Загадочная гибель экспедиции

У травоядных животных при поедании растений с похожими свойствами часто наблюдается энцефалопатия; у хищников (например, собак) похожая болезнь, сопровождающаяся атаксией, а позднее мышечной слабостью и судорогами, может возникать при длительном питании сырой пресноводной рыбой.

Вот это растение были вынуждены есть путешественники:

Рис. 1. Растение, используемое в пищу аборигенами

Многие читатели, наверное, догадались, что континент — это Австралия. А знающие историю ее освоения легко могли опознать в качестве прообраза путешественников отряд экспедиции Берка и Уиллса, которому удалось впервые пересечь австралийский континент. Выйдя из Мельбурна в августе 1860 года, отряд достиг берега залива Карпентария в феврале 1861 года, преодолев 3250 км. В составе отряда было четыре человека: начальник экспедиции, сорокалетний Роберт О’Хара Берк, его помощник, двадцатишестилетний Уильям Джон Уиллс, двадцатилетний Джон Кинг (единственный выживший) и пятидесятилетний бывший моряк Чарли Грей.

Грей умер на обратном пути от залива Карпентария к базовому лагерю на реке Купер-Крик при довольно мутных обстоятельствах, и их мы анализировать не будем. Трое оставшихся в живых достигли базового лагеря 21 апреля. Ждавшая их там группа из четырех человек сидела в лагере с декабря, прождав возвращения Берка на месяц с лишним дольше, чем было условлено. Она ушла на юг в тот же день, 21 апреля, за девять часов до прибытия группы Берка. В лагере осталось лишь немного закопанных припасов. После дополнительных злоключений и нескольких необдуманных решений Берка группа осталась в Купер-Крик без запасов продовольствия и вьючных животных, а значит, без всякой надежды на самостоятельное возвращение. Единственной надеждой на спасение была помощь аборигенов, лагерь которых находился неподалеку. Они снабжали путешественников рыбой и хлебцами-колобками из местного растения — папоротника марсилии Marsilea drummondii (см. A Fern which Changed Australian History), которое называли нарду (или нгарду).

Именно это растение изображено на рис. 1. Догадаться, что это папоротник, не так просто: подсказкой может служить нетипичная для цветковых растений форма жилкования. Этот разноспоровый папоротник растет в засушливых, но периодически затапливаемых районах Австралии (см. Nardoo, the desert fern). Съедобная часть этого растения — его спорокарпы (Sporocarp, рис. 2; см. Useful Notes on the Life History of Marsilea).

Рис. 2. Листья и спорокарпы Marsilea drummondii. Фото с сайта www.exploroz.com

Спорокарпы — небольшие, диаметром около сантиметра, замкнутые выросты листьев, внутри которых созревают спорангии марсилии. Туземцы охотно угощали белых блюдами из них — хлебцами и иногда вареной «кашей» из нарду, но не показывали, где оно растет и как его готовят. Кинг нашел первые спорокарпы, и некоторое время их просто ели целиком — возможно, после недолгой варки. Однако затем путешественники нашли и освоили камни для растирания нарду (рис. 3) и стали есть наскоро сваренную (а иногда и сырую) муку из нарду, смешивая ее с остатками обычной муки.

Рис. 3. Камни для растирания нарду, которые использовали Берк, Уиллс и Кинг у реки Купер-Крик. Из коллекции Государственной библиотеки Виктории в Мельбурне. Фото с сайта burkeandwills.slv.vic.gov.au

Вскоре Берк (который, судя по описаниям, раз за разом принимал наихудшее решение из возможных) устроил ссору с аборигенами со стрельбой; и хотя никто не пострадал, туземцы сняли свой лагерь и ушли. В результате марсилия оказалась практически единственным источником пищи для белых. За день им удавалось собрать и перемолоть до 2 кг нарду (вероятно, это позволяло получить примерно по 1500 ккал в день на человека). Двое из них погибли примерно через три недели. 1500 ккал в день — мало для взрослого мужчины, но не настолько, чтобы умереть за три недели от голода. Кроме того, гораздо раньше — вскоре после того, как нарду вошло в их рацион, — все трое начали чувствовать чрезвычайную слабость, боли в ногах и другие неприятные симптомы (см. Условие).

Так что же послужило причиной гибели Берка и Уиллса?

Большинство исследователей сходятся на том, что умерли они от бери-бери — авитаминоза по витамину В₁. И причиной авитаминоза было, скорее всего, употребление нарду. Роковой ошибкой стало отсутствие должной термообработки. Дело в том, что в этом папоротнике в очень высокой концентрации содержится фермент тиаминаза. Фермент из папоротника очень устойчив: он не денатурирует при pH от 3 до 11 и при температуре до 60°C. Возможно, содержалась тиаминаза и в рыбе, которую ели путешественники (см. Послесловие). Вероятно, первые признаки авитаминоза у Берка и Уиллса появились раньше, из-за голодания и нехватки витамина в муке и других припасах, но доконала их именно тиаминаза. Если употреблять ее одновременно с пищей, как в случае с нарду, то практически весь тиамин пищи разрушается — а его запасы в организме невелики, их хватает всего на 3–4 недели.

При варке «каши» или выпекании хлебцев фермент, естественно, разрушается — и аборигены регулярно ели нарду без опасных последствий. Сам тиамин (особенно в кислой среде) довольно термостабилен: при кратковременном кипячении его потери не превышают 50%, а при выпекании хлеба обычно составляют 10–20%. Вот почему, как сказано на одном из сайтов, посвященных экспедиции Берка и Уиллса, «вы всегда должны готовить ваши папоротники».

Тиаминаза — удивительный фермент. Разные его варианты обнаруживаются у бактерий (в том числе сине-зеленых водорослей), протистов (например, амебы Naegleria), грибов (в том числе дрожжей), растений (многих хвощей и папоротников) и, возможно, животных (например, в одной из работ доказывается, что ген тиаминазы есть у рыбки полосатого данио).

Здесь возникает множество вопросов.

Во-первых, гомологичны ли гены, кодирующие этот фермент, у разных организмов? Кажется, хорошего филогенетического анализа эволюции тиаминазы пока никто не проводил. Для каких-то случаев показано, что разные прокариоты обменивались геном тиаминазы между собой, а также с эукариотами (например, дрожжами) путем горизонтального переноса. Есть ли собственные гены тиаминазы у животных, до сих пор точно не известно: предполагается, что тиаминазы рыб и моллюсков могут синтезироваться бактериями в их кишечнике или попадать в организм с пищей.

Во-вторых, где синтезируются эти ферменты и где они работают? Для ряда бактерий показано, что это секретируемые ферменты, то есть они выделяются из клеток наружу. Где они находятся в клетках растений и животных, непонятно — мне не удалось найти эту информацию.

И в-третьих — самое интересное — почему они есть у одних организмов и отсутствуют у других, родственных? Какую пользу тиаминазы могут приносить своим обладателям? Это тоже в большинстве случаев неизвестно, но кое-какие объяснения есть.

Для растений это, видимо, просто один из способов защититься от травоядных (хотя у папоротников часто больше всего тиаминазы в корнях — предполагается, что ее тоже могут производить бактерии-симбионты). Известны массовые отравления тиаминазой овец, коров и лошадей, иногда приводившие к гибели тысяч животных. Люди травятся тиаминазой растительного происхождения, видимо, достаточно редко. Из содержащих тиаминазу растений наиболее широко используется в пищу папоротник-орляк Pteridium aquilinum — традиционное блюдо японской и китайской кухни. Обычно его вымачивают, а затем кипятят и сливают воду; тиаминаза при этом разрушается. Но большой вопрос, стоит ли есть даже вареный орляк: в нем может сохраняться птаквилозид (см. Ptaquiloside), сильный канцероген. По некоторым данным, с употреблением в пищу орляка может быть связана повышенная частота случаев рака пищевода и желудка в Японии.

Загадочнее всего дело обстоит c тиаминазами животных. Точно не понятны ни их источники, ни роль в жизни тех или иных видов. В сущности, известно только, что в тканях некоторых видов животных — некоторых морских и пресноводных моллюсков и рыб — содержится довольно много тиаминазы. То ли тиаминазу производят бактерии кишечника, то ли она поступает по пищевой цепи (например, от сине-зеленых водорослей), то ли она (иногда?) всё же кодируется собственными генами животных. Но зато точно известно, что тиаминазой животного происхождения можно отравиться. Обычно страдают от отравлений животные в неволе — известны случаи гибели или заболеваний, похожих на бери-бери, у собак, лис на зверофермах, чаек, морских львов и других видов. Всегда оказывалось, что их кормили однообразной диетой из одного или нескольких видов рыб в сыром виде. В некоторых видах рыб содержание тиаминазы высокое, а в других ее почти нет.

В последние десятилетия появляются сообщения и об аналогичных болезнях диких животных — чаек и рыб. Наиболее изученный случай — «синдром ранней смертности» у лососей (семги и кумжи в Балтийском море и тихоокеанских лососей в Великих озерах). Проявляется он в том, что мальки гибнут вскоре после вылупления. Их гибель можно снизить, добавляя тиамин в среду инкубации или в пищу самки перед нерестом. Выяснилось, что основная причина «детской смертности» лососей — преобладание в их пище рыб с высоким содержанием тиаминазы. Обычно это сельдеобразные. В великих озерах это, например, недавно вселившаяся туда сероспинка (Alosa pseudoharengus), а в Балтике — сельдь Clupea harengus.

На одном из сайтов мне попалось утверждение, что случай Берка и Уиллса — единственный документированный случай отравления людей тиаминазой. Но оказалось, что это не так. По данным ВОЗ, случаются отравления, причем смертельные, и из-за употребления сырой рыбы на фоне уже имеющегося дефицита тиамина (см. Anti-thiamine factors). Наиболее хорошо изученный и доказанный случай — это так называемая «сезонная атаксия» в Нигерии. Эта болезнь во второй половине XX века принимала форму эпидемий, в основном приуроченных к влажному сезону. Как выяснилось, она связана с употреблением в пищу жареных гусениц бабочек-хохлаток Anaphe venata (в других районах Африки их тоже едят, но чаще варят). Так что важно правильно готовить не только папоротники, но и гусениц (рис. 4).

Рис. 4. Гусениц, в том числе Anaphe venata (b1) и Anaphe panda (a1), едят во многих районах Африки. Волосатых гусениц сначала опаливают на огне. Рис. из статьи T. Lautenschlager et al., 2017. Edible insects of Northern Angola

Наиболее понятны функции бактериальных и дрожжевых тиаминаз. Некоторые бактерии выделяют их во внешнюю среду. Они расщепляют тиамин на фрагменты, которые клетке легче всосать (и «воссоздать» из них тиамин). Если соседи таких бактерий не умеют синтезировать тиамин из таких осколков, то их удастся лишить важного ресурса (тиамин в качестве кофактора используют почти все живые организмы) и победить в конкуренции. А некоторые тиаминазы бактерий превращают осколки тиамина, образовавшиеся в щелочной среде, в более удобные для его биосинтеза молекулы, способствуя его реутилизации клеткой.

Иногда (например, у дрожжей) тиаминаза расщепляет не только тиамин, но и его ядовитые аналоги. Такие аналоги могут связываться с ферментами, мембранными транспортерами или рибопереключателями вместо тиамина и блокировать их работу. Неизвестно, правда, есть ли такие вещества в природной среде дрожжей. Но как минимум один такой токсичный аналог могут производить бактерии. Возбудитель ботулизма Clostridium botulinum синтезирует аналог пиримидина — бациметрин. В клетках бактерий из него синтезируется 2’-метокси-тиаминпирофосфат, который блокирует синтез тиамина (см. C. Kraft, E. Angert, 2017. Competition for vitamin B1 (thiamin) structures numerous ecological interactions).

Неизвестно, борются ли клостридии таким способом с конкурентами, но это вполне возможная стратегия. И не исключено, что для борьбы с ней можно использовать тиаминазу. Интересно, что некоторые штаммы C. botulinum ее тоже производят — причем в довольно больших количествах. При младенческом ботулизме (когда клостридии живут и размножаются в толстой кишке) это может приводить к дефициту тиамина. А это утяжеляет симптомы паралича (см. H. Ringe et al., 2014. Infant Botulism: Is There an Association With Thiamine Deficiency?) и снижает иммунную защиту. У C. botulinum ген тиаминазы находится в том же опероне, что и гены, отвечающие за синтез бациметрина. Похоже, что эта бактерия «целенаправленно» лишает хозяина источников тиамина. Есть тиаминазы и у других патогенных бактерий.

«Антивитамины» есть не только в экзотических растениях и животных. Их хватает и в гораздо более прозаических продуктах — например, в чае и кофе много полифенолов и флавоноидов, а они (в отличие от тиаминаз) термостабильны. И они связывают тиамин в кишечнике, превращают его в дисульфид и нарушают его всасывание. Известны и эпидемиологические наблюдения и клинические случаи, когда привычка запивать любую еду чаем приводила к дефициту тиамина. Так что в конце — практический совет (от ВОЗ): не стоит глушить чай сразу после каждого приема пищи. И уж тем более не надо им злоупотреблять, если вы питаетесь сырой рыбой или жареными гусеницами хохлаток.

Благодарю Д. А. Кнорре за помощь в подготовке послесловия.

См.также:
Профессор Хибара и влюбленный ученик (задача).