Озонова діра, Детальна інформація

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.

Як клітки-вбивці убивають

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.