Введение
«В истории человечества токсикология – одна из более древних наук. История токсикологии, ее происхождение и развитие непрерывно связаны с историей развития общества. Токсикология в отличие от других отраслей медицины все время меняет своë содержание: она тесно связана с химией, ботаникой, фармакологией, судебной медициной, гигиеной и рядом других наук. В давние времена лекарства и яды, а вместе с ними и различные другие продукты примитивной химической технологии обозначались одним и тем же словом. Таково древнегреческое слово фармакон и латинское слово медикамен (медикаментум). Такое же значение имеет старорусское слово зелье, обозначаемое не только лекарство и яд, но также румяна, белила, краски, порох и др. (др. русское слово – снадобье, также характеризующееся многозначностью)». [38].
В старину на Руси знатоков лечения травами называли знатели, ведуны, лечуны, лекарицы, колдуньи, зелейинки, обоянники и лихие бабы.
Основоположником научной токсикологии считают Мэтью Джозеф Бонавентура Орфила (1787–1853). В 1829 г. он опубликовал «А treatise on Poisons» («Трактат о ядах»), где разделил яды на три группы: раздражающие (ирританты), наркотические кислоты и наркотические вещества. Также Орфила привëл определение яда, трактовав его как «вещество, которое в малом количестве, будучи приведëнным в соприкосновение с живым организмом, разрушает здоровье или уничтожает жизнь» [48].
В настоящее время общепринятого определения предмета токсикология не существует. Самым простым является, непосредственно вытекающее из названия науки: toxicon – яд, logos – наука. Токсикология – наука о ядах и интоксикациях (отравлениях) [32].
«Яды – это вещества, которые даже в небольших дозах при попадании в организм могут вызвать заболевание или смерть. Яды могут производиться животными, рыбами, птицами, микроорганизмами, изначально существовать в природе или синтезироваться человеком. То есть к ядам относят вещества как живой, так и неживой природы» [19] (рис. 1).
«Яды известны с незапамятных времен. Вначале люди смазывали наконечники своих стрел ядовитым соком растений и разили нападавших на них хищников. Вскоре человек отобрал у природы ещë одну тайну: он обнаружил, что те же снадобья обладают целебными свойствами. С тех пор понятия «лекарство» и «яд» неразрывно связаны между собой, олицетворяя две противоположные силы – добра и зла, жизни и смерти» [16].
Рис. 1. Обложка книги С. Зейналовой «Яды: вокруг и внутри»
Античные греки хорошо понимали опасность знаний о ядах и возможностях тех, кто владеет этими знаниями. Поэтому в медицинском этическом кодексе, известном как клятва Гиппократа, было оговорено, что врач не имеет права давать яды больному и никаких средств беременным женщинам для изгнания плода.
В Книге книг Библии неоднократно упоминаются различные яды. На древнееврейском языке слово «яд» звучало как «рааль». В тексте священной Книги яд часто называют словом «желчь».
«Выдающийся ученый эпохи Возрождения Парацельс – Филипп Ореолус Теофаст Бомбаст фон Гогенхейм (1493-1541) в своей оправдательной речи, сказанной им по поводу обвинения в отравлении больных ядами (солями металлов, которые он применял в качестве лекарств), постулировал одно из основных положений токсикологии: «Что не ядовито? Всë есть яд, и ничто не лишено ядовитости. И только доза делает вещество неядовитым». Он также является автором одной из первых монографий по профессиональным заболеваниям горнорабочих и плавильщиков. Эта книга была опубликована в 1567 г., уже после его смерти (Парацельс погиб в возрасте 48 лет от ран, полученных во время драки в Зальцбургской таверне)» [34].
Хорошей иллюстрацией тезиса Парацельса является следующий пример. «В США врач посоветовал одной больной регулярно пить морковный сок. Окраска моркови, зависит от каротина, который в организме превращается в жирорастворимый ретинол – витамин А, необходимый для нормального состояния зрения, эластичности кожи, суставов и т.п. Будучи уверена, как в действенности, так и полной безвредности снадобья, пациентка постепенно «вошла во вкус» и довела дозу напитка до 1,5 литра в день. Жирорастворимый ретинол стал все в больших количествах накапливаться в ее организме. Наступило тяжелое поражение печени и поджелудочной железы; однако больная не связала это с приëмом морковного сока и продолжала употреблять его в том же количестве. Это привело к ухудшению состояния и к смерти» [23].
Мало кто знает, что выдающийся физиолог И.П. Павлов начинал свою деятельность как фармаколог при кафедре терапии, руководимой С.П. Боткиным, и, более того, пять лет заведовал кафедрой фармакологии в Военно-медицинской академии. Ученые под руководством И.П. Павлова, изучавшие особенности воздействия кофеина (C8H10N4O2) на человека, установили, что под действием кофеина активизируются процессы возбуждения нервных импульсов в головном мозге. Также при определëнной дозировке кофеин способствует повышению двигательной и интеллектуальной активности. Но в повышенных дозах тот же самый кофеин способен вызвать истощение нервных клеток.
Смертельная доза зависит от массы человека, индивидуальной восприимчивости к кофеину: варьирует от 150 до 200 мг на 1 кг массы. Так, если ваша масса 75 кг, то смертельны 15 г кофеина.
С утверждением Парацельса перекликаются слова великого поэта древности Рудаки (умер в 941 г.):
Что ныне снадобьем слывет, то завтра станет ядом.
И что ж? Лекарством этот яд опять сочтут больные.
Глава 1. Танцы вдоль кривых
Очевидно, что далеко не все вещества являются опасными для биосферы (таковыми признаны примерно 53500 соединений), но ясно и то, что безвредных веществ вообще нет и быть не может. Все зависит от дозы (концентрации) вещества в среде, времени и условий взаимодействия организма и яда.
Одной из важнейших характеристик химических веществ, загрязняющих окружающую среду, является их токсичность. Токсичность – это способность химического соединения оказывать вредное действие немеханическим путем.
Различают токсическую и летальную дозы. Первая характеризует минимальное количество токсического вещества, вызывающего появление устойчивых признаков отравления, вторая – минимальное количество токсичного вещества, способного вызвать смертельный исход.
Еще в начале XIX в. основоположник научной токсикологии Матео Жозе Бонавентура Орфила (1814) писал: «Яд – вещество, которое в малом количестве, будучи приведëнным в соприкосновение с живым организмом, разрушает здоровье или уничтожает жизнь». Также определял «яд», спустя практически сто лет, и один из пионеров отечественной токсикологии профессор Российской военно-медицинской академии Косоротов Д.П. (1907): «Ядами называются вещества, которые, будучи введены в организм в малых количествах, в силу своих химических свойств, могут причинить расстройство здоровья или самую смерть».
Уместно вспомнить изящное утверждение Парацельса о ядах или, другими словами, о переходе количества в качество.
Вряд ли кто-нибудь назовёт поваренную соль ядом. Однако если принять еë в количестве нескольких столовых ложек и запить несколькими глотками воды, то наступит смертельное отравление, мучительная смерть. Жидкая часть крови в силу физико-химических свойств соли начнёт поступать, «всасываться» в полость желудочно-кишечного тракта. Сердцу нечего будет перекачивать из большого круга кровообращения в малый. Обычная поваренная соль окажется сильным ядом.
Одно время полкилограмма поваренной соли натощак было излюбленным видом самоубийства в Китае.
Другие примеры. Кислород (О2) применяют для эффективного лечения состояния гипоксии, но высокие концентрации кислорода могут вызвать тяжелую кислородную интоксикацию. Боевое отравляющее вещество иприт в разведении с вазелином 1:1000 – мазь «псориазин».
«Из змеиных ядов делают такие ценные болеутоляющие препараты, как випратокс, випрасал, випраксин. Эти мази лечат полиартриты, невралгии. Змея, как пишут в отзывах о диссертациях, «внесла свой весомый вклад» в анестезиологию. Успокаивающее свойство змеиных ядов применили и для лечения эпилепсии. Припадки проходят легче, и число их снижается» [28] (рис. 2).
28-летняя жительница Калифорнии Дженнифер Стрэндж, счастливая мать троих детей, победила в конкурсе по скоростному потреблению воды, проводимом местной радиостанцией. С главным призом – игровой приставкой она отправилась домой. Увы, опробовать «игрушку» победительница не успела – через час Дженнифер почувствовала сильнейшую головную боль и мучительные спазмы в животе. На следующий день она была найдена в своём доме мёртвой. Так же скоропостижно скончались двое морских пехотинцев американской армии. Новобранцы после изнурительной тренировки выпили по нескольку литров жидкости.
Рис. 2. Обложка книги С.А. Корытина «Тигр под наркозом»
В обеих случаях причиной смерти стала водная интоксикация, или питьевая болезнь. Так врачи называют отравление чистой водой. Однако замечено, что симптомы питьевой болезни часто наблюдаются у спортсменов, завсегдатаев дискотек и ночных клубов, а также женщин, сидящих на диетах, которые «заливают» водой чувство голода. В группе риска также наркоманы. Наркотики увеличивают жажду, и человек незаметно для себя может выпить «критическую дозу» – больше двух литров жидкости за час [53].
Ассоциацией промышленных химиков США к ядам отнесены только те вещества, которые вызывают гибель в течение 48 ч половины или более животных в группе 10 белых крыс при введении им исследуемого вещества в желудок в количестве 50 мг или менее, а также в случае такого же эффекта в условиях воздействия на животных того или иного вещества в виде газа, пара, тумана или пыли при их концентрации 2 мг/л и ниже в течение 1 ч или менее.
Принято считать, что если смертельные дозы (концентрации) для обычных четырех типов лабораторных животных (мыши, крысы, морские свинки, кролики) различаются незначительно (≤3 раз), то существует высокая вероятность (≥70 %) того, что для человека эти дозы будут такими же.
Любая оценка химического вещества в плане его опасности для организма или риска применения в природных объектах вне зависимости от того, касается это окружающей среды или самого человека, складывается из двух независимых и равных по своему значению составляющих – экспозиции и токсичности (экотоксичности). Любая из них сама по себе не дает возможности оценить воздействие химического вещества на окружающую среду. В предельном случае «самое ядовитое» вещество при нулевой экспозиции совершенно безопасно, а «малоядовитое» вещество в большой концентрации (с большой долей вероятности) может оказаться токсичным.
Количественной мерой токсичности являются величины, обратные дозам или концентрациям химического вещества, вызывающим токсический эффект, например, 1/ЛД50 или 1/ЛК50. Чем больше величины 1/ЛД50 или 1/ЛК50, тем токсичнее данное вещество.
Все дозы или концентрации веществ, вызывающие тот или иной эффект при воздействии на различные биообъекты, условно делят на две зоны: зону смертельных величин (ЛД, ЛК) и зону величин несмертельных (эффективных, действующих – ЕД, ЕК).
В общем случае вероятность токсического эффекта (Р) является сложной функцией дозы (Д) или концентрации (К) и времени (τ):
P = f (Д,τ) (1)
Если зафиксировать один из параметров (Д или τ), то получим две другие функции:
P = f (Д) при τ = const (2)
P = f (τ) при Д = const (3)
Все наблюдаемые варианты дозовых зависимостей (аппроксимационные кривые) распределены на три группы: S-образные кривые (а), показательные (экспоненциальные) кривые (б) и сложные зависимости (парадоксальные эффекты) (в) (рис. 3) [52].
Для некоторых токсикантов, например, таких раздражающих веществ, как фосген, сероводород, сернистый газ, токсический эффект существенно зависит от фактора времени. Это так называемые хроноконцентрационные яды (от chronic – длительный и concentration – концентрация). К ним относятся также многие яды, нарушающие обмен веществ – блокирующие ферментные системы, а также вещества, которые медленно насыщают организм, например, ароматические углеводороды. Другую группу составляют так называемые концентрационные яды – вещества, при воздействии которых токсический эффект от времени почти не зависит (например, цианистый водород, многие летучие наркотики и др.) и определяется, главным образом, концентрацией вещества.
Обычно используют наиболее статистически значимые величины доз или концентраций, приводящие к гибели 50% биообъектов (ЛД50, ЛК50).
Экспериментальное определение ЛД50 или ЛК50 требует затрат большого количества лабораторных животных и времени. Кстати, ежегодно в нашей стране (по крайней мере, до последнего времени) для экспериментальных медицинских исследований использовалось около 20000000 мышей, крыс, морских свинок и кроликов.
Числовые значения ЛД50 или ЛК50 зависят от многих факторов: природы химического вещества (его состава и строения), вида биообъекта (человек, собака, крыса и т.д.), пола и возраста биообъекта, способа воздействия на организм, продолжительности воздействия, температуры и т.п.
Вредные вещества могут проникать в организм человека из окружающей среды тремя основными путями: ингаляционным (при дыхании), пероральным (при приеме воды или пищи) и кожно-резорбтивным (при контакте с кожей).
При прочих равных условиях для данного биообъекта токсичность вещества определяется его химической природой. Для иллюстрации приводим табл. 1, в которой представлены значения средних смертельных доз некоторых химических веществ для человека и лабораторных животных [46].
При анализе данных, приведённых в табл. 1, обращает на себя внимание различная чувствительность к одному и тому же веществу различных биообъектов. Незнание этого факта может привести к серьёзным ошибкам.
В журнале Science была опубликована заметка о реакции самца слона на диэтиламид лизергиновой кислоты (ЛСД). Авторы хотели изучить весьма своеобразное состояние, наблюдаемое у самцов слона и известное под названием «муст». Находящийся в состоянии муста самец становится очень свирепым и опасным, но это не имеет отношения к периоду половой активности (и вопреки распространенному мнению состояние муста не означает, что слону нужна самка). Вскоре после опубликования этой заметки в одном из писем к редактору журнала расчёт дозы ЛСД был назван «слоноподобной ошибкой». Авторы при определении дозы ЛСД для слона исходили из количества препарата, которое приводит в ярость кошку и, увеличив его пропорционально массе слона, сделали вывод, что ему следует ввести дозу 297 мг. Длинное описание того, чем это закончилось, можно свести к следующему: после инъекции 297 мг ЛСД слон начал трубить и метаться, а затем остановился и закачался; спустя 5 минут он упал, у него начались судороги и дефекация, и он погиб.
Значения ЛД, определенные в опытах над животными, нельзя пересчитывать по отношению к людям (пересчет к 70 кг). Очень часто смертельные дозы для людей значительно ниже, чем для животных. В 1938 г. такого рода пересчет повлек за собой гибель около 100 человек при применении диэтиленгликоля.
Латинское название какао – источника всего шоколадного – Theobroma cacao. Оно происходит от греческих слов theo («Бог») и broma («пища»), что означает «пища богов». Это название, в свою очередь, дало имя растительному алкалоиду – теобромину, который, наряду с кофеином, содержится в какао. На человека теобромин оказывает мягкое стимулирующее действие и поднимает настроение. А вот братья наши меньшие вполне могут отравиться шоколадом. Наибольшую опасность теобромин представляет для кошек (особенно для котят) – ЛД50 примерно 200 мг/кг, и для собак – ЛД50 примерно 300 мг/кг. Для человека ЛД50 около 1000 мг/кг.
Кстати, шоколад содержит фенилэтиламин – вещество, синтезируемое нашим организмом, которое повышает настроение и работоспособность, активирует многие физиологические процессы. Это вещество мозг вырабатывает, например, когда человек влюбляется. Мы едим шоколад, так как хотим почувствовать себя счастливыми, влюбленными, активными.
Одно из важнейших обобщений в токсикологии состоит в признании того, что большей дозе токсиканта соответствует, как правило, большая выраженность биоэффекта. Однако в середине 80-х годов XX столетия в работах ряда исследователей были получены неожиданные результаты при изучении закономерностей биоэффектов физиологически активных веществ в области малых и сверхмалых доз или концентраций (в интервале 10–5–10–17 моль и менее). При уменьшении концентрации вещества (на 1–2 порядка) эффект закономерно снижается, затем наступает «зона молчания» (при более низких концентрациях эффект не наблюдается), а далее при ещë более низких концентрациях, отличных от первоначальных на 4–6 порядков, эффект возникает снова. Это явление получило название эффекта сверхмалых доз (СМД) или сверхмалых концентраций (СМК). Такой эффект наблюдался при исследовании разнообразных химических агентов: регуляторов роста растений, противоопухолевых препаратов, нейропептидов и гормонов, иммуномодуляторов, антиоксидантов и других как белковых, так и небелковых соединений.
Большинство лекарств при передозировке проявляют токсическое действие, то есть становятся ядами. Но есть обратные примеры, когда яд стал лекарством. Два самых ярких примера – яд кураре и ботулотоксин.
Индейцы Гвианы добывали кураре из коры ядовитого растения Strychnos toxifera (Стрихноса ядоносного) и смазывали им наконечники стрел для охоты. Если такой стрелой даже легко ранить жертву, яд проникает в кровь, быстро вызывает паралич и смерть от удушья. Основное действующее вещество кураре – тубокурарин, он блокирует передачу нервного импульса к мышцам, что и приводит к параличу. А развивающийся паралич дыхательных мышц – к остановке дыхания. В то же время не нарушается сознание, поэтому смерть от отравления кураре довольно мучительна. При этом тубокурарин очень легко разрушается в желудочно-кишечном тракте, поэтому мясо отравленных кураре животных можно спокойно употреблять в пищу.
Сейчас синтетические аналоги тубокурарина (миорелаксанты) очень широко используются в хирургической практике, позволяя расслаблять мышцы во время операций и «отключать» дыхательную мускулатуру для проведения искусственной вентиляции лëгких. Действие вещества прекращается через несколько часов и работа мышц полностью восстанавливается. Если пациент случайно отравился миорелаксантами, то его надо как можно быстрее подключить к аппарату ИВЛ и дождаться выведения вещества из организма. А в качестве антидотов используют вещества из группы ингибиторов холинэстеразы – неостигмин и физостигмин, которые, наоборот, усиливают нервно-мышечную передачу. Ими, кстати, тоже легко смертельно отравиться. Пример того, как один яд становится противоядием от другого.
С действием ботулотоксина человечество также знакомо далеко не первое столетие. Этот токсин вырабатывается бактериями Clostridium botulinum и вызывает смертельно опасное заболевание – ботулизм.
Ботулизм (лат. botulus – колбаса, ихтиизм – греч. ichthys – рыба, аллантиазис – греч. allantos – колбаса) – тяжелый пищевой токсикоз (пищевая интоксикация), развивающийся после употребления продуктов, содержащих ботулинический токсин. Заболевание характеризуется развитием парезов и параличей поперечно-полосатой и гладкой мускулатуры в результате блокады токсином выделения ацетилхолина в нервно-мышечных синапсах.
Заболевание известно с древних времен (IX-X века) после употребления в пищу кровяной колбасы. В связи с этим византийский император Лев VI запретил употребление в пищу кровяной колбасы.
В 1793 г. в Германии после употребления в пищу копченой кровяной колбасы одновременно заболело 13 человек, из них 6 человек скончалось. Аналогичные пищевые отравления колбасой с гибелью людей были описаны в Германии в 1795-1813 гг. Болезнь получила название ботулизм (лат. botulus – колбаса).
С 2007 г. в Российской Федерации ежегодно регистрируется около 200 случаев заболеваемости ботулизмом с числом пострадавших около 300 человек. Летальность при ботулизме составляет 10-11% от числа заболевших. В 2007 г. отмечено 15 летальных случаев, в 2010 г. зарегистрировано 26 летальных исходов. В 2011 г. зарегистрирован 91 случай ботулизма, при этом пострадало 160 человек (14 летальных случаев), в том числе 7 детей.
Ботулотоксин является самым сильным ядом: 1 г кристаллического токсина содержит 1012 смертельных для человека доз. Смертельная доза для человека составляет 1 нг/кг массы тела, то есть менее 1 мкг на человека.
Полулетальная доза составляет около 10-9 г/кг. У него очень сложный механизм действия: основной эффект – нейротоксический: нарушается передача импульсов по черепным нервам и прерывается работа мотонейронов спинного и продолговатого мозга. Всë это приводит к параличам различных групп мышц, включая дыхательные мышцы, остановке дыхания и смерти. Так как ботулотоксин – это белок, в качестве антидота используют специальную противоботулиническую сыворотку.
В России чаще регистрируются заболевания, связанные с употреблением консервированных в домашних условиях грибов, копчëной или вяленой рыбы, в европейских странах – мясных и колбасных изделий, в США – бобовых консервов, в Японии – рыбы и морепродуктов. В некоторых плотных пищевых продуктах отмечается неравномерное («гнездное») накопление токсина, поэтому часто встречаются вспышки, при которых заболевают не все лица, употреблявшие один и тот же продукт.
В конце 60-х годов ХХ века Alan Scot открыл лечебные свойства ботулинического токсина. В 1977 г. впервые применили ботулинический токсин в качестве лечебного средства у пациентов со страбизмом (косоглазием). После этого ботулотоксин стали применять для лечения блефароспазма (локальное неврологическое расстройство, при котором человек усиленно моргает и невольно зажмуривает глаза). В последующем препараты ботулинического токсина стали использоваться для лечения детского церебрального паралича, оро-мандибулярной дистонии, спастической кривошеи, ларингеальной дистонии, дистонии шейки матки, лицевого гемиспазма, гипергидроза. В косметологии ботулотоксин применяется для эстетической коррекции мимических морщин. В медицинской практике ботулинический токсин используется под торговыми названиями «Ботокс», «Диспорт», «Ксеомин», «Нейроблок», «Лантокс» и др.
Свойство ботулотоксина вызывать длительный стойкий паралич мышц используется в медицине. С его помощью разглаживают мимические морщины (тот самый ботокс) и лечат различные состояния, связанные со спастичностью мышц (особое стойкое патологическое повышение мышечного тонуса). Для этого очень маленькие количества ботулотоксина вводят в определëнные мышцы, вызывая их паралич. Он проходит через шесть-двенадцать месяцев, и тогда требуется новая доза ботулотоксина.
«Загадочная молекула века» – такой эпитет ботулинический токсин заслужил от мирового неврологического сообщества в 2000 г. С одной стороны, это причина тяжёлого инфекционного заболевания – ботулизма, с другой – высокоэффективный лекарственный препарат, который используют в клинической практике для лечения более чем 200 заболеваний [36].
Глава 2. Парадоксальные эффекты
Особый интерес в токсикологии и экотоксикологии вызывают так называемые парадоксальные эффекты. Уникальный аспект парадоксальных эффектов сводится к следующему: по мере уменьшения дозы или концентрации воздействующего яда токсичность его увеличивается, и наоборот: при увеличении дозы – эффект уменьшается. Парадоксальные эффекты выглядят провалами на кривых «доза–эффект». В ряде случаев кривые, описывающие парадоксальную зависимость, имеют два провала.
Парадоксальные эффекты реализуются гораздо чаще, чем фиксируются в научной литературе. Их не всегда удается наблюдать только потому, что они появляются ниже или выше границ изучаемых концентраций ксенобиотиков или в области промежуточных концентраций, которые не рассматривались. В других случаях, когда парадоксальные эффекты казались совершенно очевидными по экспериментальным данным, их просто не учитывали. Кроме того, парадоксальные эффекты могут выявляться в более отдалённое время, чем это определено рамками конкретного эксперимента. В результате они могут быть просто упущены. Однако, если увеличить время наблюдения за биообъектом, сравнимый эффект может быть достигнут при действии значительно более низких концентраций ксенобиотика.
Парадоксальные эффекты широко распространены в физиологии многих биообъектов в самых разнообразных условиях, а также в химических системах. В литературе довольно полно описан один из частных случаев бифазной зависимости «доза-эффект», так называемое явление гормезиса. Гормезис представляет собой двухфазный ответ на воздействие ксенобиотика – стимуляция эффекта при низкой концентрации и ингибирование – при высокой концентрации (рис. 4).
Рис. 4. Типы кривых «доза—эффект», отражающие наличие гормезиса
«Парадоксально, что парадоксальные эффекты не всегда поддаются воспроизведению». Иногда в повторных экспериментах, проводимых с целью воспроизведения парадоксальных эффектов, выявляемые провалы на кривых «доза – эффект» фиксируются при разных концентрациях действующего ксенобиотика [14].
Хотя парадоксальный эффект имеет место при действии химических веществ на биологические системы разных уровней организации (организменный, клеточный, субклеточный), механизм его в большинстве случаев неясен, и в настоящее время чёткое объяснение природы этого феномена отсутствует. Тем не менее, для ряда случаев механизм парадоксальных реакций установлен. Так, например, выяснено, что некоторые ферменты в процессе взаимодействия с ядом могут существенно отличаться по своей чувствительности к ингибитору или к промежуточным продуктам, которые накапливаются в результате ингибирования. В этих условиях активность биохимической системы, связанной с метаболизмом данного яда, может парадоксально реагировать в ответ на увеличение дозы ингибитора.
Во всех биологических организмах, представляющих собой открытые динамические системы, действует закон Арндта–Шульца: «Наличие целого каскада взаимосвязанных реакций в биологических системах позволяет даже незначительному раздражению вызвать максимальную ответную реакцию в организме. Сильные и сверхсильные раздражения, а также слабые раздражения, повторяемые слишком часто, скорее блокируют ответ на раздражение».
Для примера отметим, что с биотическими концентрациями ртути издавна работают в гомеопатии, в которой утверждается, что две фазы действия лекарства определяются дозой. Например, в обычных терапевтических дозах атропин вызывает сухость слизистых, тогда как в крайне малых дозах он повышает их секрецию. Этот фармакологический принцип, открытый в 1870-х годах двумя исследователями Hugo Schulz (академический ученый) и Rudolf Arndt (психиатр и гомеопат), получил название Закон Арндта-Шульца. Например, в очень низких концентрациях йод, бром, хлорид ртути и мышьяковая кислота (H3AsO4) стимулируют рост дрожжей, в средних дозах – подавляют, а в больших дозах – убивают клетки.
Другой вариант парадоксального эффекта. Большинство людей (около 90%) при употреблении крепкого чая или кофе обычно чувствуют прилив бодрости; зачастую это даже мешает уснуть. Однако примерно у 10% эти напитки, напротив, вызывают сонливость.
Глава 3. Токсический удар по биосфере и человеку
«Осознать зло – значит немедленно начать бороться с ним»
М. Кольцов
«Начало серьезных научных исследований по проблеме глобального загрязнения природной среды обычно связывают с работами Дж. Форрестера и группы Д. Медоуза. Однако здесь необходимо существенное уточнение. По-видимому, самым сильным импульсом к обострению интереса к этой проблеме послужила книга Рэйчел Карсон «Безмолвная весна». Вышедшая первым изданием в 1962 г., за очень короткий срок она выдержала множество изданий. В течение 1962 г. эта книга только в США была издана 6 раз (!). И хотя она посвящена только одной проблеме химизации – все более широкому применению химических веществ для борьбы с вредителями сельского хозяйства, Р. Карсон усмотрела в этом огромную опасность для будущего всего человечества. Она высказала мнение о том, что со временем ядовитые химические вещества настолько пропитают поверхность земли, что сделают ее непригодной для всякой жизни, и тогда весна – время пробуждения природы – станет «безмолвной», поскольку не будет больше ни птиц в лесах и на полях, ни рыбы в реках, и над всем человечеством нависнет смертельная опасность» [15].
Согласно данным ВОЗ, ежегодно на Земле свыше 50 наименований химических соединений производится в количестве более 1 млн. т.
Среди множества химических веществ выделяют те, которые производятся в крупных масштабах (больше 1000 кг/год) и которые представляют особую опасность для различных экосистем. Эту группу веществ называют приоритетными загрязняющими веществами окружающей среды [52].
Для обоснованного выбора приоритетных химических веществ обычно придерживаются определенных требований, изложенных в Международной Программе по Химической Безопасности. Приоритетными считают вещества, имеющие следующие характеристики:
♥ широкое распространение вещества в окружающих человека микросредах и уровни его воздействия, способные вызвать неблагоприятные изменения в состоянии здоровья населения;
♥ устойчивость токсического вещества к воздействию факторов окружающей среды, его накопление в организме, включение в пищевые цепи или в природные процессы циркуляции веществ;
♥ частота и тяжесть неблагоприятных эффектов, наблюдаемых в состоянии здоровья населения при воздействии токсического агента, при этом особенно важны необратимые или длительно протекающие изменения в организме, приводящие к генетическим дефектам, или другие нарушения развития у потомства;
♥ постоянный характер действия;
♥ изменение (трансформация) химического вещества в окружающей среде или организме человека, приводящее к образованию продуктов, имеющих большую, чем исходное вещество, токсичность для человека;
♥ большая величина популяции населения, подверженного действию химического вещества (вся популяция, профессиональные контингенты или подгруппы, имеющие повышенную чувствительность к воздействию данного токсиканта).
В 1980-х гг. Агентством по охране окружающей среды США (EPA) и ответственными органами стран Европейского сообщества был составлен список приоритетных загрязняющих веществ, включавший около 180 химических соединений. Анализ этого списка показывает, что около 60% приоритетных загрязняющих веществ относится к хлор- и бромсодержащим соединениям.
Странами ООН, участвующими в мероприятиях по улучшению и охране окружающей среды, согласован общий перечень наиболее важных (приоритетных) веществ, загрязняющих биосферу. К их числу обычно относят соединения тяжëлых металлов, пестициды, полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), хлорорганические соединения (ХОС), нефтепродукты, фенолы, детергенты, нитраты. Из этого перечня приоритетных загрязняющих веществ наиболее опасными являются тяжёлые металлы, полиароматические углеводороды и хлорорганические соединения.
3.1. Тяжёлые металлы
С конца 1960-х гг. в специальной научной литературе появился термин «тяжёлые металлы», который сразу же приобрел негативное звучание. С этим термином связано представление о чем-то токсичном, опасном для живых организмов: будь то человек, животные или растения. Однако надо иметь в виду, что многие из причисляемых к этой группе элементов жизненно необходимы (эссенциальны) для различных живых организмов.
Обычно к тяжелым металлам относят группу химических элементов, имеющих плотность более 5 г/см3. Для биологической классификации правильнее руководствоваться не плотностью, а атомной массой, т.е. относить к тяжёлым металлам все металлы с относительной атомной массой более 40 а.е.м.
Набор тяжëлых металлов (ТМ) во многом совпадает с перечнем «микроэлементов». Под микроэлементами подразумеваются такие химические элементы, облигатные (обязательные) для растительных и живых организмов, содержание которых измеряется величинами порядка n⋅10-2– n⋅10-5%. Также их называют «следовые», «малые», «редкие», «рассеянные». Из приоритетных металлов наибольшее внимание уделяется четырëм, называемым «большой четверкой», это – свинец, ртуть, кадмий и мышьяк.
Свинец. Ежедневное поступление свинца в организм человека колеблется от 70 до 400 мкг. Основной источник поступления соединений свинца в организм – пища, преимущественно растительная. Поступление свинца в организм человека с питьевой водой составляет лишь несколько процентов от того количества свинца, которое вводится с пищей и воздухом. Основной источник свинца в воде – сплавы, используемые при соединении водопроводных труб.
Воздействие свинца и его соединений на человека приводит к изменению его нервной системы, проявляющееся в головной боли, головокружениях, повышенной утомляемости, раздражительности, в нарушении сна, ухудшении памяти, мышечной гипотонии, потливости. У работниц свинцовых производств в возрасте 21-40 лет со стажем 6–20 лет отмечены нарушения менструальной функции. Нарушение детородной функции проявляется в большей частоте преждевременных родов, выкидышей и внутриутробной смерти плода, что связано с проникновением свинца в плод. Новорожденные дети медленно растут, высока их смертность. У детей с уровнем свинца в крови от 250 до 550 мкг/л имеют место нарушения в поведении, умственная отсталость; при 600 мкг/л – дебильность. Сравнительно недавно ученые США пришли к заключению, что свинцовая интоксикация — причина агрессивного поведения школьников и снижения их способности к обучению.
Разница между средними концентрациями свинца, безвредными для человека, и теми, что вызывают симптомы отравления, – самая минимальная среди тяжëлых металлов.
В организме человека в среднем содержится 120 мг свинца. Десять лет необходимо для того, чтобы количество накопленного в костях свинца уменьшилось лишь наполовину.
Некоторые исследователи считают, что негативные последствия от загрязнения среды свинцом имеются и в русской истории. Так, русские цари Михаил и Алексей Романовы и их семьи использовали свинцовый водопровод. Он был построен в Москве английскими мастерами по велению Михаила Романова, решившему оборудовать кремлевские строения по последнему слову европейской техники. Царь умер в 1645 г. от свинцового отравления (по описанным симптомам). Свинцовое отравление сильно повлияло на жизнь его сына – царя Алексея Романова и его детей. Он и его первая жена М.И. Милославская родились и жили в Москве, вторая жена Н.К. Нарышкина жила в столице не с рождения и в меньшей мере испытала на себе, как мы теперь говорим, негативное экологическое влияние крупного города. Из шести родившихся у Алексея Михайловича сыновей, только один – Петр (будущий царь Петр I, сын Н. К. Нарышкиной) был относительно здоровым, все другие сыновья были хилыми и болезненными, из них трое – не пережили отца (они умерли в 2, 4, 16 лет), два других были тяжелобольными людьми и умерли в относительно молодом возрасте.
Другим примером опасного использования свинца является кремлевский сад матери Петра I – Н. К. Нарышкиной. Сад был устроен по последнему слову техники того времени: на каменных сводах покоились свинцовые плиты, на них был насыпан небольшой слой земли, где и были посажены, росли и плодоносили фрукты и ягоды, предназначенные для царского стола [53].
Печальную роль сыграл свинец и в истории Древнего Рима. При археологических раскопках было установлено, что скелеты римских рабовладельцев содержат больше свинца, чем кости рабов. И все потому, что рабы пользовались деревянной посудой и воду пили прямо из колодцев, а рабовладельцы использовали для напитков свинцовые сосуды.
Свинец (наряду с другими тяжелыми металлами – кадмием и ртутью) отрицательно влияет на реакцию палочек глазной сетчатки. Поэтому повышенное содержание свинца в организме человека вызывает ухудшение сумеречного зрения. Вследствие этого положение водителей и их пассажиров становится опасным: на автодорогах в организм водителя попадает больше остатков выхлопных газов. Для шофëра нарушение сумеречного зрения может иметь катастрофические последствия. В этом случае источник свинца – этилированный бензин, который содержит в качестве добавки тетраэтилсвинец Pb(C2H5)4.
Тетраэтилсвинец рассматривается как биоцид. Например, зайцы, не находя сорняков на интенсивно обрабатываемых сельскохозяйственных угодьях, поедают траву с обочин автомагистралей. Однако такая трава сильно загрязнена свинцом и зайцы становятся его накопителями. И если даже они от этого не погибают, то все же становятся не очень проворными и гибнут под колесами автомашин, пытаясь перебежать дорогу. Расчёты показали, что трех таких зайцев в одну неделю вполне достаточно, чтобы человек мог заболеть в результате свинцового отравления.
Великобритания запретила рыболовам и охотникам использование свинцовых грузил и дроби. Было установлено, что в местах интенсивной охоты и рыболовства лебеди-шипуны заглатывают упавший на дно свинец, принимая его за безобидный и необходимый для пищеварения гравий. В желудке птиц кусочки свинца механически растираются гравием, измельчённый токсичный металл растворяется пищеварительным соком и разносится кровью по всему организму. Птицы медленно, мучительно погибают от свинцового отравления. По этой причине популяция лебедей на внутренних водоёмах Англии сокращалась каждый год в среднем на 3000 особей.
Ртуть. При вдыхании пары ртути хорошо адсорбируются и аккумулируются в мозге, почках, яичках. Острое отравление вызывает разрушение легких. В тканях организма элементная ртуть превращается в ион, который соединяется с молекулами, содержащими сульфгидрильные группы (SH–группы), в том числе и с макромолекулами белков. Хроническое отравление ртутью заключается в постоянном нарушении нервной системы, вызывает усталость, а при более высоких уровнях отравления вызывает характерный ртутный тремор, когда мелкая дрожь каждые несколько минут прерывается весьма заметным трясением. Персонаж «Алисы в стране чудес» Льюиса Кэрролла сумасшедший Хаттер – яркий пример жертвы профессионального заболевания от отравления нитратом ртути Hg(NO3)2, используемой при обработке меха.
«Давным-давно турецкие шляпники при изготовлении шляп смачивали войлок, из которого делались головные уборы, в верблюжьей моче. Говорят, волокна войлока от этого становились мягче и быстрее сбивались. Про этот плохо пахнущий секрет однажды прознали французские болванщики, так ещë звали фетровых мастеров. Во Франции с верблюдами неважно, поэтому вместо верблюжьей мочи ремесленники стали использовать человеческую. Если быть более точными – свою собственную. И вот средневековые мастера как-то заметили, что у одного из них фетр получался особенно удачным, значит – и шляпы его продавались лучше других. Оказалось, что этого, как выяснилось, чересчур темпераментного в любви товарища недавно лечили от сифилиса – нитратом ртути, как тогда полагалось. И следы этого вещества оставались у него в моче. Тут ремесленники и догадались, что ртуть действует на войлок куда лучше, чем человеческие отходы. И шляпники стали использовать ее для обработки войлока… Времена стояли дикие, техники безопасности и химзащиты не было и в помине. Очень скоро самой распространенной болезнью шляпников стало отравление ртутью, последствиями которого являются помешательство и слабоумие. Так что шляпники – и правда – отличались сумасшествием» [42] (рис. 5).
Если за один раз человек вдохнул 2,5 г паров ртути – для него это смертный приговор. Примерно столько ртути и содержится в обычном медицинском градуснике.
Органические соединения ртути, такие как хлорид метилртути CH3HgCl, высокотоксичны вследствие их летучести. В загрязнённой воде, содержащей ртуть, микроорганизмы легко переводят неорганические соединения ртути в монометилртуть CH3Hg+. В организме рыб большая часть ртути находится именно в этой форме, которая может сохраняться годами. В организме человека время полужизни ртути составляет от нескольких месяцев до нескольких лет. Токсический эффект может быть скрытым. Симптомы отравления могут проявиться лишь через несколько лет.
Рис. 5. Обложка книги К. Привалова «Яды: полная история от мышьяка до «Новичка»
Трагедия у р. Минамата показала, что органические соединения ртути по характеру их токсичности следует рассматривать особо и что в этом случае доминируют поражения головного мозга: на это указывает не только столь типичное для болезни Минамата ограничение полей зрения, вплоть до угрозы полной слепоты, но и нарушенная координация движений, из-за которой больные напоминают «дышащих деревянных кукол».
Причиной возникновения болезни послужил продолжительный выброс компанией «Chisso» в воду залива Минамата ртути, которую донные микроорганизмы в своём метаболизме преобразовывали в метилртуть. Это соединение ещё более токсично и, как и ртуть, склонно накапливаться в организмах, в результате чего концентрация этого вещества в тканях организмов возрастает с повышением их положения в пищевой цепочке. Так, в рыбе в заливе Минамата содержание метилртути составляло от 8000 до 36000 мкг/кг, в устрицах – до 85000 мкг/кг, в то время как в воде её содержалось не более 680 мкг/л. По мнению специалистов, «болезнью Минамата» в той или иной степени были поражены 100 тысяч жителей префектур Кумамото и Кагосима. В самом поселке Минамата у 28% жителей нарушены функции органов чувств, у 25% отсутствует координация движений, у 29% – дефекты слуховых органов, у 13% – пороки органов зрения. С 1955 по 1958 гг. 6% детей Минамата родились с церебральным параличом.
Наиболее известные примеры массового отравления ртутью были вызваны именно CH3Hg+. В 1953 г. в Японии у 121 жителя побережья в бухте Минамата было зафиксировано заболевание, сопровождавшееся ломотой в суставах, нарушением слуха и зрения. Это заболевание, вошедшее в литературу под названием «болезнь Минамата», закончилась смертью для почти трети больных. В дальнейшем в 1959 г. удалось установить, что эта болезнь вызывается употреблением в пищу рыбы, отравленной ртутью в форме хлорида CH3HgCl, сбрасываемого химическим предприятием прямо в воды залива. Концентрация ртути была настолько велика, что рыба погибала; поедавшие эту рыбу птицы падали прямо в море, а отведавшие отравленной пищи кошки передвигались, «кружась и подпрыгивая, зигзагами и коллапсируя». К 1954 г. популяция кошек в этих местах заметно снизилась. Однако до 1959 г. никаких замеров ртутного загрязнения вод залива в этом районе не проводилось (мониторинг отсутствовал). И только благодаря старинному японскому обычаю сохранять высушенную пуповину своих новорожденных удалось доказать, что загрязнение залива ртутью началось еще в 1947 г. Интенсивное расследование позволило установить, что на ацетиленовом производстве ртутные отходы сбрасывались в реку, впадающую в бухту Минамата. При этом ртуть, о чëм первоначально и не подозревали, микробиологическим путем превращалась в метилртуть, которая через планктон, моллюсков и рыб в конце концов попадала в пищу. В этом цикле ртуть постепенно концентрировалась и в конце пищевой цепи, дойдя до человека, достигала токсической концентрации. Подобного рода биоаккумуляция возможна только тогда, когда загрязняющее вещество поступает в организм быстрее, чем выводится из него. Но вплоть до 1968 г. сбрасывание стоков в залив не было приостановлено. Эта трагедия была занесена в Книгу рекордов Гиннеса как самое сильное загрязнение моря. В музее болезни Минамата установлен мемориал (рис. 6).
Особо подчеркнем, что подобные вещества представляют опасность для организмов вследствие их устойчивости и липофильности (взаимодействию с жирами), обусловливающими большой период полувыведения (время, в течение которого выделяется или разрушается половина усвоенного организмом вещества). Для большинства тканей организма человека период полувыведения ртути 70–80 дней.
Рис. 6. Мемориал в музее болезни Минамата
Для человека болезнь Минамата начинается с онемения конечностей и лица, нарушения чувствительности кожи и двигательной активности рук, к примеру, при письме. Затем нарушается координация движений, слабость, дрожь и неуверенность походки, а также нарушения речи, слуха, зрения. И на заключительной стадии – общий паралич, деформация конечностей, особенно пальцев, затрудненное глотание, конвульсии и смерть. Трагично и то, что дети, рожденные у мало пострадавших матерей, погибали от церебрального паралича и становились идиотами.
Другой пример, связанный с отравлением ртутью. Ирак закупил у Мексики протравленное метилртутью зерно в качестве посевного материала. Однако местное население использовало это зерно для выпечки хлеба. В результате было госпитализировано 6530 и 495 человек погибли (1971–1972 гг.). Симптомы были те же, что и при болезни Минамата.
Соединения ртути, в том числе метилртуть в значительных объемах попадает в водные объекты. Ртуть аккумулируется планктонными организмами, являющимися пищей для ракообразных, а последние поедаются рыбами. Щуки, выловленные в Балтийском море у побережья Швеции, содержали до 5,7 мг/кг метилртути, и когда этой рыбой кормили кошек, то они погибали от ртутного отравления через 2–3 месяца. Приëм всего лишь одного грамма ртутной соли приводит к летальному исходу.
Отравление ртутью в настоящее время практически не встречается, однако раньше, два – три века назад, это было довольно частым явлением. Как правило, тогда использование ртути и ее соединений требовалось для изготовления зеркал, одежды и лечения сифилиса.
Кадмий. В среднем в организме человека содержится около 10 мг кадмия. Ежедневно с пищей, водой и воздухом в организм поступает до 0,2 мг кадмия. При этом большая часть поступает с пищей, меньшая – с водой и воздухом. К характерным болезням горожан, связанных с поступлением кадмия, относятся гипертония, ишемическая болезнь сердца, почечная недостаточность. Курильщики или занятые на производстве с использованием кадмия рискуют заболеть эмфиземой лëгких, а некурящие – бронхитами, фарингитами и другими заболеваниями органов дыхания. Наиболее серьёзным последствием интоксикации кадмием является развитие почечной недостаточности.
В одной сигарете содержится от 1,2 до 2,5 мкг кадмия. Мировое производство табака, по данным Л.Г. Бондарева, составляет примерно 5,7 млн т в год [12]. Одна сигарета содержит около 1 г табака. Следовательно, при выкуривании всех сигарет, папирос и трубок в мире в окружающую среду выделяется от 5,7 до 11,4 т кадмия, попадая не только в лëгкие курильщиков, но и в лëгкие некурящих людей.
На опасность кадмия указывает химический символ этого элемента: «Cd» курильщикам следует читать как аббревиатуру английского Cancer disease – раковое заболевание. Более четверти летальных исходов онкологических больных происходит от рака легких. Среди заболевших 80-90% – курильщики. Табак – растение, в наибольшей степени аккумулирующее соли кадмия из почвы – до 2 мг/кг, что во много раз превышает предельно допустимое содержание кадмия в основных продуктах питания (рыба – 0,1 мг/кг, мясо – 0,05 мг/кг, хлеб – 0,02 мг/кг, молоко – 0,01 мг/кг, фрукты – 0,03 мг/кг).
Особо подчеркнём, что кадмий опасен в любой форме. 30-40 мг могут оказаться смертельными. Поэтому даже питье лимонада из сосудов, материал которых содержит кадмий, чревато опасностью. Из организма кадмий выводится очень медленно (примерно 0,1% в сутки), вследствие чего может происходить хроническое отравление. Самые ранние симптомы хронического отравления кадмием – белок в моче, дисфункция половых органов, нарушение нервной системы, острые костные боли в спине и ногах.
Известна история, как цинковый рудник в Японии загрязнил речку Дзинцу. Около 150 человек умерло от атрофии костного скелета. Эта трагедия вошла в историю отравлений тяжёлыми металлами под названием «болезнь итаи-итаи» (японский эквивалент выражения «ох-ох»). Название болезни происходит от боли в спине и ногах, сопровождающейся декальцификацией скелета (обычно у старых женщин), которое приводит к ломкости костей (известен случай с 72 переломами у одного человека). Болезнь протекает с деформацией скелета, снижением роста, тяжёлыми болями в пояснице, в мышцах ног, утиной походкой, легкостью возникновения переломов при самых незначительных напряжениях, например, переломы ребер при кашле. Это заболевание приводит к смерти. В Японии оно могло возникнуть из-за употребления воды, загрязнённой кадмием, непосредственно при питье или при потреблении в пищу зерна (особенно риса), которое при выращивании поливали водой в течение многих лет. В США случаи заболевания итаи-итаи имели место в связи с потреблением сахарного горошка, который содержал большие количества кадмия.
Количество кадмия, попадающее в организм человека, зависит не только от потребления им кадмийсодержащих пищевых продуктов, но и в значительной степени от качества его диеты. В частности, даже весьма незначительная недостаточность железа может заметно увеличить аккумуляцию кадмия. Именно поэтому женщины, которые в результате менструаций регулярно теряют вместе с кровью железо, более подвержены отравлению кадмием, чем мужчины.
Источником воздействия высокотоксичных веществ на организм подчас становятся и такие безобидные предметы, как детские игрушки. Летом 1989 г. появились тревожные сообщения о превышении (до 70 раз) допустимого содержания кадмия в мягких фигурках из пластизоля, изготавливаемых для самых маленьких детей. На четырех химических заводах кадмий добавлялся в сырье – пластмассу для придания ей розово-телесного цвета, а в дальнейшем при изготовлении игрушек производилось их раскрашивание краской, также включавшей кадмий в высоких концентрациях. С учётом слабой устойчивости краски к действию слюны и влаги нетрудно представить масштабы химической угрозы здоровью сотен тысяч детей. В связи с этим Минздрав СССР принял специальное постановление, запрещающее с 1 сентября 1989 г. применять кадмийсодержащие красители при изготовлении детских игрушек.
Мышьяк. Мышьяк – полуметалл. Мышьяк уже долгое время является предметом токсикологических исследований. Эти исследования ставились из-за частых случаев его использования в качестве средства для убийства и самоубийства, из-за его употребления в качестве пестицида в садах и виноградниках как отравляющего вещества кожно-нарывного действия в химическом вооружении. Токсические эффекты соединений мышьяка хорошо и достаточно давно известны. Напомним историю смерти Наполеона, погибшего на о. Святой Елены от хронического отравления мышьяком. Об этом свидетельствовали результаты анализов останков императора. Другой пример – «рак виноградарей», еще в позапрошлом веке использовавших препараты мышьяка для опрыскивания своих виноградников.
«Мышьяк сыграл трагическую роль в истории токсикологии. Оксид мышьяка, белый мышьяк (As2O3) как нельзя более подходит для преступлений: при растворении в воде и обычных жидкостях он не дает окраски и запаха. Растворимость его мала, но достаточна для оказания вредного действия: 60 мг – смертельная доза, а симптомы отравления сходны с признаками заболевания холерой. При периодическом или длительном применении малых доз картина отравления может быть настолько разной, что встарь еë путали с различными заболеваниями, вплоть до венерических. Это и неудивительно, так как мышьяк кроме желудочно-кишечного тракта поражает нервную систему, кровь и вызывает заболевания слизистых оболочек и кожи. В связи с тем, что отравление напоминает различные болезни, мышьяк как орудие преступлений со временем почти вытеснил растительные яды древнего мира» [15] (рис. 7).
Рис. 7. Обложка книги И.Д. Гадаскиной и Н.А. Толоконцева «Яды – вчера и сегодня»
Мышьяк является сильным ингибитором ряда ферментов в организме и способен вызвать острые отравления. Совокупность симптомов, обусловленных постепенным отравлением людей соединениями мышьяка в коксохимическом производстве Италии получила в 1960-х гг. название болезни «чизолла». Хроническое действие малых доз соединений мышьяка способствует возникновению рака легких и кожи, так как мышьяк сильно повышает чувствительность слизистых оболочек к другим канцерогенам, а кожных покровов – к ультрафиолетовым лучам. Тератогенные эффекты мышьяка проявляются в расщеплении неба (волчья пасть) микроофтальмии, недоразвитии мочеполовой системы и др.
Механизмы токсического действия мышьяка множественны. Это и нарушение тканевого дыхания, и дегенеративные и некротические процессы в тканях, и тератогенные эффекты (у женщин, подвергавшихся во время беременности экспозиции к мышьяку, часто рождаются дети с низким весом, имеют место различные уродства, а также высока частота выкидышей). Спустя значительное время после контакта с мышьяком, может проявиться его канцерогенное действие. Причем кроме производственных условий главные пути поступления мышьяка в организм человека – мышьяксодержащие лекарства, пестициды и питьевая вода. В случае сильного отравления основным признаком является сильное нарушение желудочно-кишечного тракта, сопровождаемое спазмами и диареей, и эти эффекты проявляются почти немедленно. Описаны случаи массового рака кожи среди жителей провинции Кордоба (Аргентина) и о. Тайвань, где население в течение 60 лет использовало питьевую воду с высоким содержанием мышьяка. Мышьяк включен в группу безусловных канцерогенов для человека, поскольку вызывает рак лëгких и кожи.
«Тысячи лет правители держали при себе дегустаторов, которые проверяли каждое блюдо, прежде чем оно достигало королевского рта. Однако даже огромная доза мышьяка не обязательно действует мгновенно. Вопреки тому, что показывают в фильмах, жертва отравления не хватается за горло и не падает на пол замертво, стоит только яду попасть в рот. Время появления первых симптомов (боль в животе, рвота, диарея) сильно варьирует в зависимости от роста, веса, генетики, общего состояния здоровья и количества пищи в желудке (которое обладает способностью замедлять усвоение яда организмом). Один из наиболее ярких примеров, иллюстрирующих эту разницу, произошел в 1867 году, когда группа из двадцати человек, обедавшая в отеле «Иллинойс», отравилась печеньем, по ошибке испеченным не из муки, а из мышьяка. Один из гостей почувствовал недомогание, стоило ему только встать из-за стола, в то время как прочим стало дурно спустя несколько часов, хотя они обедали в одно время. У всех жертв наблюдались тошнота и диарея; другие симптомы (жгучая боль в животе, ларингоспазм, судороги и конвульсии) проявились не у каждого отравленного. Один страдал от тяжëлой диареи и трудностей с мочеиспусканием в течение нескольких недель, однако никто не умер» [59].
Реакция организма на тяжёлые металлы является двухфазной (рис. 8).
Если организм получает слишком мало металлов, ему наносится тяжëлый ущерб. Это объясняется тем, что в организме содержится множество ферментов, которые могут функционировать только в присутствии тяжëлых металлов, хотя бы в следовых количествах. Однако если в организм попадает слишком много того или иного металла, то наступает вторая фаза, связанная с токсическим действием избыточного количества.
Рис. 8. Реакция организма на действие тяжелых металлов
Возможно, что многие из нас видели или слышали, что дети иногда с удовольствием едят мел и извëстку. Особенно школьники. Обычно это трактуется как инстинктивное потребление недостающего кальция. Значительно чаще стремление есть мел, сухую крупу, даже землю связано с дефицитом железа в крови.
Железодефицитная анемия довольно распространённое заболевание. Нет железа – нет гемоглобина, нет гемоглобина – и кровь становится жидкой и бледной. При анемии (синоним – малокровие) больные бледны, вялы, ко всему безразличны.
Чаще малокровием болели молодые девушки, которые ранее вели замкнутый образ жизни. В XVII веке эту болезнь образно назвали «бледной немочью». Девицы часто падали в обморок, но не от тонких чувств, а от самого обычного недостатка железа в эритроцитах.
В «Экономическом журнале» за 1783 г. приведен такой текст: «В некоторых случаях и болезнях самое железо составляет весьма хорошее лекарство, и принимаются с пользой наимельчайшие опилки либо просто, либо обсахаренные». Было рекомендовано и железное вино: «Виноградное кислое вино, как, например, рейнтвейн, настоять с железными опилками, и получится железное вино и вкупе весьма хорошее лекарство». Другой вариант: в кислое яблоко втыкали гвозди. Проходило немного времени, и гвозди ржавели, переходя в гидроксид и частично в яблочное желе. Затем гвозди вытаскивали, а яблоки съедали. В таком яблоке было много железа!
Железа, которое содержится в теле человека, хватит на крупный гвоздь. Это приблизительно 2,5–4,5 грамм. Влияние железа на многие жизненно важные процессы огромно, и его недостаток (как и избыток) моментально сказывается на нашем самочувствии и может привести к серьезным последствиям.
Еще в 1980-х годах специалисты предположили, что гендерное различие уровня железа в крови является причиной высокой распространенности болезней сердца среди мужчин. Патологоанатом доктор Джером Салливан первым опубликовал статью в журнале The Lancet под названием «Железо. Риск сердечно-сосудистых заболеваний у мужчин и женщин».
3.2. Полициклические ароматические углеводороды
Известно большое количество полициклических ароматических углеводородов (ПАУ) (нафталин, антрацен, пирен, хризен, фенантрен, бенз(а)антрацен, бен(а)пирен и др.). При кулинарных процессах (жарение, варка, сушка и др.) происходят химические превращения веществ, в ходе которых образуются новые, зачастую токсичные соединения. Так, в опытах на животных было установлено, что токсичные вещества образуются при нагревании жиров. При копчении и поджаривании мяса оно постоянно находится в дыме над продуктами сгорания, что придает пище своеобразный аромат. Устойчивость мяса после копчения обусловлено присутствием веществ фенольного характера. При копчении образуются и полициклические ароматические углеводороды (ПАУ), в том числе и бенз(а)пирен, которые вместе с дымом оседают на мясе. При холодном копчении в дыме содержание бенз(а)пирена всегда ниже, чем при горячем копчении (60-1200С). Среднее содержание бенз(а)пирена в копченостях составляет 2-8 мкг/кг. При поджаривании бенз(а)пирен образуется из перегретых жиров.
Бенз(а)пирен оказался тесно связан с профессией трубочиста. В Англии XVIII века она была довольно распространена. На такую работу брали мальчиков: небольшие габариты позволяли им пролезть в узкий дымоход. Внутри трубы очень жарко, поэтому нередко английские трубочисты работали голыми. Постоянный контакт сажи с телом давал о себе знать: у трубочистов появлялась «бородавка» в области мошонки. Её называли сажевой. Со временем она разрасталась всё больше и больше. Сейчас мы знаем, что это был рак. Сажа содержала вещества, провоцирующие рост злокачественных образований. Среди этих веществ – и бенз(а)пирен. «Сажевая бородавка» встречалась в основном в Англии. В других странах трубочисты носили облегающую одежду, что и спасало их от заболевания.
Индикаторное значение для всех ПАУ имеет бенз(а)пирен (БП). Это обусловлено следующими наблюдениями: 1) БП всегда находят там, где присутствуют другие ПАУ; 2) по сравнению с другими ПАУ именно БП обладает наибольшей стабильностью в окружающей среде; 3) БП отличается наиболее выраженной биологической, в частности, канцерогенной активностью; 4) существующие физико-химические методы индикации БП в различных средах являются наиболее чувствительными среди методов определения ПАУ. БП идентифицирован в табачном дыму (20–40 мкг/сигарету), дыму марихуаны (29 нг/сигарету), городском воздухе (0,05–74 нг/м3), выхлопах дизельных двигателей (2–170 мкг/кг экстракта), отработанных машинных маслах (5,2–35,1 мг/кг), загрязнённых водоёмов (0,2–13000 нг/л), чае (3,9–21,3 мкг/кг), кулинарных продуктах.
3.3. Хлорорганические пестициды
C ростом населения Земли стало ясно, что обеспечение его продуктами питания немыслимо без перехода к интенсивному сельскохозяйственному производству, предполагающему широкое использование не только удобрений, но и средств защиты растений от различных болезней и вредителей, а также сорняков. В этом плане большие надежды возлагались на искусственные химические препараты, получившие название пестицидов. Пестициды (pestis – зараза, caedo – убивать) – общепринятое собирательное название химических средств защиты растений. Они используются для борьбы с сорняками, вредителями, грибковыми заболеваниями и другими болезнями сельскохозяйственных растений, кустарников и деревьев. Их применение наиболее интенсивными темпами началось в 1940-х годах.
Особо эффективными средствами борьбы с насекомыми-вредителями оказались хлорорганические соединения алифатического и ароматического рядов. Некоторые из них были известны уже довольно давно, однако пестицидные свойства их были выявлены лишь в 1930–1940-х гг. Среди этих соединений особое значение имеют гексахлорциклогексан (линдан, γ-ГХЦГ), ДДТ и его метаболиты ДДЕ и ДДД, гексахлорбензол и некоторые другие.
Установлено, что ДДТ, накапливаясь в тканях птиц, таких как кряква, скопа, белоголовый орлан и др., приводит к истончению скорлупы яиц. В итоге птенцы не могут быть высижены и погибают. Это сопровождается снижением численности популяции птиц.
Несмотря на то что в большинстве стран применение ДДТ сейчас запрещено законом и содержание этого вещества в биосфере начало снижаться (период полупревращения ДДТ в окружающей среде около 20 лет), ДДТ встречается всюду: в материнском молоке, в жире байкальских тюленей и у пингвинов Антарктиды. Интересно отметить, что сейчас около 450 видов беспозвоночных стали нечувствительными к применяемым инсектицидам, и в лабораториях получены экспериментально созданные популяции дрозофил, которые (хотя это и выглядит анекдотично) не могут жить без ДДТ. Добавим к этому, что в Санкт-Петербурге и Москве появилась особая раса (в ранге подвида) комаров, которая перешла исключительно на питание человеческой кровью (животных они не трогают), а размножается даже зимой – в теплых подвалах, во влажных местах вблизи тепла.
Пестициды могут поступать в организм человека при хранении, транспортировке и применении, а также в случае загрязнения воздуха, воды и пищевых продуктов. Некоторые препараты, например, дефолиант 2,4,5-Т (дефолианты – химические препараты, применяемые для предуборочного удаления листьев с целью механизации уборочных работ, а также удаления листьев перед пересадкой плодовых и других деревьев), применявшийся во Вьетнаме, способны накапливаться в организме человека, вызывая повреждение печени, сходное с раковой опухолью, либо оказывая влияние на наследственность, подобное радиационному воздействию.
Человек стоит в конце трофической цепи, и, следовательно, стойкие пестициды не могут не аккумулироваться в его организме, вызывая при определенных концентрациях болезненные изменения. Так, по данным ЮНЕП (программа ООН по окружающей среде), за один год в мире пестицидами отравляется около одного миллиона человек, причем от 5 до 20 тыс. из них – смертельно.
Но есть и другие данные. Изучив опыт американской противомалярийной кампании, в 1955 году Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) объявила войну малярии в масштабах всей планеты. Спустя два года аналогичную программу одобрил Конгресс США. Кампания увенчалась фантастическим успехом. К 1967 г. малярия была полностью искоренена во всех развитых странах мира, а также во многих странах Азии, Латинской Америки и Африки. В Индии смертность от малярии опустилась ниже уровня статистической значимости, в Шри-Ланке заболеваемость упала с 2800000 случаев до 17 (это не опечатка – семнадцать!).
В 1970 году Национальная академия наук США провозгласила: «Можно по пальцам пересчитать химикалии, которым человечество обязано в такой же степени, в какой оно обязано ДДТ. За два года с небольшим этот препарат позволил спасти от малярии 500 миллионов человек, которые в противном случае были бы обречены на верную гибель».
В США профессор Гордон Эдвардс каждый новый учебный год начинал с того, что на глазах своих студентов съедал ложку чистого ДДТ, чтобы продемонстрировать его безвредность. Доктор Эдвардс на протяжении всей своей жизни отличался отменным здоровьем, до глубокой старости увлекался альпинизмом и дожил до 86 лет.
3.4. Полихлорированные бифенилы
Уже к середине 60-х гг. загрязнение окружающей среды полихлорированными бифенилами (ПХБ) достигло такого уровня, что они были зарегистрированы в экстрактах из тканей рыб и диких животных. Эти соединения были обнаружены в воздухе и воде Саргассова моря и Мексиканского залива. В настоящее время ПХБ с полным основанием можно отнести к глобальным загрязняющим веществам окружающей среды: их присутствие зафиксировано в различных, порою весьма удалённых от промышленных зон, районах планеты. В частности, о глобальном характере загрязнения свидетельствует обнаружение ПХБ в Арктике, центральных районах Индийского океана и в Антарктике. Исследования показали, что ответственными за появление этих соединений в отдалëнных районах являются процессы атмосферного переноса. Последующие токсикологические исследования выявили почти полную идентичность поведения ПХБ и хлорорганических пестицидов (ХОП), являющихся биоцидами. Всë это вместе взятое послужило поводом для детального изучения свойств, поведения и распространения ПХБ и анализа их количеств в объектах окружающей среды. Другим толчком к исследованию послужили случаи массовых отравлений в 1969 г. в Японии и в 1974 г. на Тайване, вызванных употреблением в пищу рисового масла, загрязненного ПХБ.
В конце 1980-х годов в результате вирусных инфекций в Балтийском, Северном и Ирландском морях погибло около 18 тысяч тюленей. В тканях погибших животных находили высокое содержание полихлорированных бифенилов (ПХБ). Известно, что ПХБ, как и другие хлорсодержащие соединения, такие как ДДТ, гексахлорбензол, диэлдрин, обладают иммуносупрессивным действием на млекопитающих. Их накопление в организме и привело к снижению резистентности тюленей к инфекции. Таким образом, непосредственно не вызывая гибели животных, поллютант существенно повышал их чувствительность к действию других неблагоприятных экологических факторов [21].
3.5. Диоксин и диоксиноподобные соединения
Другая группа приоритетных хлорорганических соединений – полихлорированные дибензо-п-диоксины (ПХДД) и многочисленная группа диоксиноподобных соединений. Это чужеродные живым организмам вещества (ксенобиотики), поступающие в живую и неживую природу с продукцией или отходами многих технологий.
История «знакомства» с ПХДД восходит к 1930 г., когда развитие широкомасштабного производства и применения полихлорфенолов привело к появлению массовых профессиональных заболеваний хлоракне (рецидивирующее воспаление сальных желез), хотя само это заболевание известно с 1899 г. География распространения хлоракне значительно расширилась в 1940–50-е гг. в связи с развитием во многих странах крупнотоннажного производства 2,4,5–трихлорфенола (ТХФ), а также получаемых из него 2,4,5-трихлорфеноксиуксусной кислоты (дефолианта 2,4.5–Т), антибактериального препарата гексахлорфена и др. Описаны многочисленные случаи острого отравления персонала таких предприятий в результате аварий, первая из которых произошла в США в 1949 г.
Источником этих поражений оказался 2,3,7,8–тетрахлордибензо–п-диоксин, образующийся в виде микропримеси при промышленном получении 2,4,5–ТХФ.
Структурная формула 2,3,7,8-тетрахлордибензо-пара-диоксина (2,3,7,8–ТХДД)
Одновременно с 2,3,7,8–ТХДД в качестве хлоракнегенного фактора был назван и 2,3,7,8–тетрахлордибензофуран. Особое внимание этот ксенобиотик привлек как микропримесь к полихлорбифенилам (ПХБ), широко используемых в качестве жидких диэлектриков, теплоносителей, гидравлических жидкостей и т.д. Обусловленные им массовые поражения людей (в 1968 г. в Японии и в 1979 г. на Тайване) были связаны с попаданием ПХБ в рисовое масло, что привело к болезням Ю-Шо и Ю-Ченг (острое поражение печени, сопровождающееся многочисленными побочными эффектами).
Во второй половине 1970-х гг. стало ясно, что опасность диоксинов как суперэкотоксикантов приобрела общепланетарные масштабы. В эти годы в химической экологии возник хемосферный подход к проблеме, рассматривающий живые организмы в контексте их взаимодействия со всей совокупностью непрерывно влияющих на них химических факторов. В целом диоксиновая проблема в силу своей сложности и многообразия сложилась как сугубо междисциплинарная, новые грани которой могут возникать с самой неожиданной стороны. Одним из проявлений этого аспекта стало обнаружение диоксинов в выбросах мусоросжигательных печей в 1977 г., а также в продукции и выбросах целлюлозно-бумажной, металлургической и нефтеперерабатывающей промышленности – во второй половине 1980-х гг.
В немалой степени тому, что диоксиновая опасность оказалась в последние десятилетия в центре внимания международного сообщества, способствовало активное освещение в печати материалов двух крупномасштабных событий 1960–1970-х гг.
Одним из них явилась война армии США во Вьетнаме, во время которой на территории Южного Вьетнама в течение 1962–1971 гг. применялось несколько гербицидных рецептур. В рамках боевых действий было распылено около 57 тыс. т только рецептуры «Agent Orange», содержавшей в виде микропримеси около 170 кг 2,3,7,8–ТХДД (рис. 9,10).
Рис. 9. Мангровые леса до обработки гербицидами
Рис. 10. Мангровые леса после обработки гербицидами
Появились сообщения о массовых поражениях населения, а также участников ветеранов войны – американских и австралийских. Были обнаружены негативные эффекты микропримесей гербицида на детородные функции женщин, его мутагенное, тератогенное и эмбриотоксическое действие. Была, наконец, осознана опасность отдалëнных последствий поражения, в особенности подавления иммунной системы.
В ходе войны применялось химическое оружие, что не могло не сказаться на экологической обстановке. После вывода войск США американские ветераны этой жуткой войны страдали от психических расстройств и множества различных заболеваний, которые были вызваны применением диоксина, находящегося в составе Agent Orange. Среди американских ветеранов было огромное количество самоубийств, хотя официальные данные об этом никогда не публиковались.
Летальные дозы диоксина сильно варьируют при переходе от одного вида теплокровных к другому. Наибольшей чувствительностью к воздействию диоксина отличается морская свинка (ЛД50 = 0,0006-0,002 мг/кг при пероральном поступлении). ЛД50 = 0,114-0,284 мг/кг для мыши. Наиболее устойчив к воздействию диоксина хомяк, для которого ЛД50 = 5 мг/кг при оральном поступлении. Столь широкая вариация летальных доз для животных не позволяет осуществить надежную экстраполяцию летальной дозы диоксина для человека. Принято считать, что безопасного уровня доз диоксина вообще нет и что степень риска поражения находится в прямой зависимости от дозы.
Кроме химических, армия США в Индокитае применяла и другие средства для уничтожения растительности. Большой, часто невосполнимый ущерб природе нанесли бомбардировки методом «коврового бомбометания» и сверхкрупными авиабомбами, артобстрелы, знаменитые «римские плуги».
В результате всех этих действий были почти полностью уничтожены мангровые леса (500 тыс. га), поражено 60% (около 1 млн. га) джунглей и 30% (более 100 тыс. га) равнинных лесов. Урожайность каучуковых плантаций упала с 1960 г. на 75%. Было уничтожено от 40 до 100% посевов бананов, риса, сладкого картофеля, папайи, помидоров, 70% кокосовых плантаций, 60% гевеи, 110 тыс. га плантаций казуарины.
Другим событием оказалась промышленная авария в Севезо (Италия, июль 1976 г.) В отличие от других аварий, эта была осложнена тем, что вовлекла многочисленное население, не подозревавшее об опасности и не связанное непосредственно с производством. Аварийному выбросу сотен тонн 2,4,5–ТХФ сопутствовал выброс 2,3,7,8–ТХДД и других ПХДД и ПХДФ. В зоне распространения ядовитого облака оказалось несколько тысяч близлежащих поселков; в результате аварии пострадало не менее 500 человек (главным образом дети), погибли тысячи домашних животных. Исчезло большое количество полезных животных, птиц и растений. Вместо них широко распространились опасные виды животных – разносчиков инфекций, а также растения-паразиты.
26 мая 1971 г. около 10 м3 того, что считалось техническим маслом, было разбрызгано по грунту на ипподроме, находящегося неподалеку от Таймз Бич, чтобы пыль не мешала скачкам. Три дня спустя ипподром был усеян трупами мёртвых птиц, а ещë через день заболели три лошади и наездник. К июню умерли 29 лошадей, 11 кошек и 4 собаки. Заболели несколько взрослых и детей. И только в августе 1974 г., после того, как верхний слой земли на глубину 30 см был удалëн и вывезен, ипподром стал безопасен для людей, домашних животных и птиц. С этого началось десятилетие исследований, споров и домыслов, кульминацией которого стала эвакуация Таймз Бич. Потребовалось три года работы лабораторий штата Миссури и правительства США, чтобы установить причину всех этих заболеваний и смертей. В грунте, взятом на ипподроме, был обнаружен диоксин. В результате стало ясно, что «техническое масло» представляло собой химические отходы завода в Вероне, штат Миссури, где производился трихлорфенол – промежуточный продукт для получения 2,4,5-Т, гербицида «Оранжевый реагент», который распылялся в огромных количествах во время войны во Вьетнаме.
Кстати, первоначально диоксин и его «родственники» применялись для консервации древесины. После выявления у них высокой токсичности для вредителей древесины их стали использовать в качестве гербицидов, т.е. веществ, уничтожающих нежелательную сорную растительность.
Диоксины высоко токсичны и могут вызывать проблемы в области репродуктивного здоровья и развития, поражения иммунной системы, гормональные нарушения, раковые заболевания и т.д. (рис. 11).
Период полураспада диоксинов в организме оценивается в 7-11 лет. В окружающей среде диоксины имеют тенденцию накапливаться в пищевой цепи. Концентрация диоксинов увеличивается по мере следования по пищевой цепи животного происхождения. Более 90% воздействия диоксинов на людей происходит через пищевые продукты, главным образом через мясо и молочные продукты, рыбу и моллюски.
Многие страны контролируют пищевые продукты на наличие диоксинов. Это способствует раннему выявлению загрязнения и часто позволяет предотвратить крупномасштабные последствия. Выявление повышенных уровней диоксина в молоке в Нидерландах в 2004 г. является одним из таких примеров. В результате расследования был установлен источник – глина, используемая в производстве корма для животных. В другом случае повышенные уровни диоксина были обнаружены в корме для животных в Нидерландах в 2006 г., а источником был загрязненный жир, используемый в их производстве.