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.
