Автор: В. В. РОЩИНА

Действие озона на живые организмы разнообразно: в зависимости от концентрации он может положительно влиять на них или, напротив, угнетать физиологические реакции, вплоть до разрушения клеток и их гибели. И такая неоднозначность проявляется не только на локальном уровне, а затрагивает существование всей биосферы. С одной стороны, атмосферный озоновый слой - щит от солнечной ультрафиолетовой радиации, его истощение чревато тяжелыми последствиями. С другой - чрезмерное повышение концентрации этого газа в приземном слое воздуха сопровождается многими негативными явлениями. Итак, исследования данной многосторонней проблемы - одна из первостепенных задач науки.

Доктор биологических наук В. В. РОЩИНА, ведущий научный сотрудник Института биофизики клетки РАН

Озон (О₃ ) - от греч. "пахнущий" - аллотропная модификация кислорода, газ тяжелее воздуха, с характерным запахом свежести. В отличие от О₂ включает три атома, вследствие чего обладает высокой окислительной способностью. В сжиженной форме приобретает голубую окраску, поскольку имеет полосу поглощения в области 580 - 620 нм. Возникает при диссоциации кислорода, поступающего в атмосферу в процессе фотосинтеза растений. Под влиянием ультрафиолетовой радиации Солнца вначале образуется атомарный кислород (О); при соударении с молекулой О₂ и в присутствии любой частицы воздуха он дает озон. Его источниками являются как природные, так и антропогенные окислы азота, угарный газ и углеводороды, выделяемые растениями или выбросами промышленности и автотранспорта. В цепи химических реакций под влиянием ультрафиолетового излучения из этих соединений образуется атомарный кислород, из него - озон. Он может появиться и внутри помещений, чему способствует компьютерная и копировальная техника, служащая источником ультрафиолетовой радиации.

Распределение О₃ в атмосфере неравномерно. Наибольшая плотность газа наблюдается на высоте 24 - 26 км в тропиках и 18 - 20 - в полярной зоне. Общее содержание его характеризуется так называемым озоновым слоем, который находится в стратосфере примерно в 20- 25 км над поверхностью Земли. Значение же О₃ для биосферы можно оценить при сравнении спектров поглощения данного газа, точнее, самой интенсивной его полосы, и важнейших компонентов живых клеток - нуклеиновых кислот (ДНК и РНК) и белков. Оказывается, они примерно одинаковы - 200 - 300 нм. Озон, содержащийся в верхних слоях атмосферы, целиком поглощает особенно губительные для живых организмов коротковолновые ультрафиолетовые лучи. Уменьшение

Статьи данной рубрики отражают мнения авторов (прим. ред.)

стр. 60

Спектр поглощения озона (синяя линия) и важнейших компонентов живых клеток - ДНК (красная линия) и белков (зеленая линия).

его концентрации хотя бы на 10% сразу сказывается: снижается урожай растений, а у животных и человека возникают различного рода патологии, например, нарушается легочная функция, учащаются хронические заболевания нервной и иммунной систем, рак сетчатки глаз и кожи. Под влиянием ультрафиолетового облучения меняется состояние целых экосистем, особенно наземной растительности и фитопланктона, нарушаются биогеохимические циклы.

Озоновый слой определяет и термический режим атмосферы. В инфракрасной области спектра у этого газа есть полоса поглощения с максимумом 960 нм. Благодаря этому О₃ задерживает тепловую энергию (инфракрасный диапазон), выделяемую Землей в атмосферу. Он не дает ей рассеяться в космосе, сохраняя энергетический баланс нашей планеты.

Особенно актуальна сегодня для человечества проблема образования озоновых дыр (больших участков атмосферы со сниженным содержанием или почти полностью лишенных молекул трехатомного кислорода), поскольку за последние 20 лет наблюдалось заметное снижение концентрации О₃ в некоторых районах Земли: над Антарктидой, Арктикой и даже Восточной Сибирью. И если в стратосфере плотность озона имеет тенденцию к уменьшению, то в тропосфере, напротив, к увеличению. Обычно в приземных слоях она невелика - до 2,1 - 21 мкг /м (0,001 - 0,01 мкл /л). Но резко возрастает при грозе и в еще большей мере при загрязнении воздуха, в том числе при так называемом "фотохимическом смоге", представляющем собой туман, образуемый промышленными и автомобильными выбросами, продуктами сжигания угля и нефти*. Впервые замеченный в Лос-Анджелесе еще в 1948 - 1952 гг., ныне он наблюдается во многих городах мира. Запах озона ощущается в его концентрациях примерно 21 мкг/м³ (0,01 мкл/л), а превышение этого показателя в 10 раз - предел безопасности для живых организмов. Высокие (1 - 10 мкл/л) концентрации озона в воздухе провоцируют воспалительные процессы в легких млекопитающих, в том числе человека, а у ряда чувствительных растений появляются характерные признаки повреждения в виде белых (хлоротичных) или цветных пятен.

Молекулярный механизм действия озона связан со способностью образовывать нестойкие озониды при присоединении к ковалентным и, особенно легко, к двойным связям органических веществ. Они распадаются, в результате чего возникает целый ряд свободных радикалов (дирадикал Криге, супероксид анионрадикал, гидроксилрадикал и др.) и перекисей. Эти активные формы кислорода в малых концентрациях могут регулировать рост и развитие организмов, но в высоких действуют как мощный повреждающий фактор.

От того, насколько глубоко проникнет озон в клетки, зависит его эффект. Различают три этапа такого проникновения. Вначале газ поступает только через места повреждений поверхности клеток (чаще - клеточных стенок). Если его концентрация невелика, то при кратковременных экспозициях ему это не удается, поскольку он вступает в реакции с поверхностными компонентами, образуя озониды, а затем - свободные радикалы и перекиси, которые, собственно, далее и воздействуют на клетки. Защитным, нейтрализующим барьером при этом служат антиоксиданты. К ним относятся в основном высокомолекулярные белки в виде антиокислительных ферментов и низкомолекулярные соединения - аскорбиновая кислота, токоферол и другие фенолы. При небольшой концентрации продуктов озонолиза они вызывают лишь функциональные изменения, часто обратимые.

Второй этап характеризуется взаимодействием с плазматической мембраной. Это несомненно влияет как на узнавание соединений сенсорами-рецепторами, так и на передачу хемосигналов внутрь клеток, регулируя тем активацию систем вторичных мессенджеров - циклических нуклеотидов, инозит-3-фосфата, ионов кальция. При этом ни озон, ни его производные внутрь клеток не проникают и видимых признаков повреждений у последних не наблюдается.

На третьем этапе, при высоких концентрациях газа происходит повреждение плазматических мембран. Озон и его производные поступают внутрь клеток и могут взаимо-

* См.: В. Л. Сывороткин. Водород - разрушитель озона. - Наука в России, 2000, N 2 (прим. ред.).

стр. 61

Видимые повреждения живых организмов, подвергнутых хроническому воздействию озоном в общей дозе 10 мкл/л. Слева - воспалительная реакция легкого крысы, справа - некротические пятна на листьях растений.

Индикация чувствительности к озону по изменению флуоресценции вегетативных микроспор хвоща полевого, возбуждаемой ультрафиолетовым светом люминесцентного микроскопа. Флуоресцирующие красным светом споры (хлорофилл) под влиянием различных концентраций озона меняют свечение на зеленовато-желтый, затем - на желтый. Внизу даны их спектры, в которых проявляется характерный максимум при 525 - 540 нм.

действовать с соответствующими органеллами. Здесь мишенями действия О₃ являются прежде всего аминокислотные остатки белков, что приводит к изменениям их ферментативной активности и проницаемости мембран. Другие мишени этого газа - двойные связи остатков ненасыщенных жирных кислот у липидов; в результате появляются разнообразные окисленные продукты. При довольно продолжительных воздействиях озона меняется основной метаболизм клеток. В азотном обмене усиливается биосинтез определенных белков-ферментов (глюканазы, хитиназы, пероксидазы), растет активность антиоксидантов (супероксиддисмутазы, пероксидазы, каталазы, глютатионредуктазы). Для углеводного обмена характерно повышение содержания растворимых Сахаров, для липидного - изменение состава липидов и перекисное окисление с образованием малонового диальдегида, а позднее - липофусцина (пигмента старения). Особенно заметны изменения вторичного обмена, поскольку образуются защитные соединения, часто служащие антиоксидантами. Они могут быть общими для всех организмов - полиамины, некоторые фенолы, а для растений еще и фенольные пигменты - антоцианы, стилбены и др., а также углеводороды (скажем, стрессовый этилен).

Разная восприимчивость к озону обнаружена у живых организмов в зависимости от продолжительности его действия и концентрации - высокой в интервале нескольких минут или часов или низкой в течение часов и суток. В первом случае наиболее чувствительны стимуляция деления ядра у ряда организмов (клеток зародышей мышей и многих растений, особенно семян древесных видов, пыльцы и других микроспор растений), синтез флавоноидов (фенольные соединения из двух ароматических колец) и хлорофилла в низких дозах у растений и синтез цитокинов у животных. Во втором случае, т.е. при хроническом воздействии, те же дозы могут вызывать хромосомные аберрации (перестройки) в ядрах. При средних концентрациях О₃ наблюдаются реакции повышения проницаемости мембран и появление необычной флуоресценции клеток, связанной с образованием флуоресцирующих продуктов перекисного окисления липидов. Этот показатель, как установили исследователи нашего института, особенно важен для ранней диагностики озоновых эффектов*. Так, вегетативные микроспоры хвоща, обычно

* См.: В. В. Рощина и др. Флуоресцирующий мир растительных клеток. - Наука в России, 2000, N 6 (прим. ред.).

стр. 62

Индикация чувствительности к озону по изменению флуоресценции клеток культуры ткани руты. Обычное оранжевое свечение некоторых секреторных клеток, наполненных алкалоидами (слева), меняется на голубое (в середине), что также видно по изменению спектра (справа).

флуоресцирующие красным светом, начинают светиться желтым (в спектре - сдвиги в коротковолновой области), а у культуры ткани руты оранжевая флуоресценция клеток, содержащих акридоновые алкалоиды (азотсодержащие гетероциклические соединения из трех ароматических колец), сменяется голубой. Эти перемены легко заметить визуально под люминесцентным микроскопом и зарегистрировать с помощью микроспектрофлуориметра.

Повреждения на уровне целого организма при высоких концентрациях О₃ наблюдатели вначале обнаруживают по резкому снижению активности фотосинтеза (у растений и фотосинтезирующих микроорганизмов), а затем и дыхания у любых живых существ. Особенно наглядны эффекты на растениях при хроническом воздействии озоном, поскольку видны выцветание пигментов и некротические пятна. Для ранней диагностики нарушений и принятия защитных мер по охране окружающей среды необходимо продолжать поиск организмов-индикаторов этого опасного загрязнения.

С другой стороны, имеются все предпосылки для практического использования искусственного воздействия озоном, поскольку чувствительность к нему у разных царств живых организмов неодинакова. И даже небольшие дозы могут вызывать, например, гибель микроорганизмов, что широко используется в санитарии и пищевой промышленности, для обеззараживания воды и т.д. При определенных концентрациях О₃ гибнут опасные микробы - возбудители сальмонеллеза и ВИЧ. Озонированную воду с мощным окислительным эффектом уже применяют в сельском хозяйстве для уничтожения паразитов.

У животных выявлена стимуляция иммунитета при низких дозах озона, а при высоких наоборот - угнетение многих функций. Причем наиболее чувствительны в этом отношении млекопитающие. Что же касается растений, то их реакции наиболее разнообразны - от стимуляции роста и развития при низких дозах О₃ до повреждения и опадения листьев, усыхания лесов и общего нарушения фитоценозов при хронических воздействиях в урбанизированных районах. Особенно чувствительны хвойные породы, и процесс их деградации становится опасным в ряде регионов нашей планеты.

Глобальные эффекты для всей биосферы в первую очередь связаны с экранирующей ролью О₃ . В результате появления озоновых дыр происходит усиление ультрафиолетового излучения. Неустойчивые к ней организмы исчезают, вследствие чего обедняется биоразнообразие фауны и флоры. В перспективе, возможно, вырастет число обусловленных радиацией заболеваний (рак кожи, катаракта и др.). Глобальное повышение плотности озона в тропосфере может привести к снижению урожаев, отмиранию лесов, станет прелюдией кислых дождей, поскольку при больших дозах этого газа образуется много пероксидов, ускорится физическое старение людей (в настоящее время 64 млн. землян живут в районах с концентрацией озона весьма опасной для здоровья).

Вот почему слежение за уровнем этого газа в окружающей среде представляет важную задачу. Поиском эффективных биоиндикаторов заняты исследователи многих стран. Уже установлено: среди животных наиболее чувствительны к трехатомному кислороду крысы, у которых под его влиянием наблюдается воспаление легких. У чувствительных растений, как уже говорилось, образуются характерные пятна на листьях - белые (у петрушки) или цветные (желтые, красные - у фасоли). Интенсивный поиск клеточных моделей-индикаторов озонового повреждения ведут и сотрудники Института биофизики клетки РАН. В заключение - о перспективах предстоящих изысканий. Необходимо выяснить причины упоминавшегося выше положительного влияния малых доз озона. Особенно потому, что в практике стоматологии, косметологии, лечении иммунодефицита уже обнаружена стимуляция ими регенеративных процессов. Есть и иная область использования О₃ в малых дозах: он может благотворно влиять на рост растений, что представляет интерес для сельскохозяйственного производства. А для предотвращения хронического загрязнения атмосферы высокими концентрациями этого газа нужна ранняя диагностика повреждения живых клеток. Крайне важно продолжить и поиск организмов-биоиндикаторов, а также реакций, наиболее характерных для озоновых повреждений.

Permanent link to this publication: