Автор: Ротшильд Е. В.

Доктор биологических наук Е.В. РОТШИЛЬД, Институт проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН

В последние годы часто говорят и пишут о том, что появление массовых инфекционных заболеваний людей и животных так или иначе связано с антропогенными изменениями окружающей среды. По существу же эта тема практически не раскрыта. Остается неясным: на какие конкретно факторы падает подозрение, в какой обстановке может сказываться их влияние и, наконец, какие методы подходят для исследований в данном направлении?

Статьи данной рубрики отражают мнение автора (прим. ред.)

стр. 75

Изучать эту проблему мы начали в конце 1970-х годов. В порядке гипотезы на роль "провокатора" эпидемий выбрали состав химических элементов в биосфере. Почему? Уже тогда было известно: микроэлементы, прежде всего некоторые металлы, существенно влияют на жизнедеятельность организмов любого уровня развития. Их недостаток или избыток - причина различных заболеваний людей и животных, вызванных нарушением обмена веществ. Такого рода связи стали предметом целой научной дисциплины, названной геохимической экологией. Но по традиции инфекционные болезни в этом ракурсе не рассматривали, поскольку бытовало мнение, что их появление вызвано не столько факторами природной среды, сколько бытовыми и социальными причинами, обеспечивающими передачу возбудителей от больных субъектов здоровым (прямой контакт, питьевая вода, кровососы и т. д.).

Впрочем, ученые-медики роли металлов в провоцировании инфекционных заболеваний уделяли достаточно много внимания. Однако исследования, как правило, ограничивались либо условиями искусственного культивирования микробов, либо микроорганизмами человека или подопытных животных. В таких работах превалировали предположения, что те или иные элементы могут как-то влиять на течение уже начавшейся инфекции. Вопрос же о химическом составе среды как факторе появления заболеваний даже не ставился. Вот почему, начав изучать элементы в местах появления чумной инфекции среди диких животных, мы оказались как бы на ничейной земле.

Между тем болезни среди оседлых зверьков, таких, как песчанки, суслики, пищухи, в дикой природе - чрезвычайно удобная модель для изучения общих закономерностей возникновения и развития инфекций. Как, например, выявить зависимость появления заболевания от состава пиши? Скажем, работая в поле, можно установить, в каких норах жили заболевшие животные, на каком конкретном участке местности. Очевидный факт: все они питались только той травой, которая произрастает там. Собрать ее, изучить состав входящих в нее компонентов, а затем сравнить с тем, что получится на контрольном участке, где такие же зверьки в то же время остались здоровыми, - вот самый простой путь решения проблемы.

Уже первые опыты, проведенные нами в 1979-1981 гг. в полупустынной зоне Прикаспия, дали ответы на основные вопросы, которые мы ставили перед собой. В то время там на нескольких небольших участках глинистых равнин была отмечена чума, поразившая малых сусликов, а в песках интенсивная вспышка этой болезни возникла среди двух видов песчанок - тамарисковых и полуденных. В обоих случаях инфекция появилась после многолетнего, надежно прослеженного перерыва.

На достаточно большом материале (50-60 образцов) мы показали: концентрация металлов в растениях на территории чумной эпизоотии существенно отличалась от контроля - меди, цинка и молибдена здесь выявлено в несколько раз меньше, а кобальта и марганца соответственно больше. Значит, чумная инфекция у животных, связанная с необычным содержанием химических элементов в объектах природной среды, вполне реальна. Мало того, нами отмечено: с аномальным состоянием последнего фактора совпадает не просто наличие болезни, а возникновение массовой вспышки чумы в тех местах, где несколько месяцев назад особи были здоровыми.

На примере инфекции у двух видов песчанок в Прикаспии, а затем в аналогичном опыте с палласовыми пищухами в Горном Алтае мы выявили некоторые особенности обнаруженной зависимости. Прежде всего речь идет о связи болезни с резким изменением концентрации элементов за короткое время. В обоих случаях были получены сведения о составе химических элементов в корме животных не только в период чумной эпизоотии, но и за несколько месяцев или недель до ее начала. Оказалось: болезнь среди песчанок появилась в тех местах, где некоторое время назад в пище зверьков в 5-6 раз сократилось содержание меди и цинка. Она возникала тем раньше и развивалась тем интенсивнее, чем больше был перепад указанных металлов. А у пищух инфекции преобладали на участках долин горных ручьев, где незадолго до вспышки в растениях снижалось содержание меди и ванадия при незначительном накоплении никеля.

Вместе с тем обнаружено: элементный состав среды сказывается не только на заболевших, но и на здоровых диких зверьках. На упомянутых выше опытных территориях выделено несколько сравнительно небольших участков, где животные в течение многих лет (16 и 11) наблюдений практически никогда не болели чумой, в то время как по соседству с ними, на расстоянии всего нескольких километров, или даже сотен метров, инфицированных зверьков и членистоногих паразитов обнаруживали годами (до 6-9 лет наблюдений). Эти места сопряжены с особенностями состава металлов в природной среде. В растениях, произрастающих на участках, где не была отмечена чума, наблюдались дефицит железа и кобальта, а также относительно стабильное содержание меди, никеля и ванадия на высоком и среднем уровнях.

В дальнейшем мы попытались выяснить, насколько широко отмеченная зависимость распространена в природе. Важно было найти ответы на вопросы: на какой территории она проявляется - повсеместно или локально? Касается всех заболевших животных или отдельных особей? Свойственна различным инфекциям или только чуме? Выясняя это, мы провели наблюдения в нескольких местах на обширной территории - от Прикаспия до российского Дальнего Востока. В пустынной зоне Казахстана и Узбекистана, а также в горной степи и лесостепи Сибири и Монголии обследовали районы распространения чумы среди различных видов грызунов - больших песчанок, длиннохвостых сусликов, монгольских сурков, места падежа от пастереллеза степных антилоп - монгольских дзеренов. На юге Приморского края собирали кормовые растения в очагах клещевого энцефалита и геморрагической лихорадки среди мелких грызунов.

Всего с 1979 по 1989 г. мы поставили 10 опытов, исследовали образцы растений, найденные в 186 пунктах. В ходе этой работы были получены вполне соответствующие высказанной ранее гипотезе результаты: всюду, где были выявлены больные животные, концентрация хотя бы одного-двух металлов в растениях оказалась ниже или выше нормы не менее, чем в 2-3 раза. Выходит, связь инфекций с нарушением элементарного состава

стр. 76

среды - широко распространенная закономерность. И касается она не только чумы, но и других заболеваний бактериальной и вирусной природы.

Дополнительные сведения того же рода дали нам опыты, в которых мы применяли другое приемы, традиционные для медико-географических исследований. На примере Воронежской области (черноземный центр России) были сопоставлены сведения о накоплении металлов в почве и материалы по распространению бактериальных и вирусных инфекций среди людей и животных. Для этого всю территорию условно разделили на 58 квадратов. В каждом из них мы собрали образцы грунта и проанализировали на содержание тех или иных металлов. Наконец, по архивным материалам подсчитали число случаев заболевания людей и животных, зарегистрированных в каждом квадрате за 16 лет. В результате выявили достоверную связь концентрации металлов в почве и распространения целой группы инфекций, в том числе сибирской язвы и бешенства у животных, а также лептоспироза и ку-лихорадки у людей.

Сказанное убеждает: между болезнями и динамикой состава химических элементов в природной среде действительно существует прямая связь. Однако согласно научной методологии, этот факт не дает права делать вывод, какие причины играют решающую роль. А чтобы с полным правом признать динамику химического состава среды непосредственным толчком появления инфекции, нужно проверить данное предположение в эксперименте, в ходе которого важно воспроизвести характерные явления, сопровождающие то или иное заболевание животных в природе.

В лабораторных условиях нам удалось сконструировать модель подобной ситуации. Пойманным в поле грызунам в течение 2-4 недель в корм добавляли соли нескольких металлов. Затем процедуру прекращали, а зверьков через некоторое время заражали чумой. И в нескольких опытах животные, получавшие соли железа и меди, оказались достаточно надежно защищенными от чумы (среди 49 подопытных погибло только два). В то же время в контрольной группе зверьков, питавшихся кормом без добавок, а также среди песчанок, получавших соли кобальта и никеля, погибло 70% особей. Этот опыт, как мы полагаем, убедительно подтверждает существование причинной зависимости между химическим составом окружающей среды и динамикой инфекций у живых существ.

Проведенные нами наблюдения в природных условиях и лабораторные эксперименты позволяют в какой-то мере охарактеризовать связь инфекций с девятью металлами, расположенными подряд в периодической системе химических элементов Менделеева. Это - титан, ванадий, хром, марганец, железо, кобальт, никель, медь, цинк. По степе-

стр. 77

ни влияния на появление бактериальных инфекций среди животных перечисленные металлы можно разделить на три группы.

К первой относятся цинк и марганец. На эпизоотиях они практически не сказываются. В экспериментах добавление солей цинка в корм животным также не отражалось на тяжести течения чумной инфекции.

Металлы второй группы (железо, кобальт, титан) положительно связаны с инфекциями: на чумных участках их концентрация в растениях и почве была заметно выше, чем на контрольных. Вместе с тем при резко выраженном дефиците железа в кормовых растениях, а также при сильном снижении содержания в них кобальта заражения зверьков не обнаруживали. Наличие же в почвах титана достоверно свидетельствовало о причине распространения очагов сибирской язвы.

Элементы третьей группы - медь, никель, ванадий. Резкие и глубокие спады их содержания в фунте предшествуют появлению болезни. Особенно характерны случаи, когда явный избыток данных металлов в короткий срок сменяет резко выраженный дефицит. Но в любом случае они - наиболее вероятные агенты, провоцирующие вспышки инфекций. Лидерство среди них принадлежит меди и никелю. Возможно, к указанной группе относится и хром.

В отношении заболеваний, вызываемых вирусами, зависимость от некоторых элементов как бы меняет свой знак - минус на плюс. Например, в местах, где в растениях отмечена повышенная концентрация ванадия, обнаружено распространение клещевого энцефалита, а для бешенства установлена достоверная отрицательная связь с накоплением в почвах титана. Только никель проявил себя универсальным агентом болезней. Его дефицит в природной среде с очевидным постоянством сопровождал появление среди животных как бактериальных, так и вирусных заражений.

Теперь обратим внимание на уникальную способность металлов непосредственно воздействовать на инфекции. На основе давно известных и новых фактов на примере железа попытаемся представить общую картину отношений между теплокровными существами, микробами и факторами окружающей среды.

Многочисленные исследования показали: между организмом и внедрившимися в него патогенными бактериями возникает жестокая конкуренция за утилизацию этого важнейшего для бактерий металла. Живое существо синтезирует комплекс белков, связывающих ионы железа, после чего последние становятся недоступными для микробов. В свою очередь, паразиты принимают примерно такие же встречные меры, ибо их размножение протекает успешно, если в организме хозяина имеется достаточно много свободных, не связанных белками ионов данного металла.

стр. 78

Словом, как будто все понятно: чем больше пищи - тем лучше микробу, чем больше микробов - тем хуже хозяину. А с другой стороны, странно: зачем паразиту его убивать? Почему эволюция возбудителей таких смертельных недугов, как чума, шла по пути выработки адаптации, вряд ли выгодных для их выживания? Но оставим пока эти вопросы без ответа и обратимся к альтернативному варианту

Согласно результатам наших наблюдений, описанная выше система отношений паразита и хозяина складывается только во время уже начавшейся инфекции. Что же касается решающего момента - возникновения заболеваний, то этому предшествуют совсем другие обстоятельства. Животные, какое-то время существовавшие в условиях избытка некоторых металлов, неожиданно начинают испытывать недостаток привычного компонента пищи. В переломной, кризисной обстановке, при нарушении стабильного поступления ресурсов, и возникает болезнь.

Естественно спросить: а откуда, собственно, в данном случае берутся ее возбудители? Давно известно, что многие микроорганизмы, поражающие людей и животных, способны в той или иной форме существовать и во внешней среде - в фунте, природных водоемах, растениях. Например, возбудитель чумы обитает в субстрате нор грызунов как "нахлебник" почвенных бактерий и простейших (по концепции сапронозов). Есть и другая возможность. Не секрет, что многие патогенные микроорганизмы разных систематических групп могут долго находиться в организме хозяев, ничем не выдавая своего присутствия (такое их состояние называют персистенцией).

Небезынтересен и другой вопрос: если изменение химического состава среды является причиной появления заболеваний, то реакция каких организмов оказывает решающее влияние на процесс? Принято считать, что все дело в ослаблении иммунитета, иначе говоря, сопротивляемости организма.

Однако наблюдения за природными моделями инфекций это мнение не подтверждают. От чувствительности к ним животных зависит исход болезни - благополучный или летальный. Что же касается самого факта ее появления, то здесь ничего подобного нет. Эпизоотии в дикой природе вспыхивают одновременно как среди высокочувствительных, так и относительно резистентных (устойчивых) видов. Остается допустить: главное в данном случае - реакция самих микробов, у которых из-за изменения условий окружающей среды возрастают наследственно присущие им патогенные устремления.

Такое суждение ни в коей мере не противоречит уже известным фактам. О том, что бактерии под влиянием условий культивирования и различного состояния среды могут увеличивать свою вирулентность, т. е. способность убивать теплокровного хозяина, мы

стр. 79

уже знаем. Скажем, псевдотуберкулезный микроб, обычный обитатель почвы и растительной органики, повышает свою "агрессивность" под влиянием холода. А у штаммов возбудителя чумы и некоторых других микробов с ослабленной вирулентностью введение в организм подопытных животных ионов железа способствует восстановлению патогенности.

Иными словами, мы опять сталкиваемся с известным уже нам правилом, согласно которому достаточно высокое содержание в организме жизненно важных для бактерий или вирусов химических элементов - одно из решающих условий развития инфекций. Наши наблюдения, однако, показывают: такие связи выглядят намного сложнее подразумевавшихся ранее, и вспышка заболеваний подчиняется другим законам. Обнаруживается, как уже отмечено выше, сильная зависимость таких событий от дефицита сравнительно редких металлов, в том числе токсичных для жизнедеятельности организма.

Этот вывод, хотя и кажется неожиданным, вполне согласуется с известными биологическими закономерностями. Ведь не секрет, что накопление редких химических элементов в природных объектах варьирует значительно сильнее, чем широко распространенных. В свою очередь организм, в том числе и бактерии, способны адаптироваться к высоким концентрациям даже токсичных элементов. И в дальнейшем для данных популяций это становится нормой. Однако на ее снижение они реагируют как на угрозу минерального голодания. Механизмы сохранения их гомеостаза будут направлены на усиленный захват дефицитного элемента. Агрессивные устремления возбудителей болезней традиционно рассматриваются как нормальные, обычные проявления их жизнедеятельности. Между тем в рассмотренных выше обстоятельствах такое их поведение выглядит как защитный рефлекс, как ответная реакция на сигнал о минеральном голодании. Мера чрезвычайная, применяемая в исключительных случаях, под угрозой возможной гибели, как средство подавления конкурентов в микробных сообществах. Отсюда ее избыточность, расточительность. Образно говоря, инфекцию можно назвать голодным бунтом микробов.

Однако дело, конечно, не в том, насколько этот образ удачен, а в содержательной стороне оценки. И если признать патогенные свойства микроорганизмов адаптацией, которая используется лишь в исключительных обстоятельствах, то легче понять и объяснить многие странные особенности поведения инфекций, например, многолетние промежутки между случаями массовых заболеваний людей и животных и появлением большого числа ранее неизвестных недугов.

Постоянный адрес данной публикации: