Помоги проекту - поделись книгой:
Глава 15
Стойкие органические загрязнители и «Безмолвная весна»
Мы опрыскали наши вязы, и настала безмолвная весна. Малиновки больше не пели – не потому, что мы обработали малиновок, а потому, что яд добрался до них шаг за шагом по знакомому всем пути: от листьев вяза к земляным червям и затем к птицам.
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
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
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
Мы нашли врага, и оказалось, что это мы сами.
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
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 (
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[10]. 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
В осеннем лесу, на развилке дорог, Стоял я, задумавшись, у поворота; Пути было два, и мир был широк, Однако я раздвоиться не мог, И надо было решаться на что-то.
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 (
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 (
Среди амфибий есть и другие примеры недостаточно четко определенных отношений между генетическим и морфологическим определением пола. Африканская шпорцевая лягушка (
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
Дети – это не книжки-раскраски. Их нельзя раскрасить так, как вам хочется.
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
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.
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
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
От кори ты трясешься, От свинки ты пухнешь, От ветрянки прыгаешь и вертишься. Обычная простуда сводит тебя с ума, Коклюш тебя замораживает, А ядовитый плющ вызывает страшный зуд!
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.
Поделиться книгой: