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.
Неважно, является ли Земля саморегулирующейся системой, но для нее определенно характерна цикличность процессов: химические вещества переходят из одной фазы в среде в другую, зачастую затрачивая на это целые геологические эпохи. И живые организмы также принимают участие в этом круговороте, служа кратковременными пристанищами для веществ на их большом геохимическом пути.
