Текст книги "Современные яды: Дозы, действие, последствия"

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

Идет ветер к югу, и переходит к северу, кружится, кружится на ходу своем, и возвращается ветер на круги свои.

Книга Екклесиаста, 1:6

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.