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.
