«Все — лекарство, и все — яд, вопрос только в дозах», — в разных вариациях это одно из самых популярных высказываний швейцарского врача и философа Парацельса описывает всю суть токсикологии. Ведь между «ядами» и «не ядами» действительно невозможно провести четкую границу, а действие вещества на организм во многом зависит от дозы. Поэтому, говоря о степени ядовитости вещества, по сути, подразумевают его количество, вызывающее отравление.
Когда опасная доза измеряется миллиграммами, вещество считают ядовитым, а если для появления неприятных последствий необходимо принять гораздо больше, соответственно, не ядовитым. Отравиться можно и обычной поваренной солью, если съесть ее несколько сотен граммов. Более того, отравиться можно даже водой! Но для этого придется выпить около семи литров — не самая простая задача.
Острые и хронические отравления
Помимо количества вещества большое значение для отравления также имеет время контакта: если яд поступает в организм регулярно, даже очень небольшие количества могут привести к тяжелым последствиям. При этом каждая принятая доза сама по себе будет практически незаметна. По этому признаку все отравления разделяют на острые и хронические. Острое возникает при одномоментном приеме достаточно большой дозы яда. Симптомы появляются в течение от нескольких минут до нескольких суток после приема вещества и бывают достаточно тяжелыми, вплоть до летального исхода.
Хроническое отравление развивается месяцами и годами, когда яд регулярно поступает в организм в малых количествах, недостаточных для острого отравления. Первые симптомы могут появиться спустя недели и месяцы после начала отравления, чаще всего они слабо выражены, но нарастают и усиливаются со временем. Если яд продолжает поступать, то состояние человека ухудшается и может наступить смерть. Картину хронического отравления легко перепутать с какой-нибудь болезнью. Раньше не было надежных методов обнаружения ядов в организме, чем часто пользовались отравители, долго подсыпая яд жертве небольшими порциями. Отравление принимали за болезнь, а после смерти жертвы никаких подозрений не возникало.
Природные и искусственные яды
В мире огромное количество ядовитых веществ совершенно разной химической природы. Некоторые из них используются в промышленности, другие — в медицине. Часть ядов была синтезирована специально при разработке химического оружия. Многие ядовитые вещества природного происхождения — их выделяют животные и растения для защиты или нападения. Но довольно часто ядовитые для человека вещества природного происхождения — лишь звенья метаболизма у других организмов, а их ядовитость для нас «случайна».
Чаще всего для оценки опасности вещества используют полулетальную дозу (ЛД50 или LD50). Это средняя доза, которая вызывает гибель половины членов испытуемой группы. Ее определяют экспериментально на лабораторных животных (крысах или мышах) и выражают в миллиграммах на килограмм веса животного (мг/кг). Нескольким группам животных вводят разные дозы тестируемого вещества, а затем подсчитывают, сколько погибло в каждой из групп: где умерла половина, там и получается LD50.
У такого метода, помимо жестокости, есть еще один существенный недостаток: у животных разная чувствительность к ядам. То есть данные, полученные на крысах или мышах, далеко не всегда справедливы для человека. Разумеется, экспериментально LD50 на людях никто не определяет — используют статистический метод. Собирают и изучают статистику случайных отравлений людей различными веществами и их последствия. Анализируя данные, можно примерно определить полулетальную дозу для человека. Но и тут есть сложность — при случайных отравлениях очень трудно точно оценить принятую дозу яда. Кроме того, величина LD50 зависит от способа введения яда: как правило, если яд ввели через рот, то полулетальная доза будет выше, чем при внутривенном или внутримышечном способе.
Индейцы, кора и семена
Большинство лекарств при передозировке проявляют токсическое действие, то есть становятся ядами. Но есть обратные примеры, когда яд стал лекарством. Два самых ярких — яд кураре и ботулотоксин.
Индейцы Гвианы добывали кураре из коры ядовитого растения Strychnos toxifera (Стрихноса ядоносного) и смазывали им наконечники стрел для охоты. Если такой стрелой даже легко ранить жертву, яд проникает в кровь, быстро вызывает паралич и смерть от удушья. Основное действующее вещество кураре — тубокурарин, он блокирует передачу нервного импульса к мышцам, что и приводит к параличу. А развивающийся паралич дыхательных мышц — к остановке дыхания. В то же время не нарушается сознание, поэтому смерть от отравления кураре довольно мучительна. При этом тубокурарин очень легко разрушается в желудочно-кишечном тракте, поэтому мясо отравленных кураре животных можно спокойно употреблять в пищу.
Сейчас синтетические аналоги тубокурарина (миорелаксанты) очень широко используются в хирургической практике, позволяя расслаблять мышцы во время операций и «отключать» дыхательную мускулатуру для проведения ИВЛ. Действие вещества прекращается через несколько часов и работа мышц полностью восстанавливается. Если пациент случайно отравился миорелаксантами, то его надо как можно быстрее подключить к аппарату ИВЛ и дождаться выведения вещества из организма. А в качестве антидотов используют вещества из группы ингибиторов холинэстеразы — неостигмин и физостигмин, которые, наоборот, усиливают нервно-мышечную передачу. Ими, кстати, тоже легко смертельно отравиться. Пример того, как один яд становится противоядием от другого.
С действием ботулотоксина человечество также знакомо далеко не первое столетие. Этот токсин вырабатывается бактериями Clostridium botulinum и вызывает смертельно опасное заболевание — ботулизм. Ботулотоксин — одно из самых ядовитых веществ, известных науке. Его полулетальная доза составляет около 10-9 г/кг. У него очень сложный механизм действия: основной эффект — нейротоксический: нарушается передача импульсов по черепным нервам и прерывается работа мотонейронов спинного и продолговатого мозга. Все это приводит к параличам различных групп мышц, включая дыхательные мышцы, остановке дыхания и смерти. Так как ботулотоксин — это белок, в качестве антидота используют специальную противоботулиническую сыворотку.
Свойство ботулотоксина вызывать длительный стойкий паралич мышц используется в медицине. С его помощью разглаживают мимические морщины (тот самый ботокс) и лечат различные состояния, связанные со спастичностью мышц. Для этого очень маленькие количества ботулотоксина вводят в определенные мышцы, вызывая их паралич. Он проходит через шесть-двенадцать месяцев, и тогда требуется новая доза ботулотоксина.
Еще один очень сильный яд природного происхождения — рицин — уступает по своей токсичности ботулотоксину. Его LD50 для человека составляет около 0,3 мг/кг. Рицин содержится в семенах клещевины и является белком по химической структуре. Его опасно не только вводить в кровь, но и вдыхать. В медицине он не применяется, но из-за высокой ядовитости рассматривался как боевое отравляющее вещество. Также использовался для террористических атак — в США рассылали письма с рицином. После проникновения в клетку рицин нарушает работу рибосом и биосинтез белка, что приводит к ее гибели. То есть рицин действует практически на все клетки организма, сразу нарушая работу многих органов.
Символ всех ядов
Пожалуй, самое известное ядовитое вещество, ставшее символом всех ядов, — цианистый калий, он же цианид калия, или просто цианид. На фоне предыдущих примеров его ядовитость выглядит куда скромнее: LD50 у цианистого калия — аж 1,7 мг/кг. Но, уступая многим органическим ядам, он все же остается очень опасным веществом. По химической природе это соль синильной кислоты, а ядовитость вещества как раз обусловлена цианид-ионом. Для человека опасны любые соли синильной кислоты, как и она сама. Последнюю раньше использовали в США для казни преступников в газовой камере. Так как температура кипения у синильной кислоты +25 градусов, она очень легко переходит в газообразное состояние и проникает в организм через легкие.
Независимо от пути проникновения, цианид-ион попадает в клетки и блокирует работу ферментов, участвующих в клеточном дыхании. Это приводит к нарушению поглощения кислорода клетками и прекращению выработки в них энергии, в результате чего клетки гибнут. Цианиды действуют на все клетки организма, но так как самая чувствительная к недостатку кислорода — нервная система, то первой поражается она. Человек при этом быстро теряет сознание, после чего останавливается сердце. Из-за того, что цианиды нарушают дыхание именно на клеточном уровне, характерный симптом отравления — высокое содержание кислорода не только в артериальной, но и в венозной крови. Цианиды действуют быстро, но не настолько, как это часто показывают в шпионских фильмах. Смерть наступает обычно в течение 5—15 минут после принятия летальной дозы.
В качестве антидота используют тиосульфат натрия, который превращает токсичный цианид-ион в более безопасный роданид-ион. Также можно использовать метиленовую синь и нитрат натрия — они вызывают образование в крови метгемоглобина, который связывает цианид.
Дихлофос и «Новичок»
Еще одна большая группа ядовитых веществ — фосфорорганические соединения (ФОС). К ним относится и сравнительно безобидный для человека дихлофос, и крайне опасные боевые отравляющие вещества: табун, зарин, зоман, VX. Печально известный «Новичок» также, предположительно, относится к этому классу соединений, но точной информации о нем очень мало. Большинство ФОС — летучие маслянистые жидкости без запаха или с приятным запахом, хотя у некоторых он резкий. Они легко проникают через легкие и через кожу, всасываются со слизистых оболочек и через желудочно-кишечный тракт.
У всех ФОС общий механизм токсического действия — они блокируют работу фермента холинэстеразы. Этот фермент находится в синапсах и позволяет в нужное время «выключать» передачу нервного импульса, влияя на один из нейромедиаторов — ацетилхолин. Если работа ацетилхолинэстеразы заблокирована, нервные волокна становятся похожи на замкнувшую электропроводку: по ним постоянно бежит «ток» — нервный импульс. Из-за чего появляются судороги, спазмы гладких мышц, зрачки сужаются и перестают реагировать на свет. Начинается обильное слюнотечение, человек сильно потеет, замедляется работа сердца и падает артериальное давление, может быть рвота, непроизвольные дефекация и мочеиспускание. Нарушается работа центральной нервной системы — от головной боли и головокружения до коматозного состояния. Смерь обычно наступает или от удушья из-за спазма гладких мышц бронхов, или от остановки сердца.
Антидотом при отравлении ФОС является атропин. Это вещество блокирует передачу «избыточных» нервных импульсов. Также в первые часы после отравления можно использовать дипироксим и изонитрозин, которые восстанавливают работу ацетилхолинэстеразы.
С боевыми ФОС связано несколько громких отравлений. В 1995 году члены секты Аум Синрике (организация признана террористической в России и запрещена) распылили зарин в Токийском метро. В результате двенадцать человек погибли, более пяти тысяч отравились. С помощью VX в 2017 году был убит Ким Чон Нам, брат правителя КНДР Ким Чен Ына. Ему на лицо набросили платок, пропитанный VX. Несмотря на то, что контакт с платком длился несколько секунд, этого оказалось достаточно для смертельного отравления. В 2018 году с применением «Новичка» было совершено покушение на бывшего офицера ГРУ Сергея Скрипаля и его дочь Юлию.
Какие бывают токсины и как их ищут в организме?
У токсичных веществ нет какого-то одного общего «центра ядовитости», все они сильно различаются по строению, и у них совершенно разные механизмы действия. Поэтому токсины чаще всего классифицируют по основным органам и системам, работу которых они нарушают: нейротоксины, кардиотоксины, нефротоксины (действуют на почки), гепатотоксины (поражают печень) и так далее. Если вещество поражает сразу много органов и систем, его относят к веществам общетоксического действия.
Именно поэтому нет и какого-то одного общего противоядия, универсального антидота, свойства которого в средние века приписывали безоару. В зависимости от того, чем именно отравился человек, назначаются специфическое лечение и специальные антидоты. Поэтому при любом отравлении критически важно как можно быстрее точно установить яд — от этого зависят успешность лечения и жизнь пострадавшего.
Способов обнаружения токсических веществ в организме очень много. Их разработкой занимается специальная наука — токсикологическая химия. Тем не менее найти яд в организме довольно сложно. Учитывая, что многие ядовитые вещества вызывают отравление в небольших количествах, нужно использовать очень чувствительные методы обнаружения. Задача усложняется еще и тем, что яд нужно выделить из биологического образца (крови, мочи, кусочков органов и так далее), который сам по себе имеет очень сложный состав. Кроме того, известны тысячи ядов — какой именно искать в образцах? При этом установить яд нужно как можно быстрее — еще же лечить пострадавшего. Здесь на помощь экспертам приходит весь арсенал современных физико-химических методов анализа.
Один из самых мощных методов — хромасс (хромато-масс-спектрометрия). Когда компоненты сложной смеси сначала разделяются в хроматографической колонке, а затем каждый компонент попадает в масс-спектрометр. В приборе отдельные молекулы вещества ионизируются — разрываются на составные части, имеющие заряд. Затем эти части разделяются в магнитном поле и регистрируются детектором. В итоге мы получаем информацию об «осколках» молекул всех веществ, которые были в изначальной смеси и по этим «осколкам» можем определить исходные вещества.
Яды, как и любые другие вещества, попавшие в наш организм, разрушаются в печени, а выводятся почками, кишечником, легкими и кожей. Поэтому чем раньше будут взяты пробы для анализа, тем надежнее можно определить яд. Если к моменту взятия проб исходное вещество уже полностью разрушилось в печени, шанс его «поймать» все еще есть. Для этого можно попытаться найти продукты его распада в моче или крови. Иногда это позволяет определить лишь группу веществ, которая вызвала отравление, но конкретный яд установить уже не получается.
Некоторые яды, особенно при длительном поступлении в организм, могут откладываться в волосах, ногтях и костях (например, мышьяк, кадмий или свинец). В этом случае установить отравление можно многие месяцы спустя. Иногда даже через столетия после смерти жертвы — при исследовании останков.
Однако большинство органических ядов довольно быстро выводятся из организма — от нескольких часов до нескольких дней. Если пробу взять позже, обнаружить уже ничего не удастся. Тогда предположить, чем было вызвано отравление, можно, только опираясь на какие-то характерные симптомы, но они бывают далеко не всегда.
