42 неизвестных молекулы
Команда ученых под руководством специалиста по репродуктивному здоровью Аолин Ванг апробировала новый метод анализа крови в ходе исследования, результат которого был опубликован в марте в журнале Ecotoxicology and Public Health. С помощью этого метода ученые надеялись находить и идентифицировать даже следовые количества веществ, попавших в организм человека извне: с питанием, дыханием, косметикой, лекарствами и в целом из окружающей среды.
Для исследования взяли материнскую и пуповинную кровь 30 беременных женщин, принадлежащих к разным этносам. Ученые отметили, что ни одну из них не подвергали излишнему стрессу: кровь взяли из образцов, отобранных для медицинских нужд. Затем, с помощью технологий тандемной масс-спектрометрии, жидкостной хроматографии и квадрупольной времяпролетной масс-спектрометрии — в их сочетании и есть методическое новаторство работы — ученые выявили в крови присутствие 109 органических соединений, из которых 55 ранее не были обнаружены в человеческих тканях.
Отследить пути попадания в организм большинства из этих молекул удалось: они заявлены компонентами лекарств, косметики, применяются как пестициды на овощных плантациях.
Но пути, которыми попали 42 молекулы, остаются неясными. Это стало сенсацией.
«Загадочные 42» (в некоторых версиях — 55) соединений попали и более чем в 500 заголовков медиа на десятках языков.
Токсины, которые никто не изучает
Упоминания некоторых молекул из 42, обнаруженных группой Ванг, в научных источниках единичны.
Среди них 1-(1-Ацетил-2,2,6,6-тетраметилпиперидин-4-ил)-3-додецилпирролидин-2,5-дион — настолько редкое вещество, что для удобства его произношения не существует акронима. Про него известно лишь, что он связан с производством парфюмерии и красок.
Для другого соединения — 2R0-7-гидрокси-8-(2-гидроксиэтил)-5-метокси-2-,3-дигидрохромен-4-она — акроним существует (LL-D-253α), но нет никаких сведений о его источниках и потенциальных областях применения.
Проблема кроется не только в редкости самих соединений, но и в том, что, попав в организм, они могут вступать в биохимические реакции, то есть метаболизироваться. Даже если химики-аналитики займутся изучением неизвестных молекул, они обнаружат в организме уже преобразованное химическое соединение, а не сам токсикант.
Альберт Лебедев
— Это интересная работа для целой команды, в которой должны быть и биологи, и токсикологи, и химики, и промышленники, — говорит профессор химического факультета МГУ Альберт Лебедев.
По его словам, оценить опасность всего найденного спектра для человека и окружающей среды невозможно, потому что на подавляющее их большинство нет нормативов, никто их не изучает.
— По-хорошему, токсикологи должны поначалу хотя бы прикидывать расчетными методами опасность этих соединений. Моя же работа ограничивается их поиском, — добавил Лебедев.
Пока же «детективные» междисциплинарные исследования циркуляции и метаболизма неизвестных химикатов в природе и организмах — редкость даже в международной практике, хотя отдельные проекты появляются. Например, по исследованию загадочной гаффской болезни. У заболевших ею во время физической нагрузки начинается ломота, а затем боль в мышцах, повышение потоотделения и температуры тела. В моче заболевших увеличивается содержание белков, что указывает на ухудшение функции почек. При среднем течении болезни развивается поражение сердечной мышцы (миокарда), при тяжелом к описанным симптомам добавляется почечная недостаточность. В некоторых случаях болезнь приводит к смерти.
Первые случаи этого заболевания были отмечены в 1924 году в тогда еще немецком Кенигсберге (ныне Калининграде). В последующие 15 лет было задокументировано свыше 1000 случаев подобного заболевания, преимущественно на территории СССР и Германии, причем не только у людей, но и у птиц и кошек.
Тогда же удалось установить связь между болезнью и употреблением в пищу рыбы.
К концу XX века география болезни расширилась по всему Северному полушарию, но наиболее часто она встречается в северной Евразии, по бассейну Северного Ледовитого океана, от Скандинавии до Сибири.
Многочисленные исследования специалистов из разных областей позволили исключить инфекционную природу болезни. То есть она вызвана не вирусами, бактериями или какими-либо другими возбудителями. Согласно доминирующей гипотезе, гаффская болезнь вызвана неким токсином. Сейчас биологи и токсикологи пытаются его идентифицировать: отлавливают пораженную и здоровую рыбу и сравнивают их состав. Альберт Лебедев предполагает, что, скорее всего, этот токсин не антропогенного происхождения, а природного.
Химический «гугл»
Казалось бы — в XXI веке науке должно быть известно все возможное разнообразие молекул, а все способы их применения — тщательно задокументированы. Но это не совсем так: ежедневно в базы данных химических соединений попадают сотни новых позиций, и тщательно описать их, разобравшись, откуда они взялись, исследователи просто не успевают.
Информацию обо всех известных веществах собирают специальные научные службы. Одна из самых авторитетных подобных организаций — Химическая реферативная служба (Chemical Abstracts Service, CAS), подразделение Американского химического общества. Эта служба с 1907 года издавала каталоги с перечнем известных науке химических соединений, солей, минералов, растворов и полимеров.
Изначально эти каталоги выходили ежегодно в виде бумажного многотомника, который рассылали по подписке научным организациям. В последние десятилетия каталог стал электронной базой данных, в которую добавили и последовательности аминокислот в белках, и генетическую информацию — и каталог CAS превратился в самую большую ежедневно обновляемую базу данных химических соединений.
Сейчас в «большом» реестре CAS доступна информация о более чем 180 миллионах уникальных химических соединений и 68 миллионах сиквенсов белков и ДНК.
Доступ к этой информации, как и сто лет назад, предоставляется по подписке, однако данные о 500 000 наиболее распространенных и популярных веществах открыты — без регистрации. Но если зарегистрироваться, CAS предоставит расширенные инструменты для работы с базой, а не только простенький «химический гугл».
За год база пополняется информацией о 15 000 новых веществ, преимущественно органических. Людям просто не хватит ни времени, ни ресурсов все это изучать, поэтому открытие новых химических реакций, соединений и предсказание свойств веществ все чаще отдается на откуп нейросетям. Ученые в этом случае выступают наставниками, задача которых — научить машинные мозги законам химии, помочь им запомнить цепочки реакций и научить применению полученных знаний. Почти что школьные уроки химии, только для виртуальных учеников. К примеру, совсем недавно стартап из Сколково с помощью искусственного интеллекта нашел и молекулу-мишень (она была известна) и молекулу-лекарство (а эта молекула новая) для лечения редкой, но тяжелой болезни — идиопатического фиброза легких.
Химия из окружающей среды
Сергей Дудов. Фото: iepi.ru
В организм человека большинство соединений попадает из окружающей среды, а за тем, чтобы не попадало что-то вредное, следят специальные службы, как правило, государственные.
— Что в Штатах, что в Европе, что у нас стали заботиться об охране окружающей среды с 80-х годов, — отмечает научный сотрудник кафедры экологии и географии растений МГУ Сергей Дудов. — Да, практики формируются разные, но у нас нет отставания. Защита окружающей среды — относительно молодая область во всем мире.
В России безопасность окружающей среды оценивается по предельно допустимым концентрациям (ПДК). Под ПДК понимается такая величина вредного фактора, контакт с которой безопасен для человека и его потенциального потомства. Нормы ПДК определены для большинства потенциально опасных химических соединений, присутствующих в воздухе, осадках, реках и озерах, почвах и пищевых продуктах.
Такой подход к оценке загрязнения среды зародился в 1951 году — тогда были рассчитаны и опубликованы первые ПДК. В 1980-х на основании этой концепции по всей стране была развернута аналитическая сеть лабораторий. Теперь такие лаборатории, аккредитованные по единым стандартам, регулярно проводят анализы почв, вод и воздуха. Росгидромет регулярно публикует отчеты о состоянии всех сред во всех регионах России.
В США подход к анализу окружающей среды несколько иной и основан на концепции оценки рисков. Ее главное отличие от российской системы мониторинга в том, что при оценке безопасности анализируют не только концентрации разрозненных загрязнителей, но и их потенциальное взаимодействие друг с другом. И если два взаимодействующих загрязнителя встречаются в одном месте, то им присваивается больший вес, чем если бы они были там поодиночке. Как и в России, в США за мониторинг отвечает государственная служба — Управление по охране окружающей среды (United States Environmental Protection Agency, EPA).
Профессор химфака МГУ Альберт Лебедев считает, что отечественный подход к мониторингу окружающей среды по ПДК не идеален, поскольку список анализируемых веществ един на всю страну, а это неправильно.
По мнению эксперта, для каждого географического региона должен быть разработан свой список загрязнителей, поскольку для акватории Черного моря и для окрестностей Норильска или Новокузнецка актуальные загрязнители будут разными.
Список должен формироваться на основании нецелевого поиска — когда пробы анализируют на весь возможный ассортимент загрязняющих веществ. Из полученного ассортимента выделяют 8–10 соединений, которые содержатся в достаточном количестве и которые представляют потенциальную опасность для человека и окружающей среды. И далее мониторинговая система должна постоянно проверять содержание этих соединений в почве, воде и воздухе. Эти принципы экологического мониторинга исследовательская группа Альберта Лебедева изложила в научной публикации.
— Мы порой не можем выявить, например, чем пахнет в Москве, — отмечает Альберт Лебедев. — Жители жалуются, приезжают ответственные службы, проводят стандартные анализы, ничего не находят и в итоге говорят, что все в порядке, превышений по ПДК нет. А запах обусловлен совсем другими соединениями, вне этого стандартного списка поиска. Поэтому нецелевым поиском надо корректировать такие списки. Причем делать их не раз и навсегда, а регулярно обновлять их.
Экологические аномалии
В то время как возможное воздействие неизвестных веществ на организм человека еще предстоит выяснить, никуда не делись проблемы с веществами уже известными и хорошо изученными.
К примеру, многие экологи вспоминают о «бензапиреновой аномалии» на востоке Москвы, который и так считается самой загрязненной частью столицы.
— Бензапирен — вещество первого класса опасности. На его содержание обязательно проверяют все среды, — рассказывает эколог Сергей Дудов. — И вот на востоке Москвы есть бензапиреновая аномалия: куда ни ткни, откуда пробу ни возьми — везде он будет, и зачастую с превышением ПДК.
Бензапирен — продукт неполного сгорания органических соединений, преимущественно топлива. Если оно сгорает при высоких температурах, то формируется меньше полиароматических соединений, к которым относится и бензапирен. При низких же температурах или при недостаточном доступе кислорода окисление длинных углеводородных цепочек происходит не полностью, и формируются бензольные кольца, которые, связываясь друг с другом, и образуют полиароматические соединения. Основные источники бензапирена — автомобили с бензиновыми и дизельными двигателями, а также промышленные предприятия.
Московская бензапиреновая аномалия, по мнению разных экологов, обусловлена разными причинами. Одни говорят, что к ней привела северо-западная роза ветров в Москве. То есть все загрязнители с запада просто сдуваются на восток столицы. Другие связывают аномалию с тем, что восток — наиболее индустриализированный из районов. По-видимому, эти причины не противоречат друг другу: Москва специально по розе ветров проектировалась так, чтобы в ней было «чисто». Капотня же и соседние промышленные районы на востоке были рабочими поселками и присоединились к Москве уже после их индустриализации, в 1960-х.
По словам Сергея Дудова, основным источником загрязнения окружающей среды остается автотранспорт, а конкретно — грузовики.
— У них объем двигателя — 17 литров, а в средних легковых автомобилях — полтора. У них идет больший расход топлива на единицу длины маршрута, и, соответственно, выхлопы их гораздо грязнее, — говорит эксперт.
Другой известный пример крайне неблагоприятной экологической обстановки в бывших соцстранах — Улан-Батор, столица Монголии. Его исследовали десятилетия назад, и до сих пор продолжают писать и защищать диссертации по его экологической обстановке. Проблема Улан-Батора комплексная. Во-первых, город расположен в межгорной котловине с затрудненным движением воздуха, особенно в зимний период. То есть город «не продувается». Во-вторых, он стремительно индустриализируется, а страна — урбанизируется. Сейчас в Улан-Баторе сосредоточена почти половина населения Монголии — более 1,5 миллионов человек.
— В Улан-Баторе есть целые кварталы, застроенные юртами. Свои юрты жители отапливают углем. А в угле есть почти все: даже тяжелые металлы, — рассказывает Сергей Дудов. — И поскольку масштабы отопительных систем маленькие, все продукты этого неполного окисления разбрасываются в небольшом радиусе. Топят зимой, когда движения воздуха в городе практически нет. И вот в Улан-Баторе есть практически все возможные загрязнители, что можно себе представить.
Пути химических веществ
В России химики делают отдельные попытки проанализировать окружающую среду на весь спектр возможных химических веществ. В 2018 году группа химиков под руководством Альберта Лебедева опубликовала научную статью, в которой приведены результаты анализа московских дождевых осадков. По ним удобно судить о качестве воздуха, потому что вода хорошо сорбирует органические соединения из него, а дождь удобнее собирать.
Фото: Антон Великжанин / Москва 24
В итоге ученые обнаружили в отобранных пробах более 700 органических соединений, которые медиа назвали потенциально опасными. В марте 2021 года у этой же группы вышла новая публикация, уже по подобному анализу московского снега, в керне которого можно обнаружить все, что выпало за прошедшую зиму. Органических соединений в снеге оказалось еще больше.
Однако эта находка — не повод бить тревогу.
— Если выйти в нетронутый лес, то там можно найти не 700, а 2000 различных органических соединений, — говорит Альберт Лебедев. — Из найденных 700 нет ничего кошмарного. Это просто ассортимент. Подавляющее их большинство не вредит ни человеку, ни природе, по нашим сегодняшним знаниям. Более того, большая часть из них природного происхождения. Вот, например, в наших пробах много разнообразных терпенов и терпеноидов, а это просто летучие вещества, которые вырабатывают растения, преимущественно хвойные деревья.
По мнению эксперта, из выявленного списка стоят внимания лишь около 15 соединений явно антропогенного происхождения.
Среди них оказались вещества первого класса опасности — полихлорированные органические соединения, которых не находили в московских пробах уже более 30 лет. Видимо, находке мешала малая чувствительность аккредитованных методов поиска. Однако концентрация веществ оказалась такой маленькой, что опасности они не представляют.
Интересно, что концентрация во всех пробах была примерно одинакова. По-видимому, это просто высокоустойчивые соединения, которые попали в окружающую среду еще в XX веке и с тех пор циркулируют в ней, уже размазавшись по всему городу равномерным ничтожно тонким слоем.
В пробах также присутствовали фенолы, фталаты, фторорганические и полициклические ароматические соединения, вокруг которых сложилась репутация канцерогенов. Но и их концентрации в пробах существенно ниже ПДК. Чтобы найти источники загрязнителей, необходимы более масштабные исследования. Ученые из МГУ анализировали менее 10 локаций в разных районах Москвы, а для выявления источников необходимо на порядок больше, около 100. Если отобрать по всей Москве пробы и проанализировать в них концентрации основных загрязнителей, можно будет составить интерактивную карту для каждого из них и по вектору увеличения концентрации выявить область, где будет находиться источник выбросов.
Охрана окружающей среды в сравнении с химией — наука, находящаяся во младенчестве. Даже искусственный интеллект пока не может предсказать, как взаимодействие известных и неизвестных веществ в природе может повлиять на экологическую ситуацию и человека. Но есть и положительные сдвиги. По словам Сергея Дудова, при проведении экологических изысканий эксперты все чаще ориентируются не столько на установленный законодательством регламент, сколько на лучшие мировые практики, выполняя при этом и обязательную часть.
Фото: unsplash
Например, в Англии рассчитали, как будут меняться местные экосистемы в зависимости от концентраций различных загрязнителей в воздухе — и эту практику начали адаптировать и применять в других европейских странах.
Главный автор исследования крови беременных женщин, химик из Калифорнийского университета Трейси Вудрафф предположила, что уполномоченные государственные службы должны стандартизировать и более настойчиво требовать отчетность о составе продукции и использовании разных веществ от представителей химической промышленности. Сейчас же эту информацию в США не всегда легко получить. В России же, ориентируясь на лучшие практики, больше внимания начинают уделять мониторингу и оценке биоразнообразия.