Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Озонна діра над Арктикою
У 1985 р. фахівці з дослідження атмосфери з Британської антарктичної служби повідомили про зовсім несподіваний факт: весняний склад озону в атмосфері над станцією Халлі-Бей в Антарктиді зменшився за період з 1977 по 1984 р. на 40%. Незабаром цей висновок підтвердили й інші дослідники, що показали також, що область зниженого вмісту озону простирається за межі Антарктиди і по висоті охоплює шар від 12 до 24 км, тобто значну частину нижньої стратосфери. Фактично це означало, що в полярній атмосфері існує озонна «діра».
Це відкриття стривожило як учених, так і широку громадськість, оскільки з нього випливало, що шар озону, що оточує нашу планету, знаходиться в більшій небезпеці, чим пророкували моделі атмосфери. Стоншення цього шару могло б привести до серйозних наслідків для людства. Вміст озону в атмосфері не досягає й однієї мільйонної частки від вмісту інших газів, однак саме озон поглинає велику частину сонячної ультрафіолетової радіації, не даючи їй досягти земної поверхні. Ультрафіолет має достатню енергію, щоб руйнувати багато органічних молекул, включаючи ДНК. Він може викликати рак шкіри, катаракту й імунну недостатність, а також ушкоджувати посіви і морські екосистеми.
З огляду на настільки серйозний характер цих ефектів, багато вчених, включаючи автора і його колег з Національного управління по аеронавтиці і дослідженню космічного простору, поспішили почати дослідження з метою з'ясування природи озонної діри, що утворюється щовесни Південної півкулі в полярному вихрі – ізольованій повітряній масі, що циркулює навколо Південного полюса протягом більшої частини року. (Кількість озону у вихрі зменшується наприкінці серпня – початку вересня, стабілізується в жовтні і знову починає зростати в листопаді.) Доти поки ми не знайдемо причину утворення озонної діри, ми не зможемо встановити, чи має вона вплив у глобальних масштабах чи її «сфера впливу» обмежується Антарктикою, для якої характерні особливі метеорологічні умови.
Дослідження в цій області спиралися на виміри декількох типів. Одні прилади розміщалися на землі, інші встановлювалися на повітряних кулях-зондах і супутниках. Прилади на кулях-зондах призначаються для визначення хімічного складу повітря в тих шарах, крізь які рухається куля. Прилади, розташовувані на землі чи встановлювані на супутниках, здійснюють дистанційні виміри по визначенню товщини шару озону (точніше, висоти стовпа, який би утворився, якби весь озон, що розташовується в атмосфері над даною точкою, був приведений до стандартної температури і стандартного тиску). Для визначення товщини шару, що звичайно виражається в добсонах (одиниця, що позначає соту частку міліметра), вимірюють падаючу на землю радіацію на декількох довжинах хвиль, обираних таким чином, що на одних довжинах хвиль радіація сильно поглинається озоном, а на інших – слабко. (Прилади на супутниках реєструють світло, відбите від земної поверхні.) Якщо потік радіації на довжинах хвиль, де поглинання істотне, зріс стосовно радіації на інших довжинах хвиль, виходить, зміст озону зменшився; і навпаки, якщо потік радіації на довжинах хвиль, де відбувається поглинання, зменшився, виходить, вміст озону зріс.
Роботи в цій області спиралися на міжнародне співробітництво. У 1987 р., наприклад, близько 150 учених і технічних співробітників, що представляли 19 організацій і 4 країни, зустрілися в Пунта-Аренасі (Чилі), щоб провести найбільш докладне дослідження шару озону, яке коли-небудь запроваджувалось. Проект одержав назву «Літаковий антарктичний озонний експеримент». У ході експерименту, що показав, що в 1987 р. озонна діра була найбільшою, використовувалися не тільки наземні вимірювальні засоби і прилади, встановлювані на супутниках і кулях-зондах, але і літака-лабораторії. На переустаткованому пасажирському літаку DC-8 і висотному літаку ER-2 учені кілька разів проникали в область зниженого вмісту озону і зібрали детальні зведення про її розміри і хімічний склад повітря в ній.
Експеримент 1987 р., як і інші дослідження, проведені останнім часом, спирався на дві висловлені раніше гіпотези, що пояснюють існування озонної діри. Відповідно до однієї гіпотези, причиною діри є викид в атмосферу хімічних речовин антропогенної природи (поллютантів). Інша теорія покладає провину за утворення діри на природні зміни в циркуляції повітряних мас, що весною Південної півкулі переносять багате озоном повітря в полярну стратосферу.
Стурбованість наслідками викиду поллютантів виникла до того, як були отримані перші свідчення про ці наслідки. У 1971 р., коли надзвукові лайнери, здавалося, от-от почнуть регулярні польоти, з'явилися побоювання, що викиди водяної пари й оксидів азоту (NOx) можуть зробити руйнівний вплив на атмосферу на великих висотах. Лабораторні дослідження показали, що обидва компоненти можуть впливати на шар озону. Надзвуковий повітряний транспорт так і не став реальністю, однак у наступні роки викидання в навколишнє середовище оксиду азоту (N2O) у результаті спалювання все в більших кількостях викопного палива і масового застосування азотних добрив привело до таких же результатів Але і ця небезпека відійшла на другий план, коли в 1974 р. М. Моліна і Ф. Роуленд із Каліфорнійського університету в Ірвіні забили тривогу з приводу зростаючого використання сполук, відомих за назвою хлорфторвуглеводів. Починаючи з цього часу так звана хлорфторвуглеводна проблема стала однією з основних у дослідженнях із забруднення атмосфери.
Склад хлорфторвуглеводів ясний з їхньої назви. Використовувані вже 60 років ці гази служать холодоагентами в холодильниках і кондиціонерах, розпилювачами для аерозольних сумішей, пінотворчими агентами й очисниками для електронних приладів. Колись вони розглядалися як ідеальні для практичного застосування хімічні речовини, оскільки вони дуже стабільні і неактивні, а виходить, нетоксичні. Як це не парадоксально, але саме інертність цих сполук робить їхній «ворогами» стратосферного озону.
Інертні гази не розпадаються швидко в тропосфері (нижньому шарі атмосфери, що простирається від поверхні Землі до висоти 10 км) і зрештою проникають у стратосферу, верхня границя якої розташовується на висоті близько 50 км. Коли молекули цих речовин піднімаються до висоти приблизно 25 км, де концентрація озону максимальна, вони піддаються інтенсивному впливу ультрафіолетової радіації, що не проникає на менші висоти через дію озону, що блокує. Ультрафіолет руйнує стійкі в звичайних умовах молекули (у тому числі хлорфторвуглеводи), що розпадаються на компоненти, що володіють високою реактивною здатністю (до них відноситься атомний хлор).
Лабораторні дослідження показали, що хлор швидко руйнує озон. Оскільки в атмосферу викидаються мільйони тон хлорфторвуглеводів, дослідники прийшли до висновку, що цей процес, якщо він буде продовжуватися, приведе до нагромадження хлорфторвуглеводів у стратосфері в концентрації, достатньої для серйозних ушкоджень озонового «екрану». Більш того, навіть якщо ми негайно припинимо викид хлорфторвуглеводів, руйнування озону, швидше всього, буде продовжуватися й у наступному сторіччі, оскільки хлорфторвуглеводи, що уже потрапили в атмосферу, залишаться в ній на десятиліття. Два основні різновиди цих речовин – Ф-11 (CFCl3) і Ф-12 (CF2Cl2) – «живуть» в атмосфері відповідно протягом 75 і 100 років.
Під тиском цих аргументів у США з 1978 р. заборонене використання хлорфторвуглеводів в аерозолях, таких, як деякі дезодоранти і лаки для волосся. Однак спроби установити контроль над застосуванням хлорфторвуглеводів в інших областях ні до чого не привели; частково це пояснюється появою нових даних про хімічні процеси, що відбуваються в стратосфері. Наприклад, хоча було відоме, що такі речовини, як оксиди азоту і водяна пара, руйнують озон, нові розрахунки показали, що оксиди азоту можуть з'єднуватися з хлором і фактично нейтралізовувати руйнівну дію останнього стосовно озону.
У ту пору і з'явилося повідомлення англійських учених про те, що жовтневий зміст озону над їхньою станцією в Антарктиді зменшився з типового значення 300 добсонів, що утримувалося в 1970-х роках, до 180 добсонів у 1984 р. Це відкриття відродило інтерес громадськості до озонового шару. У той же час, оскільки викиди хлорфторвуглеводів продовжували рости, політики виявилися задіяними в дебати по питанню встановлення міжнародного контролю за виробництвом цих речовин. Дискусії привели до того, що у вересні минулого року 23 країни (включаючи США) підписали в Монреалі конвенцію, що зобов'язує їх знизити споживання зазначених речовин. Відповідно до досягнутої домовленості (конвенція повинна бути ратифікована 11 країнами, перш ніж вона набере сили на початку 1989 р.), розвинуті країни повинні до середини 1990-х років заморозити споживання хлорфторвуглеводів на рівні 1986 р., а до 1999 р. наполовину знизити цей показник.
Сутність хлорфторвуглеводної проблеми полягає в тому, що невелика кількість хлору досить для руйнування значної кількості озону. Молекула озону (О3), що складається з трьох атомів кисню (О), утвориться з молекул звичайного кисню (O2) під впливом ультрафіолетової радіації. Фотон розщеплює молекулу кисню на два атоми кисню, що мають високу реакційну здатність, кожний з який швидко з'єднується з іншою, цілою молекулою кисню, утворити молекулу озону (О3). Останній легко поглинає ультрафіолет і розпадається на первісні компоненти – O2 і О. Атом кисню, що звільнився, знову з'єднується з молекулою кисню й утворить молекулу озону. У такий спосіб молекула озону утвориться і розпадається багато разів, поки зрештою не з'єднається з вільним атомом кисню і не утворить двох молекул кисню. При незмінних умовах озон знаходиться в динамічній рівновазі, тобто швидкість його утворення дорівнює швидкості розпаду.
Хлор зрушує цю рівновагу вбік зменшення вмісту озону в стратосфері, тому що в його присутності підвищується імовірність утворення двох молекул кисню. Ще важливіше те, що хлор (так само як оксиди азоту і водяна пара) діє подібно каталізатору в ході хімічного процесу його кількість не зменшується Внаслідок цього один атом хлору може зруйнувати до 100000 молекул озону, перш ніж буде дезактивований чи повернеться в тропосферу, звідкіля буде вилучений разом з опадами чи іншим шляхом.
Хімічні процеси, що, як прийнято вважати, приводять до руйнування озону, добре вивчені. Коли атом хлору (Cl) зіштовхується з молекулою озону, він відбирає в неї один атом кисню, утворюючи радикал монооксиду хлору (Cl) і молекулу кисню. Радикали, тобто молекули з непарним числом електронів, хімічно дуже активні. Коли монооксид хлору зустрічається з вільним атомом кисню (важлива ступінь у каталітичному процесі!), атом кисню відривається від монооксиду хлору під дією сильного притягання до вільного атома кисню, у результаті утвориться нова молекула кисню. Атом хлору залишається вільним і може атакувати нову молекулу озону.
Звичайно цей каталітичний процес йде з деякими обмеженнями. Існують дві основні реакції, що, принаймні на середніх висотах, перешкоджають руйнуванню озону. В одному випадку монооксид хлору вступає в реакцію з оксидом азоту (NO). Aтом кисню з монооксида хлору переходить до оксиду азоту, у результаті чого утворяться вільний атом хлору і діоксид азоту (NO2). Коли останній поглинає видиме світло, його атом кисню вивільняється і може утворити молекулу озону. У результаті вміст озону не змінюється.
В другому, більш важливому, випадку атом хлору чи радикал монооксиду хлору зв'язується з якоюсь іншою молекулою й утворює стабільну сполуку, що служить тимчасовим «резервуаром» хлору. В такому виді хлор (а при нормальних умовах в атмосфері саме так він і проводить велику частину часу) не здатна атакувати озон. Двома важливими резервуарами хлору є нітрат хлору (ClONO2), що утвориться при сполуці монооксиду хлору і діоксиду азоту (NO2), і хлористоводнева (соляна) кислота (НСl), що утвориться в результаті сполуки атома хлору і метану (СН4). Зрештою така молекула-резервуар поглинає фотон чи вступає в реакцію з якоюсь іншою молекулою, розпадається і виділяє хлор, що одержує можливість атакувати озон.
Наявність цих «протидіючих» реакцій послужило підставою для того, щоб фахівці, що займаються моделюванням хімічних процесів в атмосфері, прийшли до висновку про незначний вплив хлорфторвуглеводів на шар озону в глобальному масштабі. Якщо причину зменшення весняного вмісту озону над Південним полюсом на 40% шукати у впливі хлору, що входить у хлорфторвуглеводи, варто визнати, що протидіючі реакції антарктичною весною чомусь слабшають. Виникає питання: чому саме?
Прихильники хлорфторвуглеводноъ гіпотези озонної діри вказують на кілька процесів, що могли б зменшити внесок цих реакцій. Так, наприклад, руйнування озону йшло б швидше, якби зі стратосфери віддалялися оксиди азоту. Під час відсутності оксидів азоту хлор не міг би з'єднуватися з ними й утворювати резервуар у виді нітрату хлору. Крім того, деякі процеси можуть у принципі видозмінювати резервуари хлору, змушуючи їх виділяти активний хлор у виді вільних чи атомів монооксиду хлору, що руйнують озонний шар.
Багато дослідників вважають, що на перераховані процеси впливають полярні стратосферні хмари. Ці висотні хмари, що набагато частіше спостерігаються над Антарктикою, ніж над Арктикою, утворяться узимку, коли при відсутності сонячного світла й в умовах ізоляції Антарктиди температура в стратосфері падає до –80 °С.
Можна припустити, що узимку сполуки азоту конденсуються, замерзають і залишаються зв'язаними з хмарними частками і тому позбавляються можливості вступати в реакцію з хлором. У той же час хмарні частки можуть полегшувати перетворення резервуарів хлору в активний хлор. Деякі хімічні реакції, що протікають повільно в чисто газовому середовищі, можуть йти з великою швидкістю на поверхнях твердих часток. Під час полярної ночі багато хімічних реакцій практично «заморожуються». Проте можливо, що частки полярних стратосферних хмар захоплюють резервуари хлору і змушують їх змінюватися: йде свого роду підготовка до того, щоб при перших променях сонця монооксид хлору початків швидко вивільнятися. На жаль, дотепер невідомо, з чого складаються хмарні частки і які реакції протікають на них.
Хлорфторвуглеводна гіпотеза озонної діри повинна пояснити не тільки, чому «нормальні» протидіючі реакції сповільнюються під час антарктичної весни, але і як ліквідується ця унікальна полярна аномалія. Полярною весною сонце усе ще знаходиться низько над обрієм; у результаті розпад молекул озону під впливом сонячної радіації уповільнений, а виходить, менше концентрація вільних атомів кисню, що могли б брати участь у каталітичному циклі хлору.
Присутність визначеної кількості брому (Вг) у полярних стратосферних хмарах могло б компенсувати недостачу атомарного кисню. Хімічні сполуки, що викидаються в атмосферу при розпаді природного метилброміду, а також фумигантів і деяких речовин, застосовуваних при гасінні пожеж, можуть взаємодіяти з озоном, утворити радикал монооксиду брому (Br) і кисень. У свою чергу монооксид брому може вступати в реакцію з монооксидом хлору, у результаті чого утвориться інша молекула кисню і вивільняється вільний хлор. (Остаточним результатом є перетворення озону в кисень.) Такий комбінований каталітичний цикл брому і хлору може йти без утруднень, навіть якщо вільні атоми кисню відносно рідкі в навколишньому середовищі. Бром може також бути безпосереднім винуватцем руйнування озону: він ініціює ланцюг реакцій, схожих на ті, у яких бере участь хлор, але не потребуючих вільних атомів кисню.
Хоча в картині хімічних процесів, що могли б приводити до руйнування озону в стратосфері над Антарктидою, залишається багато неясного, даних комплексних вимірів, проведених у 1986 р. у районі протоки Макмердо в Антарктиді, і попередні результати Літакового антарктичного озонного експерименту 1987 р. деякою мірою свідчать на користь хлорфторвуглеводної гіпотези. Так, наприклад, з'ясувалося, що у весняний час зміст монооксиду хлору в озонній дірі збільшено в порівнянні із середніми широтами. Є і свідчення того, що концентрація оксидів азоту в дірі сильно знижена в порівнянні із середніми широтами.
Результати вимірів підтверджують також припущення про те, що резервуари хлору (нітрат хлору і хлористоводнева кислота) змінюються під впливом хмар. На початку антарктичної весни (коли діра утвориться) вміст обох резервуарів у газоподібній формі невеликий, а потім він підвищується. З цього випливає, що велика кількість газів запасається в такій формі (наприклад, осідає на хмарних частках), що знайти їхній неможливо. Чи грає важливу роль у всьому цьому також бром, як припускає теорія, неясно. Попередні результати вказують, що в стратосфері над Антарктидою його концентрація може бути і не особливо великою.
Дані, що свідчать на користь хімічної гіпотези озонної діри, не виключають можливості, що істотними можуть бути природні процеси, зв'язані з динамікою атмосфери. Динамічні процеси не руйнують озонний шар, вони лише перерозподіляють озон.
Можливість участі динамічних процесів у руйнуванні озону випливає з того факту, що атмосфера не статична. Оскільки повітря в атмосфері знаходиться в постійному русі, змінюється не тільки положення шару озону і його «потужність», але і розподіл і концентрація хімічних речовин, що впливають на нього. Якби на вміст озону (яке завжди флуктуїрує деякою мірою) впливала тільки сонячна радіація, можна було б очікувати, що більше всього озону виявиться в місцях, підданих найбільшому опроміненню, тобто на дуже великих висотах і на дуже низьких широтах. Насправді максимум у розподілі озону припадає не на верхню границю стратосфери, а на її середину, і не на район екватора, де концентрація озону досягає лише 260 добсонів, а на полярні області.
Такий розподіл озону виникає через те, що в цілому стратосферне повітря, що несе «свіжий» озон, тече від тропіків до полюсів, причому з більших висот на менші. У Північній півкулі стратосферне повітря проникає до самого полюса, де середній вміст озону пізньою зимою чи провесною досягає 450 добсонів. У Південній півкулі протягом більшої частини року повітря не поширюється південніше 60° п. ш. (тут пікова концентрація озону складає 380 добсонів): у силу особливих метеорологічних умов, зокрема через полярний вихор, багате озоном повітря не може просунутися далеко на південь аж до кінця весни.
Почасти через особливості циркуляції кількість озону в атмосфері над Антарктидою залишалася в минулі роки практично постійною (на рівні 300 добсонів) протягом майже всієї зими і весни. Наприкінці весни, коли полярний вихор зникав, відкриваючи шлях повітря з низьких широт, вміст озону починав швидко зростати майже до 400 добсонів. В останні роки концентрація озону залишається майже постійною протягом зими, але навесні швидко падає до 200 добсонів.
Динамічна гіпотеза весняного зменшення озону, що висувалася раніше, ґрунтувалася на припущенні, що аерозоль (зважені в повітрі частки), що утворились в результаті виверження в 1982 р. вулкану Ель-Чічон у Мексиці, поглинає сонячну радіацію, а це повинно приводити до нагрівання стратосфери і «фонтануванню» багатого озоном повітря нагору й у сторони із шару, розташованого над Антарктикою. В даний час значна частина вулканічного пилу осіла, тому вміст озону повинен був би почати відновлюватися. Відповідно до іншої гіпотези, підйом повітря відбувається через те, що рух багатого озоном повітря в напрямку до Південного полюса з більш теплих районів слабшає, а замість нього виникає зворотний рух повітря, що захоплює багате озоном полярне повітря з нижньої стратосфери нагору й у напрямку до екватора. Йому на зміну повинен надходити збіднене озоном повітря з нижче лежачої тропосфери.
Свідчення в підтримку динамічної гіпотези можна було б знайти в розподілі температури. Якщо навесні повітря не могло досягти полярних областей, то там повинно було б відбуватися зниження температури і зменшення вмісту озону. Ніяких значних змін температури в стратосфері над Антарктикою в серпні чи вересні, коли формується діра, замічено не було, однак дослідники знайшли, що в жовтні середня температура падає. Останнє може відбивати затримку у весняному припливі теплого повітря в цю область.
Однак падіння жовтневої температури можна інтерпретувати інакше, скажемо віднести його на рахунок хімічних процесів, що зменшують кількість стратосферного озону, а не на рахунок змін атмосферної циркуляції. Оскільки озон поглинає сонячну радіацію, руйнування озонового шару навесні повинне було б приводити до зменшення поглинання сонячної радіації в порівнянні з нормальними умовами, а це у свою чергу приводило б до охолодження атмосфери.
Існують і більш визначені свідчення того, що динамічні процеси вносять свій внесок в утворення озонної діри. Літаковий антарктичний озонний експеримент 1987 р. показав, що в один із днів, 5 вересня, вміст озону зменшилося приблизно на 10% на площі майже в 3 млн. км2. Хімічні процеси навряд чи здатні викликати таку швидку і значну зміну; пояснення цієї події випливає, очевидно, шукати в особливостях руху повітря. Наприклад, бідне озоном повітря могло на якийсь час вторгнутися в зазначену область з нижніх шарів стратосфери. Разом з тим, виміривши концентрації газів, що служать трасерами при спостереженні за повітряними потоками, дослідники не знайшли ніяких свідчень стійкого великомасштабного підйому повітря в стратосфері.
Динамічні і хімічні гіпотези залучають і для того, щоб пояснити зменшення кількості стратосферного озону весною у всій області Південної півкулі до півдня від 45° п. ш. Зрозуміло, свою роль у цьому може грати ослаблення надходження повітря із середніх широт, але важливими можуть бути і хімічні процеси, що йдуть у стратосфері. Наприклад, у результаті змішання збідненого відповідними хімічними компонентами повітря з полярного вихру з навколишнім повітрям кількість озону повинна зменшуватися.
Взяті в сукупності останні дані підсилюють зростаючі підозри, що хлорфторвуглеводи вносять істотний вклад в утворення озонної діри. Вони показують також, що на утворення діри впливають особливі метеорологічні умови в Антарктиці (полярний вихор, низька температура стратосфери, полярні стратосферні хмари) і, імовірно, зміни циркуляції повітря в Південній півкулі. Який висновок можна зробити з цього щодо небезпеки, що загрожує глобальному озоновому «екрану»?
У принципі різке зменшення кількості озону на Південному полюсі може бути і локальним явищем, не характерним для більш теплих регіонів, однак такий висновок не виглядає переконливим. Одне ясно: хлорфторвуглеводи можуть служити причиною змін вмісту атмосферного озону. Більш того, хлор, що вже потрапив у стратосферу, буде руйнувати озон ще протягом десятків років.
З цих причин особливу важливість здобуває підписана недавно конвенція, що передбачає контроль за виробництвом хлорфторвуглеводів. Хоча дебати щодо того, чи є міри, передбачені конвенцією, достатніми чи навпаки, надто твердими, продовжуються, це питання незабаром може бути вирішене. Цілком дані Літакового антарктичного озонного експерименту стануть доступними до середини 1988 р. У 1989 р. результати будуть проаналізовані і приспіють до запланованого на 1990 р. уточненню монреальскої конвенції.
В даний час проблема озонної діри має один позитивний аспект. На додаток до того, що вона переконала світове співтовариство в необхідності співробітництва з метою зниження тиску на навколишнє середовище, вона заставила вчених більш детально вивчити хімію і динаміку атмосфери. Зусилля в цьому напрямку зробили революцію в наших представленнях про те, як озон взаємодіє з іншими газами і яким вплив роблять на це взаємодії метеорологічні умови.
Імунну систему часто порівнюють з армією, а вхідні в її сполуку клітки – із солдатами. Ніде ця аналогія не здається більш придатною, ніж у випадку кілерних кліток (від англ. killer, що значить «убивця»). Основний обов'язок цих кліток – виявляти і знищувати власні клітки організму, у яких щось порушилося: вони убивають пухлинні клітки і клітки, заражені вірусами (а також, можливо, і іншими чужорідними агентами). Кілерні клітки виконують свою роботу з високою ефективністю: вони вишукують клітку-порушницю, міцно до неї прикріплюються і, нарешті, роблять щось, що викликає її загибель. При цьому розміщені поруч нормальні клітки залишаються непошкодженими. Уся ця послідовність подій відома вже кілька років. Але що ж конкретно роблять кілерні клітки зі своїми жертвами? Іншими словами, як вони убивають?
Відповідь на це питання почала прояснятися. Говорячи військовою мовою, кілерна клітка, прикріпившись до клітки-мішені, націлюється на її поверхню і прострілює в ній безліч дірок. Снарядами служать молекули спеціального білка. Ці молекули впроваджуються в зовнішню мембрану клітки-мішені й утворять у ній пори. Уміст клітки випливає і незабаром вона гине.
Експерименти, проведені в декількох лабораторіях, у тому числі в нашій лабораторії в Рокфеллерівському університеті, показали, що утворюючий пори білок входить до складу озброєння кілерних кліток двох типів: цитотоксичних Т-кліток і так званих природних кілерів, чи NK-кліток (від англ. natural killer). Білок з подібною функцією ми знайшли й в інших клітках, що беруть участь в імунних реакціях – еозинофілах. Більш того, такий же чи дуже схожий білок бере участь, очевидно, у нападі амеби, що викликає важку дизентерію, на клітки людини. Білки, що утворять пори, – це, імовірно, основний тип зброї, використовуваного в різноманітних процесах знищення одних кліток іншими.
Знання про ці білки важливі для медицини. Можливо, блокуючи їх, удасться лікувати амебну дизентерію і деякі інші хвороби, викликувані паразитами, грибами і бактеріями. Мабуть, ще важливіше знайти шлях підсилювати здатність кліток імунної системи утворювати пори: у принципі, це може виявитися корисним при лікуванні раку і вірусних захворювань, наприклад такого тяжковиліковного, як СНІД.
Для того щоб зрозуміти, яким образом кілерні клітки діють настільки специфічно і настільки неминуче, необхідно представляти собі їх місце та роль в організації і функціонуванні всієї імунної системи. Ця система складається з двох частин: клітинної, до якої відносяться, зокрема, кілерні клітки, і гуморальної. Гуморальна система захищає організм насамперед від бактерій і токсичних речовин. Її зброя – це антитіла, чи імуноглобуліни, що синтезуються і секретуються клітками, називаними В-лімфоцитами. Кожна В-клітка синтезує антитіла одного визначеного типу, що розпізнають визначений антиген; в організмі маються мільйони різних В-кліток. Молекули синтезованого В-кліткою антитіла виставлені на її поверхні. Коли лімфоцит зіштовхується з бактерією чи токсином, що несуть відповідний антиген, лімфоцит починає розмножуватися. Частина його потомства стає клітками пам'яті, що у майбутньому забезпечують швидку реакцію на даний антиген, якщо він знову попадає в організм. Основна ж частина нащадків цього лімфоцита перетворюється в плазматичні клітки, що роблять і секретують молекули потрібного антитіла у великій кількості.
Антитіла зв'язуються з відповідними їм антигенами. Токсини внаслідок цього зв'язування осаджуються чи якось інакше нейтралізуються. Якщо ж антиген розташований на поверхні чужорідної клітки, то зв'язування з ним антитіла викликає каскад реакцій, у яких беруть участь білки сироватки крові, називані білками комплементу. У результаті цих реакцій клітка, на поверхні якої вони відбуваються, гине.
Клітки, що дають початок В-лімфоцитам, одночасно є попередниками іншого великого сімейства лімфоцитів – різноманітних Т-кліток, що складають основу клітинної імунної системи. Деякі Т-клітки, а саме хелперні (від англ. helper – помічник) і супресорні (тобто гнітючі), регулюють роботу і гуморальної, і клітинної системи, секретуючи сигнальні хімічні речовини, називані лімфокінами. Головне діюче обличчя клітинної імунної системи – це цитотоксичні Т-лімфоцити, чи кілерні Т-клітки. Їхньою основною мішенню є клітки, заражені вірусами. Кілерні клітки іншого типу – NK-клітки – теж являють собою лімфоцити, але їхнє походження точне не відомо; швидше за все, вони близько родинні цитотоксичним Т-кліткам. Вважається, що їхньою мішенню є пухлинні клітки, а також, можливо, клітки, заражені чужорідними агентами невірусної природи.
Як і у випадку В-лімфоцитів, функція Т-лімфоцитів залежить у першу чергу від правильного розпізнавання мішені. На поверхні Т-кліток розташовані специфічні рецептори, дуже схожі на антитіла В-кліток. Ці рецептори зв'язуються з визначеними антигенами клітинної поверхні. Т-клітки більш вибірні, ніж В-клітки: вони взаємодіють з антигеном тільки в тому випадку, якщо він знаходиться на поверхні клітки-мішені в сполученні з однією з молекул так називаного головного комплексу гістосумісності – білків МНС (від англ. major histocompatibility complex). NK-клітки не так розбірливі у відношенні об'єкта атаки; їхні рецептори менш виборчі і не залежать від MHC.
Довідавшись свою мішень, кілерна клітка – будь це цитотоксичний Т-лімфоцит чи NK-клітка, – міцно до неї прикріплюється. Цей тісний контакт активує механізм знищення. Такий спосіб активації забезпечує безпека для сусідніх нормальних кліток.
Усе це було відоме ще десять років тому, але в чому полягає процес убивства і який його механізм, залишалося таємницею за родину печатками. Перші кроки до її розгадки були зроблені на початку 70-х років у декількох лабораторіях: у групі Е. Марца з Массачусетського університету в Амхерсті, до Хенні з фірми Immunex Corporation у Сієтлі, У. Кларка з Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі, П Голстейна з Імунологічного центру в Марселі і Г. Берка з Вейцмановського інституту в Ізраїлі. Результати їх експериментів дозволили представити весь процес убивства як послідовність окремих етапів.
Спочатку лімфоцит і клітку-мішень вступають у тісний контакт і утворять так називаний кон’югат. Потім кілерна клітка робить на клітку-мішень деякий вплив, що ушкоджує її так, що згодом вона гине; необхідною умовою є присутність у середовищі іонів кальцію. Загибель цієї клітки-мішені відбувається навіть у тому випадку, якщо кон’югат розпадається і кілерний лімфоцит прикріплюється до іншої клітки. Створюється враження, що кілерна клітка пускає в хід якусь програму – визначений ланцюжок подій, що неминуче завершується загибеллю клітки-мішені.
Хенні і Марц одними з перших припустили, що лімфоцит убиває свою жертву, ушкоджуючи її плазматичну (зовнішню) мембрану Підставою до цього послужило те спостереження, що радіоактивні молекули, введені в клітку-мішень як маркери, швидко її залишають після того, як клітку ушкоджує лімфоцит При цьому мембрана ушкодженої клітки стає проникною тільки для маркерів не крупніше визначеного розміру; можна було думати, що мембрана не просто рветься, а в ній виникають дірки чи пори.
Ця гіпотеза знайшла реальний ґрунт у 1980 м Р. Дурмашкін, П. Хенкарт із Національного інституту раку та їх колеги досліджували поверхню ушкодженої клітки-мішені за допомогою електронного мікроскопа при великому збільшенні і знайшли кільцеподібні структури, які можна було інтерпретувати як дірки в мембрані Через три роки їхнє відкриття підтвердили Э. Подак з Нью-йоркського медичного коледжу і Г. Деннерт із Медичної школи Університету Південної Каліфорнії, що вивчали дію культивуючих кілерних кліток на пухлинні клітки. Вони установили, що поверхня клітки-мішені поцяткована дірками з внутрішнім діаметром від 5 до 20 нм.
Залишалося, однак, зовсім неясним, чи утворяться пори саме під дією чи лімфоцита ж їхнє виникнення просте відбиває останню стадію загибелі клітки, що викликається зовсім іншим ушкодженням. Пошуки відповіді на це питання довгий час утрудняла відсутність надійного джерела кілерних кліток Але в 1977 р. С. Джилліс з Immunex Corporation, К. Сміт з Дартмутської медичної школи і група Р. Галло в Національному інституті раку знайшли умови для підтримки в культурі мишачих лімфоцитів – як цитотоксичних Т-кліток, так і Мк-кліток. Це удалося завдяки тому, що були ідентифіковані живильні речовини і фактори росту, необхідні для існування таких кліток у культурі. Одним із ключових факторів виявився лімфокін, називаний інтерлейкіном-2 Тепер можна було вирощувати клони лімфоцитів, отримані з кліток з відомими властивостями, що дало в руки дослідників невичерпне джерело гомогенних культур цитотоксичних Т-кліток і Мк-кліток і тим самим розчистило шлях для детального аналізу цих кліток методами клітинної біології і біохімії.
Одне з властивостей кілерних лімфоцитів відразу ж привернуло увагу дослідників. За допомогою електронної мікроскопії в цитоплазмі цих кліток виявлялася безліч дрібних темних органелл (внутрішньоклітинних елементів) на зразок гранул, що запасають, характерних для секреторних кліток. Звичайно в таких гранулах накопичуються речовини, що повинні надходити в навколишнє середовище в потрібний момент відразу у великій кількості. Це відбувається шляхом екзоцитозу: гранули рухаються до поверхні клітки, зливаються з її плазматичною мембраною, і їхній вміст виливається назовні.
Трохи дослідників спостерігали, що, коли кілерний лімфоцит приступає до знищення клітки-мішені, гранули концентруються в тій його частині, що ближче до місця контакту з мішенню. А. Купфер і С. Сінгер з Каліфорнійського університету в Сан-Дієго, а також Деннерт показали, що апарат Гольджі, у якому формуються гранули, теж направляється до місця контакту В орієнтації апарата Гольджі і гранул, очевидно, бере участь цитоскелет (внутрішня волокниста мережа) кілерної клітки. Ті ж дослідники показали, що незабаром після встановлення контакту з кліткою-мішенню цитоскелетні структури кіллерної клітки певним чином перегрупуються.
Переорієнтація цитоскелету і рух стопок апарата Гольджі і гранул відбувається тільки після зв'язування лімфоцита з мішенню. Р. Тсен з Каліфорнійського університету в Берклі показав, що зв'язування викликає швидке і значне збільшення концентрації іонів кальцію усередині лімфоцита; це у свою чергу активує екзоцитоз. Дж. Янеллі й У. Енгельгард з Віргінського університету вдалося провести мікрокінозйомку переорієнтації гранул у цитоплазмі і їхнього злиття з плазматичною мембраною.
Усі ці дані дозволили думати, що у відповідь на контакт із кліткою-мішенню секреторний апарат кілерної клітки направляється на жертву і летального агента, що міститься в гранулах, «вистрілюється» у неї. Щоб перевірити цю гіпотезу, необхідно було довести, що гранули дійсно виконують ту ж функцію, що і зарядні шухляди в артилерії, а потім з'ясувати, що ж являють собою самі снаряди.
Першою задачею було виділити гранули і подивитися, чи можуть вони самі по собі убивати клітки. Це було зроблено в 1984 р. Хенкартом і Подаком і незалежно нашою групою. Ми застосовували різні методи фракціонування внутрішньоклітинних структур. У результаті таких експериментів вдається, зруйнувавши клітку на складові частини, визначити, у якій з них міститься той чи інший фермент чи зосереджена та чи інша функція. Кілерні лімфоцити піддавали впливу азоту під високим тиском, що приводило до їх руйнування. Суспензію зруйнованих кліток наносили на градієнт щільності, створений інертними частками, і потім обертали у високошвидкісній центрифузі. Під дією відцентрової сили різні органелли переміщалися до дна пробірки і, потрапляючи в область із щільністю, рівної своїй власній, зупинялися. У результаті всі органелли розподілялися уздовж центрифужної пробірки у виді дискретних смуг. Кожну фракцію градієнта потім досліджували за допомогою електронного мікроскопа, визначали її ферментативну активність і здатність убивати клітки.
Одна з фракцій за даними електронної мікроскопії складалася майже винятково з гранул, містила визначений набір ферментів і, головне, могла убивати клітки: коли ізольовані гранули змішували з еритроцитами чи пухлинними клітками в середовищі, що містить іони кальцію, клітки гинули через кілька хвилин. На електронних мікрофотографіях було видно, що поверхня цих кліток містила кільцеподібні структури, не відмінні від тих, котрі формуються в мембрані клітки-мішені під дією живих кілерних кліток. У такий спосіб ми показали, що гранули кілерних кліток дійсно містять той летальний агент, за допомогою якого ці клітки убивають.
Незабаром був ідентифікований сам цей агент. У 1985 р. у співробітництві з Подаком і Г. Хенгартнером з лікарні Цюрихського університету ми знайшли білок, що у присутності іонів кальцію викликала такі ж ушкодження клітинної мембрани, як і живі кілерні клітки чи виділені з них гранули. Цей білок ми одержали в чистому виді, пропустивши екстракт гранул через хроматографічні стовпчики (де білки розділялися в залежності від електричного заряду і молекулярної маси) і перевіривши кожну фракцію на здатність викликати лізис еритроцитів, тобто ушкодження зовнішньої мембрани, у результаті якого клітки набухають і лопаються. Незалежно білок-«убивцю» виділили Д. Мессоні і Ю. Чопп з Університету в Лозанні. За здатність утворювати пори він названий перфоріном.
До цього часу в гранулах цитотоксичних Т-лімфоцитів і NK-кліток виявлений тільки один утворюючий пори білок – цей самий перфорін. Його молекулярна маса 70 тис. дальтонів. Якщо клітки інкубують з перфоріном у присутності іонів кальцію, вони через кілька хвилин лізуються. Однак якщо іони кальцію додати до перфоріну до того, як він зв'яжеться з клітками, то білок зовсім не виявляє свою лізуючу здатність. Цей парадоксальний на перший погляд факт багато чого проясняє в механізмі дії перфоріна на клітки.
Кілерна клітка виділяє молекули перфоріна, і ці молекули вбудовуються в мембрану клітки-мішені. Там вони полімеризуються, тобто з'єднуються один з одним. Полімеризація відбувається тільки в присутності іонів кальцію. Полімер, що утвориться, може приймати різні конфігурації, але в оптимальних умовах кінцевий продукт полімеризації має форму циліндра. При електронній мікроскопії він виглядає як кільце, якщо орієнтований уздовж пучка електронів, і як дві рівнобіжних лінії – якщо поперек. Внутрішній діаметр циліндра, за даними Подака і Деннерта, варіює від 5 до 20 нм.
Щоб перфорін зашкодив клітку-мішень, його полімеризація повинна відбуватися усередині мембрани, тому що впровадитися в мембрану можуть тільки мономери перфоріну. Якщо полімеризація відбудеться в розчині, то полімер не зможе проникнути потім у мембрану й убити клітку. Зміст цього зрозумілий: виявившись у позаклітинному просторі чи кровотоці, де в надлишку мається кальцій, перфорін швидко полімеризуеться і стає неактивним, що виключає можливість випадкового ушкодження інших, нормальних кліток організму.
Утворення в клітинній мембрані пір у результаті полімеризації перфоріну приводить до швидкого і легко помітного стану клітки. Зовнішня мембрана живої клітки утримує усередині її білки й інші великі молекули (за винятком тих, котрі повинні секретуватись). Крім того, вона забезпечує поділ іонів, так що одні з них концентруються усередині клітки, а інші залишаються ззовні. Унаслідок нерівномірного розподілу позитивно і негативно заряджених іонів існує мембранний електричний потенціал: внутрішній вміст клітки має негативний заряд стосовно позаклітинного середовища. Коли цілісність мембрани порушується, іони і вода перерозподіляються у відповідності зі своїми електрохімічними градієнтами, прагнучи до рівноваги, і мембранний потенціал зникає. Якщо дірки невеликі по розмірах, то виникає так називаний ефект Доннана: великі молекули не можуть вийти з клітки, тому що дірки для них малі, а вода і солі з навколишнього розчину проникають через мембрану усередину. В результаті клітка набухає і зрештою лопається.
За допомогою введених у клітку-мішень мікроелектродів нам вдалося зареєструвати значне падіння мембранного потенціалу незабаром після додавання перфоріну. Чуттєве електронне устаткування дозволило навіть вимірити потік іонів, що проходить через індивідуальну пору. Отримані результати погоджувалися з пророкуваннями теорії ефекту Доннана. Наші дані, крім того, свідчили, що утворені перфоріном пори – це стабільні структури і внутрішній канал пори постійно відкритий. Встановивши, які іони і молекули проходять через ушкоджену перфоріном мембрану, ми оцінили внутрішній діаметр пори. Він виявився в межах 1 – 10 нм, що трохи менше, ніж випливало з електронних мікрофотографій (5 – 20 нм).