некоторых случаях освобождая их в воду. Нередко бывает, что вещество, попавшее в верхний слой донных отложений, преобразуется и снова переходит в толщу воды уже в виде метаболитов.

Современные исследования позволяют предположить, что вещества, выделяющиеся из богатых донных отложений, могут оказывать токсическое воздействие. Недавно в штате Небраска ученые провели следующий эксперимент. В разных водоемах были взяты образцы воды и донных отложений. В лаборатории их смешивали и помещали туда рыбок-толстоголовов, обычных для данной местности. Вода с осадком была набрана из мест, где присутствовало загрязнение продуктами агрохимической промышленности, в частности, весной после применения пестицидов. У самок толстоголова, помещенных в лабораторную смесь речной воды и донных отложений, наблюдались те же самые негативные эффекты (дефеминизация), что и у рыб, пойманных в самой реке. Однако, к удивлению ученых, те же самые изменения возникали и у рыб, помещенных в смесь чистой лабораторной воды и речных отложений. Таким образом, становится очевидно, что загрязняющие вещества не просто оседают на дне, а могут выделяться из отложений обратно в воду.

 

Перенос твердых и жидких частиц в атмосфере: аэрозоли

Размещение осадочных частиц на дне рек и океанов препятствует тесным взаимодействиям между осевшим веществом и людьми. В то же время частицы, оказывающиеся в воздухе даже на короткое время, могут попадать к нам в легкие, вызывая серьезные проблемы. Так же как и частицы донных отложений, частицы, переносимые по воздуху, классифицируются в первую очередь по своим размерам, при этом размеры влияют на их общую токсичность.

Представьте себе пыль, поднимаемую автомобилем на грунтовой дороге. Частицы, взвешенные в воздухе, имеют диаметр менее 100 мкм (для сравнения, толщина человеческого волоса составляет от 40 до 70 мкм) и все вместе составляют суммарное количество взвешенных твердых частиц. Самые крупные из них (от 100 до 10 мкм) обычно быстро оседают на землю и не перемещаются на большие расстояния.

Очевидно, что, становясь мельче, частицы также становятся легче, и поэтому могут оставаться в воздухе дольше и путешествовать дальше от своего источника. При вдыхании эти частицы продолжают свое движение по дыхательным путям, от носовой или ротовой полости – в альвеолы легких. Это непростой путь, так как в дыхательных путях человека много изгибов и поворотов. Грубые частицы, диаметром от 10 до 2,5 мкм, обычно сталкиваются с внутренними стенками респираторных путей, прилипая к слизистой выстилке и задерживаясь на пути к альвеолам. Но более мелкие частицы способны с потоком воздуха попадать прямо в легкие.

«Агентство по защите окружающей среды» США обращает наиболее пристальное внимание на два класса взвешенных в воздухе частиц: PM10 и PM2,5. Ситуация здесь не совсем такая, как с классификацией осадочных частиц в воде: РМ10 и РМ2,5 – это не конкретный, а максимальный размер частиц в данном классе. Иными словами, к РМ10 относятся все частицы, диаметр которых составляет 10 мкм и менее, в том числе и те, диаметр которых равен 2,5 мкм и меньше. Во многих скоплениях пыли, классифицируемых как РМ10, до половины может составлять мелкая фракция, диаметром до 2,5 мкм. Еще одно отличие осадочных частиц в воде и взвеси в воздухе касается значения отношения площади к объему. В воздухе частицы не склонны объединяться, поэтому удельная площадь поверхности и межпоровое пространство не дают нам практически ничего для выяснения их токсичности.

Различия между частицами РМ10 и РМ2,5 заключаются преимущественно в источнике и составе аэрозоля. Мелкие частицы класса РМ2,5 в основном являются продуктами реакций горения и окисления; их типичные источники – автомобильные выхлопы, а также продукты сгорания различных видов топлива – дерева, мазута, угля. Эти крошечные частицы могут проникать в легкие до уровня альвеол, где растворяются в покрывающей альвеолы водной пленке и всасываются через легочный эпителий в кровь. Они настолько малы, что начинают действовать не как мельчайшие частицы твердого вещества, а скорее как макромолекулы. Также они часто связываются с органическими молекулами, подверженными биотрансформации, и способны очень сильно влиять на их токсичность (подробнее в главе 10). Класс РМ10 – это в целом более грубые и крупные частицы, так называемая сдуваемая пыль. Она состоит из отдельных крупинок – например, частиц соли, образующихся при испарении морской воды, пыльцы и спор растений, частиц резины от стирающихся шин и почвы, летящей из-под колес. Как уже говорилось, при вдыхании более крупные частицы могут задерживаться в дыхательных путях на пути к легким. Однако, учитывая тот факт, что до 50 % массы сдуваемой пыли могут составлять частицы диаметром до 2,5 мкм, эта фракция все равно попадает в легкие, становясь причиной респираторных заболеваний и повреждений легочной ткани.

Аэрозоли, в отличие от осадочных частиц в воде, не создают благоприятную среду для микробов. Отчасти это объясняется тем, что между частицами в воздухе нет пригодного для обитания микроорганизмов «межпорового пространства». Другая причина состоит в том, что дым и пыль – это преимущественно сухая среда, куда менее подходящая для микроорганизмов, чем поверхность частиц, погруженных в воду. Это особенно верно для частиц класса РМ2,5, так как они часто представляют собой продукты горения, при котором микроорганизмы просто не выживают. Но, несмотря на все эти препятствия, колонизация аэрозолей иногда все же происходит, пример чего можно найти на сухих равнинах западного Техаса.

Прерии на западе Техаса известны своим сухим и ветреным климатом. Этот регион также знаменит своим скотом, и когда этот скот испражняется, навоз быстро высыхает и растаптывается коровьими копытами. Сочетание сухости и ветра приводит к очень быстрому иссушению этого субстрата, а механическое измельчение создает идеальные условия для образования сдуваемой пыли, которая повсюду разносится ветром с пастбищ. Кроме того, в этой пыли может содержаться достаточно много фекальных бактерий. Переносясь ветром на большие расстояния, потенциально токсичные вещества и болезнетворные бактерии могут стать источником загрязнения.

На чистой и упрощенной модели Земли загрязняющие вещества должны были бы оставаться в одной и той же форме, за исключением тех случаев, когда могли бы полностью перейти в другую. Переходы между твердой, жидкой и газообразной фазами сводились бы к относительно простым процессам замерзания, таяния, кипения и испарения. Однако в реальных экосистемах не все так просто и чисто. Твердые вещества могут путешествовать в виде частиц по воде или по воздуху под влиянием уникальных процессов, которые отличаются от тех, которые происходят при растворении веществ. Пыль и осадочные частицы работают как транспортное средство для токсичных веществ, которые благодаря им порой могут перемещаться с водой и ветром на огромные расстояния.

 

Глава 8

Природные яды: растительные и животные токсины

 

Сегодня, когда мы думаем о токсичных веществах, в первую очередь на ум приходят синтетические соединения. Но, чтобы лучше узнать токсины, создаваемые человеком, для начала стоит рассмотреть природные яды. Эти вещества делятся на две основные группы: первые попадают в организм при контакте хозяина и жертвы (чаще это яды растительного происхождения), а вторые вводятся с помощью жал или зубов животных.

 

Поедание животных и растений

На Земле существует более 400 000 видов растений, содержащих потрясающее разнообразие органических веществ. Неудивительно, что некоторые растения содержат вещества, ядовитые для животных или человека, которые захотят полакомиться ими. Действительно, даже те растения, которые мы привыкли считать безвредными, могут содержать токсины: их можно обнаружить либо в тех частях растения, которые мы не едим, либо в неправильно приготовленных блюдах из них. Например, в яблочных семечках, персиковых и вишневых косточках содержатся цианогликозиды, из которых при взаимодействии с ферментом b-гликозидазой образуется крайне ядовитая синильная кислота. Цианогликозиды можно обнаружить также в листьях и семенах многих других плодовых культур, но в съедобной мякоти содержатся лишь следовые количества этих потенциально опасных соединений. Однако в корнеплодах маниока, культуры, которая представляет собой важный источник углеводов для более 500 млн человек, содержится достаточно большое количество цианогликозидов. Чтобы не получить отравления цианидом, необходимо перед употреблением правильным образом обработать корнеплоды.

Поедание ядовитых растений может вызывать самые разные токсические реакции, что, конечно же, зависит от конкретной химической природы токсина. Эти реакции могут быть относительно легкими и ограничиваться, к примеру, кишечным расстройством, а могут представлять реальную опасность для жизни, как в случае с маниоком. Эффект может быть практически мгновенным или же накапливаться со временем. Так, например, овощные культуры из семейства крестоцветных, или капустных (брокколи, брюссельская, белокочанная, цветная капуста и прочие), содержат достаточно много тио– и изоционатов, веществ, которые мешают поступлению йода в щитовидную железу, а долговременный недостаток йода может вести к развитию зоба.

Растения в ходе эволюции обзаводились токсинами по разным причинам, в том числе для противостояния болезнетворным организмам, например грибам, и для предотвращения поедания травоядными животными, в том числе человеком. Поскольку травоядные животные часто поедают листья или стебли, а не все растение целиком, неприятный гастрономический опыт вполне способен заставить их переключить свое внимание на какую-то иную растительную пищу.

В отличие от травоядных животных, которые съедают обычно лишь небольшую часть растения, многие хищные животные съедают свою добычу целиком; поэтому яды, служащие их потенциальным жертвам для защиты, часто приводят к куда более серьезным последствиям, чем простое кишечное расстройство. Чтобы хищникам было неповадно, животные яды должны оказывать действительно мощное воздействие. Так, например, яд, содержащийся в слизи на коже лягушек-древолазов или в мясе рыбы-ежа, вполне способен не просто убедить хищника предпочесть другой источник пищи, но и убить его.

В природе химическая гонка вооружений достигла своего апогея в изобретениях ядовитых животных, которые не просто содержат токсины в своих тканях, а обзавелись специальными анатомическими приспособлениями для того, чтобы вводить эти токсины непосредственно в организм других животных. Такие яды делятся на четыре типа: цитотоксины, уничтожающие клетки; протеолитики, разрушающие ткани вокруг места укуса на молекулярном уровне; гемотоксины, наносящие вред сердечно-сосудистой системе; и нейротоксины, поражающие нервную систему и мозг.

Некоторые насекомые (осы, муравьи, пчелы) и рыбы (крылатка) используют яды, вводимые в организм противника, для защиты, но другие животные, например рыбоядные моллюски-конусы, пауки и змеи, применяют их для обездвиживания жертвы. Эти яды обычно представляют собой сложную смесь веществ, которая способна оказывать на жертву разностороннее воздействие. Классический пример животного яда – это змеиный яд, о котором мы и поговорим сейчас.

 

Змеиный яд

Змея – безногое и относительно медленно перемещающееся животное, поэтому для охоты на гиперактивных грызунов (крыс или мышей) ей необходимы какие-то особые приспособления. Неядовитые змеи ловят быструю и иногда опасную (мыши и крысы могут кусаться!) добычу благодаря засадной тактике и большой силе. Удавы не используют яд, а, укусив добычу, мгновенно обвивают ее кольцами и сдавливают, препятствуя дыханию и кровообращению. Ядовитые змеи ведут себя несколько иначе: быстро введя в жертву яд, они должны просто ждать, пока та умрет или потеряет способность к движению.

Змеиный яд – это модифицированная слюна, накапливающаяся в особом органе и усиленная рядом токсичных белков. Эти белки достаточно разнообразны (их как минимум 25), но действие всех змеиных ядов можно разделить на две основные категории: нарушение кровообращения и нарушение электрических связей между нервной системой и мышцами. Так, яд американских ямкоголовых змей (например, гремучников) обычно влияет на кровообращение, а яд азиатских крайтов и африканских мамб нейротоксичен.

С точки зрения токсикологии укус гремучей змеи, если она решает ввести в жертву весь свой запас яда, – крайне неприятная вещь. В большинстве случаев он приводит к потере крови в результате разрыва эритроцитов и вторичного кровотечения. Из-за этого также наступает понижение артериального давления и шок. Белки змеиного яда разрушают не только эритроциты, но и другие ткани. Вокруг места укуса возникает посинение и почернение, отек, ткани могут быть необратимо деформированы, к тому же, укус сопровождается очень сильной болью.

Укус настоящей гадюки, яд которой содержит нейротоксин, выглядит не так страшно – но во многих случаях оказывается летальным. Нейротоксины поднимают планку химической войны в организме животного на совершенно иной уровень. Чтобы до конца понять, как это происходит, нужно вспомнить, как мышцы и нервы проводят электрические сигналы.

 

Электрические сигналы и их распространение: ахиллесова пята

Электрические сигналы возникают в головном мозге и спускаются дальше по спинному. Оттуда они передаются мышцам через отростки нервных клеток – аксоны. Аксон – это своего рода живой провод, передающий электрические импульсы от спинного мозга к мышцам, которые могут находиться на довольно большом расстоянии от него.

Электрический сигнал, передаваемый моторными нейронами (нервными клетками, посылающими сигналы к мышцам) так же прост, как азбука Морзе. Только вместо точек и тире в нем есть, по сути, одни точки. Возможно, лучше сравнить его с двоичным компьютерным кодом, где сигнал может быть только «1» или «0». Нервный сигнал – это результат потока ионов, и он одинаков практически у всех животных (см. главу 2). «Точка» электрического сигнала создается скачком напряжения, за которым следует возвращение к исходному состоянию. В проводящей ткани сигналом служит изменение полярности – или заряда – клеточной мембраны. В состоянии покоя на мембране аксона имеется небольшой отрицательный заряд; при возникновении сигнала (потенциала действия) по мембране проходит положительный заряд.

Потоки ионов изменяются при возникновении потенциала действия – это результат открытия и закрытия ионных каналов. В состоянии покоя концентрация положительно заряженных ионов натрия снаружи аксона примерно в 12 раз выше, чем внутри, а концентрация положительно заряженных ионов калия примерно в 40 раз выше внутри, чем снаружи. Поэтому при возникновении потенциала действия ионно-специфические каналы открываются, и в аксон попадает натрий. Когда потенциал действия заканчивается, открываются каналы, по которым из аксона выходит калий. Изменения содержания ионов внутри и снаружи аксона во время единичного потенциала действия на самом деле невелики, но при быстрых движениях (например, во время марафонского забега) количество отдельных потенциалов, посылаемых по моторным нейронам к мышцам ног, настолько огромно, что общий приток натрия и отток калия может начать снижать градиент концентрации. Постоянная разница концентрации ионов внутри и снаружи клетки поддерживается благодаря работе натриево-калиевого АТФ-насоса, который выкачивает натрий из клетки и закачивает в клетку калий с затратой энергии.

В нервном окончании, где утолщенный конец аксона переплетается с мышечным волокном, существует еще несколько белков, участвующих в межклеточных взаимодействиях, необходимых для скоординированного движения. Электрический сигнал – потенциал действия, который преодолел весь путь от тела нейрона, расположенного в спинном мозге, к окончанию аксона, – слегка изменяется, так что вместо притока в клетку натрия происходит приток кальция. Эти ионы, в свою очередь, способствуют высвобождению пузырьков (везикул) из аппарата Гольджи, находящегося в кончике аксона. Везикулы представляют собой сферы, окруженные двойной липидной мембраной, внутри которых содержится белковый «бульон».

Высвободившись из аппарата Гольджи, пузырьки мигрируют к мембране нервного окончания и выбрасывают свое содержимое в наполненную жидкостью щель между оболочкой нейрона и мембраной мышечного волокна. Практически у всех животных эти пузырьки заполнены ацетилхолином, который затем, преодолевая щель между нервным окончанием и мышечным волокном, связывается с рецептором на мембране последнего. При стимуляции в ацетилхолиновом рецепторе открывается канал, по которому через мембрану мышечного волокна может проходить натрий, так что электрическая «точка», переданная по нейрону, начинает вторую часть своего путешествия уже по волокну, что в конечном итоге вызывает его сокращение.

Последнее в этой цепочке событий – выключение электрического сигнала. Ацетилхолин обратимо присоединяется к холинэстеразному рецептору и после его активации может высвобождаться снова. Однако, если молекула ацетилхолина остается в синапсе (пространстве между мембранами нейрона и мышечного волокна) неиспользованной, она может реактивировать рецептор. Чтобы окончательно отключить это сигнальное вещество, требуется еще один белковый фермент, ацетилхолинэстераза. Он находится в мембране мышечного волокна. Ацетилхолинэстераза расщепляет молекулу ацетилхолина на ацетат и холин, и, таким образом, рецептор больше не может активироваться.

Если рассматривать всю систему в целом, для возникновения и проведения потенциала действия, стимулирующего скоординированное движение мышц, требуется ни много ни мало шесть белков. Для того чтобы произошло движение, необходима совместная работа натриевых, калиевых и кальциевых каналов, натриево-калиевого насоса, ацетилхолинового рецептора и ацетилхолинэстеразы. Хотя эта система превосходно настроена и универсальна для всех животных, она все же представляет собой «ахиллесову пяту» процесса движения. Вещества, способные нарушить функции любого из этих белков, могут вызвать не только нескоординированные спазмы и тремор, но и быструю гибель при воздействии на мышцы, задействованные в дыхании и кровообращении (сердце). Так что чем элегантнее система, тем проще устроить в ней «засор».

 

Засор в трубах

Как мы уже говорили, змеи – это медлительные засадные хищники, охотящиеся на быструю и опасную добычу. Чтобы уравнять шансы, змеи с нейротоксичным ядом вводят жертве вещества, препятствующие коммуникации между нервной и мышечной системами. Укушенная крыса или мышь теряет контроль над своими движениями, так что змее становится легко схватить и проглотить ее. Интересно, что разные змеиные нейротоксины влияют на разные белки и процессы нейромышечного соединения. Например, один из токсинов крайта (а-бунгаротоксин) необратимо освобождает ацетилхолиновые рецепторы, в то время как другой (b-бунгаротоксин) блокирует высвобождение везикул с ацетилхолином из аппарата Гольджи. Яд черной мамбы содержит нейротоксин, который, наоборот, присоединяется к ацетилхолиновым рецепторам, не давая ацетилхолину связываться с ними.

Химическая гонка вооружений – прерогатива не одних лишь змей. Например, улитки-конусы из засады нападают на рыбу, пронзают ее своим выдвижным хоботом и вводят конотоксин, блокирующий приток кальция к нервным окончаниям. Но яд есть не только у хищников. Лягушки-древолазы из тропиков Южной Америки выделяют эпибатидин поверхностью кожи. Этот токсин блокирует ацетилхолиновые рецепторы хищника, рискнувшего напасть на лягушку, блокируя связи между нейронами и мышцами. В растении рода стробантус содержится уабаин, способный инактивировать натриево-калиевый насос. Грибы рода Anabella производят кураре, токсин, блокирующий ацетилхолиновые рецепторы. Токсины можно найти даже у бактерий: ботулотоксин А, продуцируемый бактериями Clostridium botulinum, считается одним из самых сильных известных ядов. Любое воздействие этого вещества, даже в концентрациях порядка нанограмма на литр, смертельно, так как препятствует высвобождению ацетилхолина из нейронов.

Первые яды, с которыми познакомился человек, были природными. Некоторые из них обладают грубым действием, просто разрушая клетки и ткани, но другие более хитроумны и точны. Яды, поражающие тонко организованную нервную систему животных, нарушая работу одного или более простых белков, вызывают драматические последствия. У некоторых организмов в ходе эволюции выработались химические механизмы, нарушающие нейромышечные связи; однако человек тоже способен на это – умышленно или случайно, как мы увидим в последующих главах.

 

Глава 9

Металлы: дар и проклятие

 

В предыдущей главе мы рассматривали природные яды, которые синтезируются живыми организмами ради определенной цели. Большинство оставшихся глав этой книги посвящены химическим веществам антропогенного происхождения, которые могут отрицательно влиять как на окружающую природную среду, так и на здоровье человека. Эти вещества могут быть природными соединениями, изменяемыми в результате человеческой деятельности; продуктами синтеза или очистки; побочными продуктами такого синтеза или конечными продуктами использования каких-либо веществ человеком (например, сжигания ископаемого топлива).

Если рассматривать различные классы веществ, которые очищает или синтезирует человек, по ряду причин будет логичным начать с металлов. Первая причина – историческая, так как металлы были одними из первых веществ, которые древние цивилизации научились добывать, очищать и обрабатывать. Вторая причина – их простота. Металлы в своей наиболее биоактивной форме – одиночные атомы или ионы (в водном растворе). Поэтому с химической точки зрения они являются самыми простыми из токсичных веществ.

Почему же металлы исторически имели столь большое значение? Металлы как промышленное сырье обладают большой эластичностью и ковкостью: их можно вытянуть в проволоку или расплющить в тонкий лист. К тому же они хорошо проводят тепло и электричество. Металлы позволили древним цивилизациям достичь такого уровня ремесел, который был невозможен при использовании дерева или камня. Из металла, в отличие от дерева, камня или глины, можно создавать изделия самой разной формы. Более того, ценность металла никогда не падает, потому что, даже если сосуд помнется или у меча отломится кончик, их всегда можно переплавить и сделать новую вещь. Выражение «перековать мечи на орала» на самом деле имело буквальный смысл задолго до того, как стало идиомой. Металлургия изменила древнюю историю так же, как современную историю изменила органическая химия. Удобные в обращении и пригодные для вторичной переработки металлические изделия проникли во все сферы жизни и решили множество проблем, мучивших человечество на протяжении многих поколений.

К несчастью, оказалось, что металлы, которые использовались человеком для производства различных предметов и орудий, могут быть токсичными при неправильном обращении; поэтому за развитие методов их очистки и переработки пришлось заплатить свою цену: увеличением частоты случаев отравления ионами металлов. Возьмем, к примеру, истории свинца, вина и концентрированных сахаров в Римской Империи. 2000 лет назад римляне предпочитали сладкие и крепкие вина. Так как концентрированный сахар был в то время редкостью, вина подслащивали медом или сгущали кипячением, в результате которого они превращались в сладкий сироп – сапу. Сапу делали в плоских покрытых свинцом сосудах, и при этом процессе также образовывался ацетат свинца – сладкий на вкус нейротоксин. Поэтому, хотя использование таких сосудов удовлетворяло потребность в концентрированных сахарах, одновременно оно совершенно очевидно приводило к отравлению любителей такого продукта.

Еще один, хотя и менее драматический, пример одновременного дара и проклятия очищенных металлов для древних цивилизаций связан с амуркой, водянистой жидкостью, которая вытекает из оливок при первичном легком отжиме. Раньше ее концентрацию увеличивали с помощью кипячения в медных котлах. Сгущенная амурка использовалась для разных целей, в том числе для борьбы с насекомыми и сорняками. При кипячении ионы меди из металлической посуды попадали в раствор, усиливая его токсичность и эффективность в качестве инсектицида и гербицида.

По сей день использование металлов связано с токсикологией. Низкая температура плавления свинца и его высокая пластичность обусловили его ценность как припоя, способного соединять другие металлы. Свинцовые спайки использовались при производстве консервных банок и в сантехнике, несмотря на то что в обоих этих случаях ионы свинца потенциально могли отравлять пищу и воду. Токсичные свойства свинца были известны уже давно, однако законы, ограничивающие его применение в производстве водопроводных труб, были приняты в США лишь в 1986 г., а запрет на использование свинцового припоя в консервных банках – лишь в 1995 г. Так что использование металлов всегда было и до сих пор остается сопряжено с риском токсичного воздействия.

 

Металлы и их ионы

Практичность использования металлов как материала для изготовления различных изделий, основана на их металлургических свойствах, в то время как токсичность определяется их свойствами как химических элементов – атомной структурой самих ионов. Понять закономерности этой структуры помогает периодическая таблица элементов. К металлам в периодической системе относятся щелочные (группа 1 – самая левая колонка), щелочноземельные (группа 2), переходные (группы 3–12), а также расположенные «лесенкой» семь «прочих» металлов, в том числе олово, алюминий и свинец в правой части таблицы. Положение металлов в периодической таблице говорит нам о свойствах их ионов. Например, у щелочных металлов самое простое строение атомов, так что, оказавшись в водном растворе, каждый атом теряет один отрицательно заряженный электрон и становится положительно заряженным ионом. Поэтому ионы натрия и калия в водном растворе несут заряд +1, являются одновалентными и имеют степень окисления 1. Атомы щелочноземельных металлов в водном растворе теряют два электрона, являются двухвалентными (2+) и имеют степень окисления 2.

В средней части периодической таблицы находятся переходные металлы. Они отличаются от других тем, что имеют не одну стабильную степень окисления. Например, ионы меди могут иметь заряд +1 и +2 и в обоих этих состояниях одинаково стабильны.

Среди переходных металлов имеются микроэлементы, необходимые для существования и роста организмов. К таким металлам относятся, в частности, медь, цинк, марганец и железо. Эти металлы можно найти в большинстве мультивитаминов. В организме они играют роль хелирующих, или связывающих, агентов для ферментов и клеточных мембран; например, железо – незаменимый компонент гемоглобина, переносящего кислород белка эритроцитов у позвоночных животных. Менее известный, чем железо, цинк, также является необходимым для жизнедеятельности, так как служит кофактором более чем в 300 белках. Эти металлы обязательно должны поступать в клетки, поэтому в ходе эволюции были выработаны специализированные и эффективные механизмы для получения их из среды.

Наряду с жизненно необходимыми, в тех же самых группах находятся металлы, не требующиеся живым существам. Так, например, медь принадлежит к той же группе, в которой мы видим серебро и золото, являющиеся токсичными, а цинк – к той же, что и ядовитые ртуть и кадмий. Металлы сгруппированы в периодической таблице отнюдь не произвольно; группы отражают структурное сходство между ними. Элементы одной группы имеют одинаковое распределение электронов на внешнем электронном уровне и поэтому обладают сходными химическими свойствами. Очень важно, что большинство транспортных белков, доставляющих металлы в клетку или из нее, не «видят» разницы между членами одной группы. И получается, что усилия, направленные на обеспечение клетки необходимыми металлами, например цинком, также могут приводить к поступлению в нее ненужных и даже высокотоксичных ионов, например кадмия или ртути.

 

Пути абсорбции металлов

Токсичность многих переходных металлов определяется превращением их атомов в ионы или ионные комплексы и взаимодействие этих ионов с клеточными рецепторами. Так как ионизация происходит в водных растворах, абсорбция металлов в организм животных обычно идет путем транспорта ионов с помощью белков-переносчиков из водной среды (воды или раствора внутри пищеварительного тракта) в кровь. Следовательно, основной путь воздействия металлов на организм наземных животных – через поглощение содержащей ионы пищи или воды. У водных животных к этому процессу добавляется абсорбция через жабры.

В отношении переходных металлов нужно помнить о том, что животные подвергаются риску как дефицита микроэлементов, так и токсичного воздействия (см. главу 1). Наземные животные могут получать необходимые микроэлементы только с пищей, в которой их количество (неважно, в растительной или в животной пище) достаточно мало – именно поэтому они в первую очередь и называются микроэлементами. Поэтому в ходе эволюции и возникли белки, обеспечивающие эффективный транспорт этих элементов, попадающих с пищей в пищеварительный тракт.

Задача белков-переносчиков в кишечнике очевидна: перенос необходимых металлов из кишечника в кровь, однако эта задача усложняется гетерогенностью природы содержимого пищеварительного тракта, а также разнообразием пищеварительных процессов. На транспорт ионов необходимых металлов влияет ряд факторов, в том числе содержимое желудочно-кишечного тракта, химическая форма и среда, в которой содержится металл, а также индивидуальные пищевые привычки и состояние организма.

Когда ион металла освобождается из содержимого кишечника, он может проникать дальше. Как уже говорилось, транспорт ионов осуществляется с помощью специальных белков-переносчиков. Со стороны кишечной полости свободный ион должен вступить в контакт с белком определенного типа, чтобы преодолеть двойной липидный слой и оказаться в клетке кишечного эпителия. Затем он снова должен пройти через клеточную мембрану и попасть в кровь. Интересно, что этот второй этап транспорта обычно осуществляется иными белками.

Если необходимые металлы имеются в избытке, они могут запасаться в организме в форме металлотионеинов. Это белки, богатые аминокислотой цистеином, которые могут агрессивно связываться с положительно запряженными ионами металлов. Совершенно очевидно, что эти соединения имеют огромное значение, так как их можно обнаружить в самых разных организмах. Эти небольшие, богатые цистеином белковые молекулы, несущие функцию обратимого связывания и хранения металлов, имеются и у животных, и у растений, и у бактерий. Кроме того, структуры металлотионеинов у всех позвоночных животных обладают большим генетическим постоянством.

Для ионов многих металлов, особенно тех, которые находятся в одной и той же группе периодической системы, потребность в необходимых элементах идет вразрез с необходимостью организма минимизировать потребление токсичных ионов. Например, кишечному эпителию необходимо поддерживать эффективность транспорта меди и цинка, но это становится проблемой, если в организм попадают такие родственные металлы, как серебро, золото, кадмий и ртуть. Эти родственные элементы (а также некоторые другие переходные металлы) могут связываться с теми же самыми транспортными белками и попадать из кишечника в кровь. Аналогичным образом металлотионеины способны эффективно накапливать и хранить как необходимые организму, так и токсичные ионы металлов.

Металлотионеины возникли, вероятно, как механизм секвестрации необходимых металлов, но они также оказываются полезны для замедления поступления ненужных ионов к внутриклеточным мишеням. Если клетке хватает металлотионеинов для связывания этих вредных ионов, токсическое воздействие в значительной степени блокируется. Ученые предполагают, что повышенная устойчивость к негативному воздействию металлов у человека и других животных может объясняться повышенной экспрессией генов, кодирующих синтез металлотионеинов. В присутствии токсичных ионов белок действует подобно губке, накапливая их в связанной и безопасной форме. Токсический эффект будет проявляться лишь тогда, когда количество ионов металлов в клетке превысит количество доступных мест связывания в металлотионеинах, и токсичные ионы смогут беспрепятственно связываться с рецепторами, приводя к различным нарушениям и даже смерти.

Абсорбция необходимых металлов из содержимого кишечника в кровь контролируется обратной связью, так что дефицит металлов в организме может повысить их всасывание из пищи. К несчастью, это может привести к негативным последствиям при несбалансированном рационе. Например, известно, что дефицит железа у плохо питающихся детей связан с повышением концентрации ионов свинца в крови. В лабораторных экспериментах на животных (например, крысах) было показано, что дефицит железа повышает всасывание свинца в кишечнике, вероятно, из-за увеличения количества белков, предназначенных для транспорта ионов железа. В отсутствие железа эти белки начинают переносить свинец. Нечто подобное наблюдается у алкоголиков, когда с развитием болезни человек получает все больше и больше калорий из спиртного. Недостаток в рационе таких микроэлементов, как цинк, увеличивает эффективность транспорта ионов этого металла, несмотря на то что их нет в обедненном содержимом кишечника. Поскольку алкоголики также нередко являются потребителями табака, в котором содержится достаточно много кадмия, транспортные белки кишечного эпителия начинают переносить вместо необходимого цинка токсичный кадмий.

Металлы и загрязнение ими водной среды представляет иной тип риска для рыб, так как их жабры выполняют функции дыхания и осморегуляции одновременно. Жабры рыбы выглядят как радиатор, с выростами, которые максимально увеличивают площадь поверхности. Из-за такой большой площади и малого расстояния для диффузии между кровью и омывающей жабры водой постоянно происходит транспорт ионов в обоих направлениях.

В морской воде концентрация ионов (в основном щелочных и щелочноземельных металлов, таких как натрий, калий, магний и кальций) выше, чем в крови у рыбы, и ионы путем диффузии через белковые поры и каналы постоянно попадают в организм. Однако в крови должна поддерживаться определенная концентрация этих ионов, и без регуляции такой приток ионов из воды был бы фатальным. Поэтому рыба постоянно и активно выводит ионы щелочных и щелочноземельных металлов из организма обратно в воду. Рыба, обитающая в пресной воде, наоборот, постоянно теряет те же самые ионы, которые совершенно беспрепятственно выходят из ее крови в воду, поэтому ей необходим активный обратный транспорт этих ионов с помощью белков.

В загрязненной морской или пресной воде концентрация вредных ионов переходных металлов может быть так высока, что их поступление через жабры может быть смертельным для рыбы. Учитывая, что жабры пресноводных рыб предназначены для обратного всасывания потерянных ионов, в загрязненной водной среде рыба вынуждена решать две противоречащие друг другу задачи: получение необходимых ионов, например натрия и калия, из воды и предотвращение поступления вредных ионов переходных металлов. При наличии в воде токсичных металлов животное может потерпеть поражение на обоих фронтах, как покажут приведенные ниже примеры.

Среди белков, участвующих в транспорте ионов в жабрах, важное место занимают так называемые насосы: натриево-калиевый и кальциево-магниевый. Для их функционирования необходима энергия и атом цинка, который должен быть связан с белком. В загрязненной воде с повышенной концентрацией меди или серебра (обратите внимание, что эти элементы принадлежат к одной и той же группе периодической системы) ионы этих металлов присоединяются к натриево-калиевому насосу, разрывая связь белковой молекулы с атомом цинка, таким образом «выключая» насос.

В данном случае пресноводная рыба испытывает обессоливание (недостаток натрия) и умирает. В загрязненных водоемах с повышенной концентрацией кадмия или ртути (снова металлов из одной и той же группы!) их ионы будут связываться с кальциево-магниевым переносчиком, кровь рыбы декальцинируется, что тоже приведет к смерти.

Если рыба переживет первоначальный приток ионов переходных металлов, возможно, у нее разовьется акклиматизационный ответ, который снизит всасывание этих ионов через жабры. Это может произойти, если ей удастся уменьшить уровень поступления металлов в клетки жабр. Кроме того, рыба может изменить синтез металлотионеинов так, чтобы ионы токсичных металлов связывались до того, как они присоединятся к транспортным белкам. Рыба выживет, если приток ионов изменится таким образом, чтобы натриево-калиевый и кальциево-магниевый насосы продолжали функционировать. Но если приток ионов преодолеет защитные механизмы клеток, ионы соединятся с насосами, нарушат их работу, и рыба умрет.

В природных водах токсичность ионов неоднозначна, так как на нее сильно влияет качество воды. Ткань жабр можно считать местом присоединения, или лигандом, для переносимых водой ионов. (Конечно, в реальности все сложнее, так как жабры представляют собой не гомогенный лиганд; однако в данном случае мы может рассматривать их так.) В воде, где содержится мало коллоидов, жабры могут быть доминантным лигандом, связывающим простые ионы, растворенные в протекающей по ним воде. Всасывание этих ионов происходит совершенно беспрепятственно, с максимальной скоростью, которую допускают белки жабр, так как никаких конкурентных лигандов не существует.

Ионы токсичных металлов, например кадмия или ртути, также могут проникать в организм рыбы тем же самым путем – активного транспорта через жабры, и их токсичность часто связана с составом частиц, имеющихся в воде. Если там имеются другие лиганды (например, коллоидный материал), они конкурируют с жабрами в присоединении простых ионов. Подобно тому, как белки плазмы крови влияют на поступление липофильных стероидов к тканям-мишеням в организме животных, гуминовые кислоты и другие водорастворимые органические соединения могут снижать концентрацию свободных ионов металлов в воде, уменьшая таким образом их токсичность для рыбы. Это основная предпосылка модели биотических лигандов, теории, согласно которой токсичность металлов в воде не всегда постоянна, а зависит от качества воды и других веществ, в ней растворенных.

В древние времена использование переходных металлов произвело революцию в развитии разнообразных орудий, а кроме того, изменило геохимические циклы ионов этих достаточно редко встречающихся в природе металлов. В результате человек и другие животные оказались в среде, где вдыхание паров и поглощение ионов металлов через желудочно-кишечный тракт изменили положение вещей с точки зрения токсикологии. В то же самое время процессы добычи этих металлов породили экологические проблемы, которых не существовало до начала промышленной разработки. Коротко говоря, токсичность металлов оказалась дьяволом, кроющимся в деталях добычи и использования их человеком, и продолжает оставаться им по сей день.

 

Глава 10

Горение

 

Мы начали с металлов наш разговор о химическом загрязнении, а продолжить его вполне естественно рассказом о сжигании ископаемого топлива. На самом деле две эти темы неразрывно связаны друг с другом, так как для получения чистых металлов из руд, то есть для переплавки, нужно огромное количество тепла. Горение само по себе – довольно грязное дело, будь то переплавка руды, приготовление пищи или просто обогрев жилища. Когда горит дерево, уголь или нефтепродукты, всегда получается гарь, пепел и дым. Как мы увидим далее, воздействие этих конечных продуктов весьма токсично.

Но хотя история добычи и использования металлов тесно связана с промышленным использованием горения, токсикологические последствия этих процессов различны. Токсичность металлов, рассмотренная в предыдущей главе, связана с неверной идентификацией ионов молекулами или клетками, которые «путают» вредные металлы с металлами, необходимыми для жизнедеятельности. Однако с продуктами горения происходит совершенно другая история: клетки «пачкаются», что затрудняет и нарушает процесс выведения токсичных компонентов и может вести к весьма неприятным токсикологическим последствиям.

 

Горение

Один из главных атрибутов жизни – процесс анаболизма, построения сложных органических веществ, органоидов клетки, самих клеток и тканей из более простых составляющих. Аналогично один из главных атрибутов смерти – это процесс метаболизма, разложения сложных веществ живого организма обратно на простые составляющие, из которых они когда-то образовались. Если организм погибает и быстро разлагается в присутствии достаточного количества кислорода (условие аэробного метаболизма), его органический материал может быть полностью разрушен, и его составляющие утилизируются другими организмами. Конечные продукты аэробного метаболизма – углекислый газ и вода, которые поступают в окружающую среду и далее используются другими организмами. Многие формы органической материи, например животные ткани, в аэробных условиях разлагаются быстро, в то время как другие – например, древесина, – относительно устойчивы к разложению. Останки мертвых деревьев могут ждать сгорания долгое время после того, как жизнь в них прекратилась.

Хотя древесина по сравнению с тканями животных устойчива к разложению, в конечном итоге, при наличии достаточно долгого времени, разложение все же произойдет. Однако при определенных условиях разложение древесины и других органических материалов может пойти по нетипичному пути. Если аэробные процессы затормаживаются, органика не распадается полностью, а происходит преобразование одних органических молекул в другие, на что может уходить очень длительное, даже с геологической точки зрения, время. В результате этих анаэробных процессов образуются различные виды ископаемого топлива – природный газ, нефть, горючие сланцы и уголь.

Древесина, природный газ, нефть и уголь – это все топливо, то есть материалы, содержащие потенциальную энергию, которая может быть высвобождена для совершения полезной работы. Процесс высвобождения энергии из топливных материалов называется горением. Например, основной компонент природного газа, метан – самый простой из углеводородов, так как состоит всего лишь из одного атома углерода и четырех атомов водорода. При полном его сгорании получается углекислый газ и вода. Однако даже метан не всегда сгорает полностью. При неполном окислении получаются альтернативные конечные продукты, например угарный газ. При усложнении химической структуры топлива – от газа к нефти, углю и древесине – химические последствия неполного сгорания проявляются в виде выделения дыма, сажи и пепла, содержащих побочные продукты горения.

 

Токсические последствия горения: английские трубочисты

Первые документальные свидетельства токсического воздействия побочных продуктов горения относятся к XVIII в., когда такое воздействие было зафиксировано у английских детей, а именно мальчиков-трубочистов. В те времена трубочисты были группой людей, зарабатывавших на жизнь тяжким трудом в очень жестких условиях, и эти трубочисты совсем не были похожи на героев из «Мэри Поппинс». Лондонские печные трубы часто бывали неправильной формы, и скапливающуюся в них сажу нужно было вычищать вручную. Взрослый человек не всегда мог пролезть в трубу; вот почему появились мальчики-трубочисты, часто сироты, которых нанимали в качестве учеников начиная с четырехлетнего возраста для прочистки самых узких и сложных мест. Условия такого труда были хуже некуда. Сажа, сыплющаяся сверху, высокая температура, теснота создавали смертельно опасные условия. Из-за узости труб и жары дети часто залезали туда голыми и вылезали, покрытые потом и сажей.

В 1775 г. английский хирург доктор Персиваль Потт решил обследовать взрослых мужчин, которые когда-то были мальчиками-трубочистами. Во время работы пот стекал по их телам, смывая сажу, которая скапливалась в области мошонки. Гигиена у этих детей была просто ужасной, некоторые в буквальном смысле мылись единожды в год. Следовательно, сажа, содержащая канцерогенные вещества, оставалась в складках кожи очень долгое время и впитывалась в нее. Это воздействие приводило к развитию так называемого рака трубочистов, болезненных язв с твердыми краями. Далее болезнь могла распространяться на яички и живот, и результат был весьма трагичным. Хотя лишь спустя столетие ученые идентифицировали вещество, ответственное за развитие этого вида рака, доктор Потт первым заявил о существовании вредных факторов производства, ведущих к онкозаболеваниям.

Интересно отметить, что рак мошонки, вызываемый сажей из дымоходов, можно было с легкостью предотвращать профилактическими мерами. Оказалось, что трубочисты из континентальной Европы практически не были ему подвержены. Дело в том, что на континенте трубочисты носили защитную одежду и гораздо чаще мылись. Когда этот опыт был заимствован и в Англии, с раком мошонки было покончено.

 

Токсические последствия горения: полициклические ароматические углеводороды

Несмотря на результаты изучения здоровья мальчиков-трубочистов, список известных канцерогенных веществ рос медленно. До 1950 г. канцерогенные свойства были доказаны только для трех продуктов: табака, угольной сажи и нафтиламинов, получающихся в процессе производства синтетических красителей.

Канцерогенность табака была установлена еще в XVIII в. другим лондонским врачом, Джоном Хиллом, который первым обнаружил, что злоупотребление нюхательным табаком приводит к развитию рака носа.

В отличие от угольной сажи и табака, канцерогенность нафтиламинов была установлена только в 1870-х гг. До этого времени все промышленные красители добывались из природного сырья. Но когда в Германии стали производить синтетический фуксин, участились случаи рака мочевого пузыря. Во время Первой мировой войны промышленно-торговые связи между Германией и США были разрушены, и американская DuPont Company начала выпускать синтетические красители сама. Подверженность работников этого производства раку мочевого пузыря пересекла Атлантику, и в 1947 г. доктор Артур Мегельсдорф из химической компании Calco с прискорбием объявил, что «рак мочевого пузыря развивается у 100 % работников, контактирующих с бета-нафтиламином».

Канцерогенность этих трех продуктов была установлена в результате эпидемиологических исследований, но потребовалось более 100 лет, прежде чем она была продемонстрирована непосредственно в экспериментах на лабораторных животных. В 1915 г. двое японских ученых, Кацузабуро Ямигива и Коичи Ичикава вызывали у кроликов рак на ушах, намазывая их каменноугольной смолой несколько раз в неделю в течение года. После их революционных экспериментов начались исследования по выделению из угольных смол и сажи конкретных веществ, ответственных за образование опухолей у животных и человека. В 1930 г. были установлены канцерогенные свойства дибензантрацена, а вскоре после этого – похожего вещества бензопирена. К 1940 г. эпидемиологические данные наконец-то получили подтверждение в лабораторных опытах на животных, которые продемонстрировали прямую связь между конкретными веществами и развитием рака. Выяснилось, что канцерогенными являются вещества, принадлежащие к двум классам: ароматические амины (присутствующие в производстве синтетических красителей) и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ). С тех пор канцерогенные свойства были выявлены у многих других веществ; но именно ПАУ и ароматические амины были первыми веществами, на примере которых была доказана связь между воздействием химикатов и онкозаболеваниями.

Полициклические ароматические углеводороды – замкнутые кольцевые молекулы, состоящие из углерода и водорода: самые маленькие молекулы ПАУ содержат три кольца. Нафтиламины отличаются от них тем, что состоят всего из двух колец и содержат, помимо углерода и водорода, также азот. ПАУ содержатся в природном ископаемом топливе – нефти, угле и битуме, а также в некоторых съедобных жирах. Они возникают в результате неполного окисления угля или нефти или при сгорании биомассы, например древесины и табачного листа. Канцерогенность табака отчасти объясняется именно возникновением ПАУ при его горении.

 

Рак и ПАУ

Чтобы понять связь ПАУ или ароматических аминов с развитием рака, стоит разобраться в том, что же такое рак и как он возникает. Рак – это формирование новообразований: наборов клеток, которые растут относительно независимо. Клетки почти всех типов, за исключением нейронов, проживают свою жизнь, выполняя ту работу, которая свойственна данной ткани: клетки печени выполняют функции печени, клетки кишечника заняты пищеварением и т. д. При этом клетки время от времени делятся надвое с помощью митоза. Жизнь клетки, называемая клеточным циклом, – это постоянное повторение одних и тех же процессов: рост, работа, деление, рост, работа, деление и т. д. Каким бы скучным это ни казалось, на самом деле клеточный цикл – это очень четко скоординированная деятельность, регулируемая внутренними химическими сигналами. Если клетка выпадает из ритма жизни, повреждаясь или прекращая свою работу, включается генетическая программа ее уничтожения – апоптоз. Но если клетка «идет вразнос» и отказывается подчиняться программе самоуничтожения, она может начать автономно и относительно неорганизованно делиться, в результате чего возможно появление новообразований, или опухолей.

Одна из причин развития новообразований – генетические мутации. Генетическая мутация – химическое или физическое изменение структуры ДНК, из-за которого нарушается точность воспроизведения данного участка генома. Когда канцерогенное вещество формирует ковалентную связь с молекулой ДНК, возникает ДНК-аддукт. При формировании ковалентной связи у двух атомов возникает общая пара электронов. Ковалентные связи прочны, и единственный способ удалить ДНК-аддукт – вырезать его из генома вместе с тем материалом, к которому он присоединился. Интересно, что эти аддукты после удаления из ДНК в конечном итоге выводятся с мочой. Более того, концентрация ДНК-аддуктов в моче измеряется как фактор риска развития определенных типов рака.

Однако не все ДНК-аддукты оказываются одинаковыми. Некоторые вырезаются из ДНК, и происходит эффективное ее восстановление. Но в других случаях во время восстановления происходят ошибки, приводящие к мутациям или изменениям нуклеотидной последовательности (кодирующего участка ДНК). Некоторые из таких мутаций обнаруживаются в участках генома, не слишком важных с точки зрения канцерогенеза, поэтому не ведут к новообразованиям. Если же они возникают в важных областях, где нарушения генома с большей вероятностью порождают рак, то могут инициировать развитие опухолей. К таким важным областям относятся те, которые содержат протоонкогены и гены-супрессоры опухолей. Протоонкогены – это эволюционно консервативные гены, кодирующие белки, стимулирующие прохождение клетками их жизненных циклов. В то же время гены-супрессоры опухолей кодируют белки, которые подавляют циклы деления клеток. Таким образом, можно сказать, что протоонкогены служат «педалью газа» для клеточного деления (в том числе и автономного), а гены-супрессоры опухолей – тормозом, контролирующим это деление. Мутация в любом из этих участков может вести к неконтролируемому клеточному делению и автономному клеточному росту, что подготавливает почву для развития новообразований. Такое накопление генетического ущерба в виде мутантных протоонкогенов и генов-супрессоров опухолей является одной из движущих сил превращения организованного клеточного цикла в неконтролируемое деление, или образование опухолей.

Как много ДНК-аддуктов формируется в ответ на воздействие химических канцерогенов, зависит от химической реактивности метаболита. Так что в данном случае «дьявол канцерогенности» кроется в деталях выведения ПАУ в процессе метаболизма.

ПАУ липофильны и поэтому склонны объединяться и накапливаться во внутренней среде организмов или в донных отложениях и реже встречаются в свободном виде в воде. Как мы говорили в главе 5, организмы могут перерабатывать липофильные вещества, в частности ПАУ, в ходе окислительно-восстановительных реакций фазы I и реакций конъюгации фазы II. Метаболизм фазы I лишь незначительно увеличивает растворимость в воде, и, следовательно, скорость выведения большинства ПАУ. Реакции конъюгации фазы II, напротив, значительно сильнее повышают водорастворимость соединений. В отличие от метаболизма фазы II, реакции которой организованны и предсказуемы, метаболизм фазы I – это вариабельный процесс, в котором могут получаться разнообразные метаболиты. Таким образом, при попадании ПАУ в кровь там будут находиться не только исходные вещества, но и набор метаболитов фазы II и фазы I.

ПАУ и ароматические амины канцерогенны и быстро превращаются в печени в разнообразные метаболиты. Поскольку цель метаболизма – изменить растворимость веществ, чтобы можно было их вывести из организма, то логично было бы предположить, что процесс детоксикации должен быть направлен на уменьшение не только жирорастворимости ПАУ, но и на их способности вступать в реакции, то есть формировать ДНК-аддукты. Но на самом деле все происходит как раз наоборот. В метаболизме фазы I часто образуются высокореактивные метаболиты, например эпоксиды и хиноны. Поэтому при метаболизме многих ПАУ и их подготовке к выведению из организма их канцерогенные свойства не снижаются, а напротив, усиливаются.

Тот факт, что наш организм может работать против нас, сталкиваясь с химическими канцерогенами, кажется довольно печальным. Гибкость метаболизма фазы I может давать преимущество в тех случаях, когда в него попадают доселе неизвестные липофильные соединения, которые необходимо преобразовать в водорастворимую форму и вывести из организма. Но в то же самое время эта гибкость позволяет системе производить канцерогенные промежуточные метаболиты. Если найти способ перенаправления метаболизма ПАУ от образования токсичных производных в сторону относительно безвредных водорастворимых метаболитов, связанных с фазой II, то можно существенно снизить риск развития онкозаболеваний.

В древнегреческой мифологии Прометей обманул богов, подарив людям огонь, – и понес за это тяжкое наказание. История показывает, что нам тоже приходится расплачиваться за этот дар: близкое взаимодействие с сажей, смолами и пеплом и скрывающимися в них ПАУ. Мы коллективно платим нашим здоровьем в виде растущей предрасположенности к раковым заболеваниям, порожденным этими веществами.

 

Глава 11

Лекарства, наркотики и токсикология зависимости

 

Наркотики бывают разными. И порой трудно провести грань между полезными лекарственными средствами, увеличивающими продолжительность жизни и повышающими ее качество, и вредными запрещенными средствами, которые подпитывают теневую экономику, разрушают жизни и вносят хаос в общество. Разделяя наркотики и лекарства, мы ориентируемся на их назначение и отношение к ним законодательства. Однако сегодня практически все признают, что алкоголь и табак, хотя и разрешены в большинстве стран, вызывают наркотическую зависимость. В то же самое время такой общепризнанный наркотик, как кокаин, действительно приносящий в больших дозах вред, в малых может быть в определенных случаях полезен. В этой главе мы рассмотрим токсичность веществ, которые человек принимает сознательно, чтобы снять боль, справиться с болезнью и изменить психологическое состояние.

 

Самолечение

Лекарства, в том числе наркотики, попадая в организм человека или животного, вызывают изменения в функциях клеток. Некоторые лекарства могут быть синтезированы исключительно в лабораторных условиях, однако в основном они имеют природное происхождение. Первыми терапевтическими средствами, которые стали использоваться для борьбы с болью и болезнями, были растения. Поедание растений или других природных средств ради содержащихся в них веществ, имеющих терапевтический эффект, называется самолечением, и возникло оно еще до появления человека. Африканские человекообразные приматы жуют древесину некоторых растений, глотают листья и едят смесь из грязи и листьев лекарственных растений, чтобы избавиться от эндопаразитов и симптомов желудочно-кишечных расстройств. Бабуины и колобусы также занимаются самолечением, в первую очередь для борьбы с кишечными паразитами. Обезьяны-ревуны поедают растения, содержащие вещества, влияющие на репродуктивные функции, предположительно, чтобы изменять время между беременностями и пол будущего потомства.

По всей видимости, эволюционный путь самолечения от обезьян к человеку был непрерывен. Одни из наших ближайших родственников, неандертальцы, занимались самолечением с применением ботанического материала 24–30 000 лет назад. Доказательства этого были получены при изучении зубов скончавшегося давным-давно юного неандертальца. В них были обнаружены остатки горького (и непитательного) растительного материала, который известен своей способностью подавлять аппетит. Это весьма интересный факт, так как он предполагает наличие у неандертальцев уровня ботанических знаний, ранее не предполагавшегося учеными.

Переход от самолечения растительными средствами к производству веществ для медицинского использования, то есть к фармакологии, произошел примерно 2000 лет назад. Археологами были обнаружены артефакты, проливающие свет на этот этап развития. Так, например, в 1989 г. из обломков затонувшего 2100 лет назад римского корабля была извлечена «аптечка» – тщательно запечатанный деревянный ящичек, в котором находились пилюли, изготовленные из измельченных трав и овощей, в частности сельдерея, лука и моркови. Ингредиенты этих пилюль (химический анализ которых был проведен лишь недавно) упоминаются в классических медицинских текстах той эпохи. Это самые древние из найденных на сегодняшний день фармацевтических средств, и их относительно простой состав (измельченный растительный материал) как раз и отражает переходную ступень от самолечения биологическим материалом к истинной фармакологии. Второй артефакт приблизительно того же времени – это папирус Эберса, написанный около 1500 г. до н. э. Этот один из самых ранних известных документов египетской медицины представляет собой свиток, заполненный магическими формулами и рецептами лечебных снадобий; также в нем описываются ожоги, опухоли, паразиты и даже такие психоневрологические нарушения, как депрессия и слабоумие.

 

Психоактивные вещества как токсины

Появление фармакологии можно считать первым примером «лучшей жизни благодаря химии», так как лекарства издавна помогают людям справляться с болью и страданиями. История токсичности лекарственных средств многогранна, в ней сплетаются многие мотивы. Один такой мотив – вещества, становящиеся ядовитыми при неправильном употреблении, например ацетаминофен, о котором мы говорили в главе 5. Другой – вещества, представляющие риск при хроническом использовании, например тамоксифен, о котором я расскажу в главе 14. Но, наверное, лучше всего начать разговор о токсичности лекарств с психоактивных веществ и токсикологической зависимости.

Представьте себе жизнь среднестатистического древнего человека. Для многих представителей ранних цивилизаций контакт с различными природными веществами и тяжелый труд были нормой, а повседневная жизнь была физически и умственно изматывающей. Неудивительно, что человек стремился как-то бороться с усталостью, и любой натуральный продукт, который в этом помогал, приобретал большую ценность. Конечно, свидетельства первых случаев самолечения листьями коки или бетеля сгинули незадокументированными в тумане доисторических времен, однако их терапевтическое употребление в более-менее природной и относительно слабодействующей форме сохранилось в мире и по сей день.

Помимо облегчения болезненных ощущений, психоактивные вещества применялись гражданами древних цивилизаций еще как минимум для двух целей: отдыха в социальном кругу и достижения измененного состояния сознания в духовных практиках. Алкоголь, по всей видимости, использовался в основном так же как и сегодня, будучи постоянным атрибутом праздников, религиозных церемоний и семейных ритуалов. В доисторических сообществах в этих случаях интоксикация была приемлема и ожидаема. Но даже при случавшихся время от времени праздничных пьянках злоупотребления и зависимость были редкими явлениями из-за ограниченности доступа к алкогольным напиткам и прочим психоактивным веществам, социальных табу и жестких условий повседневного существования. Для большинства людей опьянение было роскошью, которую можно было себе позволить лишь один-два раза в год.

Хотя многие из первых известных человеку психоактивных веществ применялись для снятия боли или подавления аппетита, жажды и усталости, был и еще один, так сказать, «духовный», класс веществ, применявшихся в те далекие времена. Эти вещества, называемые энтеогенами (психоделиками), вызывали галлюцинации и обладали способностью изменять ощущения, мысли и восприятие реальности. К этому классу относятся такие природные средства, как содержащий мескалин кактус пейот и псилоцибиновые грибы. Их употребление было широко распространено в первую очередь среди духовных лидеров древних сообществ, но не среди рядовых граждан.

Эти вещества в числе прочих породили идею Парацельса о том, что яд создает дозировка. От примитивных практик Древнего Египта до современной фармакологии каждое новое знание о химических свойствах и преобразованиях психоактивных веществ приводило к появлению способов усиления их воздействия. Уже в древние времена самолечения люди пытались изменить с этой целью химическую природу наркотических и терапевтических средств. Например, южноамериканские индейцы, жевавшие листья коки, добавляли к ним щелочной агент, например известь, бикарбонат или древесный пепел. Хотя алкалоиды, содержащиеся в натуральных листьях коки, более разнообразны и представлены в меньших концентрациях, чем те, что содержатся в очищенном кокаине, их преобразование при добавлении щелочного агента позволяет добиться более быстрого всасывания через слизистую ротовой полости.

Хотя повышение активности веществ в результате химических преобразований усиливало их действие, оно также повышало и вероятность неприятных последствий, вплоть до смерти. Мрачным напоминанием об этом служит тот факт, что передозировка лекарствами является вторым по распространенности методом самоубийства у женщин. Хотя любое средство, принятое в чрезмерном количестве, опасно, к психоактивным веществам это относится в первую очередь. Многие, хотя и не все, психоактивные вещества могут порождать пристрастие, которое ведет к зависимости.

 

Пристрастие к наркотикам

Пристрастие обычно развивается по схеме, начинающейся с психоактивного эффекта, постепенно порождающего компульсивное поведение. О наличии зависимости свидетельствует именно такое поведение – когда человек постоянно стремится найти наркотик. Психоактивный эффект возникает из-за стимуляции нервных синапсов в одном из центров удовольствия – или вознаграждения – головного мозга, и часто в нем принимают участие такие нейротрансмиттеры, как серотонин, норэпинефрин и дофамин. Центры вознаграждения обладают огромной властью, что было продемонстрировано еще в ранних опытах с электрической стимуляцией. Когда крысы в этих экспериментах могли нажимать на рычаг, вызывая электрическую стимуляцию лимбической системы мозга, они проделывали это почти постоянно, до 5000 раз в час, и прерывались только на сон. У человека стимуляция одного из центров вознаграждения ведет к ощущениям, сравнимым с сексуальным оргазмом, а стимуляция некоторых других зон может вызывать чувство общего удовлетворения, подавляющее негативные мысли.

Деятельность центров вознаграждения всегда связана с нейротрансмиттером дофамином. Было установлено, что он играет основную роль при стимуляции двух специфических центров вознаграждения, ответственных как за различные типы поведения, приносящие удовольствие, так и за ряд поведенческих реакций, связанных с зависимостью, причем как химической (например, пристрастие к алкоголю, кокаину и табаку), так и нехимической (например, пристрастие к азартным играм).

Психоактивные вещества, стимулирующие центры вознаграждения мозга, очень сильно воздействуют на личность человека и во многих случаях направляют его по пути психологической зависимости. В полном соответствии с догматом Парацельса, при увеличении числа психоактивных молекул, связывающихся с рецепторами нейронов, увеличивается и наркотический эффект. Это может достигаться двумя путями: либо увеличением числа молекул нейротрансмиттеров, высвобождающихся в синапс, либо уменьшением числа молекул, удаляемых из синапса (путем обратного всасывания или метаболизма). Например, метамфетамин стимулирует высвобождение нейротрансмиттеров норэпинефрина, дофамина и серотонина, а кокаин вызывает снижение уровня обратного всасывания дофамина, так что его молекулы остаются в синаптическом пространстве долгое время. Оба процесса вызывают наркотические эффекты, увеличивая общее число молекул нейротрансмиттеров в синапсе, узкой щели между соседними нейронами.

Помимо «большой тройки» нейротрансмиттеров – норэпинефрина, дофамина и серотонина, – экзогенные психоактивные вещества могут воздействовать и на другие рецепторы в головном мозге. Например, героин (морфин), вещество, которое можно считать вызывающим самую сильную зависимость, присоединяется к опиоидным рецепторам, которые в норме стимулируется классом естественных эндогенных нейротрансмиттеров – эндорфинами, самым распространенным из которых является бета-эндорфин. Тетрагидроканнабинол (ТГК), действующее вещество марихуаны, стимулирует каннабиноидные рецепторы, к которым в норме присоединяются эндогенные каннабиноиды, синтезирующиеся в организме человека.

Эффекты трех наиболее популярных психоактивных средств – никотина, кофеина и алкоголя – объясняются примерно теми же процессами, что описаны выше. Например, никотин присоединяется к никотиноидным рецепторам мозга, стимулируя высвобождение дофамина. Кофеин воздействует на аденозиновые рецепторы, что косвенно ведет к усилению активности глутаматных и дофаминовых рецепторов.

Алкоголь, в отличие от многих психоактивных веществ, действующих на специфические рецепторы, воздействует на много типов рецепторов сразу. Этанол, так же как эфир или хлороформ, изменяет функционирование глутаматных рецепторов, что приводит к расслаблению мышц, потере координации движений, невнятной речи, шатающейся походке, нарушениям памяти и в тяжелых случаях потере сознания. Кроме того, алкоголь увеличивает активность ГАМК-рецепторов, что порождает чувство покоя, снижение тревожности и сон. (Сходный эффект на ГАМК-систему оказывает «Валиум».) Наконец, алкоголь, подобно кокаину и амфетамину, повышает уровень дофамина, стимулируя центры вознаграждения. А кроме того, под воздействием алкоголя также увеличивается и уровень эндорфина, что роднит его воздействие с эффектом морфина.

 

Наркотическая зависимость

Хотя некоторые вещества вызывают как пристрастие, так и зависимость, наркотическая зависимость определяется двусторонним взаимодействием между наркотиком и его нейронным рецептором. Вещества, вызывающие зависимость, воздействуют на клеточный статус-кво, изменяя число нейромедиаторов (нейротрансмиттеров), на которые реагируют рецепторы. Этот процесс можно проиллюстрировать на примере реакции нейронов на экзогенные опиоиды. Когда человек принимает опиоидные болеутоляющие средства, их эффект основан на увеличении числа сигнальных молекул в синапсе между нейронами. В ответ на усиление стимуляции нейрон-мишень пытается восстановить гомеостаз, снижая количество рецепторов, доступных для сигнала. Например, при приеме героина в клеточной мембране постсинаптического (принимающего сигнал) нейрона уменьшается количество опиоидных рецепторов. После того как клетка приспособилась к такому положению дел, та же доза уже не вызывает того же эффекта, и у человека, принимающего наркотик, развивается толерантность к психоактивному воздействию. Доза, которая раньше вызывала эйфорию, перестает давать те же ощущения и тот же самый психоактивный эффект.

Люди, у которых развивается толерантность, часто пытаются справиться с этим, увеличивая принимаемую дозу. По мере повышения дозы нейроны вынуждены снова уменьшать число рецепторов. Из-за этого наркоман может вообще перестать испытывать эйфорию, но продолжает принимать наркотик, чтобы избавиться от неприятных ощущений, связанных с низким уровнем взаимодействия между нейротрансмиттерами и рецепторами.

Когда человек резко отказывается от наркотика, его нервные клетки далеко не сразу возвращаются к исходному состоянию, потому что число рецепторов уже сильно изменено. В этот период происходит «ломка», или синдром отмены. У употребляющих некоторые виды наркотиков (героин, кокаин, метамфетамин, никотин и алкоголь) синдром отмены длится болезненно долго: на то, чтобы вновь синтезировать рецепторные молекулы, требуется много времени. У других психоактивных веществ (кофеина) он существенно короче, поскольку общее число рецепторов с повышением дозы не меняется.

Важно отличать пристрастие от настоящей зависимости, так как не все вещества, вызывающие химическую зависимость, также порождают пристрастие, и не все пристрастия основаны на химической зависимости. Все мы знаем примеры когда что-то становится пристрастием, но не вызывает зависимость, – например, азартные игры. Человек, пристрастившийся к игре, испытывает такое сильное влечение к ее продолжению, что теряет над собой контроль, несмотря на то что она может крайне негативно влиять на его финансовое положение и личную жизнь.

Интересно, что природные галлюциногены, такие как пейот и мескалин (и практически все остальные галлюциногены), не порождают компульсивного поведения или пристрастия, а также не вызывают химической зависимости. Отчасти это объясняется тем, что содержащиеся в них вещества не стимулируют дофаминергический центр удовольствия мозга, так как не взаимодействуют с дофаминовыми рецепторами и белками-переносчиками дофамина.

 

Наркотики как экзогенные клеточные сигналы

Психоактивные вещества, рассмотренные выше, во многих случаях действуют как клеточные сигналы. Наркотики, присоединяющиеся к рецепторам нейронов, «маскируются» под эндогенные нейротрансмиттеры и посылают сигналы постсинаптическим нейронам, что дает в высшей степени приятный (хотя во многих случаях разрушительный) эффект. Нейротрансмиттеры – это один из важных классов сигнальных молекул, но в организме есть и другие, в частности гормоны. Гормоны переносятся кровью от производящей их железы к соответствующим рецепторам на поверхности мембраны или внутри клеток.

Интересно, что анаболические стероиды (которые принимают для наращивания мышечной массы и повышения спортивных результатов) в некотором смысле сходны с психоактивными веществами, хотя цель их использования обычно не состоит в получении приятных ощущений. На основании результатов опытов на грызунах ученые пришли к выводу, что анаболические стероиды являются веществами подкрепления, то есть их потребление дает чувство психологического вознаграждения. Это видно из экспериментов на предпочтение мест потребления: крысам вводили анаболические стероиды в одной из двух соединенных между собой клетках. Когда воздействие стероидов становилось хроническим, крысы начинали отдавать некоторое предпочтение той клетке, где они получали наркотик. Другие исследования на грызунах продемонстрировали, что анаболические стероиды воздействуют на дофаминергический центр вознаграждения головного мозга, хотя механизм в данном случае оказывается не стимуляторным, как у амфетаминов и опиоидов, и не ингибирующим обратное всасывание дофамина, как у кокаина.

Анаболические стероиды – не просто средства подкрепления, как многие наркотики. Они также нарушают нормальное функционирование эндокринной системы, так что их можно назвать эндокринными дизрупторами. Присутствие в крови экзогенных анаболических стероидов порождает в головном мозге, в частности в гипоталамусе и гипофизе, отрицательную обратную связь. Она ведет к снижению синтеза гонадотропинов – водорастворимых гормонов, которые с кровью попадают к яичкам, где стимулируют синтез тестостерона. Снижение уровня тестостерона, в свою очередь, ухудшает способность яичек производить жизнеспособную сперму, и даже после окончания применения стероидов она восстанавливается очень медленно (не менее двух лет).

Так же как природные яды, психоактивные вещества и анаболические стероиды ломают возникшую в ходе эволюции систему коммуникации клеток. В случае с животными ядами это нарушение может иметь весьма печальные, вплоть до летальных, последствия. При применении лекарственных средств оно, напротив, может оказаться полезным. Терапевтическое применение экзогенных химических веществ, по всей видимости, существует столько же, сколько и сам наш вид, и за это время прошло долгий путь от самолечения травами до современной фармакологии. На психоактивные вещества и стероиды организм реагирует как психологически, так и физиологически, но преимущества, которые мы можем от них получать, сопряжены и серьезным потенциальным риском, от пристрастия до зависимости.

 

Глава 12

70 000 лет пестицидов

 

Так же как металлы и лекарственные средства, третья функциональная группа веществ – пестициды – занимает в жизни человека историческое место. Первое известное избавление от вредителей датируется временем более 70 000 лет назад – еще до появления металлургии, одомашнивания животных и культивирования растений.

В пещере, находящейся в Южной Африке, были найдены следы человеческого жилища, в основном постели из тростника и осоки. Этот материал со временем оказывался зараженным постельными клопами и вшами. Чтобы избавиться от паразитов, древние люди выстилали свои постели листьями криптокарии. Листья этого дерева при измельчении выделяют ароматические а-пироны – вещества, отпугивающие насекомых. Состав постелей позволил предположить, что они периодически сжигались – то есть, когда насекомых становилось слишком много, слои подстилки заменялись новыми. Эта практика может показаться примитивной, однако она однозначно свидетельствует о том, что химическая борьба с насекомыми, наряду с добычей металлов и синтезом первых лекарств, имеет очень давние традиции в человеческой цивилизации.

Более поздние свидетельства использования инсектицидов принадлежат шумерской и китайской цивилизациям и датируются временем от 3200 до 4500 лет назад. Подобно листьям, которыми доисторические люди застилали свои постели, эти древние пестициды представляли собой доступные соединения животного, растительного и минерального происхождения. Широко использовались соединения ртути, мышьяка и серы. Поколения спустя, около 2000 лет назад, к списку древних пестицидов было добавлено еще одно растительное средство – высушенные цветы хризантемы.

Древнегреческие авторы V в. до н. э., а также древнеримские авторы от I в. до н. э. пишут об использовании для борьбы с вредителями экстрактов различных растений, в том числе болиголова, люпина и полыни. Другими распространенными средствами борьбы с вредителями и паразитами были амурка, о которой мы говорили в главе 9, битум (твердый или полужидкий нефтепродукт), мышьяк, вино (эффективность которого, по всей видимости, объясняется содержащимся в нем этиловым спиртом), пепел (содержащий щелочь), морская вода (и соль вообще) и даже старая моча (содержащая аммиак).

 

Пестициды первого поколения

Арсенал пестицидов сохранял свое скромное природное происхождение вплоть до ХХ в. Время от времени на сельскохозяйственной сцене появлялись новые растительные или минеральные средства, но по большей части это происходило по воле случая, а не в результате целенаправленных усилий. Так, например, в 1559 г. в Европу было завезено североамериканское растение табак, и к концу XVII в. европейцы, колонизировавшие Северную Америку, стали использовать его листья в качестве инсектицида. До наступления эры пестицидов второго поколения, которая началась примерно в 1874 г., когда был изобретен синтез ДДТ, и достигла расцвета после Второй мировой войны, в борьбе с вредителями использовались как биологические, так и химические средства – с переменным успехом. Биологическим оружием для борьбы с вредителями служили другие организмы – их естественные враги. Например, австралийская божья коровка, завезенная в Америку, оказалась просто спасением против червеца Icerya purchasi, который был бичом цитрусовых плантаций в Калифорнии. Взрослый червец прикрепляется к растению и начинает питаться его соками. Эффективность этого биологического метода контроля сохраняется по сей день. Но предпринятые примерно в то же время попытки справиться биологическими методами с непарным шелкопрядом и хлопковым долгоносиком провалились как по биологическим, так и по культурным и политическим причинам.

Не всегда успешными были и эксперименты в области химической борьбы. В конце 1870-х гг. энтомологи из Вермонта протестировали группу пестицидов, содержащих мышьяк, в том числе «Парижский зеленый», «Лондонский пурпурный» и белый мышьяк, и заключили, что «применение этих ядов не приносит никакой пользы». Однако в 1915 г. состоялось триумфальное возвращение мышьяка на сцену: распыление арсената кальция на хлопковых плантациях оказалось эффективным методом защиты от хлопкового долгоносика.

 

Пестициды второго поколения

Когда появились пестициды второго поколения, акцент сместился с биологических на химические методы контроля численности популяций насекомых-вредителей. Интересно, что первые успехи были достигнуты не в сельском хозяйстве, а на поприще общественного здоровья. Сэр Рональд Росс, британский врач, совершил революционное открытие, разглядев малярийного паразита в кишечнике комара рода Anopheles, который до этого пил кровь человека, больного малярией. Он доказал, что малярию переносят именно эти комары, и в 1902 г. получил за свою работу Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

К тому моменту, как достижения Росса получили всемирное признание, уже был синтезирован дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ) – вещество, которое впоследствии оказалось превосходным средством для борьбы с малярийными комарами и не только. Однако его ценность как пестицида была обнаружена лишь спустя 37 лет, в 1939 г. ДДТ использовался для борьбы с малярией и тифом во время Второй мировой войны, и оказался настолько эффективным, что шведский химик Пауль Германн Мюллер, открывший его неизвестные доселе свойства, также заработал Нобелевскую премию по физиологии и медицине в 1948 г.

После открытия Мюллера американская промышленность очень быстро повернулась к ДДТ лицом. Его коммерческое производство, которого в 1943 г. еще практически не существовало, через два года достигло почти 1000 т в месяц. Кроме того, пестицид стал использоваться во многих других сферах, от борьбы с комарами в сельских и городских районах до применения в сельском хозяйстве для обработки полей и садов и борьбы с непарным шелкопрядом, а также в животноводческих и других отраслях, связанных с производством пищевых продуктов. Одним словом, ДДТ стал сенсацией.

Развитие ДДТ и многих других пестицидов второго поколения принесло огромную пользу по целому ряду причин. Во-первых, от применения некоторых из пестицидов первого поколения, в том числе ртути, мышьяка и свинца, пришлось отказаться из-за их высокой токсичности. А вещества вроде ДДТ сначала считались совершенно безвредными. Можно увидеть старые фотографии, где ДДТ распыляют прямо над пляжами, где играют дети. Во-вторых, некоторые из растительных средств первого поколения – например, сушеные цветы хризантемы – трудно было достать в больших количествах. Другие либо были малоэффективны, либо слишком быстро распадались и не могли дать долговременной защиты. Многие же из веществ второго поколения маслянисты и способны надолго задерживаться на растениях, их семенах или стенах домов (как ДДТ при его использовании против комаров и москитов), на которые их наносят. Более того, поскольку многие из этих веществ также содержат галогены (фтор, хлор и бром), они не так быстро разрушаются и долго остаются в активной форме. Наконец, их не нужно добывать или выращивать (как, например, те же хризантемы), пестициды второго поколения синтезируются в лабораториях из недорогих материалов. Синтез оказался настолько простым, что технология производства пестицидов больше не представляла проблемы, и эти вещества могли быть получены в больших количествах.

К несчастью, те же самые свойства, которые обеспечили популярность пестицидов второго поколения, оказались и их уязвимым местом, а также причиной разнообразных экологических проблем. Маслянистая (иными словами, липофильная) природа этих веществ позволяет им хорошо сохраняться не только на листьях или стенах, но и на коже, откуда с помощью белков-переносчиков они могут попадать в кровь. Липофильная природа ДДТ увеличила его эффективность как пестицида, облегчая проникновение в организм насекомых, где это вещество наносило свой токсический удар. Но при этом также хорошо он способен всасываться и в организм других видов, в том числе и человека.

Помимо липофильности, ДДТ обладает характеристиками, общими с другими галогенпроизводными, – то есть долго сохраняется в окружающей среде. Галогенпроизводные органические соединения содержат один или более атомов элементов из группы галогенов, в которую входят фтор, хлор, бром, йод и астат. В ДДТ содержится целых пять атомов хлора. Атомы галогенов обеспечивают ему долгую жизнь в природе, предотвращая разрушение не только при применении, но и при проникновении в организм. Поэтому свойства, гарантирующие его эффективность, в то же самое время делают его особенно опасным при попадании в окружающую среду.

Инсектициды типа ДДТ оказывают на насекомых летальное воздействие в целом так же, как природные нейротоксины: его молекулы атакуют нервную систему. Как уже обсуждалось выше, для функционирования нейрона необходимы мембранные белки, переносящие натрий, калий и кальций. Инсектициды, так же как змеиный яд и другие яды животного происхождения, могут либо стимулировать, либо блокировать активность этих белков, нарушая связи между клетками, что в конечном итоге ведет к смерти.

 

Пестициды, Рэйчел Карсон и «Безмолвная весна»

Учитывая сходство нервной системы насекомых и позвоночных животных, в частности птиц и млекопитающих, нет ничего удивительного в том, что повсеместное применение ДДТ начало приводить к гибели животных самых разнообразных видов. Для борьбы с непарным шелкопрядом на северо-востоке США ДДТ, иногда в смеси с машинным маслом, распылялся в огромных количествах в воздухе над сельскими, пригородными и городскими районами. Аналогичным образом его применяли для борьбы с так называемой голландской болезнью вязов, грибком, который переносится от дерева к дереву жуком – ильмовым заболонником. В XIX в. и начале XX в. вязы широко использовались для украшения городских улиц. Тесные посадки сделали их особенно подверженными заболеванию, которое было занесено в Северную Америку из Европы. Вязы начали гибнуть по всему северо-востоку США, и для их спасения начали применяться крайние меры, в том числе обработка большими количествами ДДТ, что привело к гибели огромного количества певчих птиц. Судьба несчастных птичек и стала для Рэйчел Карсон толчком к созданию ее знаменитой книги «Безмолвная весна», вышедшей в 1962 г.

Неудивительно, что главной темой книги стало кратковременное воздействие на дикую природу высоких концентраций пестицидов. Во-первых, гибель птиц, как уже говорилось, была масштабной и очевидной. В 1962 г. еще не существовало убедительных доказательств того, что ДДТ (и другие недавно появившиеся хлорорганические пестициды) оказывают косвенное воздействие на различные виды животных благодаря легкому переносу в окружающей среде и способности к биоаккумуляции по пищевым цепям. Единственным существенным исключением было исследование гнуса Чистого озера, описанное в главе 6, которое доказало, что биоаккумуляция ДДТ вызвала массовую гибель западноамериканских поганок. Надо сказать, что Карсон в «Безмолвной весне» не только осветила результаты этого исследования, но и отметила, что именно биоаккумуляция стала механизмом, приведшим к снижению численности крупных хищных птиц, в частности белоголового орлана, по всей стране.

Вскоре после публикации «Безмолвной весны» токсический эффект хлорорганических пестицидов, усиленный биоаккумуляцией, стал более очевидным. В США вымирали белоголовые орланы, а в британском отчете, выпущенном в 1963 г., сообщалось о сокращении популяции сапсанов, причем в южной Англии эти птицы вообще перестали размножаться. Была отмечена корреляция между использованием ДДТ и репродуктивными нарушениями, и британский натуралист Дерек Рэдклифф предположил наличие причинно-следственной связи. Была организована международная конференция по теме популяционной биологии сапсанов, на которой было показано падение численности сапсанов во всем мире. Хотя участники конференции не пришли к единому мнению о причинах этого явления, не было сомнений в том, что пестициды, в том числе ДДТ, сыграли свою роль.

Недостающее звено, связывающее ДДТ, биоаккумуляцию и снижение численности рыбоядных птиц и других хищников, было найдено в конце 1960-х гг. В США и Великобритании были проведены исследования толщины яичной скорлупы, которые дали одинаковые результаты. На обоих континентах обнаружилось значительное снижение веса скорлупы яиц, собранных после начала повсеместного применения ДДТ, по сравнению с яйцами, собранными до этого. Одна и та же тенденция была выявлена как у скоп с Лонг-Айленда, так и у белоголовых орланов из Флориды. В последующих механистических исследованиях было установлено, что истончение скорлупы происходит под воздействием ДДЭ, метаболита ДДТ, который нарушает транспорт кальция в железах, вырабатывающих скорлупу.

Итак, ученые доказали, что биоаккумуляция галогенорганических пестицидов наносит серьезный удар по птицам, занимающим верхнее положение в пищевых цепях водных экосистем. Но оказывают ли они такой же негативный эффект на хищных млекопитающих? В отличие от легко наблюдаемых и широко распространенных певчих и хищных птиц, хищные млекопитающие редко встречаются в городских и пригородных районах, и, если и обитают там, ведут скрытный образ жизни. Кроме того, в отличие от рыбоядных птиц, являющихся высшим звеном пищевых цепей, койоты, еноты, лисицы и скунсы всеядны и могут выживать неподалеку от человеческого жилья и связанных с ним пестицидов, не подвергаясь их воздействию через биоаккумуляцию.

Исключением оказались домашние кошки, особенно живущие на фермах и поедающие крыс, мышей и других полевых и домашних грызунов-вредителей. Домашние кошки умываются языком, и ДДТ, скапливающийся на их шерсти, может таким образом попадать в пищеварительную систему и далее в кровь. Так, например, в одной из боливийских общин в 1965 г. была отмечена вспышка геморрагической лихорадки, вызванная значительным ростом популяции крыс после того, как там умерли все местные домашние кошки. Как раз перед массовой гибелью кошек все дома в общине были обработаны ДДТ, и, скорее всего, причиной смертности стал именно этот пестицид, попадавший в организм хищников при вылизывании. Ткани одной из погибших кошек были исследованы на содержание ДДТ, и выявленная концентрация действительно оказалась достаточной для летального исхода.

Другой случай произошел на Борнео, где связь между кошками и применением ДДТ приняла неожиданный оборот. ДДТ распыляли на жилища туземцев для борьбы с комарами. Домашние кошки, занимавшие там место на вершине короткой наземной пищевой пирамиды, по всей видимости, начали умирать из-за ДДТ, так как поедали гекконов и тараканов, живущих в тростниковых крышах обработанных домов. Гибель кошек вызвала популяционный взрыв грызунов, которые уничтожили большое количество пищевых запасов. Из-за нехватки кошек в деревнях было принято решение о «кошачьем десанте»: их сбрасывали в пострадавшие районы на парашютах с грузовых самолетов. Это реальная история, подтвержденная документами. Однако биоаккумуляция ДДТ в короткой пищевой цепочке, приведшая к высокой смертности высшего хищника, подтверждается только личными рассказами и слухами, так как никакой систематической научной оценки проведено не было. Так что в данном случае биоаккумуляция ДДТ в наземных пищевых цепях является скорее легендой, чем историческим фактом.

На протяжении всей своей истории человек ведет борьбу с вредителями и паразитами. По крайней мере дважды ему удавалось серьезно осложнить им жизнь. Первый был связан с появлением минеральных и растительных пестицидов первого поколения, а второй, произошедший совсем недавно по историческим меркам, – с изобретением синтеза органических пестицидов. Производство этих средств борьбы развивалось вместе с другими технологическими достижениями. Органический синтез создал чудесную страну новых веществ, которые продолжают и продолжают появляться. Многие из оставшихся глав этой книги посвящены этим новым веществам и их влиянию на наше будущее.

 

Глава 13

История регуляторных мер

 

При изложении материала в учебниках по токсикологии часто используется систематический подход – материал сгруппирован по классам веществ или по типу тканей-мишеней, – который никак не отражает социальных и политических аспектов этой сферы. Однако история современной токсикологии, которая началась сразу же по окончании Второй мировой войны и продолжается по сей день, имеет не меньше отношения к правам человека, чем к полициклическим ароматическим углеводородам и раку или психоактивным веществам и зависимости. Следующие три главы посвящены общественному пониманию потенциальной угрозы, которую несут в себе антропогенные химические вещества, и попыткам относительно небольшого числа людей защитить здоровье человека и окружающей среды от этой угрозы. Эти ключевые фигуры сформировали современные взгляды на законодательство в области производства и применения различных химических веществ, оставив сегодняшним токсикологам богатое наследие.

История законодательного регулирования безопасности пищевых и лекарственных продуктов в США – это история одной из самых тяжелых политических войн, которая длилась долгие годы и десятилетия. Часто положительный исход битв определялся отдельными событиями и выдающимися личностями, которым удавалось воздействовать на общественное мнение и действия правительства. Но прежде чем погрузиться в бурю событий, развернувшихся после Второй мировой войны, имеет смысл рассмотреть состояние безопасности пищи и лекарств в США в XIX в.

В 1900 г. население США составляло 76 млн человек, 60 % из них проживало в сельской местности, одна пятая из которых – непосредственно на фермах. Рацион многих людей состоял из того, что выращивали они сами или их соседи-фермеры. Мясо поступало на стол с местных пастбищ или было продуктом местной охоты и рыбалки. Для хранения продуктов в основном использовался лед, а молоко употреблялось без пастеризации. Микробиологические методы диагностики болезней только начинали развиваться, и их профилактика путем санитарной обработки пищи также делала лишь первые шаги. В качестве консервантов для выпускаемых пищевой промышленностью продовольственных товаров использовались различные безвредные и не слишком химические препараты, но размещение на этикетках информации о составе продукта еще не стало общей практикой.

В области фармацевтики дела с безопасностью обстояли не лучше, чем в области продовольствия. Наиболее безвредные из «патентованных» средств для лечения распространенных заболеваний часто состояли преимущественно из красителей и сахара, в то время как другие содержали сильнодействующие наркотики – опиум, морфин, героин и кокаин. Реклама целебных свойств этих препаратов была лживой, и люди часто принимали психоактивный эффект наркотика за терапию. Продавцы лекарств конкурировали с ковбойскими шоу и цирковыми представлениями в сфере развлечений, предлагая публике на улицах и ярмарках сомнительные средства в качестве панацеи от всех болезней. «Качество не гарантируется» было лозунгом эпохи, и потребителю приходилось полагаться исключительно на себя в области безопасности приобретаемых и употребляемых продуктов и лекарственных средств.

Путь Соединенных Штатов от плохо регулируемого общества 1900 г. к сегодняшнему положению дел был отмечен рядом основных законов, ужесточивших меры контроля безопасности продовольствия и лекарств. Меры регуляции, существовавшие до окончания Гражданской войны в 1865 г., принимались в рамках штатов и могли очень сильно различаться между собой. В послевоенный период расцвет торговли между штатами породил необходимость в государственном органе контроля безопасности пищевых и лекарственных продуктов. Кроме того, на рубеже ХХ в. в Америке ускорился переход от аграрного к урбанистическому обществу, что еще больше подчеркнуло потребность в централизованных регуляторных мерах.

Прародителем Управления по надзору за продуктами и лекарственными средствами стало «движение за чистую пищу», которое берет начало в 1870-х гг. Движение изначально поддерживалось самой пищевой промышленностью, представители которой бунтовали против появления новых продуктов, конкурировавших с традиционным ассортиментом (маргарин против масла, хлопковое масло против свиного жира), и выступали за унификацию регуляторных мер во всех штатах. Как сказал один производитель упаковки для продуктов: «Сейчас нам приходится работать по-разному в каждом штате». Несмотря на поддержку промышленников, движение было не столько официальной коалицией, сколько неформальным объединением различных заинтересованных групп.

Предшественником Управления на государственном уровне был отдел химии в Министерстве сельского хозяйства. В 1883 г. – в тот самый год, когда Роберт Кох открыл холерный вибрион, – главным химиком отдела стал Харви Уайли. Этот незаурядный человек привнес в работу организации ряд рекламных техник, диапазон которых колебался от просто неортодоксальных до совершенно экстравагантных. Он старался донести результаты своих исследований до всех: начиная от женских клубов и заканчивая гражданскими и деловыми организациями, и преуспел в этом настолько, что статьи о его работе появились в таких журналах, как Collier's Weekly, Ladies Home Journal и Good Housekeeping. Кроме того, Уайли собрал команду из 12 молодых добровольцев, которые стали «отрядом по ядам». Члены отряда испытывали на себе различные виды продуктов, в составе которых содержались определенные количества консервантов: бура, салициловая, сернистая и бензойная кислоты, а также формальдегид – известный канцероген. «Отряд по ядам» мгновенно стал медиасенсацией, обеспечив Уайли и его деятельности еще больше внимания со стороны СМИ.

Уайли, работавший в администрации президента Теодора Рузвельта, выступал за расширение роли государства в контроле качества продуктов, но политическое сопротивление в этой области было довольно сильным. Не исключено, что предложенный Уайли законопроект так и не был бы одобрен Палатой представителей, если бы не своевременный выход книги Аптона Синклера «Джунгли» в 1906 г. Роман задумывался автором как обвинение капитализму и пропагандировал более близкую к социализму политическую систему. Однако общественное внимание больше всего привлекли те его главы, где говорилось о повсеместном добавлении в пищевые продукты таких вредных веществ, как формальдегид, соли металлов, красители, бура и глицерин. На волне, поднятой книгой Синклера, Конгресс принял два важных федеральных закона: «Закон о продуктах и лекарственных средствах», который получил неофициальное название «Закона Уайли», и «Закон о проверке качества мяса». Этими законами регулировалась деятельность вновь созданного Управления по контролю за продуктами и лекарственными средствами, миссией которого стало «предотвращение производства, продажи и перевозки испорченных, поддельных, ядовитых и вредных для здоровья продуктов, лекарств и напитков, а также регуляция торговли и транспорта и прочие связанные с этим вопросы».

С 1906 по 1930-е гг. Управление занималось в основном конфискацией испорченных продуктов и лекарств и недопущением их на потребительский рынок. Проблемами фармацевтической промышленности оно занялось лишь в конце 1930-х гг., после трагедии с сульфаниламидным эликсиром. История сульфаниламидных препаратов началась в 1932 г., когда Герхард Домагк открыл сульфамидохризоидин, который стал первым коммерческим антибиотиком, продававшимся под маркой «Пронтозил». Позже было установлено, что в организме пронтозил превращается в активный метаболит 4-аминобензолсульфонамид, или, в сокращенном виде, сульфаниламид. Компания S. E. Massengil в Бристоле, штат Теннесси, начала продажу препарата сначала в форме таблеток. Чтобы удовлетворить запросы потребителей в жидкой форме, главный химик предприятия стал искать подходящий растворитель. Он остановился на диэтиленгликоле, который придавал лекарству сладковатый вкус. Раствор начал продаваться как «сульфаниламидный эликсир», несмотря на то что алкоголя в нем не содержалось и на этикетке не было упомянуто о том, что в его состав входит диэтиленгликоль.

В течение осени 1937 г. препарат был назначен 353 пациентам, из которых 105 – более 30 % – в результате его приема скончались. Трагедия имела огромный общественный резонанс, и Конгресс принял резолюцию о необходимости тщательного разбирательства и полной оценки произошедшего. Итогом расследования стало принятие в 1938 г. «Закона о продовольственных, лекарственных и косметических товарах», который «законодательно устанавливал стандарты качества и подлинности пищевых продуктов, запрещал недостоверную рекламу лекарственных средств, а также прочих медицинских и косметических товаров, давал право Управлению по контролю за продуктами и лекарственными средствами на проведение инспекций на производствах и контроль за рекламой». Фактически этим законом на Управление налагались функции надзора за оценкой новых лекарств, наложения запретов на ложную и недостоверную информацию на этикетках и контроля за точным указанием на них состава, инструкции по применению и предупреждений о неправильном применении препарата.

 

Вторая мировая война: смена парадигмы

В начале ХХ в. природоохранное законодательство развивалось медленно, в основном под влиянием каких-либо природных катастроф. Все изменилось после Второй мировой войны, которая принесла с собой ряд значительных технологических достижений, повлиявших, в свою очередь, на законодательную деятельность в области экологии и здоровья человека. После войны значительно продвинулась вперед медицинская и ветеринарная фармацевтика, начался массовый выпуск пенициллина и хлорорганических пестицидов. И, конечно же, Вторая мировая война, завершившись первым испытанием ядерного оружия, стала началом атомной эпохи.

Исследования, приведшие к изобретению и изготовлению атомной бомбы, проект «Манхэттен», показали возможности правительства в сфере высоких технологий. Его способность мобилизовать все силы и лучшие умы для достижения масштабных целей была продемонстрирована и в других областях. Один из примеров – бум производства нового антибиотика, пенициллина. До 1945 г. процесс его производства был очень трудоемким и неэффективным. Так, всего произведенного в 1942 г. пенициллина хватило бы лишь на 12 пациентов. В 1945 г. процесс стал промышленным, и производство взлетело до 4 млн стерильных упаковок препарата в месяц.

В разгар войны с обеих сторон в ней участвовало более 1,9 млрд человек – на фронте и в тылу. В Соединенных Штатах насущные военные потребности обусловили одновременный всплеск новых технологий в ряде сфер: решения операционных задач, электронных вычислений, радаров, сонаров, механизации сельского хозяйства, систем связи, реактивного самолетостроения, ракетных технологий и, конечно, медицины. Применение антибиотиков на полях сражений произвело революцию в медицине, а пестицидов – в контроле инфекционных заболеваний. После войны многие из перемен в сельскохозяйственном и промышленном производстве, а также в социальной сфере, получили новое направление в строительстве послевоенного общества. Среди них было, к примеру, развитие новой модели научных исследований, в том числе основание в 1950 г. Национального научного фонда.

 

Послевоенный токсикологический мир

Вторая мировая война значительно повлияла на медицинскую токсикологию в двух очень важных аспектах: первым стало повышение научного интереса к возникновению и развитию онкозаболеваний, а вторым – выброс на фармацевтический рынок огромного количества синтетических органических веществ. После того как в 1945 г. США взорвали две атомные бомбы и уничтожили два японских города, Хиросиму и Нагасаки, в обществе возник ужас перед радиационным заражением. После Второй мировой войны угроза ядерной катастрофы не снизилась, а наоборот, стала расти: «холодная война», атмосферные испытания ядерного оружия с 1946 по 1963 г. и случавшиеся время от времени аварии на атомных реакторах (начиная с частичного расплавления активной зоны реактора в Чок-Ривер, в Канаде, в 1952 г.) лишь усиливали градус общественного страха. Но беспокойство о последствиях радиационного заражения заставило уделить более пристальное внимание проблеме рака. Кроме того, общенациональные усилия, которые ранее привели к массовому производству антибиотиков, теперь были направлены на изучение и профилактику раковых заболеваний. Однако, несмотря на прекрасное финансирование этих исследований, проблему рака оказалось решить не так-то просто, о чем мы еще поговорим в следующих главах.

Вторым важным последствием Второй мировой войны для токсикологии стал расцвет синтеза новых веществ. Появление на рынке новых лекарств, пестицидов и пищевых добавок очень сильно, и по большей части положительно, повлияло на фармацевтическую промышленность и медицину. Тем не менее были и весьма печальные и неожиданные побочные эффекты. В 1957 г. в Германии было синтезировано и зарегистрировано новое вещество, талидомид, обладавшее успокоительным действием. Препарат, поступивший на рынок под названием «Контреган», считался практически нетоксичным, так как даже дозировка выше 5 г на кг веса при оральном приеме не была летальной для лабораторных мышей. Но всего через два года европейские невропатологи стали диагностировать у пациентов, принимавших талидомид, воспаление периферических нервных окончаний, и это оказалось лишь верхушкой айсберга. Еще через два года, в 1961 г., обнаружилось резкое повышение частоты случаев фокомелии, врожденного дефекта, при котором у плода нарушается развитие конечностей, так что ладони и стопы крепятся к телу лишь короткими косточками неправильной формы. Выяснилось, что им страдают дети только тех матерей, кто на определенной стадии беременности принимал талидомид.

Связь между талидомидом и фокомелией обеспокоила производителя, и в 1961 г. препарат перестал продаваться в Европе. В результате и было получено основное доказательство наличия этой связи, так как после удаления препарата с рынка случаи фокомелии практически прекратились. А за четыре года широкой продажи родилось более 10 000 детей с этим заболеванием. К апрелю 1962 г. были опубликованы результаты первого исследования на животных, где было показано, что талидомид оказывает сходный эффект на плод у кроликов. За ним последовали другие работы, подтвердившие этот факт, и судьба приема талидомида во время беременности была окончательно решена.

Эта история оказалась достаточно жуткой, чтобы вызвать политические перемены. В 1962 г. в США была принята поправка Кефовера – Харриса (получившая название «Поправки об эффективности лекарств») к «Закону о продовольственных, лекарственных и косметических товарах», которая в числе прочего обязывала производителей лекарственных средств предоставлять доказательства эффективности и безопасности выпускаемых ими препаратов до их одобрения и поступления в продажу.

Аномалии развития, связанные с талидомидом, выявлялись быстро и были очевидными, но появились свидетельства того, что некоторые препараты могут наносить на первый взгляд не столь явный, но тем не менее серьезный вред. Классическим примером может служить синтетический нестероидный эстроген диэтилстильбэстрол (ДЭС). Он был синтезирован в 1938 г. и в 1940–1950-х гг. врачи стали назначать его беременным женщинам для предотвращения выкидышей. В отличие от талидомида, жизнь которого на полках аптек оказалась очень недолгой, ДЭС оставался на рынке 24 года, с 1947 по 1971 г. По оценкам, за это время его принимали от 5 до 10 млн женщин в США и Европе.

В 1966–1969 гг., через 20 лет после того, как врачи начали назначать женщинам ДЭС, гинеколог из Многопрофильной больницы Массачусетса Артур Хербст начал отмечать у молодых женщин очень редкий тип рака. Он наблюдал за восемью женщинами в возрасте около 20 лет, которым был поставлен диагноз аденокарциномы влагалища. Опрос их матерей показал, что все они принимали во время беременности диэтилстильбэстрол. В 1971 г. доктор Хербст с коллегами опубликовали в New England Journal of Medicine судьбоносную статью, в которой описали взаимосвязь между ДЭС и этим редким типом рака, предположив, что воздействие ДЭС на плод на ранних стадиях беременности является одним из факторов риска для развития этого заболевания.

Через четыре года Хербст с коллегами опубликовали более развернутое исследование, в котором они сравнили 110 женщин, чьи матери принимали ДЭС, с 82 женщинами, которые не испытывали воздействия данного препарата. У них был изучен ряд доброкачественных изменений гениталий, в том числе аденоз, или присутствие железистой ткани на стенке влагалища. Исследование показало, что важнейшую роль играют сроки воздействия ДЭС. Среди женщин, подвергавшихся этому воздействию, доброкачественные аномалии были выявлены почти у трех четвертей тех, чьи матери принимали ДЭС в первые два месяца беременности. При приеме на третьем месяце таких была половина, а на четвертом – менее одной десятой.

Благодаря работе доктора Хербста произошла смена парадигмы: женщины и врачи начали совершенно иначе смотреть на проблему воздействия на плод лекарств, принимаемых матерью. Выяснилось, что ДЭС способен влиять на структурное развитие тканей и органов плода совершенно неожиданным образом, вызывая целый ряд морфологических аномалий. Первые исследования были посвящены риску развития рака, но затем ученые обратили внимание и на другие нарушения, несвязанные с онкологией, что также имело очень большое значение.

Мы рассказали здесь лишь о некоторых вехах на долгом и сложном историческом пути оценки риска и законодательных мер в области общественного здоровья. Часто предохранительные меры вводились благодаря действиям множества профессионалов, большинство которых осталось в тени истории. Тем не менее отдельные события, в корне менявшие общественно-политическое отношение к тем или иным проблемам, и те люди, которые персонифицировали эти перемены, также оставили свой след в развитии законодательных мер за прошедший век.

 

Глава 14

Низкодозированные химические канцерогены

 

В то же самое время, когда Фрэнсис Келси защищала США от повторения европейской талидомидовой трагедии, в стране остро стояла еще одна проблема: как регулировать использование химических пищевых добавок? В первой половине ХХ в. к пище добавлялось совсем немного функциональных ингредиентов. Однако после Второй мировой войны в области переработки пищи произошла революция, сравнимая с революцией в производстве лекарств и пестицидов. Американский образ жизни становился все более урбанизированным, и общество требовало продовольственных товаров унифицированного качества, безопасности и удобства. Эта потребность вкупе с новыми научными достижениями привела к появлению большого разнообразия переработанных пищевых продуктов, а также к использованию достаточно внушительного числа пищевых добавок.

В середине 1950-х гг., с началом расцвета рынка пищевых добавок и возникновением в связи с этим вполне оправданного беспокойства, нью-йоркский конгрессмен Джим Делэйни инициировал двухлетнюю исследовательскую программу по использованию химических веществ в пищевой промышленности. Результатом исследования стал «Отчет Комитета Делэйни». В отчете было отражено резкое увеличение как количества используемых добавок, так и их объема. Далее в отчете отмечалось, что из 704 веществ, используемых в то время в качестве пищевых добавок, лишь немногим более чем для половины (428) была должным образом установлена безопасность употребления, и таким образом для остальных, опасность, которую они представляют для общественного здоровья, не оценена и неизвестна. Все это никак не могло успокоить обычного человека, который прочел бы данный отчет.

Отчет Комитета получил достаточную политическую поддержку, чтобы стать основой для разработки законодательных мер. В результате в 1958 г. была принята «Поправка о пищевых добавках» к «Закону о продовольственных, лекарственных и косметических товарах» 1938 г. Поправка требовала проверки химических пищевых добавок на безопасность перед использованием и представления производителем доказательств такой безопасности. Поправка была полезна как инструмент контроля безопасности пищевых продуктов и приобрела особую славу благодаря одному конкретному абзацу, получившему название «принципа Делэйни»: «Ни одна добавка не может считаться безопасной, если было установлено, что она может вызывать рак при употреблении в пищу человеком или лабораторными животными, или если в результате надлежащих тестов на безопасность было установлено, что она может вызывать рак у человека или животных». Принцип Делэйни появляется в трех разных частях поправки: в разделе о пищевых добавках, в разделе о ветеринарных препаратах, обнаруживаемых в мясе, и в разделе о пищевых красителях. Четвертый раздел, посвященный устранению сохраняющихся в пищевых продуктах остатков пестицидов, был исключен из поправки в 1996 г.

Принцип Делэйни практически незамедлительно стал объектом критики, так как применял неколичественные стандарты к количественной задаче. К моменту принятия поправки канцерогенность была точно доказана лишь для четырех факторов: угольной пыли, радиации, табачного дыма и бета-нафтиламина. В последующие 20 лет проблема с принципом Делэйни становилась все острее благодаря двум достижениям. Первым было значительное расширение масштабов тестирования безопасности продуктов. Чтобы сделать количественный вывод о потенциальной канцерогенности вещества, его нужно было скармливать в больших дозах лабораторным животным (крысам или мышам), а затем экстраполировать результаты на низкие дозы, которые мог получить человек при употреблении переработанных пищевых продуктов. По мере того как все больше пищевых добавок поступало на рынок, проводилось все больше тестов. Вторым достижением стало совершенствование аналитических методов, позволяющих обнаруживать определенные вещества в пищевых продуктах. С 1958 по 1980 г. точность обнаружения различных веществ повысилась в 100–10 000 раз в зависимости от особенностей конкретного вещества.

В результате этого стал очевиден целый ряд сложностей. В продуктах, которые десятилетиями считались безопасными, были обнаружены малые количества канцерогенных веществ. Многие из них ранее уже тестировались и были признаны безопасными, но теперь оказалось, что они нарушают принцип Делэйни. Чтобы избежать хаоса, в поправку о пищевых добавках было включено такое определение, как «в целом признано безопасным». Если вещество ранее уже тестировалось и было признано безопасным, то оно не подлежало запрету – даже если содержало следы канцерогенов.

Термин «в целом признано безопасным» может казаться произвольным, однако на самом деле это не так. Прелесть тестирования веществ на грызунах состоит в том, что в результате можно получить очень точное определение зависимости реакции от дозы, которое позволяет установить возможность развития рака. Путем математической экстраполяции на основании опухолей, развивающихся у крыс, которых кормили большими дозами пищевых добавок, можно сделать выводы о возможности развития рака при воздействии низких доз у человека. В принцип Делэйни была включена оговорка, так называемый de minimus. Чтобы вещество было признано «в целом безопасным», у него не обязательно должны полностью отсутствовать канцерогенные свойства; по определению вероятность заболеть раком при употреблении данного вещества в пищу на протяжении человеческой жизни должна составлять менее одной миллионной. Таким образом, de minimus и концепция «признанной безопасности» дали возможность обходить принцип Делэйни, количественно ограничивая понятие канцерогенности, несмотря на то что формально буква закона при этом нарушалась. Закон был серьезной попыткой установить заслон на пути попадания канцерогенных веществ в пищу, однако в конечном итоге законодатели вернулись к старой доброй кривой зависимости реакции от дозы. Однако и с ней не все было гладко.

Классический пример затруднительного положения в этой области – случай с искусственными подсластителями цикламатом и сахарином. Сахарин попал под законодательный микроскоп вскоре после своего первого синтеза в 1878 г. Харви Вашингтон Уайли, тот самый, что стал автором закона 1906 г., получившего его имя, хотел запретить сахарин, однако склонный к полноте президент Теодор Рузвельт употреблял сахарин долгие годы, борясь с лишним весом. Эти двое схлестнулись не на шутку. Уайли заявил президенту, что сахарин – это «продукт сжигания угля, который совершенно лишен питательной ценности и крайне вреден для здоровья». На это Рузвельт резко ответил, что «любой, кто скажет, что сахарин вреден для здоровья, – просто идиот». Вскоре после этого политическая карьера Уайли завершилась, а сахарин остался на рынке. В 1958 г. он был признан «безусловно безопасным».

В 1937 г., спустя 59 лет после первого синтеза сахарина, был синтезирован цикламат, который в 1950 г. поступил в массовое производство. Несмотря на то что вещество присутствовало на рынке всего восемь лет, после принятия поправки Делэйни оно получило статус «безопасного». Сахарин и цикламат часто использовались вместе в смеси 1 часть сахарина на 10 частей цикламата, который нейтрализовал горьковатый привкус сахарина. В конце 1960-х гг. цикламат стал объектом ряда исследований, поставивших под сомнение его безопасность. Последним ударом стали результаты эксперимента, который выявил наличие взаимосвязи употребления сахарин-цикламатной смеси и рака мочевого пузыря у крыс. В 1970 г. цикламат был запрещен к употреблению на основании принципа Делэйни. Однако дальнейшие исследования не подтвердили влияния цикламата на развитие рака мочевого пузыря, и в 1984 г. Управление по контролю за пищевыми продуктами и лекарствами попросило Академию наук заново рассмотреть данный вопрос. По результатам тщательного анализа имеющихся данных с цикламата было снято обвинение в канцерогенности, но он сохранил статус «ко-канцерогена», то есть вещества, стимулирующего действие других канцерогенов. Несмотря на рекомендацию Академии наук, Управление отказалось снять запрет, и цикламат запрещен к продаже по сей день.

Судьба сахарина была совершенно иной. После запрета цикламата в 1970 г. сахарин остался единственным доступным на рынке искусственным подсластителем. Управление попросило Академию наук провести повторное исследование безопасности сахарина, и хотя Академия вновь подтвердила его безопасность, ей было рекомендовано продолжить изучение данного вопроса. Дополнительные исследования показали связь сахарина с развитием рака мочевого пузыря. Тем не менее доказательства были не вполне однозначны. Эксперименты проводились семью различными лабораторными группами, и только две из них обнаружили опухоли у крыс. Более того, дозировка, при которой у животных мог возникнуть рак, была очень высокой, для человека сопоставимой с 870 банками газированной воды в день. Разумеется, это немыслимо большие количества, однако на данном примере можно увидеть, как законодательные органы интерпретируют кривую зависимости реакции от дозы. В экспериментах были использованы очень большие действующие дозы вещества, проведена статистическая экстраполяция для «нормального» уровня и вычислена количественная вероятность того, что потребление в разумных пределах может вести к развитию рака. В контексте ежедневного потребления такие дозы, конечно же, выглядят нелепыми, однако именно так кривая зависимости используется в законодательных актах.

Сахарин можно было бы запретить на основании поправки Делэйни точно так же, как был запрещен цикламат, за запрет выступал и тогдашний глава Управления Чарльз Эдвард. Однако после удаления с рынка цикламата сахарин остался единственным доступным искусственным подсластителем. В американском обществе развилась любовь к искусственным подсластителям, и политики поняли, что полный запрет вызовет слишком сильный резонанс. На время был выработан компромисс: на продуктах, содержащих сахарин, появились этикетки с предупреждением: «Вызывает рак у лабораторных животных». Однако дальнейшие исследования показали, что рак мочевого пузыря у грызунов имеет иную этиологию, чем у человека, и в 2000 г. предупредительные надписи исчезли.

 

Возникновение и развитие рака и эффект низких доз

Как уже говорилось в главе 10, один из путей химического канцерогенеза – это формирование и неправильная репарация ДНК-аддуктов, ведущие к генетическим мутациям и в конечном итоге к образованию опухолей. Мутировавшая клетка становится доступной действию химических веществ, стимулирующих развитие опухолей. В некоторых случаях инициация и дальнейшее развитие опухолевого роста вызываются одним и тем же веществом, но зачастую это бывают два разных вещества.

Для понимания активности химических канцерогенов необходимо изучение живых клеток, взятых у раковых пациентов. На раннем этапе такие исследования были затруднены, поскольку культуру клеток удавалось поддерживать не более нескольких месяцев. Клетки какое-то время процветали и размножались, но затем старели и погибали. Не имея бессмертной клеточной модели, ученые направили свои усилия на выращивание новых клеток, взятых от разных пациентов, но эти культуры были настолько генетически разнообразны, что было очень сложно получить обобщенные данные по какому-либо из типов рака.

Эти трудности ограничивали исследования химических канцерогенов до тех пор, пока не были получены бессмертные культуры клеток. Бессмертная культура клеток – это культура, клетки которой подверглись такой мутации, что гены, ответственные за биологический процесс старения, были «отключены». Поэтому такие клеточные линии при должном уходе не погибают. Технологии, позволившие получать и поддерживать такие культуры, были отработаны в начале 1970-х гг. Одна из известных бессмертных культур была получена в Мичиганском раковом фонде от женщины с раком груди – сестры Кэтрин Фрэнсис Мэллон, монахини из Детройтского района. Эта линия получила название MCF-7 и отличается высокой рецепторной чувствительностью к эстрогену, то есть обычный эстроген – 17-бета-эстрадиол – вызывает в ней клеточную пролиферацию.

Развитие этой и других клеточных культур дало возможность для проведения разнообразных исследований, направленных на выяснение механизмов опухолевого роста, управляемого эстрогенами. В 1975 г. ученые продемонстрировали, что антиэстроген тамоксифен подавляет рост клеток MCF-7. Это открытие было очень важным: тамоксифен, конкурирующий с эстрадиолом за присоединение к эстрогеновым рецепторам, впоследствии стал стандартным компонентом терапии практически для всех случаев рецептороположительного к эстрогену рака. Однако не было понятно, как именно эстрогены вызывают рост опухолей и является ли сам стероид канцерогенным.

С середины 1970-х гг. и в 1980-е гг. главным вопросом, который пытались разрешить ученые, был механизм развития опухолей под влиянием эстрогена. Результаты проводимых исследований были зачастую противоречивыми. В некоторых лабораториях эстроген вызывал пролиферацию клеток MCF-7, в то время как в других этого не наблюдалось. Этим противоречиям нашлось поразительное объяснение: выяснилось, что в тех лабораториях, где эстроген не вел к клеточному росту, культура клеток еще до экспериментального воздействия подвергалась стимуляции эстрогеноподобным веществом. Некоторые используемые в лабораториях среды для выращивания культур клеток содержат феноловый красный, вещество, способное присоединяться к эстрогеновым рецепторам и стимулировать клеточную пролиферацию. Если в среде не было фенолового красного, роль эстрогена в пролиферации была очевидна. Но если он был там, даже в малых концентрациях, эстроген не мог стимулировать клеточный рост, так как эта миссия уже была выполнена вмешавшимся не в свое дело феноловым красным.

Токсичность фенолового красного не описывается стандартной кривой зависимости реакции от дозы. В больших дозах он токсичен и убивает как клетки, реагирующие на эстроген, так и все остальные. В более низкой концентрации феноловый красный не убивает клетки, а наоборот, работает как стимулятор роста, заставляя клетки, реагирующие на эстроген, делиться. Это действие может казаться безобидным, однако в случае клеток MCF-7 это вовсе не так, потому что эти клетки являются канцерогенными, то есть могут производить опухоли, и, следовательно, феноловый красный действует как инициатор рака. Реакция все равно может быть токсичной (если не для самих клеток, то для пациента в целом), однако воздействие на клетки меняется со смертельного на стимулирующее рост. В значительно меньших дозах действие фенолового красного как инициатора роста опухолей ослабляется, так как концентрация вещества недостаточна для того, чтобы адекватно стимулировать клеточный рост.

Выявленное воздействие фенолового красного на рост клеток MCF-7 оказалось для ученых сюрпризом, однако в дальнейшем были получены и другие результаты, свидетельствующие о том, что подобное влияние на рост клеток инородных веществ – вовсе не уникальный случай. Например, в одном из методов анализа веществ на эстрогенность использовалась растущая культура MCF-7 в присутствии сыворотки человеческой крови, очищенной от стероидов. Рост клеток в такой среде подавлен, поэтому в культуру добавляется эстроген, чтобы снять ингибирование и обеспечить рост. Когда этот метод был применен в лаборатории Аны Сото в Университете Тафта, ученым не удалось воспроизвести результаты. При тщательном анализе состава среды, в которой росли клетки, обнаружилось присутствие инородного эстрогеноподобного вещества, п-нонилфенола, который выделялся из пластика, из которого были изготовлены лабораторные пробирки. Из-за того что п-нонилфенол стимулировал клеточный рост, культуры, в которых должно было наблюдаться ингибирование (негативный контроль), демонстрировали неожиданный рост.

Два приведенных выше примера иллюстрируют важные качества стероидных рецепторов – пугающее отсутствие точности. Исследования показывают, что с ними способно связываться большое количество разнообразных веществ. К стероидным рецепторам способны присоединяться и вызывать эстрогенный эффект даже ионы кадмия, несмотря на свой малый размер. Отчасти это можно объяснить эволюционным происхождением. Стероидные рецепторы принадлежат к более крупной группе ядерных рецепторов. Идентифицировано уже более 300 вариантов рецепторов этой группы, многие из которых являются «сиротскими», то есть не имеют известных природных эндогенных лигандов. Эти рецепторы связаны с синтезом ферментов цитохрома P450, участвующих в биотрансформации экзогенных химических веществ из жирорастворимых в водорастворимые для более эффективного выведения из организма (см. главу 5). Стероидные рецепторы относятся к группе, которая может реагировать на самые разные вещества, снижая их токсичность. Учитывая, что рецепторы эстрогена также принадлежат к этой группе, в их неразборчивости в принципе нет ничего удивительного.

Второе свойство рецепторов к стероидным гормонам также вносит вклад в их способность реагировать на гормональные сигналы в очень низких концентрациях. Гормоны, подобные 17-бета-эстрадиолу, циркулируют в крови и связываются с клеточными рецепторами в очень малых концентрациях. Так, например, нормальная концентрация глюкозы в крови составляет примерно одну часть на тысячу, или один грамм на литр, а стероидов – примерно в миллион раз ниже, не более нескольких частей на миллиард. Эндокринная система в ходе эволюции «научилась» усиливать эти чрезвычайно тонкие сигналы путем создания рецепторов, обладающих высокой чувствительностью к молекулам действующих веществ.

Очень важно, что отношения между концентрацией стероидов в крови, занятостью рецепторов и биологическим эффектом не линейны. При очень низкой дозировке увеличение концентрации стероидов не ведет к значительному увеличению процента связанных со стероидами рецепторов, скорость этого увеличения может даже снижаться. Но это еще не все. Во многих случаях связывания лиганда с рецепторами наблюдается прямая зависимость биологического эффекта от связывания, так что при самом высоком проценте связанных рецепторов (приближающемся к 100) эффект наиболее силен. Однако в случае со стероидами все оказывается не так: эффект, приближающийся к максимальному, наблюдается при проценте связанных рецепторов гораздо ниже 100. Это явление получило название теории запасных рецепторов, так как биологический ответ максимален при небольшом числе рецепторов, улавливающих стероидный сигнал.

Эта способность усиливать очень тонкие химические сигналы имеет свою цену, так как действие связанных с репродуктивным процессом стероидных гормонов на организм далеко не во всех случаях благоприятно. Уже в 1930-е гг. было известно, что у грызунов, подвергающихся воздействию повышенного уровня главного женского полового гормона – эстрогена, возникает рак матки. Однако до недавнего времени механизм связи стероидов с раком был неясен. Прояснение роли эстрогена как инициатора опухолевого роста стало возможным только с развитием методики выращивания бессмертных культур, как мы уже говорили ранее. За последние 50 лет мы стали гораздо лучше понимать влияние химических веществ на человека и окружающую среду. Вещества, обладающие явной и острой токсичностью, известны человеку давно, но теперь сфера токсикологии включает в себя и малозаметные эффекты, вызываемые низкодозированным, но при этом хроническим воздействием. Теперь ученые рассматривают не только летальные случаи, но и менее очевидные последствия, например канцерогенез и аномалии развития плода. Иногда, как в случае с талидомидом, промежуток времени между первоначальным воздействием и проявлением последствий невелик. Но в других случаях, о чем мы поговорим в последующих главах, химические вещества могут наносить удар по внутренним органам, заметить последствия которого оказывается не так легко.

 

Глава 15

Стойкие органические загрязнители и «Безмолвная весна»

Пока американское законодательство в области безопасности пищевых продуктов и лекарств шаг за шагом, закон за законом, двигалось вперед, экологическому движению еще только предстояло развернуться. Границы США окончательно установились в 1890 г., и до этого времени и еще достаточно долго после него огромная территория страны не давала повода задуматься о возможности панконтинентального загрязнения. На пороге XX в. звучали лишь отдельные голоса энтузиастов, радеющих о дикой природе, в том числе президента Теодора Рузвельта, его главного советника Гиффорда Пинчота и Джона Мьюра, основателя Sierra Club. Йеллоустонский национальный парк – первый в стране – был основан всего за 28 лет до начала ХХ в., в 1872 г. До осознания того, что какие-либо химические вещества могут так изменить среду, что это повлияет на весь североамериканский континент, оставалось еще не одно десятилетие. Даже после официального закрытия западной границы огромные просторы казались бесконечными.

Так же как и в области безопасности пищевых продуктов и лекарств, поворотным моментом для экологического движения стала Вторая мировая война. Промышленная мобилизация в годы войны повлияла на производство не только лекарств, например пенициллина, но и на производство пестицидов, в частности ДДТ, о чем уже говорилось выше. По окончанию войны рост производства хлорорганических пестицидов продолжался практически бесконтрольно.

В начале 1960-х гг. морской биолог Рэйчел Карсон начала писать «Безмолвную весну», которая теперь считается книгой, давшей толчок экологическому движению. Карсон создавала ее в весьма неспокойной социальной и политической обстановке. В послевоенный период американцев все больше волновали проблемы радиации, рака и перспективы ядерной войны. Атомные бомбы, которые США сбросили на Японию, и неизбежные случаи рака, вызванные облучением, а также угроза войны с Советским Союзом оказали очень сильное влияние на психику американских граждан. Рэйчел Карсон это понимала, и в своей книге связала страх перед радиацией с проблемой чрезмерного использования пестицидов. Весьма примечательно, что в книге, посвященной химическому загрязнению, слово «радиация» появляется не менее 50 раз, а слово «рак» – более 110. «Безмолвная весна» обратилась к общественной тревоге, связанной с радиационным загрязнением, и направила ее на проблему повсеместного использования пестицидов.

Карсон обращает особое внимание на три хлорорганических вещества: ДДТ, альдрин и дильдрин. Эти пестициды являются представителями группы токсичных веществ, получивших название стойких органических загрязнителей, или СОЗ. СОЗ липофильны и устойчивы к биотрансформации; в природе они задерживаются в липидных средах, в первую очередь в органических водных отложениях или в самих организмах. Попав в организм, СОЗ обычно аккумулируются в жировой ткани, где могут сохраняться без изменений долгое время. Когда такой организм становится частью пищевой цепи и его съедает другое животное, происходит биоаккумуляция СОЗ. В результате в тканях крупных хищников, например орлов или скоп, птиц, которые занимают высшее положение во многих водных пищевых цепях, эти вещества накапливаются в очень высокой концентрации. Именно снижение численности популяций этих прекрасных птиц привлекло внимание Рэйчел Карсон и многих других. В конечном итоге полное исчезновение хищников стало главной проблемой расцветшего в 1960-х гг. экологического движения. Подобно ранним эпидемиологическим исследованиям Персиваля Потта и других ученых, экотоксикология родилась благодаря очевидному задокументированному событию – исчезновению крупных хищных птиц.

Когда Рэйчел Карсон писала «Безмолвную весну», идея биоаккумуляции была еще непривычной по двум основным причинам. Первая: в то время токсикологи занимались в основном острой реакцией животных на высокие концентрации токсичных веществ, которые давали явный и сильный эффект, нередко летальный. Во времена Рэйчел Карсон использование диких животных для оценки долгосрочного влияния неблагоприятных экологических факторов было еще в зародышевом состоянии. Даже опыты по подтверждению химической канцерогенности на лабораторных моделях начались всего лишь за 45 лет до «Безмолвной весны». В этих экспериментах крыс, мышей и кроликов напрямую подвергали воздействию больших доз канцерогенов в течение длительного времени, но даже при таком мощном воздействии было сложно установить связь между веществом и развитием рака. Чтобы диким животным показать, что с природой что-то не в порядке, они должны были начать в буквальном смысле падать с неба. Что в случае с хищными птицами, отравленными ДДТ, фактически и произошло.

Вторая причина описывается афоризмом: «Проблема загрязнения решается разбавлением». В классических случаях воздействия токсичных веществ необходим прямой контакт с их источником. Если животное не умерло в результате этого воздействия, предполагалось, что концентрация токсина в его организме упадет в результате секвестрации (в безвредной инертной форме), метаболизма или экскреции. Казалось просто невозможным, что концентрация токсина может повышаться при «разбавлении» в процессе потребления пищи в пищевой цепи.

«Безмолвная весна» произвела эффект разорвавшейся бомбы. К 1964 г., когда Рэйчел Карсон безвременно скончалась, книга стала бестселлером, в тот год было продано более миллиона экземпляров. Президент Джон Кеннеди проявил интерес к этой книге, предписав Президентскому Совету по науке внимательно ее изучить. Совет подтвердил утверждение Карсон о том, что неконтролируемое использование пестицидов наносит большой урон окружающей среде путем биоаккумуляции веществ в пищевых цепях. Работа Карсон оказалась приговором для трех пестицидов, которых она «прославила» в своей книге: использование ДДТ было запрещено в Штатах в 1972 г., а альдрина и дильдрина – в 1974 г. Кроме того, «Безмолвная весна» стала катализатором для важных законодательных мер: «Закона о чистоте воздуха» 1963 г., основания Американского управления охраны природы в 1970 г. и «Закона о чистоте воды» 1972 г.

История СОЗ вполне могла бы завершиться благодаря «Безмолвной весне», если бы не еще одно любопытное свойство этой группы веществ: они путешествуют. Осознание этого факта начало распространяться в мире почти сразу же после публикации книги, хотя изначально внимание обратили не на СОЗ, а на уголь – давно знакомого токсичного врага. В 1960-х гг. тепловые электростанции континентальной Европы, работавшие на угле, выбрасывали в атмосферу большой объем соединений серы. В 1970-х гг. были проведены исследования, показавшие, что эти загрязнители могут перемещаться на огромные расстояния – до многих тысяч километров. Такое положение дел означало, что для адекватного решения проблем, связанных с загрязнением воздуха, необходимо международное сотрудничество, и эта потребность предопределила Женевскую конвенцию 1979 г. «О трансграничном загрязнении воздуха».

На самом деле по воздуху путешествует не только диоксид серы, но и некоторые металлы и СОЗ. В 1998 г. члены Европейской экономической комиссии ООН подписали «Протокол о стойких органических загрязнителях» как дополнение к Конвенции 1979 г. В протоколе говорится о запрете на выброс в окружающую среду 16 СОЗ, в том числе 11 пестицидов, двух промышленных соединений и трех промышленных побочных продуктов. Также он запрещает производство и использование некоторых СОЗ (альдрина, дильдрина), вводит график исключения из производства других (гексахлорбензола, полихлорированных дифенилов (ПХД)) и ограничивает использование третьих (ДДТ). Конвенция была расширена в 2000 г., когда представители 122 стран подписали соглашение о контроле СОЗ. Это соглашение было признано международным законом на Стокгольмской конференции по СОЗ в 2001 г. Закон уделял основное внимание 12 веществам, в том числе ДДТ, альдрину и дильдрину, которые получили прозвище «грязной дюжины». С тех пор в список были включены и другие вещества, отобранные по критериям устойчивости, способности к биоаккумуляции в пищевых цепях, атмосферному переносу на большие расстояния и негативному влиянию на здоровье человека.

Термин «стойкие органические загрязнители» не появился в «Безмолвной весне», и Карсон не предполагала, что токсичные вещества могут путешествовать на огромные расстояния. Ее обвинение пестицидам было основано на фактах острого воздействия высоких концентраций, приводящего к быстрой гибели, – тех, что наиболее очевидны для любого. Она не знала о том, что эти вещества могут в исходной форме распространяться глобально. В своей книге она пишет:

«В анализах жировой ткани у некоторых эскимосов были обнаружены незначительные следы ДДТ (от 0 до 1,9 частей на миллион). Причина совершенно очевидна. Эти анализы брали у людей, которые попали в больницы Анкориджа для проведения хирургических операций. Это был цивилизованный современный город, и больничная пища содержала не меньше ДДТ, чем продукты в других крупных городах. За свое короткое обращение к цивилизации эскимосы поплатились попаданием яда в их организмы».

Карсон не приходило в голову, что аборигены Арктики не обязательно должны были приезжать в Анкоридж за дозой ДДТ; ДДТ мог сам добраться до их родных стойбищ.

Как же происходит такой перенос, и почему загрязнители обнаруживаются в самых отдаленных уголках мира, а отнюдь не только в самых населенных или самых загрязненных? Это происходит благодаря так называемой глобальной дистилляции, или «эффекту кузнечика». СОЗ частично летучи, то есть способны испаряться и попадать в атмосферу при теплой погоде. При охлаждении воздуха вещества конденсируются и выпадают из атмосферы обратно на землю. Миграция веществ из одного региона в другой – медленный процесс, состоящий из множества циклов испарения – конденсации, поэтому эффект кузнечика возникает только в том случае, когда вещество устойчиво к деградации, что и свойственно СОЗ. Если вещество попадает в регион, где холодно всегда, как в Арктике и Антарктике, оно там и остается, закрепляясь в конденсированной форме, и уже не может вернуться в атмосферу и продолжить свои странствия по земному шару. Загрязнение Арктики СОЗ – это очень серьезная проблема, так как их химические свойства обусловливают их накопление на крайнем Севере в организмах высших хищников: морских рыб, птиц и млекопитающих. Эффект кузнечика позволяет загрязняющим веществам перемещаться по миру, а устойчивость к деградации не дает распадаться в процессе перемещения. Достигая полярных регионов они благодаря своей липофильности попадают в биоту, а не остаются в воде. Липофильные загрязнители концентрируются в организмах и биомагнифицируются, поднимаясь по пищевой цепи к высшим хищникам.

Еще один фактор, способствующий аккумуляции СОЗ в Арктике – это сама ее экосистема. Она характеризуется низким уровнем продуктивности растений, малым разнообразием видов и относительно простыми пищевыми цепями. Арктическая пищевая цепь начинается с фитопланктона, одноклеточных фотосинтезирующих растений, которые превращают углекислый газ в более сложные органические вещества. Этих одноклеточных поедает зоопланктон – разнообразные мельчайшие животные, в том числе рачки копеподы и амфиподы. Зоопланктоном питается рыба, в том числе арктическая треска – один из самых распространенных в Арктике видов, составляющий важную часть добычи морских обитателей. Эта недолго живущая рыба держится подо льдом, поедая ракообразных и концентрируя в себе СОЗ. Арктические кольчатые нерпы ловят рыбу, в том числе треску, а на них, в свою очередь, охотятся высшие хищники Арктики – белые медведи. В пищевой цепи треска – нерпа – медведь был обнаружен очень высокий уровень биоаккумуляции ПХД в жировых тканях – от 0,0037 до 0,68 и до 4,50 мг/кг соответственно.

Обычно СОЗ в большей степени концентрируется в организме самцов морских млекопитающих, чем самок. Например, в тканях самцов кольчатой нерпы содержится в два раза больше ДДТ и ПХД, чем в тканях самок, а в тканях самцов белых медведей ПХД на 50 % больше, чем у самок. У людей, населяющих этот регион, обнаруживается та же тенденция. Анализы крови инуитов, проживающих на острове Бротон на Северо-Западной территории Канады, показали, что концентрация ПХД увеличивается с возрастом и выше у мужчин, чем у женщин.

Более низкая концентрация загрязнителей в организме самок объясняется лактацией – выработкой жирного молока; однако, хотя концентрация СОЗ в организме самки из-за этого снижается, эти вещества передаются потомству. В грудном молоке инуитских женщин, питающихся «местной пищей» (традиционными продуктами питания, добываемыми в местной экосистеме), содержится вдвое больше СОЗ, чем у женщин из современных поселений, питающихся магазинными продуктами. По содержанию СОЗ молоко инуитских женщин примерно соответствует молоку китов-белух и в семь раз превосходит жировую ткань арктического гольца. Не будет преувеличением сказать, что верхнее положение в арктической пищевой пирамиде занимают детеныши млекопитающих, питающиеся материнским молоком, будь то белые медвежата, зубатые киты или человеческие дети.

Главная тема «Безмолвной весны» – чрезмерное использование хлорорганических пестицидов, легко перемещающихся по земному шару, пока не достигнут холодной и богатой жиром среды, где они могли бы осесть. Но заслуга книги не только в этом; она стала толчком для развития современной экотоксикологии. Хотя Карсон неправильно интерпретировала обнаруженные в организме эскимосов СОЗ, «Безмолвная весна» открыла глаза обществу (в том числе молодым перспективным ученым) на то, что тенденции, наблюдаемые в живой природе, можно рассматривать как прогноз будущих экологических проблем.

Публикация «Безмолвной весны» совпала с существенным изменением парадигмы в экотоксикологии. В книге, вероятно, впервые в истории было показано, что влияние человека на природу далеко не всегда позитивно, человек способен изменять целые экосистемы путем чрезмерного выброса промышленных химикатов. Более того, проведя анализ многочисленных исследований, Карсон извлекла суть из разрозненных обрывков информации и смогла на их основе сделать очень важное, хотя и пугающее, заключение. В своей книге она коснулась таких перспективных направлений, как трансгенерационная токсикология, репродуктивная токсикология, использование организмов-индикаторов, смешивание химических веществ в окружающей среде, приводящее к непредвиденным последствиям для здоровья человека, подверженность аборигенов приполярного региона воздействию СОЗ, различная чувствительность к пестицидам и эндокринные нарушения, вызванные гормональными канцерогенами. Окончание Второй мировой войны предопределило наступление новой химической эры, а «Безмолвная весна» предопределила наступление современной эры понимания воздействия на природу новых искусственных химических веществ. С точки зрения экологии современный подход к токсикологии и окружающей среде восходит именно к этой судьбоносной книге.

 

Глава 16

Токсичные средства гигиены

 

В самом конце прошлого века, между 1999 и 2000 гг., Дана Колпин и небольшая группа ее товарищей по геологоразведке были очень заняты. На протяжении двух лет они проводили общенациональное обследование 139 проточных водоемов в 30 штатах для измерения уровня загрязнителей в них. Они собрали пробы воды и анализировали их на наличие разнообразных продуктов фармацевтической промышленности, в том числе ветеринарных и человеческих антибиотиков, других лекарственных средств, стероидов и гормонов. Также они проводили тесты на некоторые вещества, используемые в средствах личной гигиены, в том числе ДЭТА (N,N-диэтил-м-толуамид), основной компонент многих репеллентов, и триклозан, антибактериальное вещество, содержащееся в мыле и моющих средствах. Хотя для анализов были специально выбраны водоемы, находящиеся вблизи потенциальных источников загрязнения, и большинство веществ были обнаружены в низких концентрациях (меньше одной части на миллиард), результаты все равно оказались шокирующими. В 80 % обследованных водоемов были обнаружены разнообразные вещества, в среднем семи наименований, в измеряемых концентрациях.

Многие из этих веществ принадлежали к категории фармацевтических продуктов и средств личной гигиены – группе, которая до недавнего времени не считалась токсикологически опасной. Результаты исследования озаботили специалистов; для многих из этих веществ до сих пор не существовало критериев чистоты воды, поэтому было неясно, представляют ли обнаруженные концентрации какой-либо риск. Несмотря на то что эти концентрации в целом были невысоки, повсеместность распространенности этих веществ в окружающей среде заставила ученых задуматься об их потенциальной токсичности и заняться более пристальным рассмотрением их жизненного цикла, начиная от производства через личное использование потребителями и заканчивая конечной утилизацией.

Американское Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов разделяет эти вещества на две категории: косметические и лекарственные средства. Косметические средства используются преимущественно с очищающей или эстетической целью, а лекарства предназначены для диагностики, лечения, борьбы с симптомами или профилактики заболеваний. Солнцезащитные кремы и средства от прыщей действуют на структуры и функции организма, поэтому они также попадают в категорию лекарств. Но есть и такие продукты, например увлажняющие солнцезащитные средства и шампуни от перхоти, которые размывают грань между двумя группами и принадлежат одновременно к обеим.

Современный человек пользуется лекарствами в немыслимых объемах. В 2013 г. в Соединенных Штатах было выписано более 4 млрд рецептов; более 45 % населения получают по рецепту как минимум одно лекарство в месяц. Уровень употребления лекарств, продаваемых без рецепта, впечатляет не меньше: так, например, ежегодное потребление аспирина в США превосходит 10 000 т.

За использованием различных ингредиентов средств личной гигиены уследить сложнее, так как эти продукты представляют собой смеси различных веществ, формулы которых нередко защищены патентами. Таким образом, конкретный химический состав продукта и, следовательно, дозу того или иного вещества, воздействующую на пользующегося им человека, оценить бывает трудно. Однако общее количество существующих и применяемых средств личной гигиены огромно. По данным Рабочей группы по охране окружающей среды, женщины в среднем используют девять средств личной гигиены каждый день, при этом 1 % мужчин и 25 % женщин используют каждый день 15 и более различных продуктов из этой группы. К ним относятся бальзамы для губ, одеколоны, дезодоранты, духи, лосьоны, декоративная косметика, различные кремы, в том числе для бритья, влажные салфетки, ватные палочки и диски, туалетная бумага, одноразовые носовые платки и т. д. В состав этих продуктов входит более 10 500 уникальных химических соединений. При этом многие из этих веществ содержатся не в каком-то одном продукте, а распределены по многим. Например, антибиотик триклозан входит в состав целого ряда различных бактериальных мыл, зубных паст, блеска для губ, кремов для первой помощи, дезодорантов и даже в некоторые разновидности кухонной утвари, матрасов и детских игрушек.

 

Производство и применение фармацевтических продуктов и средств личной гигиены

Высокая потребность в промышленных продуктах этой группы обусловила быстрое развитие химической отрасли, поставляющей их на прилавки. В области фармацевтики в очень большой степени задействованы международные связи, так как 80 % активных ингредиентов и 40 % готовых лекарств, потребляемых в США, производятся за пределами страны. Главные поставщики, удовлетворяющие сегодня потребности американского фармацевтического рынка, – Индия и Китай, на которых эта задача взвалила серьезное бремя проблем с загрязнением водной среды.

Наверное, самый поразительный пример чрезмерного сброса фармацевтических продуктов в окружающую среду – ситуация в индийском городе Патанчеру, неподалеку от Хайдарабада. Этот регион стал центром индийской фармацевтической промышленности; здесь сосредоточено более 90 заводов. Как это бывает со многими химическими процессами, увеличение производства может вести к соответствующему увеличению потерь продукта через стоки. Поэтому стоки фармацевтических предприятий вокруг Патанчеру обрабатывались перед сбросом в окружающую среду. К несчастью, очистные сооружения Patancheru Environ Tech Ltd., которые должны были удалять из воды эти химические вещества, не соответствовали задаче, и стоки фармацевтических предприятий содержали фармацевтические продукты в очень высоких концентрациях. Одиннадцать веществ, в том числе шесть антибиотиков, регулятор артериального давления, четыре блокатора рецепторов и ингибитор обратного всасывания серотонина были обнаружены в стоках в концентрации свыше микрограммов на литр. Это достаточно серьезные количества, превосходящие допустимый уровень токсичности для водных организмов. Больше всего, до 31 мг/л, в воде обнаружилось антибиотика ципрофлоксацина: эта концентрация превышала терапевтическую дозировку данного препарата! Аналогичная ситуация сложилась в Китае, где в стоках, сбрасываемых в реку, и в самой речной воде были выявлены количества антибиотика окситетрациклина до нескольких миллиграммов на литр.

Путь от производства химических составляющих до конечного продукта в домашней аптечке может быть для разных средств очень разным. Некоторые из них в своем коммерческом виде поступают в США от зарубежных производителей, а другие изготавливаются из произведенных в других странах ингредиентов. Но какими бы ни были промежуточные шаги между производителем химических веществ и потребителем, практически любой гражданин США пользуется фармацевтическими продуктами и средствами личной гигиены.

Безопасность средств личной гигиены, как и лекарств, регулируется Управлением по контролю за пищевыми продуктами и лекарственными средствами, хотя законы, относящиеся к средствам личной гигиены, менее строги, чем относящиеся к лекарствам. Закон запрещает продажу поддельных и неверно маркированных косметических товаров, но не дает Управлению полномочий требовать предпродажного одобрения ингредиентов этих средств. Единственное исключение – красители, которые должны проходить процедуру одобрения. Так что за безопасность этой продукции несет ответственность не Управление, а сами производители.

Один из печальных примеров непреднамеренной токсикации связан с некоторыми продуктами для ухода за волосами, в том числе распрямителями. Эти продукты содержат экстракты плаценты животных, которые, в свою очередь, содержат прогестерон, эстрогены и гормоны роста – биоактивные вещества. Кроме того, эти продукты обычно применяются достаточно долго. Было установлено, что гормоны роста усиливают рост волосяных фолликулов и уменьшают выпадение волос, скорее всего, благодаря стимулированию формирования новых кровеносных капилляров и последующему увеличению притока крови к волосяным луковицам. Однако эти продукты также могут негативно влиять на здоровье: ускоряют наступление менархе (первого менструального цикла) у девочек и стимулируют формирование миомы матки (доброкачественной опухоли, формирующейся из гладкой мышечной ткани, которая только в редких случаях становится злокачественной) у взрослых женщин. Наверное, самые неприятные эффекты эти средства вызывают при использовании маленькими девочками. Было установлено, что средства для ухода за волосами могут вызывать преждевременное развитие вторичных половых признаков (рост груди и появление лобковых волос) у детей уже в возрасте 14 месяцев! К счастью, при прекращении применения продукта дети возвращаются к нормальной, соответствующей возрасту, стадии развития.

Возможно, это крайний случай, но многие лекарственные и косметические средства специально разрабатываются для того, чтобы использовать биологическую активность, то есть вызывать клеточные изменения. Стероиды, антибиотики и все прочие лекарства биологически активны; они взаимодействуют со специфическими путями метаболизма и процессами, которые происходят в организме реципиента – человека или животного. Именно в этих клеточных и молекулярных изменениях и кроются проблемы: вне зависимости от того, какова цель использования средства, не все изменения оказываются благоприятными, а, кроме того, их влияние не ограничивается непосредственным потребителем продукта.

 

Фармацевтические продукты и средства личной гигиены в окружающей среде: непредвиденные последствия

После приема лекарства выводятся из организма чаще всего с мочой, а средства личной гигиены обычно просто смываются. В обоих случаях они могут попадать в канализационные стоки либо в изначальной форме, либо с присоединенными группами молекул, которые улучшают их водорастворимость. Важно, что, приобретая водорастворимость, эти метаболиты вовсе не обязательно лишаются своей биологической активности; кроме того, они могут преобразовываться бактериями обратно в исходные вещества, которые оказываются в окружающей среде снова в активной форме. И здесь нам снова нужно вспомнить об исследовании Колпин и ее коллег. Обнаруженное ими повсеместное присутствие в воде компонентов лекарственных и косметических средств в сложных сочетаниях из семи и более веществ делают их важным новым классом загрязнителей.

Но существуют ли данные о том, что эти вещества вредят местной биоте? Да, такие данные есть, в частности, можно упомянуть о связи, выявленной в Азии между восточным бенгальским грифом (Gyps bengalensis), домашним скотом и противовоспалительным средством диклофенаком.

Грифы – падальщики, питающиеся трупами животных. Когда-то бенгальские грифы были самыми многочисленными хищными птицами в мире, во многом благодаря их тесным отношениям с человеком и его домашним скотом. В Индии крупный рогатый скот традиционно используется для получения молока и как тягловая сила, но при этом коровы считаются священными животными и поэтому не забиваются на мясо. Когда одна из 500 млн голов индийского скота умирает, избавляться от трупа обычно предоставляют грифам, даже в городах. В 1990-х гг. численность грифов заметно упала, и в конце концов осталось не более 5 % всей популяции.

Вскрытия недавно погибших птиц показали, что многие из них (до 85 %) умерли от острой почечной недостаточности. Затем были проведены дополнительные исследования тканей для обнаружения типичных агентов, вызывающих почечную недостаточность: кадмия, ртути и возбудителей инфекционных заболеваний, таких как птичий грипп, инфекционный бронхит и лихорадка Западного Нила. Однако ничто из этого не объясняло вымирание птиц. Поскольку основным источником пищи для грифов служат трупы домашнего скота, были опрошены ветеринары и продавцы ветеринарных препаратов, в результате чего был выявлен химический «подозреваемый» – нестероидное противовоспалительное средство диклофенак. Проверив ткани почек грифов на присутствие этого лекарства, ученые получили поразительные результаты. У всех грифов, умерших от почечной недостаточности (25 из 25) – и ни у одного из умерших по другим причинам (0 из 13), – в печени обнаружился диклофенак. Лабораторные исследования токсичности, в которых грифам давали диклофенак орально, а также скармливали ткани животных, которым давали этот же препарат, показали острую токсичность вещества.

Результаты исследования, подтвердившие токсичность диклофенака, имели значение, выходящее за границы Индии. Фармацевтическое средство, накапливающееся в тканях домашнего скота, вызвало массовую гибель хищных птиц, несмотря на то что ветеринары применяли лекарство в разумных дозах. В отличие от ситуации с гибелью белоголовых орланов из-за ДДТ в 1960–1970-х гг., диклофенак не биомагнифицировался в пищевых цепях, однако законное использование лекарства в ветеринарии привело к исчезновению жизненно важного вида из давно устоявшейся и функционирующей экосистемы.

Вымирание грифов иллюстрирует короткий и прямой путь нанесения вреда живой природе лекарственным средством. С другой стороны, исследование Колпин демонстрирует путь воздействия веществ, содержащихся в сточных водах, на водные организмы в более диффузной и менее концентрированной форме. Так будет ли такое воздействие вредно для водной фауны – в частности, для рыб?

Одна из причин дать положительный ответ – доказанное влияние на рыб низких концентраций антидепрессанта флуоксетина (также известного под торговым названием «Прозак»). Колпин с коллегами обнаружили присутствие флуоксетина лишь в одном из 84 исследованных водоемов. Он содержался в низкой концентрации, порядка 10 нанограммов на литр. Поздние исследования, проведенные в Великобритании, также выявили наличие в некоторых водоемах флуоксетина в концентрациях от 10 до 100 нг/л (частей на триллион). Может ли это вещество представлять проблему?

После публикации статьи Колпин было проведено более 30 исследований по оценке влияния флуоксетина на рыб. Хотя в большинстве работ негативный эффект был выявлен только при концентрациях вещества от 30 до 100 мг/л, некоторые ученые отметили воздействие при гораздо более низких концентрациях, сравнимых с обнаруженными Колпин в поверхностных водах. В идеале концентрация флуоксетина в водоемах должна быть нулевой, тогда все споры о критериях качества воды будут просто неактуальны. Но, к сожалению, как показали Колпин с коллегами, мы живем в эпоху, когда следы человеческой деятельности могут быть обнаружены в водоемах по всей стране и про всему миру.

Остается вопрос: какое влияние эти вещества могут оказывать на человека? Вещества, обнаруженные Колпин с коллегами в поверхностных водах, находятся в таких низких концентрациях и пути их возможного попадания в организм человека так запутаны, что оценить риск становится крайне сложно. Однако если рассматривать водных животных как современный аналог канареек в угольной шахте, то честно ли будет игнорировать влияние этих веществ на природу? В случае с присутствием фармацевтических продуктов и средств личной гигиены в окружающей среде – откуда они вряд ли исчезнут в ближайшем будущем – врагом точно оказываемся мы сами. Вещества этой группы неожиданно стали новым насущным вопросом современной токсикологии, и игнорировать его никак нельзя.

 

Глава 17

Определение пола: химические вещества и репродукция

Недавние исследования, посвященные влиянию на рыб природных и антропогенных загрязнителей, дали весьма интересные результаты. Например, добавление в экспериментальный водоем на северо-западе канадской провинции Онтарио этинилэстрадиола, основного синтетического эстрогена, входящего в состав оральных контрацептивов, привело к исчезновению популяции рыб-толстоголовов, там обитавших. У самцов рыб, пойманных в реках Великобритании ниже очистных сооружений, был обнаружен гермафродитизм различной степени – аномалия, при которой одна и та же особь способна производить как женские, так и мужские половые клетки. Самое неприятное, что у самцов с гермафродитными признаками были выявлены репродуктивные отклонения: способность к успешному размножению зависела от уровня гермафродитизма.

Эти исследования порождают ряд интересных вопросов. Во-первых, каким образом рыбы могут быть настолько репродуктивно пластичны, что загрязняющие вещества, находящиеся в воде в низкой концентрации, настолько сильно влияют на способность рыб к выживанию и размножению? Во-вторых, почему именно рыбы? Может ли произойти такое с млекопитающими – например, с выдрами или дельфинами?

О влиянии химических веществ на размножение диких животных известно давно; и здесь, так же как в «Безмолвной весне» Рэйчел Карсон, именно крупные рыбоядные птицы впервые привлекли внимание к этой проблеме. В 1970-х гг. было отмечено снижение численности этих птиц во многих районах США, от Флориды до Калифорнии и Великих Озер. Но в отличие от случаев, описанных в «Безмолвной весне», птицы не падали замертво, а просто отказывались размножаться. Особенно было заметно отсутствие брачных игр и нежелание строить гнезда. В некоторых местах птицы откладывали яйца, но птенцы так и не вылуплялись или вылуплялись с врожденными дефектами. В других местах в одном гнезде оказывались две самки и двойное количество яиц.

Одним из тех, кто помог сложить воедино кусочки головоломки, была доктор Тео Колберн, работавшая в Фонде охраны природы. Она показала, что такие вещества, как вышеупомянутый этинилэстрадиол, попадают в кровь птиц и действуют как клеточные сигналы, изменяя репродуктивную физиологию, морфологию и поведение животных. Чтобы разобраться в ее исследовании эндокринных нарушений у птиц, вначале нужно в целом ознакомиться с репродуктивной биологией, начав с самых привычных позвоночных животных – птиц и млекопитающих.

Репродуктивная система позвоночных животных может развиваться по мужскому или женскому типу: и мужские семенники, и женские яичники возникают из одной и той же зародышевой ткани. У млекопитающих и птиц пол определяется генетически и остается стабильным на протяжении всей жизни. Дифференциация гонад (половых желез) всегда идет одним и тем же путем, что в итоге приводит к появлению зрелых семенников или яичников. У млекопитающих результат определяется геном SRY, локализованным в коротком плече Y-хромосомы. Те особи, у которых имеется Y-хромосома и ген SRY, развиваются как самцы.

У птиц все происходит подобным же образом за исключением того, что у самцов половые хромосомы гомологичны, или одинаковы (ZZ), а у самок – различны (ZW). Недавние исследования показали, что развитие самцов у птиц запускается единственным геном, DMRT1. Если активность этого гена затухает, происходит феминизация. Чтобы понять, как такие гены, как SRY или DMRT1, определяют пол, нужно изучить развитие внутренних половых органов. На раннем этапе зародышевые гонады начинают развиваться без половых клеток (яйцеклеток или сперматозоидов); эти клетки мигрируют в гонады позже. Внутренние половые органы (семявыводящие протоки, придатки семенников и семенные пузырьки у самцов и фаллопиевы трубы, матка и верхняя часть влагалища у самок) в эмбриогенезе появляются из развивающихся почечных канальцев, и у самцов их судьба оказывается иной, чем у самок.

В ходе эмбрионального развития часть мезонефрической почки дает два типа канальцев, вольфиевы и мюллеровы. Вольфиевы канальца под влиянием тестостерона дифференцируются на семявыводящие протоки, придатки семенников и семенные пузырьки. Вторая пара эмбриональных канальцев, мюллеровы, начинает развиваться параллельно. У самцов развитие мюллеровых канальцев подавляется мюллеровым ингибирующим фактором (МИФ), гормоном, выделяемым семенниками. Развитие по мужскому типу зависит от секреции тестостерона, и в его отсутствие у генетически мужской особи возникает фенотип самки. Синтез МИФ, по всей видимости, активируется геном SRY, что, в свою очередь, гарантирует атрофию мюллеровых канальцев и нормальное развитие мужских органов.

Развитие самок происходит «по умолчанию». Если ничто не подавляет развитие мюллеровых канальцев, они дифференцируются на фаллопиевы трубы, матку и верхние части влагалища, хотя для полного развития женского фенотипа требуется наличие эстрогена. Вольфиевы канальца, не поддерживаемые тестостероном, дегенерируют.

У млекопитающих и птиц вышеописанные процессы четко обусловлены: пол особи определяется геном половой хромосомы. Однако репродуктивная функция зависит не только от генетического определения пола. Репродуктивная система взрослого млекопитающего формируется стероидами, которые начинают влиять еще на эмбриональной стадии. Система изначально чувствительна к стероидам, главное – искать их в нужном месте. Для млекопитающих таким нужным местом является плацента. После того как оплодотворенная яйцеклетка имплантируется в эндометрий матки, между матерью и плодом начинает развиваться плацента – сложная сеть капилляров. Капилляры матери и плода соединяются между собой. И хотя кровь матери напрямую не смешивается с кровью плода, кислород, питательные вещества и другие соединения, в частности сигнальные стероиды, могут передаваться от матери к развивающемуся плоду.

Однояйцевые близнецы, развивающиеся в результате разделения одной яйцеклетки, обладают такой связью не только с матерью, но и друг с другом. Так как однояйцевые близнецы всегда одного пола, стероиды, которыми они обмениваются, одинаковы. У человека разнополые разнояйцевые близнецы защищены от воздействия «неправильных» стероидов, так как у них разные плаценты.

Но у других крупных млекопитающих – например, коров или буйволов – химическое общение становится проблемой. Если в матке матери одновременно развиваются телята разного пола, родившаяся самка обязательно оказывается стерильной, и ее называют фримартин. Дело в том, что два плода делят одну плаценту и, следовательно, часть гормонов, ответственных за половое развитие. МИФ, один из главных гормонов для развития самцов, проходит через плаценту от зародыша мужского пола к зародышу женского и нарушает нормальное развитие мюллеровых канальцев. Поэтому матка не развивается и самка оказывается стерильной.

Если у двух плодов общая плацента, обмен стероидами оказывает весьма серьезное влияние – для плода женского пола оно поистине разрушительно. У других млекопитающих, у которых в норме рождается много детенышей, тонкие различия внутриматочной среды воздействуют на развивающиеся зародыши весьма интересным образом. Например, у грызунов и свиней матка по сути представляет собой цилиндр, где зародыши расположены в ряд. За исключением крайних в ряду, каждый из зародышей находится между двумя другими, поэтому возможны три варианта: соседями могут быть две самки, два самца или самец и самка.

Пол непосредственных соседей имеет большое значение и служит важным определяющим фактором репродуктивной вариабельности из-за химической среды, создаваемой ими. У зародышей грызунов женского пола, развивающихся между двумя зародышами мужского, повышен уровень тестостерона, и во взрослом состоянии они более чувствительны к этому гормону и производят больше потомства мужского пола. Такие самки также более склонны проявлять признаки полового поведения, свойственного самцам, занимают большую территорию и более агрессивны. Самцы, развивающиеся между двумя другими самцами, также более агрессивны, занимают большую территорию, ярче проявляют родительское поведение и более чувствительны к тестостерону по сравнению с самцами, развивающимися между двумя самками.

Исследования приплода животных с многоплодной беременностью демонстрируют нам как явные, так и тонкие эффекты эндогенных химических веществ на развитие зародышей. Но химическое воздействие вовсе не обязательно должно производиться веществами, поступающими от матери или соседей по матке; эти вещества могут даже не иметь природного происхождения – как те, что повлияли на культуры тканей в лаборатории Аны Сото, о чем мы рассказывали в главе 14. Эти вещества могут поступать из внешних источников, например сточных вод или сельскохозяйственных угодий.

Первое свидетельство этого явления было обнаружено не у человека, а у домашнего скота. Уже более 50 лет назад было замечено, что у беременных животных, пасущихся там, где много красного клевера (Trifolium pretense), возникают нарушения фертильности. Последующие эксперименты показали, что в красном клевере содержится смесь изофлавоноидов – природных фитоэстрогенов, которые могут влиять на фертильность самок. Влияние клевера обратимо (маток можно просто перевести на другое пастбище), однако на этом примере мы видим эффект природного вещества, которое действует как неверный клеточный сигнал.

Еще один пример – эпидемиологическое исследование Артура Хербста (подробно описанное в главе 13), детализирующее негативное влияние ДЭС на женскую репродуктивную систему. Диэтилстильбэстрол, хотя и не является стероидом, нарушает работу эндокринной системы. Он порождает структурные дефекты, изменяя схему развития через клеточные сигналы. В частности, воздействие ДЭС на ранних стадиях развития приводит к неполной атрофии вольфиевых канальцев, и далее запускается целый каскад эмбриональных изменений, в конечном итоге приводящий к репродуктивным аномалиям. Трагическая история с ДЭС иллюстрирует тот факт, что вещества, нарушающие работу эндокринной системы, могут наносить непоправимый ущерб.

Наблюдая половую дифференциацию у млекопитающих, исследователи приходят к общему выводу, что между генетикой и морфологией существует жестко закрепленная связь. Однако даже у млекопитающих наличие фримартинов и других типов внутриутробного влияния свидетельствует о том, что генетические особенности связаны с морфологическими через клеточные сигналы, и такие сигналы, полученные через плаценту, могут затмевать сигналы, посылаемые развивающимся половым структурам от генетического материала. Кроме того, у птиц половая дифференциация подвержена достаточно скромным изменениям, у рептилий и амфибий, а в особенности у рыб, это гораздо более пластичный процесс. У холоднокровных позвоночных животных генетическое определение пола может преобладать, а может полностью отсутствовать.

Среди рептилий существуют различные формы генетического определения пола. Самки змей гетерогаметны (аналогично самцам млекопитающих), но у различных видов черепах и ящериц гетерогаметными могут быть и самки, и самцы. У других видов ящериц пол определяется генотипически, но без участия гетерогаметных хромосом. Подобная ситуация существует и у амфибий: у некоторых видов гетерогаметны самцы (XY), а у других – самки (ZW). У японской морщинистой лягушки (Rana rugosa) в одних популяциях гетерогаметны самцы, а в других – самки, что позволяет предположить, что эволюция половой дифференциации у этого вида продолжается и в настоящий момент. Интересно, что при скрещивании гомогаметных самцов (ZZ) и самок (XX) получается гетерогаметное потомство (XZ), полностью состоящее из самцов.

Среди амфибий есть и другие примеры недостаточно четко определенных отношений между генетическим и морфологическим определением пола. Африканская шпорцевая лягушка (Xenopus laevis) – вид с гетерогаметными самками (ZW) и гомогаметными самцами (ZZ). Однако при воздействии эстрадиола на головастиков может возникать несоответствие между генетикой и морфологией: у генетически мужских особей ZZ развиваются все внешние и внутренние половые органы женских особей. При этом они могут скрещиваться с «настоящими» (генетически и морфологически) самцами, имеющими те же половые хромосомы (ZZ), и давать потомство, состоящее исключительно из самцов – и генетически, и морфологически.

У некоторых пресмыкающихся и небольшого числа земноводных пол определяется преимущественно температурой, при которой развиваются зародыши. Ученые считают, что такое определение пола зависит не от какого-либо главного гена (подобного гену МИФ у млекопитающих или DMRT1 у птиц), а от «парламентской системы» контроля, при которой изменения температуры внутренней среды в яйце вызывают значительные изменения ферментной активности многих белков, ответственных за определение пола.

Все вышеописанные варианты управления половой дифференциацией весьма впечатляют, однако наибольшая вариабельность ее форм наблюдается среди 24 000 видов рыб. Как и у пресмыкающихся, у разных видов рыб гетерогаметны могут быть самцы (ZW), самки (XY) или ни один из полов. У видов, которым свойственен гермафродитизм, обычно отсутствует жесткая система определения пола. Хотя некоторые рыбы строго раздельнополы и развиваются как особи определенного пола, сохраняя его на протяжении всей жизни, у других видов, среди которых представители как минимум 25 семейств, может в той или иной степени проявляться гермафродитизм. Он может быть последовательным, когда особь вначале функционирует как самец, а на более позднем этапе становится самкой, или наоборот; а может быть синхронным, когда у одной и той же особи одновременно функционируют семенники и яичники.

У раздельнополых видов, особи которых имеют либо яичники, либо семенники, гермафродитизм и спонтанное изменение пола встречаются очень редко. Однако такие случаи все же отмечались как в природе, так и в лабораторных условиях. Смена пола и аномальный гермафродитизм может возникать у рыб под воздействием экзогенных химических веществ. Также имеется много свидетельств возможности изменения процесса дифференциации половых желез у раздельнополых видов. Воздействие мужских гормонов или подобных им веществ может вести к регрессу ткани яичников и появлению семенников, производящих нормальную сперму. Аналогичным образом, воздействуя на организм эстрогенами, можно получить самку, даже если первоначально уже началось развитие семенников.

Гибкость процесса определения пола у низших позвоночных животных допускает гораздо более впечатляющие изменения в репродуктивной системе, чем те, что могут происходить у млекопитающих и птиц. Это уже давно известно тем, кто занимается разведением рыб, так как бывают ситуации, когда требуется выпустить в природу стерильную популяцию животных. Один из способов гарантировать, что рыбы не будут размножаться, – создать однополую популяцию, изменив пол химическим путем. При воздействии стероидами на определенных ранних стадиях развития можно получить популяцию, состоящую из одних самок или одних самцов. У рыб, живущих ниже очистных сооружений или целлюлозно-бумажных комбинатов, также отмечается изменение соотношения полов в популяциях, пусть и не такое драматическое.

В развитии репродуктивной системы позвоночных возможны два результата – женский или мужской организм. Эти результаты удобно представлять как дихотомию, однако на самом деле все несколько сложнее. Как уже говорилось выше, генетические самцы не всегда морфологически становятся ими, даже у млекопитающих. Важную роль здесь играют изменения химического состава среды, в которой развивается плод или личинка, так как эти изменения могут нарушать систему внутренних эндокринных сигналов, что приводит к нарушениям формирования репродуктивных органов. Кроме того, пластичность репродуктивной системы выше всего у рыб – так же как и пластичность реакции на экзогенные химические сигналы. Вызывая проблемы с размножением или полное уничтожение популяции, как в экспериментальном озере в Онтарио, эти сигналы могут очень серьезно воздействовать на экосистемы.

 

Глава 18

Воздействие на самой ранней стадии: трансгенерационная токсикология

 

Когда млекопитающее подвергается воздействию каких-либо химических веществ на эмбриональной стадии, эффекты этого воздействия могут сохраняться всю жизнь. В некоторых случаях катастрофический результат может быть следствием преступного деяния чужеродного вещества, которое маскируется под клеточный сигнал и изменяет процесс формирования плода. Классические примеры такого влияния на организацию тканей – рождение фримартинов или негативное воздействие диэтилстильбэстрола на репродуктивную систему самок. Другие вещества могут нарушать развитие, изменяя наследственный материал (гены и хромосомы), и при этих условиях эффект может не ограничиваться матерью и ее развивающимся потомством, а передаваться следующим поколениям и после того, как действие вещества закончится. В этой главе мы расскажем об эмбриональном происхождении болезней, проявляющихся у взрослых, и, в частности, о мультигенерационной и трансгенерационной токсикологии.

Еще Парацельс установил, что яд создает дозировка токсичного вещества. Однако в случае мультигенерационной токсикологии очень важно разобраться, кому предназначается эта дозировка. Если млекопитающее (неважно, самец или самка) не беременно, полученная доза вещества действует лишь непосредственно на ткани родительского поколения (которое в генетике обозначается как F0). Если же самка беременна, то токсин, как мы уже говорили в предыдущей главе, может воздействовать как на родителя, так и на потомство (поколение F1). Вещества, которые могут воздействовать на генетический материал, влияют на поколение F1, даже если первоначально воздействию подвергалась небеременная самка или самец. В данном случае генетический материал поколения F1 получен им от матери и отца, и если он был изменен, то в таком виде и наследуется. Беременная самка – особый случай, так как вещество может одновременно воздействовать и на нее, и на плод, но при этом благодаря наследованию измененный генетический материал передается далее, поколению F2. Таким образом, воздействие, оказанное на особь женского пола, изменяет генетический материал ее внуков.

Процессы, описанные выше, называются мультигенерационными эффектами, так как в данном случае даже внуки беременной самки испытывают прямое, хотя и ограниченное, влияние воздействия на родительское поколение. Как уже обсуждалось в предыдущей главе, мощные изменения в образовании структур организма могут возникать, если токсичное вещество, например диэтилстильбэстрол, изменяет клеточные сигналы. Но что, если воздействие токсина на эмбриональной стадии развития организма не оказывает значительного эффекта на организацию тканей, а изменяет восприимчивость к каким-либо заболеваниям на более поздних стадиях жизни? Эта гипотеза, описывающая так называемые пороки развития, не нова: она возникла более 75 лет назад. В самых ранних из изученных случаев эффекты возникали не из-за воздействия каких-либо токсинов, а из-за питания. Лучше всего в этом отношении были изучены последствия Голодной зимы 1944–1945 гг. в Нидерландах.

В 1944 г. события Второй мировой войны в Европе достигли своего апогея. Союзники высадились в Нормандии 6 июня 1944 г., и к концу года были освобождены Париж, Бельгия и южная часть Нидерландов. Однако продвижение союзных сил затормозилось на Рейне, и северные Нидерланды к зиме оставались под контролем Германии. Пытаясь помочь союзникам, нидерландское правительство в изгнании призвало железнодорожников к общей забастовке, чтобы помешать транспортировке немецких соединений и снаряжения в регион. В ответ фашисты лишили оккупированные районы продовольствия и топлива. К началу ноября каналы замерзли, регион оказался в блокаде, и начался голод.

Голод продолжался до самого освобождения Нидерландов от фашистов в мае 1945 г. В период голода потребление пищи на душу населения снизилось с 1800 ккал, доступных до блокады, до менее 400 ккал в день. В этот период, несмотря на длительную нехватку продовольствия, женщины продолжали беременеть, и, несмотря на тяжелые условия, все данные тщательно записывались и сохранились. Через много лет после войны детей, рожденных в больнице Вильгельмины с 1 ноября 1942 по 28 февраля 1947 г., включили в международное исследование, известное как Dutch famine birth-cohort study. Спустя 50 лет сведения о заболеваемости взрослых, переживших еще до рождения последствия голода, сравнили с информацией о ходе беременности их матерей, в том числе о весе и состоянии здоровья женщин, а также о массе младенцев и плаценты при рождении. Отдельно рассматривалось воздействие голода на раннем, среднем и позднем сроке беременности на основании даты рождения детей.

Сравнение общего здоровья взрослых, которые были рождены в период голода, и тех, кто родился после него, дало поразительные результаты. Дети, матери которых пережили голод на позднем сроке беременности, были меньше при рождении, а во взрослом состоянии у них оказалась нарушена толерантность к глюкозе. У детей, чьи матери голодали на ранних сроках беременности, вес при рождении был нормальным, что позволило предположить наличие у плода компенсаторного роста на более поздних сроках, перед рождением. Тем не менее у взрослых из этой группы в три раза чаще по сравнению со средними показателями возникала ишемическая болезнь сердца, чаще наблюдались отложение холестерина в артериях (приводящее к атеросклерозу) и склонность к ожирению. Кроме того, в этой группе люди чаще, чем в других, субъективно оценивали свое здоровье как плохое.

Голодная зима в Нидерландах и ее последствия – показательный пример связи между развитием плода и состоянием здоровья взрослого. На самом деле, как ни странно, эти явления можно рассматривать как адаптивные, поскольку метаболические изменения, возникающие во время внутриутробного развития, готовят потомство к жизни в стесненных условиях, в частности к недостатку пищи. Если бы дети, пережившие голод на ранних этапах внутриутробного развития, прожили всю свою дальнейшую жизнь в условиях недостаточного питания, произошедшие в их организме метаболические изменения могли бы помочь им адаптироваться к тяжелым условиям. Согласно теории пороков развития проблемы возникают при несовпадении среды обитания матери (недостаток пищи) и той, в которой впоследствии живет ее потомство (изобилие пищи).

Результаты исследования последствий Голодной зимы заставили ученых задуматься о том, как возникают эти эмбриональные изменения, и в ходе дальнейших исследований был раскрыт их механизм: эпигенетическая модификация генома. Эпигенетика изучает стабильные изменения в потенциальной экспрессии генов, которые могут передаваться последующим поколениям. Эпигенетические изменения, в противоположность мутациям, возникают «поверх» генетического материала, иными словами, при них не затрагивается сама нуклеотидная последовательность ДНК.

Чтобы понять, как могут возникать эпигенетические модификации, стоит разобраться в том, что представляет собой генетический материал. Хроматин, вещество, плотно складывающееся в хромосомах при митозе, – это не просто нить ДНК, а макромолекулярный комплекс, в состав которого входят белки-гистоны, одноцепочечная РНК и двухцепочечная ДНК. Основная единица строения хроматина – нуклеосома, состоящая из восьми гистонов, которые формируют ядро, вокруг которого намотано несколько витков ДНК. Такое строение экономично, однако для прочтения и транскрипции ДНК ее необходимо размотать. При эпигенетических модификациях хроматина меняется способность некоторых нуклеосом раскручиваться, из-за чего нарушается процесс транскрипции и трансляции генов.

Эпигенетические модификации могут возникать по меньшей мере тремя различными способами: модификацией самой ДНК, модификацией гистонов или изменением некодирующей РНК. Добавочные молекулы, так называемые маркеры и метки, не меняют саму цепочку ДНК, но позволяют присоединяться к ней метильным группам.

Где именно происходит метилирование генетического материала, зависит от структуры ДНК. Молекула ДНК представляет собой двойную спираль – похожую на лестницу макромолекулу, – закрученную по длинной оси. Лестница построена из нуклеотидов, каждый из которых, в свою очередь, состоит из азотистого основания, пятичленного сахара и по меньшей мере одной фосфатной группы. В ДНК могут быть четыре типа азотистых оснований: аденин, тимин, гуанин и цитозин. Каждая ступенька лестницы ДНК – это пара оснований, при этом аденин всегда соединяется с тимином, а гуанин с цитозином (А-Т, Г-Ц). Метилирование чаще происходит в Ц-Г островках – участках ДНК с большой пропорцией цитозин-гуаниновых пар, и это, как правило, приводит к подавлению экспрессии генов. Вторая форма эпигенетической модификации носит название гистоновой посттрансляционной модификации: в этом случае к гистонам присоединяются какие-либо группы атомов (например, фосфатные, ацетильные или метильные), влияющие на доступ факторов транскрипции к ДНК и таким образом ограничивающие экспрессию. Третья форма эпигенетической модификации связана с некодирующей РНК, которая может либо способствовать экспрессии генов, либо, наоборот, подавлять ее. Стоит отметить, что все эти механизмы эпигенетической модификации не работают изолированно; транскрипция и трансляция генов в белки происходит под влиянием их совокупного действия, которое может быть как стимулирующим, так и затормаживающим.

Эти механизмы хорошо изучены, однако их важность становится очевидной при сравнении переживших голод с теми, кто питался нормально. У тех людей, матери которых голодали на раннем сроке беременности, по прошествии 60 лет обнаруживалась меньшая степень метилирования ДНК в определенном гене (инсулин-подобном факторе роста 2) по сравнению с их же братьями и сестрами того же пола, выношенными и рожденными в условиях нормального питания. Что интересно, при сравнении детей из одной семьи, один из которых родился в нормальных условиях, а второй пережил голод на позднем (а не на раннем) сроке беременности матери, никаких различий в метилировании отмечено не было. В дальнейшем были предприняты попытки обобщить эти результаты, проведя аналогичные сравнения, но уже с использованием глобальных данных по метилированию ДНК, однако никакого статистически достоверного уровня гипометилирования выявлено не было. Исходя из этого, можно предположить, что гипометилирование, наблюдавшееся у людей, переживших Голодную зиму в Нидерландах, – это лишь частный, но не общий случай.

Голодная зима показала ученым роль эпигенетической модификации в развитии заболеваний у взрослых людей. Другой набор таких свидетельств был получен из исследований однояйцевых близнецов. Как мы уже говорили в предыдущей главе, однояйцевые близнецы появляются в результате единичного акта оплодотворения, когда одна зигота разделяется на две, генетически идентичные. На этом этапе развития генетический материал у двух организмов одинаков, так же как и эпигенетические модификации. Но на протяжении жизни эти модификации, в том числе метилирование ДНК, могут возникать индивидуально в ответ на особенности условий среды – например, воздействие химических веществ, низкие дозы радиации, характер питания и поведенческие сигналы. Если близнецы живут в разных условиях, возникает «эпигенетический дрифт» – уровень метилирования ДНК и прочих модификаций у двух близнецов может стать различным. Такие наследственные, связанные с возрастом заболевания, как диабет II типа, болезнь Альцгеймера и некоторые виды рака, в том числе груди и простаты, у однояйцевых близнецов вовсе не обязательно развиваются одинаково и в одно и то же время, что подтверждает роль в этих процессах среды, а не только генетического материала. Таким образом, можно сказать, что во многих случаях человек заболевает из-за особенностей своей эпигенетической модификации.

 

Химические вещества и эпигенетическая модификация

В недавних исследованиях токсичных веществ было обнаружено, что все вещества, нарушающие работу эндокринной системы, – например, диэтилстильбэстрол, гинестеин (фитоэстроген, содержащийся в сое) или бисфенол А (пластификатор, используемый в производстве поликарбонатных материалов), – вызывают эпигенетические эффекты. Например, при назначении ДЭС в раннем младенческом возрасте происходит активация важных генов, влияющих на развитие, из-за эпигенетического гипометилирования. При этом изменения в экспрессии генов сохраняются надолго и во взрослом возрасте.

При рассмотрении в совокупности мультигенерационные эффекты веществ, воздействующих на эндокринную систему, оказываются еще сложнее, так как происходит взаимодействие изменений клеточных сигналов с эпигенетической модификацией. Такие вещества, как ДЭС, могут действовать через стероидные рецепторы и инициировать каскад процессов, приводящих к изменению экспрессии стероид-чувствительных генов. Эпигенетические процессы также могут играть свою роль в этой системе, так как активация некоторых из этих стероид-чувствительных генов зависит от степени метилирования. Поэтому эпигенетическая модификация играет роль в экспрессии генов и после получения стероидным рецептором неверного сигнала. Таким образом, вещества, нарушающие работу эндокринной системы, такие как ДЭС или бисфенол А, могут стимулировать экспрессию генов как на уровне рецепторов, так и на более позднем этапе, изменяя клеточные сигналы и воздействуя на метилирование ДНК.

 

Трансгенерационные эффекты

Мультигенерационные эффекты воздействия токсичных веществ отражаются на поколениях, которые в момент воздействия уже присутствовали хотя бы в виде половых клеток. В то же время трансгенерационные эффекты проявляются и спустя очень длительное время после того, как воздействие состоялось. На первый взгляд сложно понять, как воздействие во время беременности может негативно влиять на следующие за внуками, то есть F2, поколения. Однако недавние эксперименты на грызунах показали, что мультигенерационные эффекты сохраняются и в поколении F3 и далее.

Первые зафиксированные случаи химически индуцированных трансгенерационных эффектов наблюдались при воздействии на крыс (поколение F0) пестицида винклозина – фунгицида, также являющегося антиандрогеном. Выяснилось, что в поколении F2, полученном при случайном скрещивании потомков из поколения F1, у подавляющего большинства самцов возникает специфический дефект сперматозоидов (увеличение уровня запрограммированной гибели клеток, или апоптоза). К удивлению ученых, этот дефект сохранялся и в последующих поколениях, вплоть до F4. Дополнительные эксперименты показали, что при скрещивании потомков мужского пола с самками из другой линии, не подвергавшейся воздействию, эффект также передается самцам последующих поколений, но при скрещивании самцов из другой линии с самками из экспериментальной он исчезает, что свидетельствует о том, что трансгенерационное нарушение передается по мужской линии.

За время, прошедшее после первых экспериментов с винклозином, стало понятно, что трансгенерационные эффекты не ограничиваются апоптозом сперматозоидов, и в последующих поколениях может наблюдаться целый ряд негативных последствий. Кроме того, исследования показали, что другие влияющие на эндокринную систему вещества, например диоксины, метоксихлор (смесь пестицидов, включающая перметрин), ДЭТА и углеводороды (реактивное топливо), также способны производить трансгенерационные эффекты, которые нередко передаются по линии одного пола (мужского или женского).

Как же воздействие, которое испытала ваша прапрабабка, может влиять на вас? Подобные трансгенерационные эффекты – отнюдь не научная фантастика, а неоднократно зафиксированная учеными реальность, обусловленная эпигенетическими механизмами, описанными выше. Чтобы понять, как все это происходит, необходимо снова вернуться к эпигенетической модификации и к тому, что происходит с ней от поколения к поколению.

Метилирование ДНК, происходящее в течение жизни отдельных индивидуумов (например, однояйцевых близнецов, о которых мы говорили выше), можно рассматривать как процесс прогрессивной модификации генетического материала. Однако при смене поколений этого не происходит, поскольку в определенные моменты развития все эпигенетические модификации фактически стираются. В период эмбрионального развития при морфологическом определении пола (развития того или иного типа половых желез) в будущих половых клетках происходит полное демитилирование, так что все метильные маркеры, накопившиеся в родительском поколении, удаляются.

Интересно, что сразу после такого демитилирования процесс метилирования ДНК начинается снова. Это необходимо, так как метилирование – фундаментальный механизм «выключения» определенных генов. Кроме того, благодаря эпигенетической модификации экспрессия некоторых, так называемых импринтинговых, генов может происходить только у родителя, который является их носителем. Такие гены нарушают нормальные законы наследования, согласно которым степень экспрессии генов каждого из родителей должна быть одинакова. Иными словами, гены с одной стороны (часто материнской) выключаются, а гены с другой (отцовской) – работают. Такие изменения экспрессии могут быть адаптивными, так как именно отцовские гены могут способствовать получению плодом всех необходимых ресурсов материнского организма, а материнские – более равномерному распределению генетических ресурсов между матерью и плодом (или несколькими). Таким образом, процесс геномного импринтинга – это эпигенетический механизм, благодаря которому отец гарантирует своему потомству наилучшие условия внутриутробного развития.

В настоящее время ученые сходятся во мнении, что такие химические вещества, как винклозин, воздействуют на последующие поколения путем геноподобного импринтинга. После демитилирования эпигенетические маркеры, связанные с определенными заболеваниями, так же как и полезные импринтинговые гены, вновь метилируются и снова закрепляются в эпигеноме. Подобно маскирующимся под клеточные сигналы чужеродным веществам, некоторые токсины вызывают эпигенетические изменения, которые могут сохраняться в потомстве как минимум до четвертого поколения. Экзогенные химические вещества «взламывают» естественные и необходимые биологические процессы, нанося долговременный ущерб.

Эпигенетика действительно подрывает идеи и определения классической токсикологии. Если вещество вызывает изменения в геноме, которые отражаются на многих поколениях после конкретного воздействия, стоит ли считать этот эффект принадлежащим к сфере токсикологии или лучше рассматривать его как проблему биологии развития или молекулярной генетики? Кроме того, следует ли требовать от компаний-производителей таких веществ, как винклозин или метоксихлор, тестировать безопасность их продукции на многих поколениях потомков?

 

Глава 19

Еще раз о природных ядах

В главе 8 мы уже рассматривали природные яды – вещества, которые некоторые виды используют в своей борьбе за существование. Например, гремучей змее нужен яд, чтобы нейтрализовать грызуна, предназначенного ей на обед. Такие токсины должны вводиться в тело жертвы с помощью иголок, клыков или жала. В других случаях яд сохраняется в теле животного и воздействует на хищника, который съедает или пытается съесть такую ядовитую жертву. Например, ткани рыбы-ежа съедобны, но содержат тетродотоксин, и, чтобы не получить летальную дозу во время обеда, нужны большие предосторожности в процессе приготовления.

В описанных выше случаях токсины не попадают в окружающую среду и достаются тому, кому предназначены. Однако есть другие примеры природных ядов, которые не попадают в эту категорию, так как между производителем токсичной молекулы и ее реципиентом возникает разрыв. Иными словами, эти природные яды могут попадать в среду, сохраняя свою токсичность.

Один из самых известных биологических токсинов, способных попадать в окружающую среду, – урушиол, маслянистое вещество, содержащееся в ядовитом плюще и сумахе. Урушиол при контакте с кожей вызывает аллергическую реакцию, но, что интересно, это вещество не выделяется на поверхности органов растения, а содержится внутри него. Если вы легонько прикоснетесь к неповрежденному листу, с вами ничего не будет. Выделение урушиола происходит только при повреждении органов растения. К несчастью, растения этих видов очень хрупкие, и выделение яда может происходить даже через мельчайшие отверстия, оставленные насекомыми, так что маловероятно, что, проходя мимо, вы столкнетесь с неповрежденным растением.

Когда урушиол выделяется из тканей растения в окружающую среду, его ядовитые свойства, а также значительная устойчивость, становятся очевидны. Урушиол – жирорастворимое вещество, которое практически невозможно просто смыть водой. Кроме того, это очень сильный яд: всего лишь одного нанограмма (одной миллиардной части грамма) достаточно, чтобы вызвать зуд. Однако он не только силен, но еще и удивительно устойчив: известны случаи, когда токсичные свойства сохранялись у урушиола, полученного сотни лет назад. Мертвые части растения – листья, стебли и корни – сохраняют токсичность, так как масло остается активным на любой поверхности, в том числе на мертвых растениях, в течение как минимум пяти лет, а порой во много раз дольше. Маслянистая природа вещества, его высокая токсическая активность и устойчивость создают весьма неприятный токсин. Вторичный контакт (горизонтальная передача яда от растения на мех животного и далее на кожу человека или от растения на одежду, а затем на кожу) с ним не просто возможен, но и происходит очень часто, и нередко наши домашние питомцы приносят токсин со двора в дом, где он оказывается на руках хозяев. Точно так же можно передать урушиол со своей одежды спустя много времени после того, как произошел контакт с его источником. Если же скосить или сжечь ядовитое растение, урушиол может попасть в атмосферу, где продолжает оставаться токсичным. Особенно опасно вдыхание аэрозоля, так как, помимо кожного зуда, урушиол может вызывать раздражение и отек тканей вокруг глаз, а также в глотке и даже легких.

Растения – не единственные организмы, чьи яды могут передаваться через окружающую среду. Разнообразные виды бактерий производят экзотоксины – химические вещества, которые после секреции остаются там, где бактерии уже перестали расти. Обычно это белки, взаимодействующие с клетками хозяина, и в большинстве случаев они оказывают воздействие на ткани, находящиеся далеко от выделившей экзотоксин бактериальной клетки. Многие из них являются причинами болезней, в том числе таких хорошо известных и унесших много жизней на протяжении человеческой истории, как ботулизм, дифтерия и столбняк. Все эти заболевания вызываются не самим бактериями, а именно секретируемыми ими экзотоксинами. Прекрасный пример этого явления – нейротоксины, вырабатываемые бактерией C. botulinum.

Существуют семь различных форм ботулотоксина, одна из которых, ботулотоксин А, является самым токсичным из всех известных на сегодняшний день веществ. Ботулотоксин А присоединяется к пресинаптической мембране нейрона, секретирующего ацетилхолин, мешая этой секреции (см. главу 8). C. botulinum – облигатный анаэроб, то есть эти бактерии растут, размножаются и производят нейротоксины только в анаэробной (лишенной кислорода) среде. Но споры C. botulinum устойчивы к кислороду и высокой температуре. Большинство людей сталкиваются с ботулотоксином при отравлении плохо приготовленными консервированными продуктами, однако цикл развития C. botulinum связан с внешней средой, и для его завершения необходим экзотоксин.

Споры C. botulinum можно обнаружить повсеместно в осадочных отложениях и воде многих водоемов. Одно из условий, способствующих росту бактерий, – стоячая теплая вода с большим количеством нитчатых сине-зеленых водорослей. Масса водорослей постепенно отмирает и начинает разлагаться, создавая небольшие участки анаэробной среды, насыщенной органикой, где C. botulinum может процветать. Начиная расти, бактерии обязательно производят ботулотоксин. Утки и другая водная дичь могут подвергаться воздействию нейротоксина, затем погибают и также начинают разлагаться, становясь инкубаторами для бактерий, производящих еще больше ботулотоксина. Личинки мух и другие насекомые-падальщики, питающиеся разлагающейся плотью, обладают устойчивостью к нейротоксину, однако они становятся переносчиками как самого вещества, так и производящих его бактерий. Птица, питающаяся этими насекомыми, также может погибнуть от отравления, начать разлагаться и стать новым инкубатором для ботулиновых микроорганизмов. Этот жизненный цикл (известный как цикл «труп – личинки») поддерживает сам себя и может приводить к вспышкам ботулизма, уничтожающим большое количество водной дичи.

Урушиол и ботулотоксин – хорошо изученные вещества, воздействующие на известные мишени известным путем. Однако существуют и другие токсины, менее понятные, воздействие которых может носить случайный характер. Возьмем, к примеру, прионы. Прионы – это белки, которые могут быть свернуты по-разному: прион нормальной конфигурации безвреден, а в другой форме может становиться возбудителем заболеваний. Аминокислотная последовательность белка остается одной и той же, однако его трехмерная структура может меняться. Инфекционный прион может воздействовать на нормальные прионные белки, превращая их в болезнетворные, и таким образом происходит его репликация.

При наличии большого количества инфекционных прионов они собираются вместе, образуя фибриллы, и ученые считают, что именно они вызывают заболевания. Прионы – причина целого ряда дегенеративных поражений мозга, включая губчатую энцефалопатию крупного рогатого скота (коровье бешенство), почесуху овец и коз, хроническую энцефалопатию у диких оленьих и синдром Крейтцфельда – Якоба у человека. Прионы – это инфекционные агенты, вещества, занимающее некое промежуточное положение между болезнетворными бактериями и вирусами и токсичными веществами. Инфекционные заболевания вызываются организмами, содержащими генетический материал в форме ДНК или РНК – вирусами, бактериями или грибами. Инфекционные заболевания являются компонентом живых систем, и, если болезнетворный организм удалить из организма хозяина, на этот организм во внешней среде будут действовать определенные биологические ограничения. Многие вирулентные (заразные) вирусы и бактерии не способны выживать без хозяина, и время их существования на коже или какой-то сухой и твердой поверхности весьма непродолжительно.

Инфекционные прионы, напротив, могут реплицироваться без участия ДНК или РНК. Кроме того, их горизонтальная передача от одной особи-хозяина к другой может происходить как биологическим путем, так и через окружающую среду. Биологическая передача у представителей семейства оленей может происходить через жидкости тела. Олени – стадные животные со сложной социальной организацией. Между ними очень часто происходит контакт через слюну, мочу, фекалии или околоплодную жидкость при рождении детенышей. Поэтому прионная инфекция от одного животного может очень легко переноситься на других членов стада.

Передача через окружающую среду также возможна. Описан случай, когда овец пустили на поле, где 16 лет назад паслись овцы, зараженные почесухой, и они также заболели, что свидетельствует о том, что инфекционный агент способен очень долго сохраняться в окружающей среде. Установлено, что прионы могут присоединяться к определенным типам частиц почвы, и даже в таком связанном состоянии оказываются доступны для животных, пасущихся на зараженном пастбище. В отличие от живых организмов, молекулы прионов в среде ведут себя как химические вещества. Так же как урушиол ядовитого плюща или ботулотоксин, они могут долгое время сохраняться в среде независимо от организмов, которые их произвели.

Синдром Крейтцфельда – Якоба – редкое заболевание, поражающее всего одного-двух человек на миллион в год. Большая часть (85 %) этих случаев возникает не в результате горизонтальной передачи от животных или из окружающей среды, а из-за спонтанного преобразования неинфекционных форм приона, которые присутствуют в организме каждого человека. Нарушение структуры прионных белков, порождающее инфекционную форму, чаще всего происходит у людей старше 65 лет и обычно приводит к смерти в течение полугода после появления первых симптомов.

Так называемый новый вариант болезни Крейтцфельда – Якоба, разновидность коровьего бешенства, был впервые отмечен только в 1990-х гг. Считается, что в данном случае человек заболевает при поедании коровьего мяса и субпродуктов, загрязненных тканями головного или спинного мозга больных животных. Хотя это заболевание остается очень редким (в США было зафиксировано всего четыре случая), обнаруженная возможность передачи коровьего бешенства от скота к человеку вызвала беспокойство в отношении надлежащих способов избавления от зараженного скота. В процессе переработки неиспользованного органического материала, остающегося после разделки туш, прионы могут попадать либо в сами продукты, либо в сточные воды. При захоронении зараженных туш прионы также могут попадать в окружающую среду и загрязнять почву и воду.

Живые организмы, вырабатывающие различные природные яды, тратят на это значительные энергетические ресурсы, так что, если яд не обеспечивает очевидных преимуществ в борьбе за существование, его выработка бессмысленна. Учитывая это, токсичные вещества обычно вырабатываются организмами в ограниченных количествах и непостоянно. Прионы переворачивают эту идею с ног на голову, так как возникают случайным образом. Кроме того, они самостоятельно реплицируются, и поэтому кривая зависимости реакции от дозы к ним практически неприменима. Концентрация прионов в нервных тканях зараженного животного обычно увеличивается постоянно даже без поступления новых прионов извне. Однако в то же самое время прионы не ведут себя во внешней среде как природные органические вещества, так как сохраняются очень долго, поэтому воздействие биоактивных прионов через среду – достаточно обычное дело. Таким образом, прионы представляют собой особый класс веществ, которые нельзя отнести ни к живым системам, ни просто к токсичным веществам, поскольку они обладают некоторыми чертами и тех и других.

 

Глава 20

Устойчивость к химикатам

 

Современная токсикология охватывает сферы, которые Парацельс не мог себе и представить. Эпигенетика развенчивает идею о том, что только прямое воздействие способно причинить вред, а такие биологические молекулы, как прионы, демонстрируют, что токсичность не всегда можно описать классической кривой зависимости реакции от дозы. Как можно определить дозу вещества, если это вещество само себя реплицирует? Еще одно явление на «токсикологическом поле» – биологическая реакция на токсичность, или устойчивость. Повсеместное использование химикатов для борьбы с вредителями, как это ни парадоксально, заставило их выработать устойчивость к этим веществам. Если уж брать по максимуму – само развитие устойчивости можно считать самореплицирующимся «загрязнителем». Но прежде чем обсудить этот вопрос, имеет смысл рассмотреть, как образуются устойчивые популяции вредителей.

 

Устойчивость к химикатам и естественный отбор

Пестициды и их функциональные «кузены» – антибиотики – представляют собой химическое оружие, направленное на виды живых организмов, популяции которых мы стремимся контролировать. Хотя химическая война с насекомыми, сорняками и прочими вредными для человека видами организмов идет относительно недавно, с точки зрения эволюции наши вредители уже успели выработать устойчивость, причем на удивление быстро. Устойчивость к пестицидам и антибиотикам – результат естественного отбора, однако эта концепция так обманчиво проста, что может показаться неадекватным объяснением для столь быстрого развития защитных механизмов. Но естественный отбор действительно является очень мощным инструментом создания устойчивости к химикатам.

Идея естественного отбора основана на том, что многие виды живых организмов производят больше потомства, чем способно выжить и размножиться. Как хорошо известно всем, у кого есть сестры или братья, среди потомства генетическая вариабельность весьма велика. Хотя подавляющее большинство генетических различий не влияют на общую приспособленность организмов, некоторые черты могут иметь особое значение. Кроме того, особи, обладающие лучшей общей приспособленностью, обычно производят больше потомства, чем менее приспособленные, хотя размножающиеся. Таким образом, гены, обеспечивающие значительное повышение приспособленности, со временем широко распространяются в популяции.

Отдельные особи внутри вида, чтобы выжить и размножиться, должны преодолевать многочисленные трудности, одна из которых – воздействие химических веществ. Некоторые из подвергшихся воздействию особей могут погибнуть, а другие – выживут. Те, кто сможет найти способ противостоять токсическому воздействию пестицидов или антибиотиков с помощью биотрансформации и других механизмов, с большей вероятностью передадут свои гены следующему поколению.

Виды выработали различные стратегии, гарантирующие, что какая-то часть их потомства и, следовательно, генетического материала выживет и сохранится и, в свою очередь, также даст поколение потомков. Одна из них – так называемая К-стратегия, или экономное размножение, при которой родители вкладывают много энергии в свое потомство, но из-за этого не могут производить его в большом числе. Такой сценарий обычно характерен для организмов с большой продолжительностью жизни и медленной сменой поколений. Человек, естественно, попадает в эту категорию, как и многие знакомые нам млекопитающие – домашние (коровы, лошади, собаки и кошки) и дикие (киты, олени, львы, тигры и медведи).

Альтернативой этому варианту служит так называемая r-стратегия, или избыточное размножение, при котором родители производят многочисленное потомство, но вкладывают в каждого потомка относительно мало. Энергия тратится преимущественно на то, чтобы произвести на свет как можно больше новых организмов, так как большая их часть не достигнет зрелости. Представьте себе количество семян, которое созревает в одном одуванчике, или количество мышат, которые рождаются у одной пары мышей за год. Виды, придерживающиеся r-стратегии, обладают рядом общих свойств, в том числе способностью быстро реагировать на изменения среды.

Различия в репродуктивной стратегии очень важны, так как помогают нам понять, как развивается устойчивость к химикатам. При прочих равных условиях чем быстрее у вида происходит смена поколений, тем быстрее идет процесс эволюции. Чем более выражена у вида r-стратегия, тем более вероятно, что его представители вовремя выработают устойчивость. К несчастью, именно те виды, которые являются мишенями химического контроля – например, грызуны, комары, тля, жуки-точильщики и долгоносики, бактерии – очень часто оказываются видами, быстрее всего вырабатывающими устойчивость к химикатам.

 

Насекомые и пестициды

Сельское хозяйство, один из столпов цивилизации, – это цикл культивирования и роста, завершающийся поеданием человеком того, что он вырастил. Но у нашего урожая есть и другие потребители, которым он весьма по душе. Из-за вредителей мы теряем от 10 до 40 % выращиваемого растительного пищевого сырья. Его потребляют грибы и грызуны, но наибольший урон сельскому хозяйству наносят насекомые.

Бороться с насекомыми-вредителями с помощью химических средств пытаются уже не один век, но благодаря достижениям последнего столетия между человеком и насекомыми разгорелась настоящая гонка вооружений. И пока нельзя сказать, что насекомые проигрывают, потому что за это время более чем у 500 видов выработалась устойчивость к одному или более пестицидам.

Устойчивость насекомых к пестицидам отчасти вызвана способом применения химических веществ. Давайте рассмотрим девственное поле, где еще ни разу не распыляли пестициды. Первое использование убивает значительную часть чувствительных к пестицидам насекомых, и благодаря этому урожай повышается. Увеличивая количество пестицидов, можно убивать больше насекомых, и урожай продолжит увеличиваться. Однако зависимость не линейна, так как в определенной точке дальнейшее увеличение количества применяемых пестицидов начинает давать лишь незначительный прирост урожая. На этом этапе дальновидный фермер перестает использовать пестициды, потому что затраты становятся неоправданными.

Пестициды убивают в первую очередь тех особей, которые более чувствительны к ним, а выживают, по логике вещей, те, у которых есть генетические предпосылки для устойчивости. Если в определенном регионе все чувствительные к яду особи исключаются из популяции, более устойчивые особи скрещиваются друг с другом и увеличивают свою численность, изменяя генофонд популяции. Именно по этой причине так важно наличие в сельскохозяйственных регионах природных буферных зон и прочих некультивируемых ландшафтов, которые позволяют вредителям, чувствительным к ядам, размножаться и сохранять свои гены. Так что, как это ни парадоксально, эффективный метод контроля популяций вредителей обеспечивает сохранение в их генофонде генов, обеспечивающих особям чувствительность к химикатам. Если эти гены удаляются из общего пула, то остаются только те, что обеспечивают устойчивость, и вся популяция, к великому огорчению фермера, становится устойчива к пестицидам.

Пестициды подчиняются правилам абсорбции, описанным в главах 4 и 5. Токсичные молекулы движутся к рецептору, пытаясь соединиться с ним, а клеточные механизмы защиты стараются предотвратить это событие. Существует как минимум два основных способа, которые использует для этого клетка, и развитие устойчивости к пестицидам у насекомых может быть связано с обоими. Первая стратегия – изменить рецептор так, чтобы токсичное вещество не могло с ним связаться. Вторая – задействовать внутриклеточные белки так, чтобы превратить пестицид в относительно безопасный метаболит или же снизить чувствительность к нему ткани-мишени.

При любом механизме, по которому идет отбор, развитие устойчивости продолжает давать неожиданные результаты. Например, ученые предполагали, что изменения в физиологии и молекулярной биологии насекомых, обеспечивающие выживаемость особей, должны быть эфемерны, так как селективное преимущество реализуется только при наличии конфронтации с пестицидами. Так действительно бывает часто, но не всегда. Например, у австралийской овечьей мухи (Lucilla cuprina) гены, обеспечивающие устойчивость к малатиону, были обнаружены даже у мух, пойманных до начала применения этого инсектицида, но при этом генов устойчивости к диазинону (другому фосфорорганическому пестициду) обнаружено не было. Возможно, эти мутации дают мухам другие преимущества, однако если генетические предпосылки устойчивости к пестицидам присутствуют у мух даже при отсутствии пестицидов и передаются последующим поколениям, значит, эта мутация не оказывается для насекомых невыгодной в энергетическом смысле.

 

Антибиотики и бактерии

Антибиотик – это лекарство, которое убивает микроорганизмы или подавляет их рост, в то же время не являясь летальным для человека или других животных. Исторически различали две группы антибактериальных средств: синтезируемые лабораторно (например, первые поступившие в продажу сульфамидные препараты) и производимые живыми организмами (например, пенициллин). Сегодня большинство антибиотиков – это производные природных веществ, которые были выделены в чистом виде и сейчас синтезируются промышленно, поэтому граница между природными и искусственными антибиотиками фактически стерлась.

Антибиотики произвели революцию в медицине, так как с их помощью удается контролировать многие инфекционные заболевания. Во время Гражданской войны в США более 70 из каждой тысячи солдат умирали от инфекций. Примерно через 80 лет, во время Второй мировой, уровень смертности от инфекционных заболеваний снизился до менее 1 на 1000. Это исключительное повышение выживаемости во многом объяснялось именно началом широкого применения пенициллина и других антибиотиков.

История пенициллина очень интересна. Его антибактериальные свойства были впервые открыты случайно Александром Флемингом в 1928 г. До 1941 г. к пенициллину относились как к любопытной научной новинке, пока целая сеть лабораторий в США не объединили усилия по исследованиям возможностей его производства. В течение пяти лет производство пенициллина прошло путь от грубой лабораторной методики, дававшей очень низкий выход продукта, до серийного выпуска путем ферментации с применением индустриальных технологий. До 1941 г. в лабораториях получали лишь очень малое количество плохо очищенного пенициллина; к концу Второй мировой войны объем производства вырос до 4 млн стерильных упаковок в месяц.

Уже тогда, когда антибиотики только начинали широко применяться, устойчивость микроорганизмов не сильно отставала от достижений медицины. При долговременном (более 10 дней) использовании какого-то одного антибиотика у бактерий успевал произойти отбор на устойчивость не только к этому, но и к похожим препаратам. Но даже без долговременного применения устойчивость в больничных условиях вырабатывалась в достаточно короткие сроки. Например, в 1930-е гг. в военных госпиталях стали появляться устойчивые к сульфамидам штаммы бактерий, а в гражданских больницах Лондона в 1940-е гг. обнаружился устойчивый к пенициллину стафилококк. Именно быстрая выработка бактериями устойчивости стала одной из движущих сил для изобретения новых антибиотиков. В 1959 г. в ответ на устойчивость бактерий к пенициллину появился метициллин. Ванкомицин, антибиотик с возможным токсичным побочным действием, впервые появился в продаже в 1958 г., но наиболее широко начал применяться в 1980-е гг., после появления устойчивого к метициллину Staphylococcus aureus и устойчивого к пенициллину Streptococcus pneumoniae. Бактерии вырабатывают устойчивость с поразительной скоростью. Так, например, когда в начале 1950-х гг. в качестве альтернативы пенициллину стал применяться эритромицин, менее чем через год от него пришлось отказаться из-за выработки S. aureus очень сильной устойчивости к нему.

Способность бактерий вырабатывать устойчивость к антибиотикам не ограничивается больницами и прочими медицинскими учреждениями, так как антибактериальные средства находят все более широкое применение и в других сферах. Точное количество антимикробных препаратов, используемое в мировом животноводстве для лечения и стимулирования роста скота, неизвестно, поскольку подобная статистика ведется всего в нескольких странах мира. Тем не менее, по оценкам ВОЗ, по крайней мере половина антибиотиков, производимых в мире, используется не в человеческой медицине, а в сельском хозяйстве. Учитывая условия промышленного животноводства, где тысячи животных вынуждены существовать в ограниченном пространстве, добавление антибиотиков в корма очень быстро порождает устойчивость кишечных микроорганизмов скота и тех бактерий, которые обитают в стоках с ферм. К примеру, от начала применения тетрациклина на птицефабриках до обнаружения в экскрементах птиц кишечных бактерий с устойчивостью к целому ряду антибиотиков проходит лишь несколько недель.

Скорость развития устойчивости к антибиотику зависит от плотности его применения – то есть от количества препарата, существующего в данном географическом регионе. Как уже отмечалось, список возглавляют больницы, где скорость выработки микроорганизмами устойчивости к антимикробным лекарствам просто умопомрачительна. Антибиотики обычно устойчивы к биотрансформации и могут сохраняться в среде долгое время после того, как были выведены из организма человека или животного, которые его принимали. Поэтому антибиотики обнаруживаются в сточных водах и там, где осадки из стоков и навоз животных используются для удобрения.

 

Бактериальные плазмиды как загрязнители?

При воздействии антибиотиков бактерии, так же как насекомые, могут вырабатывать устойчивость путем случайных генетических мутаций. Один из примеров – возбудитель туберкулеза (Mycobacterium tuberculosis), у которого очень сильная устойчивость, причем самые устойчивые штаммы развились исключительно путем спонтанных мутаций. Однако в отличие от насекомых у бактерий также существует процесс горизонтального переноса генов, при котором участки нового генетического материала встраиваются в другие бактериальные клетки, которые могут размножаться бесполым путем с помощью деления. Благодаря горизонтальному переносу генов бактерии обладают гораздо большей способностью к рекомбинации генетического материала, чем насекомые или любые другие многоклеточные организмы. Самая распространенная форма горизонтального переноса для развития устойчивости – перенос плазмид, маленьких кольцевых молекул ДНК. При этом ДНК, полученная извне, может рекомбинировать с ДНК хозяина или оставаться внутри клетки в качестве функциональной плазмиды.

Когда определенная бактерия начинает вырабатывать устойчивость к антибиотику, помимо спонтанных мутаций, могут происходить и другие события, что в конечном итоге приводит к развитию устойчивости к разным препаратам. При хроническом воздействии гены устойчивости к антибиотикам, которые присутствовали у бактерий во внешней среде, упаковываются в плазмиды, которые могут быть переданы человеческим патогенам. Подобно самореплицирующимся белкам-прионам (см. главу 19), плазмиды являются самыми вездесущими загрязнителями, связанными с устойчивыми к антибиотикам бактериями. Плазмиды способны к саморепликации (через встраивание в бактериальную клетку) и перемещениям на большие расстояния и с трудом исчезают из популяции бактерий, даже если в среде не остается никаких антибактериальных агентов.

Так же как и у насекомых, у бактерий происхождение генов устойчивости к антибиотикам не связано напрямую с их воздействием. Единственная коллекция бактерий, которая сохранилась с доантибиотической (до 1954 г.) эры, – это коллекция энтеробактерий Мюррея. Устойчивость к антибиотикам у этих образцов минимальна, что подтверждает тот факт, что она существовала до начала широкого применения антибиотиков, но также и то, что случаи их воздействия были крайне редкими. Устойчивость к антибиотикам была также обнаружена у бактерий, собранных в удаленных уголках планеты, где присутствие антибиотиков маловероятно. Например, в образцах, собранных из осадочных пород в двух разных местах на глубине 170 м и 259 м под поверхностью земли, было обнаружено более 150 различных штаммов бактерий, 90 % которых обладали устойчивостью хотя бы к одному антибиотику.

Преобладание устойчивых к антибиотикам генов, прямо связанных с человеком, раскрывает несколько иную историю, чем сохранение устойчивости в образцах из внешней среды. Этот вывод был сделан на основании оценки наличия устойчивости к антибиотикам у бактерий из человеческих популяций, проживающих в достаточно изолированной среде, например в горных деревнях Непала и Боливии. Несмотря на то что добраться до этих деревень можно только пешком за много часов, кишечные бактерии-комменсалы у местного населения проявляют устойчивость к наиболее старым из известных антибиотиков, в частности тетрациклину, пенициллину и ампициллину. Еще более важно то, что, несмотря на удаленность деревень, местные бактерии по устойчивости ближе всего к бактериям самых близких к деревням городских районов вне зависимости от расстояния до них. Самое простое объяснение этому – случающиеся время от времени контакты между жителями деревень и наиболее близких к ним городов, благодаря которым происходит распространение генов устойчивости и несущих их бактерий.

В свете распространения устойчивости к антибиотикам наибольшую тревогу вызывает судьба и транспорт плазмид, содержащих соответствующие гены. Антропогенные химические вещества (антибиотики) привели к широкому распространению биологических агентов (плазмид), которые способны перемещаться в окружающей среде (с бактериальными клетками или самостоятельно) на большие расстояния, попадая таким образом в самые отдаленные уголки, где могут причинять ущерб. Естественно, ученые опасаются, что эти гены могут попадать в клетки подходящих патогенных микроорганизмов и создавать у них устойчивость к антибиотикам даже там, где они ранее не применялись. Переносящие гены устойчивости плазмиды – это не химические вещества, но и не инфекционные агенты, подобные прионам. Так что плазмиды являются еще одним примером того, насколько расширились границы и предмет токсикологии со времен Парацельса и его простой зависимости реакции от дозы.

 

Послесловие

Выходя за рамки токсикологии

Обозревая огромное поле дисциплин, связанных с токсикологией, я часто ловлю себя на мысли: почему никто не рассказал мне о некоторых важных моментах раньше? Например, для меня не было сразу очевидно, что транспортные белки и металлотионеины не всегда могут отличить одни металлы от других из той же группы периодической системы. Я понял это лишь через некоторое время. Точно так же я долго мучился с идеями липофильности и биотрансформации и только потом понял их фундаментальную роль в токсикологии. В этой книге я стремился вывести эти понятия на первый план, чтобы они сразу стали доступны не только ученым и студентам, но и интересующимся людям из других сфер деятельности.

Я надеюсь, что, прочитав эту книгу, вы разобрались в основах токсикологии и в самых насущных проблемах, связанных сегодня с химическими веществами. Однако я осознаю, что токсикология – сложная наука, все более расширяющая свои границы с появлением новых веществ и открытием токсических реакций, незаметных сразу. И, как и в любом приличном научном исследовании, многие из вопросов, которые я пытался осветить, распадались на целый ряд подвопросов.

Возьмем, к примеру, главу о частицах. Самые мелкие из упомянутых мной – фракция PM2,5, то есть частицы размером 2,5 мкм и меньше. Естественно, это упрощение, так как этот класс частиц можно делить и дальше на большее количество фракций, среди которых будут, в частности, наночастицы – размером от 1 до 100 нм. В последнее время наночастицам, которые входят, например, в состав некоторых солнцезащитных средств, уделяется много внимания, но необходимо понимать, что существуют и природные частицы такого размера, в том числе ультратонкие частицы в атмосфере или коллоиды в воде. Они в каком-то смысле находятся между мирами, разделяя общие свойства как с атомами и простейшими химическими веществами, так и с более крупными частицами микронного размера. Последние достижения в области синтеза наночастиц в форме фуллеренов или нанотрубок могут произвести революцию в способах введения лекарственных препаратов, но весьма вероятно, что и с этим окажутся связаны новые токсикологические проблемы.

Вот еще пример: возьмем главу 16, посвященную лекарствам и средствам личной гигиены. Хотя я и упоминал о том, что в окружающей среде в настоящее время повсеместно обнаруживаются смеси антропогенных химических веществ, эта книга, как и большинство других книг по токсикологии, в первую очередь рассматривает отдельные вещества и их влияние на людей и другие живые организмы. Но даже при поверхностном знакомстве с токсикологией становится понятно, что смеси имеют важное значение, и зачастую их воздействие может оказаться совершенно неожиданным. Существует большой объем литературы, показывающей, что сочетание алкоголизма с хроническим табакокурением вредит человеку гораздо больше, чем курение или алкоголизм по отдельности. Точно так же сочетание алкоголя с некоторыми лекарствами – например, ацетаминофеном, – влияет на метаболические пути биотрансформации, приводя к накоплению токсичных промежуточных продуктов метаболизма. Хотя смеси химических веществ в природе могут находиться в очень малых, относительно безвредных концентрациях, было бы наивно предполагать, что низкая концентрация и природная биотрансформация смогут избавить нас от всех потенциальных проблем, связанных с этими смесями.

И вот вам, наконец, слон в посудной лавке: глобальное изменение климата. Этот процесс способен усугубить явления, связанные с токсичными веществами. Во многих регионах мира интервалы между природными катастрофами (например, наводнениями) могут уменьшаться, а их сила – увеличиваться. Из-за этого динамика транспорта загрязнителей, попадающих в окружающую среду с водонепроницаемых поверхностей (дорог, крыш), полигонов очистных сооружений или сельскохозяйственных угодий, скорее всего, будет меняться в зависимости от частоты и интенсивности ливней и других явлений. Климатические изменения также, вероятно, повлияют на процессы глобальной дистилляции. Какую роль может играть изменение температуры воды в мировом океане в процессах транспорта веществ из воды в атмосферу и обратно? Это пока неясно, но суть в том, что изменения климата обязательно будут влиять на судьбу и транспорт токсичных веществ в окружающей среде, и возможно, совершенно непредвиденным образом.

«Пока неясно» – обычная фраза для токсикологии, особенно в вопросах, касающихся токсичных веществ – загрязнителей – в окружающей среде. Это очень быстро меняющаяся сфера, в которой новые исследования и открытия появляются постоянно. Очевидно одно: человек никак не может существовать отдельно от химической среды, которую сам же и создает. На Земле нет места, которое было бы достаточно далеким и безопасным, когда речь идет о загрязнении нежелательными химическими веществами, будь то медицинские препараты или побочные продукты различных отраслей промышленности.

По мере продолжения изучения воздействия распространяющихся по Земному шару химикатов обязательно будут возникать все новые и новые вопросы. И для их решения потребуется участие не только токсикологов, но и специалистов многих других областей знаний, от экологии до политики. Кроме того, эти вопросы должны интересовать всех, кто заботится о собственном здоровье и здоровье будущих поколений. Если эта книга привлечет внимание читателей или, еще лучше, заставит их задавать собственные вопросы, значит, мне удалось достичь своей цели.

 

Литература

 

Книги

Carson, Rachel. Silent Spring. New York: Houghton Mifflin Company, 1961. На русском языке: Карсон, Р. Безмолвная весна. – М.: Прогресс, 1965.

Colborn, T., D. Dumanoski, and J. P. Myers. Our Stolen Future: Are We Threatening Our Fertility, Intelligence, and Survival? A Scientific Detective Story. New York: Penguin Books, 1997.

Emsley, J. The Elements of Murder. Oxford, UK: Oxford University Press, 2005.

Kean, S. The Disappearing Spoon: And Other True Tales of Madness, Love, and the History of the World from the Periodic Table of the Elements. New York: Hachette Book Group, 2010. На русском языке: Кин С. Исчезающая ложка, или Удивительные истории из жизни периодической таблицы Менделеева. – М.: Эксмо, 2015.

Klaassen, C. D. Toxicology: The Basic Science of Poisons. 8th ed. New York: McGraw-Hill, 2013.

Mukherjee, S. The Emperor of All Maladies. New York: Simon and Schuster, 2010.

Randall, D., W. Burggren, and K. French. Eckert Animal Physiology: Mechanisms and Adaptations. New York: W. H. Freeman, 2001.

Stelljes, M. E. Toxicology for Non-Toxicologists. Rockville, MD: ABS Group, 2000.

Weston, A., and C. C. Harris. "Chemical Carcinogenesis." In Cancer Medicine, 8th ed., edited by W. K. Hong, R. C. Bast Jr., W. N. Hait, D. W. Kufe, R. E. Pollock, R. R. Weichselbaum, J. F. Holland, and E. Frei III. Shelton, CT: People's Medical Publishing House, 2009.

 

Статьи

Глава 1. Все зависит от дозы

Dorne, J. L., and A. G. Renwick. "The Refinement of Uncertainty / Safety Factors in Risk Assessment by the Incorporation of Data on Toxicokinetic Variability in Humans. Toxicological Sciences 86 (2005): 20–26.

Jager, T. "Bad Habits Die Hard: The NOEC's Persistence Reflects Poorly on Ecotoxicology." Environmental Toxicology and Chemistry 31 (2012): 228–29.

Landis, W. G., and Chapman, P. M. "Well Past Time to Stop Using NOELs and LOELs." Integrated Environmental Assessment and Management 7 (2011): vi – viii.

Глава 3. Человек как животное

Adkins, R. M., E. L. Gelke, D. Rowe, and R. L. Honeycutt. «Molecular Phylogeny and Divergence Time Estimates for Major Rodent Groups: Evidence for Multiple Genes.» Molecular Biology and Evolution 18 (2001): 777–91.

Andrews, P. L. R. "Laboratory Invertebrates: Only Spineless, or Spineless and Painless?" ILAR Journal 52 (2011): 121–25.

Berman, H. M., L. F. Ten Eyck, D. S. Goodsell, N. M. Haste, A. Kornev, and S. S. Taylor. "The cAMP Binding Domain: An Ancient Signaling Module." Proceedings of the National Academy of Sciences USA 102 (2005): 45–50.

Beyer, L. A., B. D. Beck, and T. A. Lewandowski. "Historical Perspective on the Use of Animal Bioassays to Predict Carcinogenicity: Evolution in Design and Recognition of Utility." Critical Reviews in Toxicology 41 (2011): 321–28.

Cohen, S. M., L. L. Arnold, M. Cano, M. Ito, E. M. Garland, and R. A. Shaw. "Calcium Phosphate-Containing Precipitate and the Carcinogenicity of Sodium Salts in Rats." Carcinogenesis 21 (2000): 783–92.

Gold, L. S., T. H. Slone, N. B. Manley, and L. Bernstein. "Target Organs in Chronic Bioassays of 533 Chemical Carcinogens." Environmental Health Perspectives 93 (1991): 233–46.

Gold, L. S., L. Bernstein, R. Magaw, and T. H. Slone. "Interspecies Extrapolation in Carcinogenesis: Prediction between Rats and Mice." Environmental Health Perspectives 81 (1989): 211–219.

Harvey-Clark, C. "IACUC Challenges in Invertebrate Research." ILAR Journal 52 (2011): 213–20.

Hurst, L. D., and N. G. Smith. "Do Essential Genes Evolve Slowly?" Current Biology 9 (1999): 747–50.

Jordan, I. K., I. B. Rogozin, Y. I. Wolf, and E. V. Koonin. "Essential Genes Are More Evolutionarily Conserved than Are Nonessential Genes in Bacteria." Genome Research 12 (2002): 962–68.

Kawakami, T., R. Ishimura, K. Nohara, K. Takeda, C. Tohyama, and S. Ohsako. "Differential Susceptibilities of Holtzman and Sprague-Dawley Rats to Fetal Death and Placental Dysfunction Induced by 2,3,7,8-teterachlorodibenzo-p-dioxin (TCDD) despite the Identical Primary Structure of the Aryl Hydrocarbon Receptor." Toxicology and Applied Pharmacology 212 (2006): 224–36.

Mather, J. A. "Philosophical Background of Attitudes toward the Treatment of Invertebrates." ILAR Journal 52 (2011): 205–12.

Putz, O., C. B. Schwartz, S. Kim, G. A. LeBlanc, R. L. Cooper, and G. S. Prins. "Neonatal Low– and High-Dose Exposure to Estradiol Benzoate in the Male Rat: I. Effects on the Prostate Gland." Biology of Reproduction 65 (2001): 1496–505.

Putz, O., C. B. Schwartz, G. A. LeBlanc, R. L. Cooper, and G. S. Prins. "Neonatal Low– and High-Dose Exposure to Estradiol Benzoate in the Male Rat: II. Effects on Male Puberty and the Reproductive Tract." Biology of Reproduction 65 (2001): 1506–17.

Rand-Weaver, M., L. Margiotta-Casaluci, A. Patel, G. H. Panter, S. F. Owen, and J. P. Sumpter. "The Read-Across Hypothesis and Environmental Risk Assessment of Pharmaceuticals." Environmental Science and Technology 47 (2013): 11 384–95.

Rinaldi, J., J. Wu, J. Yang, C. Y. Ralston, B. Sankaran, S. Moreno, and S. S. Taylor. "Structure of Yeast Regulatory Subunit: A Glimpse into the Evolution of PKA Signaling." Structure 18 (2010): 1471–82.

Rothen, D., S. Baran, and M. Perret-Gentil. "Are Zebrafish the New Mice?" ALN magazine (2014).

Vargo-Gogola, T., and J. M. Rosen. "Modeling Breast Cancer: One Size Does Not Fit All." Nature Reviews Cancer 7 (2007): 659–72.

Глава 5. Защита организма

Abbott, N. J. «Blood – Brain Barrier Structure and Function and the Challenges for CNS Drug Delivery.» Journal of Inherited Metabolic Disease 36 (2013): 437–49.

Pardridge, W. M. "Drug Delivery to the Brain." Journal of Cerebral Blood Flow and Metabolism 17 (1997): 713–31.

Patel, M. M., B. R. Goyal, S. V. Bhadada, J. S. Bhatt, and A. F. Amin. "Getting into the Brain." CNS Drugs 23 (2009): 35–58.

Глава 7. Частицы-путешественницы

Blackwell, B. R., K. J. Wooten, M. D. Buser, B. J. Johnson, G. P. Cobb, and P. N. Smith. «Occurrence and Characterization of Steroid Growth Promoters Associated with Particulate Matter Originating from Beef Cattle Feedyards.» Environmental Science and Technology 49 (2015): 8796–803.

Hamra, G. B., N. Guha, A. Cohen, F. Laden, O. Raaschou-Nielsen, J. M. Samet, P. Vineis, et al. "Outdoor Particulate Matter Exposure and Lung Cancer: A Systematic Review and Meta-Analysis." Environmental Health Perspectives 122 (2014): 906–11. doi:10.1289 / ehp.1408092.

Jonker, M. T. O., and L. van Mourik. "Exceptionally Strong Sorption of Infochemicals to Activated Carbon Reduces Their Bioavailability to Fish." Environmental Toxicology and Chemistry 33 (2014): 493–99.

Liu, L., B. Urch, R. Poon, M. Szyszkowicz, M. Speck, D. R. Gold, A. J. Wheeler, et al. "Effects of Ambient Coarse, Fine, and Ultrafine Particles and Their Biological Constituents on Systemic Biomarkers: A Controlled Human Exposure Study." Environmental Health Perspectives 123 (2015): 534–40. doi:10.1289/ehp.1408387.

McEachran, A. D., B. R. Blackwell, J. D. Hanson, K. J. Wooten, G. D. Mayer, S. B. Cox, and P. N. Smith. "Antibiotics, Bacteria, and Antibiotic Resistance Genes: Aerial Transport from Cattle Feed Yards via Particulate Matter." Environmental Health Perspectives 123 (2015): 337–43. doi:10.1289/ehp.1408555.

Sandstrom, T., and B. Forsberg. "Desert Dust: An Unrecognized Source of Dangerous Air Pollution?" Epidemiology 19 (2008): 808–9.

Valavanidis, A., K. Fiotakis, and T. Vlachogianni. "Airborne Particulate Matter and Human Health: Toxicological Assessment and Importance of Size and Composition of Particles for Oxidative Carcinogenic Mechanisms." Journal of Environmental Science and Health Part C: Environmental Carcinogenesis Ecotoxicology Reviews 26 (2008): 339–62. doi:10.1080/10590500802494538.

Vignati, D. A., T. Dworak, B. Ferrari, B. Koukal, J. L. Loizeau, M. Minouflet, M. I. Camusso, S. Polesello, and J. Dominik. "Assessment of the Geochemical Role of Colloids and Their Impact on Contaminant Toxicity in Freshwaters: An Example from the Lambro-Po System (Italy)." Environmental Science and Technology 39 (2005): 489–97.

Von Essen, S. G., and B. W. Auvermann. "Health Effects from Breathing Air Near CAFOs for Feeder Cattle or Hogs." Journal of Agromedicine 10 (2005): 55–64.

Глава 8. Природные яды: растительные и животные токсины

Fry, B. G. «From Genome to 'Venome': Molecular Origin and Evolution of the Snake Venom Proteome Inferred from Phylogenetic Analysis of Toxin Sequences and Related Body Proteins.» Genome Research 15 (2005): 403–20.

Глава 9. Металлы: дар и проклятие

Clarkson, T. W. «The Three Modern Faces of Mercury.» Environmental Health Perspectives 110 (2002): 11–23.

Diamond, G. L., P. E. Goodrum, S. P. Felter, and W. L. Ruoff. "Gastrointestinal Absorption of Metals." Drug and Chemical Toxicology 21 (1998): 223–51.

Hakim, J. "The Story of the Atom." American Federation of Teachers (2002): 12–25.

Le, T. T., W. J. Peijnenburg, A. J. Hendriks, and M. G. Vijver. "Predicting Effects of Cations on Copper Toxicity to Lettuce (Lactuca sativa) by the Biotic Ligand Model." Environmental Toxicology and Chemistry 31 (2012): 355–59.

Lessler, M. A. "Lead and Lead Poisoning from Antiquity to Modern Times." Ohio Journal of Science 88 (1988): 78–84.

Nicole, W. "Evolutionary Selection for Arsenic Resistance: The Case of the Atacamenos of the Andes Highlands." Environmental Health Perspectives 121 (2013): A31.

Niyogi, S., and C. H. Wood. "Biotic Ligand Model, a Flexible Tool for Developing Site-Specific Water Quality Guidelines for Metals." Environmental Science and Technology 38 (2004): 6177–92.

Paquin, P. R., J. W. Gorsuch, S. Apte, G. E. Batley, K. C. Bowles, P. G. C. Campbell, C. G. Delos, et al. "The Biotic Ligand Model: A Historical Overview." Comparative Biochemistry and Physiology Part C 133 (2002): 3–35.

Przygoda, G., J. Feldmann, and W. Cullen. "The Arsenic Eaters of Styria: A Different Picture of People Who Were Chronically Exposed to Arsenic." Applied Organometallic Chemistry 15 (2001): 457–62.

Глава 10. Горение

Ashby, J., and D. Paton. «The Influence of Chemical Structure on the Extent and Sites of Carcinogenesis for 522 Rodent Carcinogens and 55 Different Human Carcinogen Exposures.» Mutation Research 286 (1993): 3–74.

Creton, S., M. J. Aardema, P. L. Carmichael, J. S. Harvey, F. L. Martin, R. F. Newbold, M. R. O'Donovan, et al. "Cell Transformation Assays for Prediction of Carcinogenic Potential: State of the Science and Future Research Needs." Mutagenesis 27 (2012): 93–101.

DeVita, V. T. Jr., and E. Chu. "A History of Cancer Chemotherapy." Cancer Research 68 (2008): 8643–53.

Melicow, M. M. "Percivall Pott (1712–1788): 200th Anniversary of First Report of Occupation-Induced Cancer of Scrotum in Chimney Sweepers (1775)." Urology 6 (1975): 745–49.

Miller, E. C. "Some Current Perspectives on Chemical Carcinogenesis in Humans and Experimental Animals: Presidential Address." Cancer Research 38 (1978): 1479–96.

Miller, J. A. "Carcinogenesis by Chemicals: An Overview – G. H. A. Clowes Memorial Lecture." Cancer Research 30 (1970): 559–76.

Triolo, V. A., and I. L. Riegel. "The American Association for Cancer Research, 1907–1940. Historical Review." Cancer Research 21 (1961): 137–67.

Глава 11. Лекарства, наркотики и токсикология зависимости

Blum, K., J. G. Cull, E. R. Braverman, and D. E. Comings. «Reward Deficiency Syndrome.» American Scientist 84 (1996): 132–45.

Blum, K., A. L. C. Chen, J. Giordano, J. Borsten, T. J. H. Chen, M. Hauser, T. Simpatico, J. Femino, E. R. Braverman, and D. Barh. "The Addictive Brain: All Roads Lead to Dopamine." Journal of Psychoactive Drugs 44 (2012): 134–43.

De Pasquale, A. "Pharmacognosy: The Oldest Modern Science." Journal of Ethnopharmacology 11 (1984): 1–16.

Glander, K. E. "Nonhuman Primate Self-Medication with Wild Plants." Chap. 12 in Eating on the Wild Side: The Pharmacologic, Ecologic, and Social Implications of Using Noncultigens. Tucson, AZ: University of Arizona Press, 1994.

Hardy, K., S. Buckley, M. J. Collins, A. Estalrrich, D. Brothwell, L. Copeland, A. Garcнa-Tabernero, et al. "Neanderthal Medics? Evidence for Food, Cooking, and Medicinal Plants Entrapped in Dental Calculus." Naturwissenschaften 99 (2012): 617–26. doi:10.1007 / s00114-012-0942-0. Epub 2012 Jul 18.

Huffman, M. A. "Current Evidence for Self-Medication in Primates: A Multidisciplinary Perspective." Yearbook of the Journal of Physical Anthropology 40 (1997): 171–200.

Jones, A. W. "Early Drug Discovery and the Rise of Pharmaceutical Chemistry." Drug Testing and Analysis 3 (2011): 337–44.

Nichols, D. E. "Hallucinogens." Pharmacology and Therapeutics 101 (2004): 131–81.

Quaglio, G., A. Fornasiero, P. Mezzelani, S. Morechini, F. Lugoboni, and A. Lechi. "Anabolic Steroids: Dependence and Complications of Chronic Use." Internal and Emergency Medicine 4 (2009): 289–96.

Sullivan, R. J., and E. H. Hagen. "Psychotropic Substance-Seeking: Evolutionary Pathology or Adaptation?" Addiction 97 (2002): 389–400.

Tan, R. S., and M. C. Scally. "Anabolic Steroid-Induced Hypogonadism: Towards a Unified Hypothesis of Anabolic Steroid Action." Medical Hypotheses 72 (2009): 723–28.

Westermeyer, J. "The Pursuit of Intoxication: Our 100-Century-Old Romance with Psychoactive Substances." American Journal of Drug and Alcohol Abuse 14 (1988): 175–87.

Wood, R. I. "Reinforcing Aspects of Androgens." Physiology and Behavior 83 (2004): 279–89.

Глава 12. 70 000 лет пестицидов

Bouwman, H., H. van den Berg, and H. Kylin. «DDT and Malaria Prevention: Addressing the Paradox.» Environmental Health Perspectives 119 (2011): 744–47.

Dunlap, T. R. "Science as a Guide in Regulating Technology: The Case of DDT in the United States." Social Studies of Science 8 (1978): 265–85.

McWilliams, J. E. "'The Horizon Opened Up Very Greatly': Leland O. Howard and the Transition to Chemical Insecticides in the United States, 1894–1927." Agricultural History 82 (2008): 468–95.

O'Shaughnessy, P. T. (2008) "Parachuting Cats and Crushed Eggs: The Controversy over the Use of DDT to Control Malaria." American Journal of Public Health 98: 1940–48.

Smith, A. E., and D. M. Secoy. "Forerunners of Pesticides in Classical Greece and Rome." Journal of Agricultural and Food Chemistry 23 (1975): 1050–55.

Глава 13. История регуляторных мер

Botting, J. «The History of Thalidomide.» Drug News & Perspectives 15 (2002): 604–11.

Gaughan, A. "Harvey Wiley, Theodore Roosevelt, and the Federal Regulation of Food and Drugs." Студенческая работа, Harvard Law School, 2004.

Herbst, A. L., D. C. Poskanzer, S. J. Robboy, L. Friedlander, and R. E. Scully. "Prenatal Exposure to Stilbestrol: A Prospective Comparison of Exposed Female Offspring with Unexposed Controls." New England Journal of Medicine 292 (1975): 334–39.

Herbst, A. L., H. Ulfelder, and D. C. Poskanzer. "Adenocarcinoma of the Vagina." New England Journal of Medicine 284 (1971): 878–81.

Janssen, W. F. "The Story of the Laws behind the Labels." FDA Consumer. US Food and Drug Administration, 1981.

Klimko, K. "FDA's Contradictory Decisions Related to the Delaney Clause." Студенческая работа, Harvard Law School, 2011.

Neltner, T. G., N. R. Kulkarni, H. M. Alger, M. V. Maffini, E. D. Bongard, N. D. Fortin, and E. D. Olson. "Navigating the U. S. Food Additive Regulatory Program." Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety 10 (2011): 342–68.

Nicole, W. "Secret Ingredients: Who Knows What's in Your Food?" Environmental Health Perspectives 121 (2013): A126–33.

Quinn, R. "Rethinking Antibiotic Research and Development: World War II and the Penicillin Collaborative." American Journal of Public Health 103 (2013): 426–34.

US Food and Drug Administration. "Guidance for Industry: Frequently Asked Questions about GRAS." US Department of Health and Human Services, 2004.

Wax, P. M. "Elixirs, Diluents, and the Passage of the 1938 Federal Food, Drug, and Cosmetic Act." Annals of Internal Medicine 122 (1995): 456–61.

Глава 14. Низкодозированные химические канцерогены

Asch, P. «Food Safety Regulation: Is the Delaney Clause the Problem or Symptom?» Policy Sciences 23 (1990): 97–110.

Baker, M. "Insights from the Structure of Estrogen Receptor into the Evolution of Estrogens: Implications for Endocrine Disruption." Biochemical Pharmacology 82 (2011): 1–8.

Blair, R. M., H. Fang, W. S. Branham, B. S. Hass, S. L. Dial, C. L. Moland, W. Tong, L. Shi, R. Perkins, and D. M. Sheehan. "The Estrogen Receptor Binding Affinities of 188 Natural and Xenochemicals: Structural Diversity of Ligands." Toxicological Sciences 54 (2000): 138–53.

Creton, S., M. J. Aardema, P. L. Carmichael, J. S. Harvey, F. L. Martin, R. F. Newbold, M. R. O'Donovan, et al. "Cell Transformation Assays for Prediction of Carcinogenic Potential: State of the Science and Future Research Needs." Mutagenesis 27, no. 1 (Jan 2012): 93–101. doi:10.1093/mutage/ger053.

Fagan, D. "The Learning Curve." Nature 490 (25 October 2012): 462–65.

Junod, S. W. "Sugar: A Cautionary Tale." US Food and Drug Administration, 2003. по состоянию на 1 января 2016.

Levenson, A. S., and V. C. Jordan. "The First Hormone-Responsive Breast Cancer Cell Line." Cancer Research 57 (1997): 3071–78.

Melnick, R., G. Lucier, M. Wolfe, R. Hall, G. Stancel, G. Prins, M. Gallo, et al. "Summary of the National Toxicology Program's Report of the Endocrine Disruptors Low-Dose Peer Review." Environmental Health Perspectives 110 (2002): 427–31.

Vandenberg, L. N., T. Colborn, T. B. Hayes, J. J. Heindel, D. R. Jacobs Jr., D.-H. Lee, T. Shioda, et al. "Hormones and Endocrine-Disrupting Chemicals: Low-Dose Effects and Nonmonotonic Dose Responses." Endocrine Reviews 33 (2012): 1–78.

Welshons, W. V., K. A. Thayer, B. M. Judy, J. A. Taylor, E. M. Curran, and F. S. vom Saal. "Large Effects from Small Exposures: I. Mechanisms for Endocrine-Disrupting Chemicals with Estrogenic Activity." Environmental Health Perspectives 111 (2003): 994–1006.

Yager, J. D., and N. E. Davidson. "Estrogen Carcinogenesis in Breast Cancer." New England Journal of Medicine 354 (2006): 270–82.

Глава 15. СОЗ и «Безмолвная весна»

Adeola, F. O. «Boon or Bane? The Environmental and Health Impacts of Persistent Organic Pollutants (POPs).» Human Ecology Review 11 (2004): 27–35.

American Chemical Society. "Rachel Carson's Silent Spring: National Historic Chemical Landmarks." American Chemical Society, 2013.

Ballschmiter, K., R. Hackenberg, W. M. Jarman, and R. Looser. "Man-Made Chemicals Found in Remote Areas of the World: The Experimental Definition for POPs." Environmental Science & Pollution Research 9 (2002): 274–88.

Bard, S. M. "Global Transport of Anthropogenic Contaminants and the Consequences for the Arctic Marine Ecosystem." Marine Pollution Bulletin 38 (1999): 359–79.

Bonefeld-Jorgensen, E. C. "Biomonitoring in Greenland: Human Biomarkers of Exposure and Effects – A Short Review." Rural and Remote Health 10 (2010): 1362.

Bowerman, W. W., D. A. Best, T. G. Grubb, G. M. Zimmerman, and J. P. Giesy. "Trends of Contaminants and Effects in Bald Eagles of the Great Lakes Basin." Environmental Monitoring and Assessment 53 (1998): 197–212.

Donaldson, S. G., J. Van Oostdam, C. Tikhonov, M. Feeley, B. Armstrong, P. Ayotte, O. Boucher, et al. "Environmental Contaminants and Human Health in the Canadian Arctic." Science of the Total Environment 408 (2010): 5165–234. doi:10.1016/j.scitotenv.2010.04.059. Epub 2010 Aug 21.

Глава 16. Токсичные средства гигиены

Boxall, A. B., M. A. Rudd, B. W. Brooks, D. J. Caldwell, K. Choi, S. Hickmann,