ЦЕЛЕБЕН ИЛИ ЯДОВИТ?
Все знают, что кислород широко применяется в медицине. Во многих случаях кислородная подушка оказывается настоящим спасательным кругом для тяжело больных. Да и всякий здоровый человек, которому когда-нибудь доводилось дышать чистым кислородом, знает, как это легко и приятно. В свое время, когда еще только обнаружили, что для дыхания людям нужен кислород, а остальные 79% атмосферы, приходящиеся на долю азота и прочих газов, нам совершенно ни к чему, появились даже утопические проекты городов под кислородными колпаками. В самом деле, почему бы не исключить из атмосферы бесполезный балласт? А в наше время этот вопрос стоит вполне серьезно и достаточно остро, когда водолазам и космонавтам приходится брать воздух «про запас». В самом деле, кислородный легководолазный аппарат меньше и легче воздушного акваланга, а под водой он позволяет оставаться дольше. Но...
И тут появляются первые «но». Оказывается, с кислородным аппаратом можно опускаться только до 20 метров: глубже начинаются судороги, головокружение, наступает потеря сознания и смерть. Это так называемое кислородное отравление, о котором знают все водолазы. Да и при обычном давлении длительное пребывание в чистом кислороде приводит к смерти: об этом писали еще в XVIII веке Пристли, Шееле и Лавуазье. Мыши в кислороде гибнут через 3—5 дней, а патологические изменения начинаются у них уже в первые часы.
Кислород коварен. Первая реакция на него организма — самая положительная. Активируется обмен веществ, человек чувствует прилив сил. Но такая активность длится недолго и постепенно сменяется депрессией. Первый удар принимают на себя легкие — в них развивается отек, воспаление — так называемый ожог легких, ухудшается поступление кисло
рода в кровь, организм начинает страдать, как это ни странно, от кислородного голодания. А при повышенном давлении растворимость кислорода в крови возрастает и токсические эффекты усиливаются. Если давление превысит 3 атмосферы (это как раз соответствует 20-метровой глубине погружения), поражается весь организм: наступают судорожные припадки, за которыми следует смерть от паралича дыхания.
Чистый кислород — яд не только для человека и животных. У растений, например, он по-' давляет фотосинтез, уменьшает всхожесть ге- мян, тормозит рост корней. А сильнее всего действует кислород на анаэробные микроорганизмы, приспособившиеся к жизни в бескислородной среде.
КИСЛОРОД, РАДИКАЛЫ И ОБЛУЧЕНИЕ
В чем первопричина отравляющего действия кислорода? Об этом мы знаем пока очень мало, хотя за два столетия накопилась обширная литература, где описываются отдельные нарушения жизнедеятельности организма. Самой интересной, наверное, нужно считать гипотезу американской исследовательницы Р. Гершман, согласно которой токсичность кислорода объясняется его участием в цепных окислительных реакциях.
Под действием разных причин в организме постоянно образуются свободные радикалы — обломки молекул со свободной валентностью, способные взаимодействовать со многими веществами и при этом образовывать новые радикалы. Они могут возникать, между прочим, и при непосредственном участии кислорода, точнее, промежуточных продуктов его восстановления до воды. Особенно высока реакционная способность перекисных радикалов, возникающих при соединении первичных радикалов с молекулой кислорода. В результате цепных реакций в клетках разрушаются биологические мембраны, накапливаются перекиси и другие ядовитые продукты. Интенсификация цепного окисления и есть, по мнению Герш- ман, причина токсичности высоких концентраций кислорода.
Особенно интенсивно образуются радикалы при лучевом поражении организма. И как раз в этих условиях кислород оказывается особенно опасным: облучение в его присутствии приводит к гораздо большим повреждениям. Такое явление именуется в радиобиологии «кислородным эффектом». С другой стороны, есть животные, обладающие высокой радиоустойчивостью, и они же более устойчивы к кислороду. Это как будто подтверждает предположение о том, что у лучевой болезни и кислородного поражения сходные первичные механизмы. Восприимчивость организма к обоим факторам можно и искусственно понизить, если заранее ввести в него вещества, называемые радиопротекторами,— их защитное действие как раз в том и состоит, что они тормозят цепные окислительные реакции.
ДЫХАНИЕ ЗАЩИЩАЕТ ОТ КИСЛОРОДА?
Значит, высокое содержание кислорода вредно. Впрочем, с этим легко согласиться — сверх меры все вредно. Но может ли кислород вредить в обычных концентрациях? Ведь большинство растений и животных без него погибает.
Однако так было не всегда. Молекулярный кислород в ощутимых количествах появился в земной атмосфере только после того, как возникли водоросли, которые выделяют его при фотосинтезе. До этого жизнь была представлена только анаэробными бактериями. Для них, да и для водорослей тоже, кислород в любой концентрации был исключительно враждебной средой, от которой надо было как-то защищаться. Только позже выработалось аэробное дыхание, позволяющее получать большие количества энергии, используя кислород как сильный окислитель. Это дало аэробам огромное преимущество перед анаэробами в борьбе за существование, позволило им завоевать планету, хотя и поставило в безусловную зависимость от кислорода.
Так кислород заставили работать. Но стал ли он от этого безвредным? Не продолжает ли он даже при обычной 21%-ной концентрации проявлять прежнее токсическое действие?
Прежде всего нужно заметить, что эта «обычная» концентрация кислорода обычна вовсе не для всех живых клеток. Напримео, на Земле есть существа, которые на протяже
нии миллионов лет постоянно подвергаются действию избытка кислорода — гипероксии. Это зеленые растения, главные производители атмосферного кислорода. Чтобы этот газ выделялся из фотосинтезирующих клеток, необходимо, чтобы внутри клетки был некоторый его избыток по сравнению с окружающей средой. А в хлоропластах. где идет фотосинтез, концентрации кислорода особенно высоки. В остальных же тканях растений и животных содержание кислорода заметно уменьшается, так как он расходуется при дыхании. Например, у теплокровных животных в клетках, удаленных от капилляров, давление кислорода падает до 5 мм рт. ст. (по сравнению со 160 мм в атмосфере). Даже при кислородном отравлении содержание кислорода в клетках хотя и повышается, но все равно остается ниже атмосферного.
Получается, что клеточное дыхание помимо своей основной роли — энергетической выполняет еще и защитную функцию, снижая концентрацию кислорода внутри клетки. Не исключено, что и дыхание, и другой связанный с ним биохимический процесс — окислительное фосфорилирование — когда-то были просто защитными механизмами, которые «изобрели» древние анаэробы, когда в атмосфере впервые появился кислород. Между прочим, именно так объясняют происхождение биолюмини- сценции: окислительная хемилюминесцентная реакция была еще одним процессом, который использовали древние организмы для инактивации кислорода, хотя сам по себе свет им был вовсе не нужен.
Разумеется, одно только дыхание не может полностью удалить кислород из клеток, особенно растительных, где идет фотосинтез. Существует еще один способ защиты от кислорода — химический. В клетках есть вещест- sa-антиоксиданты, способные ингибировать цепное окисление: витамин Е, восстановленный глютатион, цистеин, серотонин и другие. Как и искусственно вводимые радиопротекторы, они защищают клетки от кислородного отравления (а заодно делают их и более устойчивыми к естественному радиоактивному облучению).
Обе эти системы противокислородной защиты, выработанные в ходе эволюции, удерживают скорость свободнорадикального окисления на низком уровне и тем самым сводят его вред до минимума. Правда, не до нуля, так как цепные реакции идут и в таких условиях. Об этом свидетельствует, в частности, слабое световое излучение, которое, как показывают наблюдения, испускают почти все живые существа.
Достаточно ли эффективна такая противо- кислородная защита и создает ли она оптимальные условия для жизнедеятельности? Нет ли смысла попытаться искусственно снизить и этот минимальный вред кислорода?
Проще всего, конечно, было бы тем или иным способом уменьшить содержание кислорода в воздухе, которым мы дышим. Но это приведет к кислородному голоданию — гипоксии, что тоже плохо.
Впрочем, вопрос о токсичности кислорода в обычных концентрациях — это пока еще все
же область гипотез, из которых рано делать практические выводы.
ЗАКАЛКА КИСЛОРОДОМ?
Кислород вносит свою лепту и в повреждающее действие многих других внешних факторов, которые в той или иной степени выводят из строя и противокислородные защитные системы: возникает сопутствующий эффект кислородного отравления. Мы уже видели, что таким свойством обладает ионизирующая радиация. «Кислородный эффект» возникает и в других случаях: например, он сопровождает повреждение растений как низкими, так и высокими температурами. Экстремальные Нагрузки самой различной природы вызывают у растений и животных уже знакомую нам вспышку слабого светового излучения и усиливают образование перекисей — некоторые авторы считают его обязательным звеном в гибели клетки.
Можно предположить, что противокислород- ная защита организма должна иметь какой-то резерв именно на случай кислородного отравления, сопутствующего другим повреждениям. Скорее всего это должны быть те же анти- оксиданты. Согласно представлениям советского исследователя профессора Б. Н. Тарусо- ва, им принадлежит универсальная роль в защите растений и животных от неблагоприятных факторов. Некоторые эксперименты это подтверждают: например, с помощью анти- оксиданта цистеина можно увеличить солеус- тойчивость растений.
Но если так, то адаптация к повышенным концентрациям кислорода, которая может вырабатываться у животных и человека, должна была бы усиливать действие этих общих защитных систем организма, повышать устойчивость к вредным воздействиям самой разной природы. Может быть, временное пребывание в кислороде удастся использовать как средство универсальной закалки?
А значит, в конечном счете кислород, может быть, все-таки полезен?
А. А. АВЕРЬЯНОВ, кандидат биологических наук В. А. ВЕСЕЛОВСКИЙ
