Существуют семь различных форм ботулотоксина, одна из которых, ботулотоксин А, является самым токсичным из всех известных на сегодняшний день веществ. Ботулотоксин А присоединяется к пресинаптической мембране нейрона, секретирующего ацетилхолин, мешая этой секреции (см. главу 8). C. botulinum – облигатный анаэроб, то есть эти бактерии растут, размножаются и производят нейротоксины только в анаэробной (лишенной кислорода) среде. Но споры C. botulinum устойчивы к кислороду и высокой температуре. Большинство людей сталкиваются с ботулотоксином при отравлении плохо приготовленными консервированными продуктами, однако цикл развития C. botulinum связан с внешней средой, и для его завершения необходим экзотоксин.
Споры C. botulinum можно обнаружить повсеместно в осадочных отложениях и воде многих водоемов. Одно из условий, способствующих росту бактерий, – стоячая теплая вода с большим количеством нитчатых сине-зеленых водорослей. Масса водорослей постепенно отмирает и начинает разлагаться, создавая небольшие участки анаэробной среды, насыщенной органикой, где C. botulinum может процветать. Начиная расти, бактерии обязательно производят ботулотоксин. Утки и другая водная дичь могут подвергаться воздействию нейротоксина, затем погибают и также начинают разлагаться, становясь инкубаторами для бактерий, производящих еще больше ботулотоксина. Личинки мух и другие насекомые-падальщики, питающиеся разлагающейся плотью, обладают устойчивостью к нейротоксину, однако они становятся переносчиками как самого вещества, так и производящих его бактерий. Птица, питающаяся этими насекомыми, также может погибнуть от отравления, начать разлагаться и стать новым инкубатором для ботулиновых микроорганизмов. Этот жизненный цикл (известный как цикл «труп – личинки») поддерживает сам себя и может приводить к вспышкам ботулизма, уничтожающим большое количество водной дичи.
Урушиол и ботулотоксин – хорошо изученные вещества, воздействующие на известные мишени известным путем. Однако существуют и другие токсины, менее понятные, воздействие которых может носить случайный характер. Возьмем, к примеру, прионы. Прионы – это белки, которые могут быть свернуты по-разному: прион нормальной конфигурации безвреден, а в другой форме может становиться возбудителем заболеваний. Аминокислотная последовательность белка остается одной и той же, однако его трехмерная структура может меняться. Инфекционный прион может воздействовать на нормальные прионные белки, превращая их в болезнетворные, и таким образом происходит его репликация.
При наличии большого количества инфекционных прионов они собираются вместе, образуя фибриллы, и ученые считают, что именно они вызывают заболевания. Прионы – причина целого ряда дегенеративных поражений мозга, включая губчатую энцефалопатию крупного рогатого скота (коровье бешенство), почесуху овец и коз, хроническую энцефалопатию у диких оленьих и синдром Крейтцфельда – Якоба у человека. Прионы – это инфекционные агенты, вещества, занимающее некое промежуточное положение между болезнетворными бактериями и вирусами и токсичными веществами. Инфекционные заболевания вызываются организмами, содержащими генетический материал в форме ДНК или РНК – вирусами, бактериями или грибами. Инфекционные заболевания являются компонентом живых систем, и, если болезнетворный организм удалить из организма хозяина, на этот организм во внешней среде будут действовать определенные биологические ограничения. Многие вирулентные (заразные) вирусы и бактерии не способны выживать без хозяина, и время их существования на коже или какой-то сухой и твердой поверхности весьма непродолжительно.
Инфекционные прионы, напротив, могут реплицироваться без участия ДНК или РНК. Кроме того, их горизонтальная передача от одной особи-хозяина к другой может происходить как биологическим путем, так и через окружающую среду. Биологическая передача у представителей семейства оленей может происходить через жидкости тела. Олени – стадные животные со сложной социальной организацией. Между ними очень часто происходит контакт через слюну, мочу, фекалии или околоплодную жидкость при рождении детенышей. Поэтому прионная инфекция от одного животного может очень легко переноситься на других членов стада.
Передача через окружающую среду также возможна. Описан случай, когда овец пустили на поле, где 16 лет назад паслись овцы, зараженные почесухой, и они также заболели, что свидетельствует о том, что инфекционный агент способен очень долго сохраняться в окружающей среде. Установлено, что прионы могут присоединяться к определенным типам частиц почвы, и даже в таком связанном состоянии оказываются доступны для животных, пасущихся на зараженном пастбище. В отличие от живых организмов, молекулы прионов в среде ведут себя как химические вещества. Так же как урушиол ядовитого плюща или ботулотоксин, они могут долгое время сохраняться в среде независимо от организмов, которые их произвели.
Синдром Крейтцфельда – Якоба – редкое заболевание, поражающее всего одного-двух человек на миллион в год. Большая часть (85 %) этих случаев возникает не в результате горизонтальной передачи от животных или из окружающей среды, а из-за спонтанного преобразования неинфекционных форм приона, которые присутствуют в организме каждого человека. Нарушение структуры прионных белков, порождающее инфекционную форму, чаще всего происходит у людей старше 65 лет и обычно приводит к смерти в течение полугода после появления первых симптомов.
Так называемый новый вариант болезни Крейтцфельда – Якоба, разновидность коровьего бешенства, был впервые отмечен только в 1990-х гг. Считается, что в данном случае человек заболевает при поедании коровьего мяса и субпродуктов, загрязненных тканями головного или спинного мозга больных животных. Хотя это заболевание остается очень редким (в США было зафиксировано всего четыре случая), обнаруженная возможность передачи коровьего бешенства от скота к человеку вызвала беспокойство в отношении надлежащих способов избавления от зараженного скота. В процессе переработки неиспользованного органического материала, остающегося после разделки туш, прионы могут попадать либо в сами продукты, либо в сточные воды. При захоронении зараженных туш прионы также могут попадать в окружающую среду и загрязнять почву и воду.
Живые организмы, вырабатывающие различные природные яды, тратят на это значительные энергетические ресурсы, так что, если яд не обеспечивает очевидных преимуществ в борьбе за существование, его выработка бессмысленна. Учитывая это, токсичные вещества обычно вырабатываются организмами в ограниченных количествах и непостоянно. Прионы переворачивают эту идею с ног на голову, так как возникают случайным образом. Кроме того, они самостоятельно реплицируются, и поэтому кривая зависимости реакции от дозы к ним практически неприменима. Концентрация прионов в нервных тканях зараженного животного обычно увеличивается постоянно даже без поступления новых прионов извне. Однако в то же самое время прионы не ведут себя во внешней среде как природные органические вещества, так как сохраняются очень долго, поэтому воздействие биоактивных прионов через среду – достаточно обычное дело. Таким образом, прионы представляют собой особый класс веществ, которые нельзя отнести ни к живым системам, ни просто к токсичным веществам, поскольку они обладают некоторыми чертами и тех и других.
Глава 20
Устойчивость к химикатам
Если история эволюции чему-то нас и научила, так это тому, что жизнь невозможно удержать. Жизнь вырывается на свободу, она захватывает новые территории и разрушает барьеры – болезненно, иногда опасно, но тем не менее – вот она, жизнь.
Майкл Крайтон, из сценария фильма «Парк Юрского периода»
Современная токсикология охватывает сферы, которые Парацельс не мог себе и представить. Эпигенетика развенчивает идею о том, что только прямое воздействие способно причинить вред, а такие биологические молекулы, как прионы, демонстрируют, что токсичность не всегда можно описать классической кривой зависимости реакции от дозы. Как можно определить дозу вещества, если это вещество само себя реплицирует? Еще одно явление на «токсикологическом поле» – биологическая реакция на токсичность, или устойчивость. Повсеместное использование химикатов для борьбы с вредителями, как это ни парадоксально, заставило их выработать устойчивость к этим веществам. Если уж брать по максимуму – само развитие устойчивости можно считать самореплицирующимся «загрязнителем». Но прежде чем обсудить этот вопрос, имеет смысл рассмотреть, как образуются устойчивые популяции вредителей.
