Биохимические пути приспособляемости организма к условиям геохимической среды

Биохимические пути адаптации животных и человека к геохимическим условиям среды — это вопрос не об отдельных изолированных организмах, а о приспособляемости особей внутри популяции как ее части. Не только популяцию, но и особь необходимо рассматривать как физиолого-генетические единицы эволюционного процесса, занимающие различные уровни в структуре биосферы. Изучение внутрипопуляционной изменчивости организмов раскрывает роль популяции в эволюции отдельных особей и в свою очередь отдельных особей в эволюции популяции как целого.

Значение естественной геохимической среды для развития организмов и эволюции жизни определяется использованием организмами многих химических элементов в процессах обмена веществ и биологически активных соединений, в состав которых входят эти элементы. Поэтому неоднородность геохимической среды является одной из важных причин изменчивости обмена веществ и синтеза биологически активных соединений в организмах.

Современными биогеохимией, геохимией, почвоведением с полной очевидностью доказана геохимическая неоднородность биосферы, значительная химическая изменчивость среды жизни в условиях литосферы, гидросферы и тропосферы. Организмы глубоко связаны с геохимической средой. Они поглощают из этой среды все доступные химические элементы, образующие растворимые соединения, или активно превращают нерастворимые соединения в доступные.

Очень важным свойством биосферы является единство геохимической среды и жизни, которое сложилось в процессе эволюции биосферы и выражается постоянной зависимостью жизни от геохимических условий среды и климата (водный режим, температура, инсоляция, конвекция). Степень накопления химических элементов организмами определяется не только геохимией среды и биологической природой организмов, но и биогеохимическими пищевыми цепями, состоящими из системы взаимозависимых звеньев, через которые осуществляется связь организмов и среды (почвообразующие породы, почвы, воды, воздух, микроорганизмы, растения, животные, человек).

Для выяснения сложных путей приспособления организмов к геохимической среде необходимо определить общие закономерности действия на организм различных концентраций химических элементов. Установлено, что как при недостатке, так и избытке в рационе кобальта, меди, цинка прирост веса животных уменьшается. Синтез многих биологически активных соединений в организме также зависит от содержания определенных микроэлементов в рационе или геохимической среде. Накопление витамина В₁₂ в печени животных (овцы, крупный рогатый скот, кролики и другие) значительно снижается при уменьшении количества кобальта в среде или рационе и незначительно высоком его содержании. Недостаток йода или его избыток приводят к компенсаторному увеличению размеров щитовидной железы и торможению синтеза в ней йодсодержащих соединений: йодтирозинов, иодтиронинов, тироксина и их производных. Важными регуляторами пуринового обмена являются молибден и медь. При относительном недостатке или избытке молибдена у человека и животных тормозится синтез или уменьшается активность фермента ксантиноксидазы, содержащего молибден, превращающего некоторые пуриновые основания в мочевую кислоту, а у животных при низком, как и при повышенном количестве меди снижается синтез уратоксидазы, окисляющей мочевую кислоту в аллантоин. Можно привести много подобных примеров. Во всех случаях наблюдается одна и та же закономерность: недостаток или избыток в среде или рационе тех или других химических элементов тормозит определенные биохимические процессы в организме. Следовательно, уровень синтеза ферментов и других биологически активных соединений в организме, обеспечивающий нормальное течение жизненных процессов, наблюдается только при определенных концентрациях и соотношениях в среде и организме микроэлементов (рисунок). Регулирующие системы организма (депонирования, выделительная, барьерная, синтеза биологически активных соединений и другие) не могут нормально функционировать при концентрации микроэлементов выше или ниже этих пределов.

В таких случаях происходит нарушение функций или срыв их, возникают дисфункции, аномалии развития и обмена веществ, что “может привести к появлению эндемических заболеваний у человека и животных.

Отдельные реакции на недостаток или избыток микроэлементов мы рассматриваем как часть целого. Для понимания этих явлений необходимо выяснить основные точки приложения химических элементов к биохимическим процессам и установить цепь процессов, вовлекающих целый организм в реакции на недостаток или избыток определенных элементов, т. е. объяснить значение части в реакции целого. Например, основная роль кобальта в организме состоит в микробном синтезе в пищеварительном тракте витамина В₁₂, содержащего кобальт.

При недостатке кобальта может значительно ослабляться синтез витамина B₁₂ и его всасывание через слизистую оболочку кишечника. Ослабление процесса всасывания витамина B₁₂ обусловливается снижением секреции желудочного сока и недостатком мукопротеида, дающего с витамином В₁₂ соединение, для которого проницаема слизистая оболочка кишечника. Еще нет ясности в вопросе о значении для ьсасывания витамина B₁₂ образования его соединения с цинком. Вследствие недостатка в организме витамина В₁₂ уменьшается его депонирование печенью и другими органами. Это особенно ярко выражено у жвачных животных (овцы, крупный рогатый скот), у которых недостаток кобальта вызывает заболевание эндемическими гипо- и авитаминозом В₁₂, но достаточно ясно проявляется н в других группах (кролики, свиньи). При недостатке в организме витамина В₁₂ развивается пернициозная анемия. Кроме того, при этом тормозится синтез коэнзима изомеразы, действующей на метилмалоновую кислоту, и нарушается метилирование тимина и метионина. Нарушение столь важных процессов в организме приводит к включению в патологический процесс все новых и новых звеньев обмена веществ. Недостаточность кобальта вызывает ослабление синтеза белков, нуклеиновых кислот (например, тимонуклеиновой кислоты), понижение активности многих ферментов (например, аргиназы), в том числе ферментов нуклеинового обмена (ДНК-азы), снижение основного обмена, потерю веса животных. Еще недостаточно изучено значение кобальта в процессах обмена веществ. Но несомненно, что недостаточность кобальта может повлечь за собой глубокие изменения целого организма.

При малой концентрации меди в окружающей среде и рационе у животных наблюдаются характерные изменения обмена веществ, вызываемые снижением активности окислительных ферментов, содержащих медь или железо. Это особенно четко проявляется в биогеохимических провинциях эндемической атаксии, в которых недостаток меди сочетается с избытком молибдена н сульфатов. При недостатке меди угнетение цитохромоксидазы у крыс сильнее выражено в печени, у свиней и цыплят — в сердце, у овец — в мозгу, а угнетенные сукцинатдегидрогеназы у овец — в белом веществе головного и спинного мозга; торможение активности НАД-цитохром-с-редуктазы установлено в митохондриях печени крыс, сульфидоксидазы — в печени овец, ДОФА-оксидазы — в печени и сером веществе головного и спинного мозга овец, моноаминоксидазы у свиней и овец — в сыворотке крови, у цыплят — в аорте; активность изоцитратдегидрогеназы митохондрий печени крысы при недостатке меди повышается, так как, по-видимому, медь легко угнетает этот фермент; при недостатке меди и повышенном содержании молибдена усиливается активность ферментов пуринового обмена — ксантиноксидазы и уратоксидазы у различных видов млекопитающих животных.

Приведенные данные о влиянии недостатка меди на активность многих ферментов различных органов и тканей показывают значение сравнительных физиологических исследований.

Изменение активности ферментов животного организма при недостатке меди влечет за собой нарушение многих биохимических процессов и физиологических состояний. Весьма вероятно, что важными токсическими агентами в организме при недостатке меди являются сульфиды, образующиеся в печени при распаде пистеина и в рубце жвачных в результате микробиологического восстановления сульфатов. При избытке в рационе сульфатов образуются сульфиды, при этом пищевая медь превращается в сернистую, не усваиваемую организмом, что усиливает дефицит меди. Обезвреживание большой части сульфидов происходит в печени путем их окисления в тиосульфат и сульфат. Окисление сульфидов в тиосульфат осуществляется сульфидоксидазой печени, активность которой угнетается при низком содержании меди в рационе и избытке молибдена. Очевидно, при недостаточности меди усиливается образование сульфидов в тканях, а избыток сульфидов еще более усиливает ее. Опыты с радиоактивной медью позволяют считать, что в биогеохимических провинциях при недостатке меди и избытке молибдена и сульфатов увеличивается потеря меди тканями, что также усиливает дефицит этого микроэлемента.

Недостаток меди, изменяя активность многих ферментов, вызывает значительные нарушения процессов обмена веществ, например, обмена липидов (снижение уровня сфингомиелина и ацетальфосфатидов в белом веществе головного и спинного мозга, нарушение миелинизации центральной нервной системы), хромо- протеидов (падение концентрации гемоглобина частично в связи с задержкой созревания эритроцитов и уменьшением продолжительности их жизни), синтеза эластина и коллагена (повреждение соединительной ткани, разрыв аорты и сердечных сосудов), пуринового обмена (возможно повышение активности ксантиноксидазы, образование мочевой кислоты, повышение активности уратоксидазы), угнетение окисления большинства субстратов цикла трикарбоновых кислот (цитрата, малата, а-кетоглутарата, пирувата и других).

Изучение основной роли металлов в обмене веществ животного организма — важный путь исследований влияния геохимической среды на животный организм. В биогеохимических провинциях с избытком молибдена действие этого металла связано с усилением синтеза ксантиноксидазы и повышением ее активности; в провинциях, обогащенных бором, частично ингибируются протеиназы и амилазы пищеварительного тракта; недостаток йода лимитирует синтез гормонов щитовидной железы; недостаток или избыток кобальта, а также марганца задерживают использование йода в синтезе трийодтиронинов и тироксина. Эти первичные воздействия металлов на процессы обмена веществ обусловливают вторичные дисфункции многих биохимических и физиологических процессов.

Оценка возможности нарушений обмена веществ или вообще появления биологических эффектов под влиянием геохимических факторов среды должна основываться на количественных параметрах. Поэтому важной задачей геохимической экологии является определение границ концентрации химических элементов в почвах, кормовых растениях, пищевых рационах, в пределах которых обеспечивается возможность нормального’ развития и жизни животных организмов, а также определение пороговых концентраций, при которых нарушается течение жизненных процессов.

Знание почвенных и пищевых пороговых концентраций химических элементов дает возможность представить географическую изменчивость обмена веществ в животном организме в зависимости от условий геохимической среды и может явиться основой биогеохимического районирования.

Биосферу, соответствующую территории СССР, мы разделили на регионы, названные биогеохимическими зонами. Они обусловливаются единством почвообразовательных процессов, климатических факторов, биогенной миграции химических элементов и характером биологических реакций организмов на геохимические и физические факторы среды.

Зональные регионы биосферы делятся на субрегионы — зональные биогеохимические провинции, в которых комбинируются признаки зон по концентрации и соотношению химических элементов, и азональные, признаки которых не соответствуют характеристике зон. Нами составлена схематическая карта биогеохимических зон и провинций СССР, где показаны районы характерных изменений обмена веществ и распространения ряда эндемических заболеваний человека и животных, а также районы обострения естественного отбора под влиянием недостатка или избытка микроэлементов. Синтез окислительных ферментов в животных организмах в условиях черноземной зоны выражен сильнее, чем в нечерноземной зоне; в провинциях эндемической атаксии в Дагестане, Узбекистане и в Актюбинском области наблюдается наиболее выраженное торможение синтеза окислительных ферментов; витамин Bi₂ депонируется в животном организме сильнее в черноземной зоне по сравнению с нечерноземной (особенно депонирование витамина В,₂ в печени и мышцах уменьшено в районах песчаных почв); синтез йодных соединений щитовидной железы ослаблен в нечерноземной зоне и горных зонах, а также пойме рек других зон; синтез ксантиноксидазы усилен в условиях молибденовых провинций Армении; уратоксидаза более активна у животных в провинциях с повышенным содержанием меди; в некоторых случаях наблюдается в различной степени выраженное ингибирование протеиназ и амилаз в борных провинциях сухостепной, полупустынной, пустынной биогеохими ческой зон.

Для анализа изменчивости обмена веществ животных необходимо учитывать не только изменчивость отдельных особей, но популяции в целом, состоящей из индивидуумов одного вида, необходимо выяснить структуру популяции, использовав физиологическую, биогеохимическую и морфологическую характеристики особей. При этом индивидуальную изменчивость следует рассматривать как составляющую популяционной изменчивости. Это позволит внутри популяции различать группы организмов с различной чувствительностью к экстремальным геохимическим факторам. Этим создается возможность наблюдать закономерности изменчивости популяций одного вида в различных условиях геохимической среды — при недостатке, избытке или нормальном содержании химических элементов в почвах, водах, растениях, кормах, пищевых рационах.

Изменчивость пороговой чувствительноти животных к геохимической среде (медь, молибден, бор, стронций, уран и другие) мы широко исследовали. Внутрипопуляционная физиологическая и биохимическая изменчивость организмов определяет степень обострения естественного отбора и степень адаптированности организма к экстремальным условиям. Можно предполагать, что в популяциях животных накапливаются значительные резервы потейциальной скрытой изменчивости, обусловленной, очевидно, малыми мутациями генов и их рекомбинациями. Такие резервы изменчивости обнаружены нами у почвенных микроорганизмов, живущих в условиях высокой концентрации определенных химических элементов (молибден, ванадий, бор, селен, кобальт). Внутрипопуляционная изменчивость микроорганизмов определялась в нашей лаборатории по физиологическому признаку — приспособляемости организмов отдельных штаммов, выделенных из одной колонии, к различным возможным естественным концентрациям химических элементов (от минимальных до максимальных). Например, штаммы Bacillusmegateriumиз почв, богатых ураном, хорошо растут при высоких концентрациях этого элемента и мало развиваются при низких его концентрациях. Наоборот, бактерии того же вида, выделенные из почв, бедных ураном, не могут развиваться при высоких его концентрациях. Это общее правило для различных видов микроорганизмов и химических элементов. Такие же закономерности роста бактерий и ряда актиномицетов в условиях борных провинций при сравнении их с такими же видами, взятыми из почв, бедных бором. Среди исследованных штаммов обнаружены мутантные, не подчиняющиеся общим правилам — выделенные из почв, богатых бором, но растущие хорошо при любых его концентрациях. Путем введения ДНК от мутантных форм и форм, адаптированных к высоким концентрациям бора, в культуры микроорганизмов, выделенных из почв, бедных бором, можно у них получить генетическую трансформацию приспособленности к бору — формы, хорошо растущие при высоких его концентрациях. Генетическая трансформация была осуществлена также у Bacillusmegaterium, живущих при низких концентрациях селена, с помощью ДНК, выделенной из форм селеновой провинции. Из неприспособленных к селену были получены формы, хорошо развивающиеся при высоких концентрациях селена. При этом необходимо указать, что у этих бактерий из селеновых провинций обнаружен защитный фермент — селен-редуктаза, восстанавливающий селениты до элементарного неусвояемого селена. У форм этого же вида, выделенных из почв, бедных селеном, этот фермент не обнаружен. Генетическая трансформация приводит к появлению фермента у форм, не синтезировавших его ранее.

С помощью генетической трансформации показана наследственная природа приспособленности микроорганизмов к экстремальным условиям химической среды. Можно предполагать, что в биогеохимических провинциях, богатых или бедных определенными химическими элементами, возникают мутации, индуцированные экстремальными факторами. Происходит обогащение генофонда популяции, что создает условия для обострения естественного отбора и видообразования, преобразования генетической и экологической структур популяции при экстремальных изменениях условий геохимической среды.

Изменчивость микробных популяций и их генетическую природу можно изучать (при удачном выборе природных объектов) с помощью обычных микробиологических методов (экспериментальная геохимическая экология микроорганизмов), тогда как для проведения подобных исследований на растительных и животных организмах необходимы условия фито- и зоотронов, где можно регулировать химические и физические факторы среды. Геохимическая экология организмов должна не только наблюдать природные явления — влияние среды и сообществ на организмы, но должна развиваться как экспериментальная наука (экспериментальная геохимическая экология).

Мы рассмотрели некоторые вопросы геохимической экологии на уровне особей и популяций. Геохимическая же среда действует на организмы на всех уровнях строения биосферы, на уровне регионов биосферы (биогеохимические зоны) и субрегионов (биогеохимические провинции) биогеоценозов, популяций, отдельных особей.

Исследования в области геохимической экологии, установление причинных зависимостей невозможно без изучения органов и тканей (концентрирование химических элементов и влияние степени их накопления на промежуточный обмен веществ, активность и синтез биологически активных соединений, особенно ферментов). Такие исследования, как и проводимые на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях, являются основой понимания связи организмов с геохимической средой и адаптации организмов к геохимическим факторам среды. Примером исследования вопросов геохимической экологии на молекулярном уровне может служить анализ действия на организм различных концентраций и соотношений меди и молибдена. При высокой концентрации в пищевом рационе животных молибдена и низкой меди индуцируется молибденом синтез ксантиноксидазы, повышается ее активность и возрастает образование мочевой кислоты. При нарастании в организме содержания мочевой кислоты она индуцирует синтез уратоксидазы, фермента, вызывающего деградацию мочевой кислоты. Взаимоотношения между веществами, участвующими в рассматриваемых формах пуринового обмена, очень сложны. При увеличении в рационе количества меди и постепенном падении уровня молибдена происходят интересные адаптивные изменения ксантиноксидазы. При дефиците молибдена и повышенном содержании меди ее активность все же сохраняется. Нашими исследованиями показано, что ксантиноксидаза молока при этих условиях может обогащаться медью в 3,5—5,5 раза, теряя молибден. Синтез уратоксидазы в этих случаях индуцируется не только мочевой кислотой, но и медью, содержание которой повышено.

В этих экспериментах при действии на организм различных соотношений меди и молибдена может быть достигнут высокий оптимум активности ксантиноксидазы, не соответствующий физиологическому оптимуму, наблюдаемому при соотношении в рационе меди и молибдена 1:4.

Эта ранее неизвестная форма молекулярной адаптации процессов в организме крысы, очевидно, является фенотипическим проявлением генной функции фермента.

При экологических исследованиях, таким образом, можно подойти к анализу процесса эволюции организмов — изменчивости, приспособляемости, образования новых таксономических единиц, естественного отбора и их генетических основ. Для такого изучения вопросов эволюции открывает путь геохимическая экология организмов и их популяций в экстремальных условиях среды — при избыточном или недостаточном содержании микроэлементов в биосфере.