ФИТОНЦИДЫ КАК ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ И ЭВОЛЮЦИОННАЯ ПРОБЛEMA

Б. П. Токин

Ленинградский госуниверситет им. А. А. Жданова

Немного об истории проблемы

50 лет назад автор настоящей работы обнаружил удивительное явление: раненые растения убивают на расстоянии (или тормозят рост и развитие) те или иные микро- и макроорганизмы. Так возникла проблема, разработка которой привела к созданию биологического учения о фитонцидах. В 1942 г. в монографии Б. П. Токина с участием Г. Е. Неболюбовой, И. В. Торопцева и А. Г. Филатовой «Бактерициды растительного происхождения (фитонциды)» был обоснован термин фитонциды: это продуцируемые растениями бактерицидные, фунгицидные и протистоцидные вещества, которые являются одним из факторов иммунитета и играют роль во взаимных отношениях организмов в биогеоценозах. Вскоре после открытия летучих фракций фитонцидов было выяснено, что и «тканевые соки» обладают фитонцидными свойствами.

Первые исследования проведены в лаборатории Московского зоопарка, руководимой М. М. Завадовским, где и сообщались результаты по ходу работы. В 1930 г. автор сделал сообщение на IV съезде зоологов, анатомов и гистологов (Киев, 6-10 мая), а в сентябре того же года – на II Международном конгрессе цитологов (Амстердам, Голландия). Первые сообщения в печати на русском языке появились в сборнике «Труды лаборатории Московского зоопарка» (1931, 5), а за рубежом – в журнале «Biologische Zentralblatt» (1930, 50, H. 10, 11).

Опустим полувековую историю становления биологического учения о фитонцидах, историю нелегкой борьбы. Она полна горестей и радостей автора проблемы и многих энтузиастов, нередко работавших в полулегальных условиях, вне официальных планов исследований научных учреждений. Некоторые факты сообщены в книге «Целебные яды растений. Повесть о фитонцидах» (1980 г.).

Далеко не полная библиография публикаций по фитонцидам, составленная О. Д. Форш, включает более 3000 названий работ. Развитие проблемы и интересы медицины, сельского хозяйства и других областей практики вызвали необходимость созыва восьми совещаний всесоюзного характера по проблеме фитонцидов, первое из которых (1954 г.) было организовано Институтом экспериментальной медицины АМН СССР (в Ленинграде), а все последующие – Институтом микробиологии и вирусологии АН УССР и Ленинградским университетом (в Киеве).

Проблема фитонцидов давно уже не принадлежит только автору открытия. Многие деятели науки помогали развитию исследований. Назовем лишь некоторых: А. А. Заварзин, Б. Л. Исаченко, Н. Н. Бурденко, Б. И. Лаврентьев, П. М. Жуковский, П. С. Купалов, А. Г. Савиных, Т. Д. Янович, А. Г. Филатова и многие другие ученые.

Решающая роль в судьбе проблемы, начиная с 50-х годов, принадлежит украинской школе микробиологов, созданной В. Г. Дроботько в отделе антибиотиков Института микробиологии и вирусологии АН УССР. С середины 50-х годов это учреждение стало фактически всесоюзным центром разработки проблемы и координации исследований ученых, работающих в разных городах страны. Эту роль институт, благодаря деятельности Б. Е. Айзенман, С. И. Зелепухи и других, играет и до настоящего времени. Существенно обогатила учение о фитонцидах молдавская школа фитоиммунологов, созданная Д. Д. Bepдеревским.

В кратком очерке, конечно, невозможно рассказать об истории проблемы, о ее современном состоянии и о ее перспективах. Остановимся на некоторых результатах биологических исследований.

Вопреки первоначальным представлениям Б. П. Токина, уже в 40-х годах стало очевидным, что и не раненые растения в обычных природных условиях (в лесах, лугах, полях, водоемах) продуцируют фитонциды во внешнюю среду – в атмосферу, в почву, в воду.

Бесспорно доказано, что явление фитонцидов свойственно не какой-либо группе растений, а всему растительному миру – от бактерий до высших растений. Нисколько не умаляя значения созданных Флемингом и его коллегами, а также Ваксманом, Гаузе и другими исследователями великолепных препаратов, биологи (Б. П. Токин и др.) обоснованно утверждали уже в начале «пенициллиновой эпохи», что продукция низшими грибами, актиномицетами и бактериями антибиотиков есть частный случай универсального явления фитонцидов в растительном мире. Антибиотики – это препараты из фитонцидов низших и высших растений.

В результате многочисленных исследований выяснена большая роль явления фитонцидов в жизни биогеоценозов, в регулировании состава микрофлоры воздуха в условиях разных растительных ассоциаций.

Все более важное значение приобретают исследования школы А. М. Гродзинского и зарубежных ученых в области аллелопатии – химической биоценологии. Среди многих других факторов фитонциды играют значительную роль в жизни растительных сообществ.

Проблема фитонцидов уже вскоре после их открытия стала разрабатываться в нашей стране в экологическом и эволюционном аспектах. Какова роль фитонцидов в природе, почему в ходе эволюции растений возникла способность их продуцировать? Свойственно ли это явление всему растительному миру? Какую роль играют фитонциды в индивидуальной жизни растений и фитоценозах? Эти и другие биологические вопросы поставлены, в частности, в книге Б. П. Токина «Бактерициды растительного происхождения» (1942 г.), в его статье «Вероятная роль фитонцидов в природе» (Природа, 1946), в докладе на I Совещании по фитонцидам (Ленинград, 1954) «Явление фитонцидов как эколого-эволюционная проблема».

Несомненно, ошибочны утверждения некоторых отечественных и зарубежных ученых, в частности, З. Ваксмана – автора стрептомицина, о том, что антибиотики являются не имеющими биологического значения «отходами» в жизни их продуцентов, случайными подарками растительного мира медицине.

Фитонциды – один из факторов естественного иммунитета растений, одно из слагаемых комплекса защитных аппаратов, связанных с теми или иными структурами и функциями организма и могущими сильно варьировать на разных стадиях развития растения и в разных условиях этого развития, комплекса взаимоотношений паразита и хозяина, выработавшихся в ходе эволюции. Теория иммунитета, основанная на этой гипотезе, высказанной Токиным в 40-х годах, создана Д. Д. Вердеревским и, с теми или иными изменениями, высоко оценена многими иммунологами к фитопатологами. Эта теория требует проведения ряда еще не осуществленных исследований, в частности, генетико-селекционного характера, т. е. селекции на фитонцидную активность при создании устойчивых к заболеваниям растений и в интересах медицины и пищевой промышленности.

Исследования фитоалексинов, особенно работы школы Л. В. Метлицкого (Институт биохимии им. А. Н. Баха АН СССР), представляют огромный интерес. Антимикробные вещества (названные «фитоалексинами»), которые образуются в тканях растений в ответ на внедрение инфекции, составляют часть явления фитонцидов. Прав М. В. Горленко (1970 г.), придающий большое значение «фитоалексинам» в разработке теории иммунитета растений.

Многие «загадочные» явления приобрели некоторую ясность в свете биологической теории фитонцидов. Необходимо разработать тот раздел иммунологии, где речь идет об иммунитете бактерий, низших грибов, других микроорганизмов. Отношения между патогенным микроорганизмом и «поражаемым» им растением или животным нельзя сводить к антропоморфным представлениям о «враге» и «жертве». Если паразит не исчез в ходе эволюции, у него должны были выработаться иммунологические свойства против враждебных ему иммунологических свойств «хозяина». Борьба медицины против «патогенных» организмов и помощь целебным силам «организма-хозяина» были бы эффективнее, если бы все более совершенно изучались процессы иммунитета микроорганизмов (Токин, 1955). Продукция бактериями, низшими грибами, актиномицетами фитонцидов (позволяющая получать антибиотические препараты) есть один из факторов их иммунитета. Антагонизм в мире микроорганизмов получил биологическое объяснение.

За последние два десятилетия, в связи с прогрессом биохимии и генетики, к проблемам иммунитета микроорганизмов привлечено большое внимание ряда советских ученых. Обширные исследования проведены лабораторией С. Н. Румянцева (1979). В изучении фитонцидов как одного из факторов естественного иммунитета низших растений методам молекулярной биологии и генетики должна принадлежать значительная роль.

Задолго до открытия способов приготовления пенициллиноподобных веществ Д. М. Новогрудский и другие провели исследования антагонизма в мире микробов и сделали попытку использовать микробы в борьбе с грибковыми заболеваниями культурных растений. Вполне обоснованы высказывания А. А. Имшенецкого (1947) о том, что «антибиотики – полезные приспособления, помогающие микробам в борьбе за существование».

С биологической точки зрения суть «пенициллиновой эпохи» в медицине состоит в том, что медицина использовала иммунологические свойства растений как «надбавку» к иммунологическим механизмам человеческого организма.

С позиций биологического учения о фитонцидах в самом начале «пенициллиновой эпохи» биологи, исследователи фитонцидов, предупреждали деятелей медицины о неизбежном появлении новых и новых резистентных к антибиотикам форм бактерий, ибо должна происходить эволюция микроорганизмов в связи с гигантским экспериментом медицины – введением в организм миллиардов людей новых мощных антисептиков, которые, однако, как правило, не убивают стопроцентно патогенных бактерий, интересующих врачей.

Биологи также предупреждали о возможности появления новых болезней типа микозов в связи с дифференцированным антимикробным действием антибиотиков, нарушающих эволюционно сложившиеся биоценозы микроорганизмов жедудочно-кишечного тракта человека.

Исследователями фитонцидов был дан ответ на вопрос: «Почему организм человека не нейтрален в отношении фитонцидов высших и низших растений?».

За сравнительно короткий исторический срок становления человека общественно-историческая среда не могла настолько изменить его биологическую природу, чтобы нацело исчезли те экологические взаимоотношения, какие сложились за долгий период эволюции между нашими предками и окружающими их растениями и животными. Взаимоотношения эти складывались на почве дыхания, питания и других функций организма, а также эволюции иммунологических свойств наших предков в борьбе организмов за существование.

Развитие проблемы фитонцидов вынуждает ставить много новых задач. Назовем некоторые из них. Так, необходимо изучить роль фитонцидов в жизни гидробиоценозов. Пионерами в этой области исследований были Ф. А. Гуревич и В. П. Тульчинская.

Растениеводы интересуются, нельзя ли использовать фитонциды одних растений для помощи другим, к фитонцидам которых приспособились определенные виды микроорганизмов.

Требуется дальнейшее изучение несомненно различных биохимических механизмов умирания разных микроорганизмов под влиянием фитонцидов различных растений. He являются ли фитонциды одним из факторов мутационной изменчивости некоторых животных организмов в условиях жизни биогеоценозов?

Необходимо исследовать влияние на атмосферу поистине огромной продукции фитонцидов растительным миром. Какие темы исследований фитонцидов возникают перед наукой, называемой космическим землеведением?

He касаясь важных вопросов химии фитонцидов, следует считать обоснованным давнее утверждение: фитонциды – не конкретно химическое понятие, а биологический термин.

Необходимо совершенствовать биологическую классификацию фитонцидов, в частности, не считать фитонцидами ряд веществ, которые составляют предмет аллелопатии. С другой стороны, требуется все более и более совершенствовать классификацию «аллелопатинов». Так обобщенно можно назвать разнообразные группы химических соединений, которые требуется учитывать фитоценологам.

Летучие фракции фитонцидов, по нашему мнению, не стали предметом таких исследований, в которых особенно должны быть заинтересованы ученые-медики и практическая медицина. Вспомним некоторые факты.

Саратовский врач И. Е. Новиков, выдерживая многолетнюю борьбу со скептицизмом и используя созданный им и инженером Антоновым специальный аппарат для получения летучих фракций фитонцидов и дозировки их при подаче больному в кишечный тракт, излечил сотни больных дизентерией.

Во время Великой Отечественной войны А. Г. Савиных, А. Г. Филатова и И. В. Торопцев успешно лечили летучими фракциями фитонцидов раненых бойцов, страдавших незаживающими инфицированными ранами. Этот метод лечения одобрил главный хирург армии Н. Н. Бурденко. Терапевт П. К. Булатов и его сотрудники (Ленинград) успешно использовали летучие фракции в лечении легочных заболеваний.

Исследования М. А. Комаровой положили превосходное начало попыткам стерилизации летучими фракциями фитонцидов воздуха детских яслей, садов, разных типов закрытых помещений.

Некоторые врачи пытались создавать фитонцидные комнаты в санаториях, имитируя целебную обстановку в лесах, где атмосферный воздух содержит фитонциды, которые имеют антимикробные свойства и влияют на концентрацию ионов.

Известны пионерские исследования киевского врача Л. З. Гейхмана о влиянии летучих фракций фитонцидов хвойных растений на больных с разными сердечными заболеваниями.

Превосходные исследования в интересах гигиены, курортологии и озеленения городов выполнены П. И. Брынцевым, В. Н. Власюк, Е. С. Лахно и др.

Здесь названы лишь некоторые вопросы, касающиеся использования летучих фракций фитонцидов. Вероятно, автор, не будучи врачом, в чем-то ошибается. Однако, по нашему мнению, перед лечебной и профилактической медициной открываются очень большие возможности использования именно их летучих фракций. Не надо игнорировать и кажущиеся не очень значительными, давно решенными вопросы «врачебного быта». Почему бы, например, не воспользоваться летучими фракциями многих растений при стерилизации рук, различных материалов. Они были бы, в частности, гораздо более эффективными для стоматолога, чем «марганцовка».

Отсутствие такого могущественного стимула в развитии научных проблем, как требования практики, обусловило недостаточное внимание к летучим фитонцидам химиков и физиков. Из обзора литературы, выполненного Е. Л. Авенировой, видно, сколь нефундаментально выглядит направление исследований химических механизмов умирания микроорганизмов под влиянием фитонцидов, особенно их летучих фракций, хотя, конечно, уже появились интересные работы, прежде всего – Е. Л. Авенировой. Следует, конечно, учесть трудности исследований химии летучих фракций и получения в стабильном состоянии натуральных летучих фракций, адсорбирования их на тех или иных веществах в таком состоянии, чтобы ими могла воспользоваться практика. Длительность «жизни» продуцируемых растениями летучих веществ (при ранении, внедрении инфекции) подчас крайне мала. При соприкосновении с воздухом некоторые компоненты летучих фракций быстро окисляются. Необходимо разработать методики изучения химии фитонцидов без доступа кислорода. Проведенные до настоящего времени химические исследований не адекватны обширным и глубоким морфологическим исследованиям предсмертных и посмертных изменений простейших, бактерий, низших грибов, происходящих под влиянием летучих фитонцидов. Исследователям, изучающим механизмы умирания микроорганизмов под влиянием летучих фитонцидов, нельзя ограничиваться теми методиками, какими они пользуются при исследовании гибели микробов под воздействием антибиотиков, получаемых из низших растений. Биохимические механизмы умирания, вероятно, очень различны при действии фитонцидов разных растений. Может быть, и наше давнее предположение заслуживает внимания. Бактерия, гриб или простейшее не могут, конечно, реагировать на альтерирующие воздействия каких-либо явлений, не имевших основу в их структурах и функциях. Очевидно, многие случаи чрезвычайно быстрого умирания микроорганизмов под влиянием фитонцидов свидетельствуют об· их полной дезинтеграции, вызванной гигантским ускорением или усилением каких-либо сторон метаболизма. В этих случаях необходимо изучить влияние фитонцидов на ферментные системы микробной клетки, например, ответственные за дыхание или брожение. Возможно, имеет место катастрофическое влияние фитонцидов на тех этапах онтогении микроорганизма, когда происходит энергичный синтез белковых молекул и редупликация нуклеиновых кислот. Естественная смерть бактериальной клетки или простейшего совпадает с их размножением. Деление одноклеточного организма есть итоговый этап его онтогении. Представим, что под влиянием фитонцидов происходит ускорение каких-либо процессов метаболизма в 10-20 тыс. раз (что, конечно, не вызывает удивления при современном знании роли ферментов). Если биохимические процессы не будут сопровождаться нормальными структурными, формообразовательными процессами, завершающимися делением клеток, то уже в первые секунды должна прекратиться жизнь микроорганизма как интегрированного целого. Не следует отказываться от этой гипотезы без ее экспериментальной проверки.

Автор этих строк, будучи зоологом, эмбриологом животных и человека, назвал фитонциды «незаконнорожденным дитя в науке». Проблема фитонцидов в ее современном состоянии – дитя многих энтузиастов науки, превосходных школ и лабораторий. Эта проблема никогда не устареет, все время будет воздвигаться научное здание, в фундаменте которого открытие фитонцидов останется лишь в виде одного из кирпичиков.

(Фитонциды. Роль в биоценозах, значение для медицины. Материалы VIII совещания. Киев: Наукова думка, 1981.)