Фтор: Хорошо в зубной пасте, плохо для растений
Фтор - 13-й по распространенности элемент на Земле, который чаще всего встречается связанным с другими элементами в своей отрицательно заряженной форме - фториде. Соединения фтора используются для улучшения здоровья зубов, производства стали и таких полезных материалов, как тефлон. Фтор также попадает в окружающую среду в качестве побочного продукта как природных, так и промышленных процессов. Фтор загрязняет даже удобрения, используемые для выращивания растений. В больших количествах фтор может быть токсичен. Одноклеточные организмы, такие как бактерии, защищают себя, создавая транспортер, который специально выводит фтор из клетки. У дрожжей есть похожий транспортер, который называется FEX (f luoride ex porter). Бактерии и дрожжи, не имеющие этих транспортеров, погибают в присутствии небольшого количества фтора, содержащегося в водопроводной воде. Растения устроены сложнее, но и они используют FEX, чтобы не допустить накопления фтора внутри себя. Растения без FEX не могут произвести новые семена при выращивании в обычной почве.
Фтор: Не только в зубной пасте
Всем живым существам для жизни необходима вода. В естественной среде вода не является чистой, а содержит небольшое количество других химических веществ, многие из которых полезны для жизни. Для выживания организмам требуется небольшое количество этих химических веществ, но не слишком много. Для каждого химического вещества и для каждого организма это количество различно. В окружающей среде также присутствуют химические вещества, которые не нужны для жизни, но в определенных количествах могут быть вредны. Одним из таких химических веществ является фтор.
Фтор - 13-й по распространенности элемент на Земле, который чаще всего встречается связанным с другими элементами в своей отрицательно заряженной форме - фторид-ионе (F - ). Фтор естественным образом попадает в воду и воздух в результате эрозии фторсодержащих минералов, а также из вулканов и океанов. Дополнительное количество фтора попадает в окружающую среду в результате деятельности человека, например, при сжигании угля, производстве таких материалов, как сталь и тефлон, а также при использовании удобрений, которые производятся из горных пород, содержащих фтор. Фтор в тех или иных количествах встречается повсюду на Земле.
Хотя фтор не нужен живым существам, в малых дозах он может быть полезен. Лучшим примером этого является укрепление зубной эмали для предотвращения кариеса. Однако в больших количествах фтор токсичен. Поскольку он встречается повсюду, бактерии, растения и животные должны уметь выживать в среде, содержащей фтор.
Почему слишком много фтора вредно?
Фтор находится в правом верхнем углу периодической таблицы элементов. Именно там находятся самые электроотрицательные элементы, а это значит, что фтор с большой вероятностью может захватить дополнительный электрон и превратиться в F - . Благодаря этому свойству фтор очень хорошо соединяется с другими элементами. Например, он может соединяться с кальцием и фосфатом, образуя очень прочную зубную эмаль, устойчивую к разрушению бактериями, что предотвращает появление кариеса. Но избыток фтора может иметь и негативные последствия. Слишком хорошо соединяясь с кальцием, фтор может препятствовать формированию здоровых костей. Фтор также может прилипать к белкам и мешать их нормальному функционированию. Токсическое воздействие фтора на микроорганизмы, растения и даже людей.
Организмы защищают себя от фтора
Чтобы фтор повредил клетку, он должен сначала попасть внутрь (рис. 1). Каждая клетка окружена мембраной, которая отделяет внутреннюю часть от внешней. Мембрана не пропускает внутрь слишком большие предметы, обладающие положительным или отрицательным зарядом. Поскольку фторид-ион имеет отрицательный заряд, он не может самостоятельно пересечь мембрану (рис. 1А). Однако фторид может соединиться с положительно заряженным атомом водорода (H+ ), чтобы образовать новую молекулу, называемую фтористым водородом, которая не имеет заряда и достаточно мала, чтобы легко пройти через мембрану (рис. 1B). Оказавшись внутри клетки, фтористый водород может снова распасться на H + и F - . Поскольку F - заряжен, он не может выйти обратно из клетки, поэтому он накапливается и может нанести вред биомолекулам внутри клетки (рис. 1С).
Как живые существа выводят этот токсичный ион обратно из клеток? У одноклеточных организмов, таких как бактерии и дрожжи, в клеточной мембране есть транспортер, который специально позволяет F - покидать клетку (рис. 1D) [ 1 - 3 ]. Это позволяет поддерживать количество фтора в клетке на низком, нетоксичном уровне. Одна из версий этого белка называется экспортером фтора (FEX). Когда ученые удалили FEX из клеток бактерий или дрожжей, эти клетки перестали расти даже в среде с небольшим количеством фтора. Это означает, что FEX - основной способ, с помощью которого одноклеточные организмы поддерживают количество фтора внутри своих клеток на нетоксичном уровне.
Растения - это не просто набор клеток
Жизнь усложняется, когда множество типов клеток должны работать вместе, образуя организм, подобный растению. Растения перемещают огромное количество воды в потоке транспирации от корней к кончикам листьев, а когда в воде растворяется фтор, он также перемещается по всему растению (рис. 2). Вы можете сами увидеть транспирационный поток, поместив стебель сельдерея в стакан с водой, окрашенной красным пищевым красителем. Со временем листья сельдерея станут красными, так как вода и пищевой краситель будут вытягиваться вверх. Если разрезать стебель поперек, можно увидеть красные точки - это ксилема - трубки, по которым вода поступает от корней.
Чтобы помочь растениям расти, в почву добавляют удобрения, содержащие питательные вещества. Многие удобрения производятся из горных пород, содержащих фтор. Это означает, что растения могут получать фтор из почвы, воды, удобрений и даже из воздуха. Для организма с множеством клеток, работающих вместе, выведение фтора из одной клетки может оказаться недостаточно эффективным, если фтор застрянет рядом и убьет другую клетку. Один из способов обезопасить растение - это сделать так, чтобы некоторые клетки работали сообща, не допуская попадания фтора в растение. В качестве альтернативы каждая отдельная клетка может выталкивать фтор в транспирационный поток, как в игре "горячая картошка", пока фтор не доберется до кончиков растения и не выйдет из него вместе с водой. Из-за этой дополнительной сложности мы хотели выяснить, используют ли растения для защиты от фтора тот же метод, что и дрожжи.
Мы обнаружили, что белок FEX есть и во всех растениях. Когда мы удалили природный FEX из дрожжевой клетки, клетка погибла в небольшом количестве фтора, но если мы заменили его растительным белком FEX, дрожжевая клетка выжила [ 4 ]. Это сработало с FEX из любого растения, включая мох, салат-латук, чай и арабидопсис - растение, которое часто используется в лабораторных экспериментах [ 5 ]. Это означает, что растительный FEX может работать так же, как и дрожжевой FEX, - выводить фтор из клетки.
Чтобы показать, что FEX также необходим для устойчивости растений к фтору, мы внесли мутацию - изменение в инструкции по созданию FEX, - которая инактивировала FEX внутри растения. Для этого мы использовали обычное лабораторное растение арабидопсис [5]. Если мутантные растения выращивали в воде без почвы, чтобы в ней не было фтора, они выглядели как обычные растения. Если их выращивали в почве с небольшим содержанием фтора, то все было нормально до тех пор, пока они не начинали цвести - тогда их цветочные стебли становились короче, а цветы начинали отмирать (рис. 3A, B). Растения без FEX не дали семян, даже когда цветы не погибли. Внимательное изучение показало, что при низком содержании фтора пыльца растений была дефектной, что объясняет, почему они не могли произвести семена.
Когда фтор добавляли к проросткам мутантов (детским растениям), листья становились желтыми и нездоровыми (Рисунок 3C). Когда растения выращивали в специальном геле, чтобы мы могли видеть корни, добавление небольшого количества фторида приводило к тому, что корни становились очень короткими (рис. 3D). Когда FEX снова добавили к мутантному растению, оно снова смогло расти, даже при относительно высоком содержании фтора. Более того, если растения получали большее, чем обычно, количество FEX, они росли в условиях фтора даже лучше, чем обычные растения. Все эти эксперименты показывают, что FEX отвечает за поддержание жизни клеток растений при наличии фтора в окружающей среде.
Что это значит для нас?
Уже много лет мы знаем, что некоторые растения более чувствительны к фтору, чем другие. Некоторые чувствительные к фтору растения, такие как кукуруза и персики, мы используем в пищу. Мы не знали, почему некоторые растения меньше страдают от фтора, содержащегося в окружающей среде, но теперь мы узнали, что FEX может защищать растения. Теперь, когда мы обнаружили основной механизм, используемый растительными клетками, чтобы не допустить накопления фтора до токсичных уровней, мы можем манипулировать как самим FEX, так и тем, как и где он производится в растении. Мы надеемся, что, изменив FEX, мы сможем заставить некоторые культурные растения расти лучше, несмотря на присутствие фтора в окружающей среде и в удобрениях.
Животные, как и растения, вынуждены бороться с токсическим воздействием фтора, поэтому мы предполагаем, что и у других животных, включая человека, существует нечто подобное FEX. Пока ученые не определили, как фтор выводится из организма животных - самым сложным животным, у которого обнаружен FEX, является морская губка. Существует множество животных белков с неизвестными функциями, и некоторые из них, как известно, вызывают заболевания, когда не функционируют должным образом. Возможно, что один из этих белков похож на FEX, и животные также страдают от болезней, связанных с фтором. Ученые смогут узнать это наверняка только после того, как в ходе будущих исследований выяснят, как люди и другие животные защищают себя от опасного воздействия фтора.
