В морской воде концентрация ионов (в основном щелочных и щелочноземельных металлов, таких как натрий, калий, магний и кальций) выше, чем в крови у рыбы, и ионы путем диффузии через белковые поры и каналы постоянно попадают в организм. Однако в крови должна поддерживаться определенная концентрация этих ионов, и без регуляции такой приток ионов из воды был бы фатальным. Поэтому рыба постоянно и активно выводит ионы щелочных и щелочноземельных металлов из организма обратно в воду. Рыба, обитающая в пресной воде, наоборот, постоянно теряет те же самые ионы, которые совершенно беспрепятственно выходят из ее крови в воду, поэтому ей необходим активный обратный транспорт этих ионов с помощью белков.
В загрязненной морской или пресной воде концентрация вредных ионов переходных металлов может быть так высока, что их поступление через жабры может быть смертельным для рыбы. Учитывая, что жабры пресноводных рыб предназначены для обратного всасывания потерянных ионов, в загрязненной водной среде рыба вынуждена решать две противоречащие друг другу задачи: получение необходимых ионов, например натрия и калия, из воды и предотвращение поступления вредных ионов переходных металлов. При наличии в воде токсичных металлов животное может потерпеть поражение на обоих фронтах, как покажут приведенные ниже примеры.
Среди белков, участвующих в транспорте ионов в жабрах, важное место занимают так называемые насосы: натриево-калиевый и кальциево-магниевый. Для их функционирования необходима энергия и атом цинка, который должен быть связан с белком. В загрязненной воде с повышенной концентрацией меди или серебра (обратите внимание, что эти элементы принадлежат к одной и той же группе периодической системы) ионы этих металлов присоединяются к натриево-калиевому насосу, разрывая связь белковой молекулы с атомом цинка, таким образом «выключая» насос.
В данном случае пресноводная рыба испытывает обессоливание (недостаток натрия) и умирает. В загрязненных водоемах с повышенной концентрацией кадмия или ртути (снова металлов из одной и той же группы!) их ионы будут связываться с кальциево-магниевым переносчиком, кровь рыбы декальцинируется, что тоже приведет к смерти.
Если рыба переживет первоначальный приток ионов переходных металлов, возможно, у нее разовьется акклиматизационный ответ, который снизит всасывание этих ионов через жабры. Это может произойти, если ей удастся уменьшить уровень поступления металлов в клетки жабр. Кроме того, рыба может изменить синтез металлотионеинов так, чтобы ионы токсичных металлов связывались до того, как они присоединятся к транспортным белкам. Рыба выживет, если приток ионов изменится таким образом, чтобы натриево-калиевый и кальциево-магниевый насосы продолжали функционировать. Но если приток ионов преодолеет защитные механизмы клеток, ионы соединятся с насосами, нарушат их работу, и рыба умрет.
В природных водах токсичность ионов неоднозначна, так как на нее сильно влияет качество воды. Ткань жабр можно считать местом присоединения, или лигандом, для переносимых водой ионов. (Конечно, в реальности все сложнее, так как жабры представляют собой не гомогенный лиганд; однако в данном случае мы может рассматривать их так.) В воде, где содержится мало коллоидов, жабры могут быть доминантным лигандом, связывающим простые ионы, растворенные в протекающей по ним воде. Всасывание этих ионов происходит совершенно беспрепятственно, с максимальной скоростью, которую допускают белки жабр, так как никаких конкурентных лигандов не существует.
Ионы токсичных металлов, например кадмия или ртути, также могут проникать в организм рыбы тем же самым путем – активного транспорта через жабры, и их токсичность часто связана с составом частиц, имеющихся в воде. Если там имеются другие лиганды (например, коллоидный материал), они конкурируют с жабрами в присоединении простых ионов. Подобно тому, как белки плазмы крови влияют на поступление липофильных стероидов к тканям-мишеням в организме животных, гуминовые кислоты и другие водорастворимые органические соединения могут снижать концентрацию свободных ионов металлов в воде, уменьшая таким образом их токсичность для рыбы. Это основная предпосылка модели биотических лигандов, теории, согласно которой токсичность металлов в воде не всегда постоянна, а зависит от качества воды и других веществ, в ней растворенных.
В древние времена использование переходных металлов произвело революцию в развитии разнообразных орудий, а кроме того, изменило геохимические циклы ионов этих достаточно редко встречающихся в природе металлов. В результате человек и другие животные оказались в среде, где вдыхание паров и поглощение ионов металлов через желудочно-кишечный тракт изменили положение вещей с точки зрения токсикологии. В то же самое время процессы добычи этих металлов породили экологические проблемы, которых не существовало до начала промышленной разработки. Коротко говоря, токсичность металлов оказалась дьяволом, кроющимся в деталях добычи и использования их человеком, и продолжает оставаться им по сей день.
Глава 10
Горение
Я работаю в шахте, спускаюсь вниз, вниз, вниз. Работаю в шахте, ой! Едва не сорвался. На часах пять утра, а я уже иду на работу. Господи, я так устал, не знаю, сколько еще протяну.
Аллен Туссен. Я работаю в шахте
Мы начали с металлов наш разговор о химическом загрязнении, а продолжить его вполне естественно рассказом о сжигании ископаемого топлива. На самом деле две эти темы неразрывно связаны друг с другом, так как для получения чистых металлов из руд, то есть для переплавки, нужно огромное количество тепла. Горение само по себе – довольно грязное дело, будь то переплавка руды, приготовление пищи или просто обогрев жилища. Когда горит дерево, уголь или нефтепродукты, всегда получается гарь, пепел и дым. Как мы увидим далее, воздействие этих конечных продуктов весьма токсично.
Но хотя история добычи и использования металлов тесно связана с промышленным использованием горения, токсикологические последствия этих процессов различны. Токсичность металлов, рассмотренная в предыдущей главе, связана с неверной идентификацией ионов молекулами или клетками, которые «путают» вредные металлы с металлами, необходимыми для жизнедеятельности. Однако с продуктами горения происходит совершенно другая история: клетки «пачкаются», что затрудняет и нарушает процесс выведения токсичных компонентов и может вести к весьма неприятным токсикологическим последствиям.
Горение
Один из главных атрибутов жизни – процесс анаболизма, построения сложных органических веществ, органоидов клетки, самих клеток и тканей из более простых составляющих. Аналогично один из главных атрибутов смерти – это процесс метаболизма, разложения сложных веществ живого организма обратно на простые составляющие, из которых они когда-то образовались. Если организм погибает и быстро разлагается в присутствии достаточного количества кислорода (условие аэробного метаболизма), его органический материал может быть полностью разрушен, и его составляющие утилизируются другими организмами. Конечные продукты аэробного метаболизма – углекислый газ и вода, которые поступают в окружающую среду и далее используются другими организмами. Многие формы органической материи, например животные ткани, в аэробных условиях разлагаются быстро, в то время как другие – например, древесина, – относительно устойчивы к разложению. Останки мертвых деревьев могут ждать сгорания долгое время после того, как жизнь в них прекратилась.
Хотя древесина по сравнению с тканями животных устойчива к разложению, в конечном итоге, при наличии достаточно долгого времени, разложение все же произойдет. Однако при определенных условиях разложение древесины и других органических материалов может пойти по нетипичному пути. Если аэробные процессы затормаживаются, органика не распадается полностью, а происходит преобразование одних органических молекул в другие, на что может уходить очень длительное, даже с геологической точки зрения, время. В результате этих анаэробных процессов образуются различные виды ископаемого топлива – природный газ, нефть, горючие сланцы и уголь.
Древесина, природный газ, нефть и уголь – это все топливо, то есть материалы, содержащие потенциальную энергию, которая может быть высвобождена для совершения полезной работы. Процесс высвобождения энергии из топливных материалов называется горением. Например, основной компонент природного газа, метан – самый простой из углеводородов, так как состоит всего лишь из одного атома углерода и четырех атомов водорода. При полном его сгорании получается углекислый газ и вода. Однако даже метан не всегда сгорает полностью. При неполном окислении получаются альтернативные конечные продукты, например угарный газ. При усложнении химической структуры топлива – от газа к нефти, углю и древесине – химические последствия неполного сгорания проявляются в виде выделения дыма, сажи и пепла, содержащих побочные продукты горения.
