CC BY
43
ГЛОБАЛЬНЫЙ ЭКОЛОГИЧЕСКИЙ КРИЗИС:
МИФЫ И РЕАЛЬНОСТЬ
УДК 282.247.212 ББК 26.222
В.А. Румянцев, Л.Н. Крюков
ПАРАДОКСЫ ЭКОЛОГИИ ИННОВАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Наличие парадоксов в ряде основных достижений естественных наук стимулирует необходимость проведения новых исследований в области экологии. Человеческий геном содержит 20-25 тыс. активных генов, а остальная часть нуклеотидов (98,5%) является некодирующей ДНК и до недавнего времени считалась бесполезной. Наряду с фотосинте-зирующими цианобактериями (Oxyphotobacteria) методами метагеномного анализа были открыты два новых класса нефотосинтезирующих цианобактерий (Melainabacteria, Sericytochromatia). Это противоречит ранее распространенной точке зрения о начале кислородного фотосинтеза 3,5-3,8 млрд лет назад и концепции о росте оксигенизации атмосферы за счет ведущей роли абиотических процессов. Ограничения использования в стране продукции ГМО и БАД зависят от свойств окружающей среды. Наночастицы металлов и синтетических полимеров различных геометрических форм по-разному воздействуют на бактерии. Биологическая активность сферических, плоских и стержневых наночас-тиц по отношению к грамположительным и грамотрицательным бактериям зависит от физико-химических свойств пор клеточных оболочек микроорганизмов. Достоверная молекулярная структура гуминовых веществ как регуляторов природных процессов до сих пор не установлена и в обозримом будущем может быть определена только частично.
Ключевые слова:
геном, биоактивность, наночастица, парадокс, фотосинтез, экология.
Румянцев В.А., Крюков Л.Н. Парадоксы экологии инновационных технологий // Общество. Среда. Развитие. - 2018, № 1. - С. 123-127.
© Румянцев Владислав Александрович - академик РАН, доктор географических наук, профессор, научный руководитель,
ИНОЗ РАН, Санкт-Петербург; e-mail: rum.ran@mail.ru © Крюков Леонид Николаевич - доктор химических наук, главный научный сотрудник, ИНОЗ РАН, Санкт-Петербург; e -mail: kryukovln@ayndex.ru
В настоящее время, несмотря на поразительные возможности вычислительной техники, эксперимент остается критерием истины. Действительно, на планете едва ли найдутся люди, которые смогут запрограммировать все известные экспериментальные сведения и смоделировать интуитивные способности человека. Закономерно, что наличие парадоксов как реальных жизненных ситуаций без логических объяснений постоянно инициирует необходимость проведения новых исследований в области экологии. Термин «экология» впервые ввел немецкий естествоиспытатель и философ Генрих Геккель (1834-1919). С течением лет были сформированы такие подразделы экологии, как геоэкология, биоэкология, гидроэкология, ландшафтная экология, этноэкология, социальная экология, химическая экология, радиоэкология, экология человека, медицин-
ская экология и информационная экология. В связи с многогранностью методов исследований сегодня под экологией понимают комплекс наук, которые изучают функциональные взаимосвязи между организмами (включая человека и человеческое общество в целом) и окружающей их средой, круговорот веществ и потоков энергии, делающих возможной жизнь. Напомним, что существенный вклад в представления об эволюции и экологии внесли российские ученые В.И. Вернадский, А.А. Выговский, В.В. Докучаев, Л.Г. Раменский, В.Н. Сукачёв и С.С. Шварц.
Вне всяких сомнений, результаты генетических исследований занимают лидирующее место в череде фундаментально-прикладных достижений современности. При этом работы по выполнению Международного научно-исследовательского проекта «Геном человека» (The Human Genome
СО Ci
О
3 О
Project, HGP) были начаты в 1990 г., а уже в 2000 г. был опубликован черновик структуры генома, полный геном - в 2003 г. Однако интерпретация всех данных о геноме до сих пор не завершена и фактически находится в своей начальной стадии. Заметим, что в историческом плане генетика как наука об изменчивости и закономерностях наследственности является относительно молодой областью знаний. От даты публикации в 1868 году результатов исследований Грегора Менделя о передаче наследственных признаков в виде дискретных (обособленных) единиц и расшифровки в 1953 году Фрэнсисом Криком, Джеймсом Уотсоном и Морисом Уилкинсом структуры дезоксирибонуклеи-новых кислот (ДНК) прошло полтора столетия. После завершения работ по проекту HGP стало известно, что человеческий геном состоит из 23 пар хромосом, находящихся в ядре клетки, и митохондриальной ДНК, которые вместе содержат ~3,1 млрд пар нуклеотидов. Полное секвенирование (лат. «sequentum» последовательность) выявило, что человеческий геном всего-навсего содержит 20-25 тыс. активных генов. Остальная часть нуклеотидов (98,5%) является некоди-рующей ДНК и считается бесполезной [5, с. 10]. Не удивительно, что с математической точки зрения геном человека мало отличается от генома пресмыкающихся, геном домашней кошки сходен с геномом дикого тигра и т.д. Никакие достижения современных цифровых технологий и компьютерного дизайна не смогли помочь в преодолении этого парадокса. Тем временем с помощью методов молекулярной биологии было показано, что не менее 95% генома участвуют в регулировании обычных генов. По сути дела, большинство изменений, которые оказывают влияние на какое-либо состояние человека, находятся в этих считающихся бесполезными зонах генома, что открывает новые возможности перед медициной.
Продуктивные методы, использованные в генетике человека, нашли широкое применение не только в медицине, но и в сельском хозяйстве, микробиологической промышленности и экологии водных объектов. Если в клетках эукариот (животных, растений и грибов) ДНК находится в ядре клетки в составе хромосом и в клеточных органоидах (митохондриях и пластидах), то в клетках прокариотических организмов (бактерий и архей) кольцевая (плазми-да) или линейная молекула ДНК прикреплена изнутри к клеточной мембране. Одно-или двухцепочечные молекулы ДНК могут образовывать геном ДНК-содержащих вирусов. Причем среди генов людей находится до 100 тысяч ДНК (~8% генома) древних
вирусов, которые формируют врожденный иммунитет. Эти эндогенные ретровирусы не в состоянии производить новые вирусы. После инфицирования клеток происходит преобразование РНК в ДНК хромосомы человека. Между тем, развитие генной инженерии и появление на рынке генетичес-ки-модифицированных продуктов питания стимулировали ряд экспериментов по изучению судьбы употребленных с пищей чужеродных ДНК. Если человек вместе с продуктами потребляет 0,1-1 г ДНК, то в процессе пищеварения 95% этих ДНК деградирует до отдельных нуклеотидов и только 5% ДНК (длиной от 100 до 400 нуклеотидов) доходят до кишечника [5, с. 135].
Закономерно, что использование генно-модифицированных организмов (ГМО) сопряжено с применением содержащих ДНК промоторов, которые при питании могут встроиться в геном человека, активировать спящие гены и привести к непредсказуемым последствиям (рис. 1). Как следствие, на сегодняшний день аббревиатура ГМО превратилась в понятие «продукты, вызывающие мутации и опухоли». Одновременно заметим, что если рацион человека сбалансирован, то «модные» биологически активные добавки (БАД), не являющиеся досконально проверенными лекарственными средствами, не нужны для полноценной жизнедеятельности, не относятся к обязательным продуктам питания и могут привести к патологической передозировке полезных веществ. Оптимальный баланс необходимых человеку ингредиентов питания зависит от свойств окружающей среды, традиций и формировался эволюционным путем.
До недавнего времени считалось, что появление оксигенного фотосинтеза преобразило земную биосферу и создало предпосылки для эволюции высших форм жизни. Единственными организмами, способными к оксигенному фотосинтезу, являются цианобактерии (прокариоты) и их прямые потомки - хлоропласты фотосинтезиру-щих эукариот (растения). Однако наряду с фотосинтезирующими цианобактериями (ОхурЬошЬайепа) методами метагеномно-го анализа были открыты два новых клас-
Начало транскрипции Промотор \
Структурная часть гена
Терминатор транскрипции Стоп-кодон f /
Рис. 1. Схема строения гена и переноса генетической информации, где 3' (три прайм) и 5' (пять прайм) - асимметричные концы цепи ДНК (www.tay.e-shopp.org).
са нефотосинтезирующих цианобактерий (МеЫпаЬайепа и 8егку1осЬготаиа). При этом МеЫпаЬайепа были обнаружены в человеческом кишечнике, в озерах, подземных и сточных водах. Сравнительный анализ геномов перечисленных выше микроорганизмов показал, что первые цианобакте-рии не были способны ни к фотосинтезу, ни к кислородному дыханию. Белки, необходимые для фотосинтеза, появились у предков ОхурЬошЬаЛепа после их отделения от МеЫпаЬайепа, которое произошло 2,5-2,6 млрд лет назад [12, с. 1436]. Этот вывод противоречит ранее распространенной точке зрения о начале кислородного фотосинтеза 3,5-3,8 млрд лет назад и концепции о росте оксигенизации атмосферы за счет ведущей роли абиотических процессов, таких как подъем материков и изменение характера вулканизма [3, с. 39; 6, с. 41].
Между тем, в воде Байкала российскими лимнологами были впервые обнаружены специфичные бактериофаги - вирусы, разрушающие цианобактерии [2, с. 8]. Каждый из этих бактериофагов характеризуется определенной геометрической формой и размером. В геномах цианофагов были обнаружены гены цианобактерий, что свидетельствует о генетическом обмене между вирусами и цианобактериями [10, с. 115].
Базируясь на приведенных сведениях, сотрудники Техасского технологического университета (США) предположили, что полимерные наночастицы, похожие на оболочки вирусов, могут селективно убивать различные типы бактерий, не воздействуя на клетки других организмов, включая клетки человека. В этой связи были синтезированы три типа наночастиц, имитирующих строение бактериофагов. Это, во-первых, сферы диаметром 8 нм, во-вторых, стержни диаметром 7 нм и длиной 18 нм и, в-третьих, стержни длиной 70 нм и диаметром 7 нм. Для получения полимерных наноструктур использовался в-цик-лодекстрин (для наночастиц сферической формы) и поли[2-(бромизобутирил)этил-
метакрилат] (для стержневидных наночас-тиц), к которым прививали нити поли(4-винил^-метилпиридина) с последующей обработкой блок-сополимеров йодистым метилом. Все три вида наночастиц были испытаны на активность по отношению к грамотрицательным штаммам Escherichia coli (E.coli) и грамположительным штаммам Staphylococcus aureus (St.aureus), а также на цитотоксичность в отношении красных кровяных клеток человека. Результаты экспериментальных исследований показали, что наиболее эффективны сферические на-ночастицы. Чтобы убить 99,9% грамотри-цательных бактерий E.coli нужно не более 32 мкг/мл сферических наночастиц, а их смертельная концентрация для St.aureus -4 мкг/мл. Полученные виды наночастиц оказались безопасными для эритроцитов человека и не вызывали ни разрушение их мембраны, ни их слипания (агглютинации). Селективное действие синтезированных форм наночастиц по отношению к клеткам разных типов было объяснено отличиями в строении мембран подопытных клеток. Грамположительные бактерии обладают плотной пептидогликановой оболочкой, поры которой с диаметром от 5 до 50 нм малопроницаемы для наночастиц стержне-видной формы, рис. 2 [11, с. 1021].
Фактически одновременно с американскими исследователями в России было показано, что наночастицы серебра плоской формы проявляют более высокую биологическую активность в отношении эмбрионов рыб, чем сферические наночастицы. Средние значения полулетальной концентрации LC50 в этих опытах составили для плоских и сферических наночастиц 0,016 и 0,041 мг/л соответственно. Серебряные на-ночастицы, стабилизированные поливин-лпирролидоном и цитратом натрия, обладают более высокой токсичностью, по сравнению с ионами серебра, табл. 1 [1, c. 75].
Парадокс, что еще задолго до констатации факта наличия зависимости биологической активности от формы наночастиц
Рис. 2. Полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа изображения бактерий Е.соИ : с-контрольный образец; й, е, /-образцы, инкубированные с наночастицами с длинным стержнем (й), коротким стержнем (е) и сферой (/).
серебра бактерициды «Саносил Супер» (Швейцария) и «Серебряная пуля» (Россия), состоящие из солей серебра и перекиси водорода, нашли необычайно широкий спектр практического применения, в том числе, при ликвидации сине-зеленого «цветения» воды городских прудов, рис. 3.
Известные неудачи применения препарата «Сано-сил Супер» связаны либо с образованием неактивных форм наночас-тиц серебра, либо за счет избытка в воде прудов гумуса (лат. «humus» - почва), компонентами которого являются биогенные элементы (фосфор и азот)
Таблица 1
Сравнение биологической активности ионов серебра и нано-частиц серебра разной формы в отношении гидробионтов
Тест-объект Показатель токсичности Результаты Комментарии
Водоросли Chlorella vulgaris Beijer Безвредная концентрация (БК) БК (Ag) = 0,07 мг/л БК (стаб.) = 71 мг/л Совместное действие стабилизатора и наночастиц
Двустворчатые моллюски Unio tumidus Время гибели половины тест-объектов (ЛД50) ЛД5о (0,75) = 27 ч. ЛД5о (0,5) = 60 ч. ЛД50 (0,25) = 80 ч. ЛД50 (0,1) > 7 суток Стабилизатор проявляет высокую токсичность
Плоские черви планарии Jirardia tigrina Показатель регенерации R(96 ч) = -21,61% R(148 ч) = -13,43 Подавление регенерации
Пресноводные рачки Daphnia magna Показатели иммобилизации: полулетальная (ЬС50) и безвредная концентрации (БК) Данные по Ag: LC50 (96 ч) = 0,12 мг/л, БК (96 ч)=0,05 мг/л. Данные по стаб.: LC50 (96 ч) = 9,5 мг/л, БК °96 ч)=5,7 мг/л Токсичность обусловлена наличием стабилизатора, а при низких концентрациях - на-ночастицами
Рыбы Danio rerio Показатель гибели (ЬС50) и скорость выхода из оболочки (ЕС50) LC50(96 ч) = 0,23 мг/л, EC5„(96 ч) = 0,21 мг/л Стаб: LC50(96 ч) = 2040 мг/л Смешанный механизм токсичности стабилизатора и наночастиц
Примечание: стабилизаторы (Стаб.) - натриевая соль сульфоэтоксилата до-деканола, диоктилсульфосукцинат натрия, хлорид бензилдиметил [3(ми-ристоиламино)пропил] аммония, талловый амфополикарбоксиглицинат натрия, кокодипропионат натрия, полигексаметиленбигуанид гидрохлорид и поливинилпирролидон.
макромолекулы гуми-новых веществ, различные органические олигомерные и низкомолекулярные вещества, неорганические ионы и гидроксо-полимеры, а также наночастицы минералов. Среди ингредиентов гумуса ведущее значение имеют гуминовые вещества, которые ответственны за жизнеобеспечение
почвенной биоты и гидробиоты, формируют геохимические потоки минеральных и органических веществ, образуют комплексы с ионами металлов и выполняют основные функции в биосфере. Достоверно точная молекулярная структура этих регуляторов природных процессов до сих пор не установлена [7, с. 552]. Ничего удиви-
ПОСЛЕ
СО
ч
tu
Ci
О
3 О
Рис. 3. Иллюстрация воздействия препарата «Саносил Супер» (0,05 мг/л) на цианобактериальное «цветение» воды городского пруда (www.sanosil.ru).
тельного. Гуминовые вещества образуются случайным путем за счет постмортальных превращений неисчислимого множества всевозможных живых организмов, известных и неизвестных. Вместе с тем, наличие в молекулах этих веществ различных активных функциональных групп и ароматических фрагментов предопределяет их способность вступать во взаимодействие с широким спектром экотоксикантов, тем самым снижая их токсическое воздействие на живые организмы [4, с. 300].
В процессе гумификации могут возникать как более простые соединения, так и более сложные, чем исходные биомолекулы живых организмов. Образующиеся при этом вещества практически беспрерывно претерпевают различного рода превращения. Следует заметить, что сапропели (греч. «sapros» - гнилой и «pelos» - ил) донных отложений водоемов представляют собой смесь водных и почвенных гумусовых систем. Учитывая огромные возобновляемые ресурсы сапропеля в стране (>90 млрд т) и необходимость замещения дорогостоящих импортных пищевых добавок и ветеринарных препаратов, в ИНОЗ РАН было проведено сравнительное исследование гранулометрических и биологических свойств гуминовых веществ, полученных из сапропеля типичным способом и путем применения ультразвуковой обработки соответствующих реакционных масс [8, с. 120]. Испытания эффективности применения ультрадисперсных гумато-сапропелевых суспензий с
Список литературы:
частицами размером 86-89 нм в качестве пищевых добавок привели к существенному среднесуточному приросту живой массы подопытных домашних животных, что заслуживает отдельного внимания [9, с. 724].
В целом, завершая краткое рассмотрение экологических аспектов технологических достижений современности, следует констатировать, что путь в познании реально существующего баланса между биосферой и техносферой непрост и долог. В этом плане представляется целесообразным обратить внимание на данные долгосрочных исследований, начатых в 1988 г на бактериях E.coli [13, с. 1433]. В ходе эксперимента 12 исходно идентичных популяций кишечной палочки в течение >40 000 поколений культивировались в одних и тех же условиях (в жидкой питательной среде с глюкозой в качестве единственного источника пищи). Из каждой популяции через 500 поколений часть клеток замораживали для последующего анализа. В результате этого эволюционного эксперимента на бактериях были получены результаты, согласно которым медленное развитие сбалансированных комплексных адапта-ций в долгосрочной перспективе оказывается более «выигрышным», чем быстрое развитие эффективных, но односторонних приспособлений. Иными словами, природа более изощрена в сравнении с учеными, надеявшихся изучить действие мутаций и отбора в ходе адаптации к стабильным условиям в искусственной системе.
[1] Абраменко Н.Б. Исследование и моделирование токсического действия наночастиц серебра на гид-робионтах / Дисс. ... канд. хим. наук. - М.: МГУ, 2017. - 122 с.
[2] Дрюкер В.В., Горшкова А.С. Бактериофаги и их функционирование в биопленках // Известия Иркутского ГУ. Серия: Биология. Экология. Т. 5. - 2012, № 3. - С. 8-16.
[3] Карапетян Н.В. Фотосистема 1 цианобактерий: организация и функции // Успехи биологической химии. - 2001, т. 41. - С. 39-76.
[4] Перминова И.В. Анализ, классификация и прогноз свойств гумусовых кислот / Дисс. ... д. хим. наук. - М.: МГУ, 2000. - 359 с.
[5] Ридли М. Геном: автобиография вида в 23 главах. - М.: Эксмо, 2008. - 432 с.
[6] Розанов А.Ю. Ископаемые бактерии, седиментогенез и ранние стадии эволюции биосферы // Палеонтологический журнал. - 2003, № 6. - С. 41-49.
[7] Румянцев В.А., Крюков Л.Н. Супрамолекулярные регуляторы цветения водоемов // Вестник Российской академии наук. Т. 82. - 2012, № 6. - С. 552-557.
[8] Румянцев В.А., Митюков А.С., Загребин А.О., Тонкопий В.Д., Крюков Л.Н. Инновационная технология переработки сапропеля, уникальная эффективность и безопасность новой продукции // Общество. Среда. Развитие. - 2016. № 3. - С. 120-124.
[9] Румянцев В.А., Митюков А.С., Крюков Л.Н., Ярошевич Г.С. Уникальность свойств гуминовых веществ сапропеля // Доклады Академии наук. Т. 473. - 2017, № 6. - С. 724-727.
[10] Шестаков С.В., Карбышева Е.А. Роль вирусов в эволюции цианобактерий // Успехи современной биологии. Т. 135. - 2015, № 2. - С. 115-127.
[11] Jiang Y., Zheng W., Kuang L., Ma H., Liang H.. Hydrophilic Phage-Mimicking Membrane Active Antimicrobials Reveal Nanostructure-Dependent Activity and Selectivity Selectivity // ACS Infectious Diseases. - 2017. - DOI: 10.1021/acsinfecdis.7b00076
[12] Soo R.M., Hemp J., Parks D.H., Fischer W.W., Hugenholtz P. On the origins of oxygenic photosynthesis and aerobic respiration in Cyanobacteria // Science. - 2017, v. 355. - P. 1436-1440.
[13] Woods R.J., Barrick J.E., Cooper T.F., Shrestha U., Kauth M.R., Lenski R.E. Second-Order Selection for Evolvability in a Escherichia coli Population // Science. - 2011, v. 331. - P. 1433-1436.
со О
