Многие слышали о жирных кислотах, и о том, как они полезны для человека. Но далеко не все знают, в чем проявляется их полезность и, тем более, не слышали, что помимо засветившихся в рекламе омега-3 и омега-6 есть множество других жирных кислот, которые важны для научных исследований. 

В преддверии международного дня женщин и девушек в науке мы поговорили о роли жирных кислот в жизни не только людей, но и экосистем с лауреатом премии L’Oreal – ЮНЕСКО для женщин в науке, премии SCOPUS Award Russia для самых цитируемых российских ученых в области биологии Олесей Махутовой (Кормилец), доктором биологических наук, ведущим научным сотрудником Института биофизики ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН».

– Сколько всего в живых организмах жирных кислот?

– Жирных кислот очень много. В одной пробе их можно обнаружить более сотни. Я работаю с большими массивами проб, через мои руки проходят разнообразные животные и растения. Хоть я и занимаюсь водной экологией, но, поскольку жирные кислоты интересны в качестве пищевых объектов человека, то приходится обрабатывать и наземные объекты. Например, в прошлом году у нас с коллегами из Якутии и Иркутска вышла работа по жирнокислотному составу якутской лошади. У крупных животных, млекопитающих, жирнокислотный состав более бедный: основных кислот порядка 20-30. Если взять объекты моего непосредственного изучения, например, зоопланктон или зообентос, то там речь идет уже о сотне и более жирных кислот.

– Получается, чем меньше организм, тем больше в нем жирных кислот?

– Жирнокислотный состав любого организма определяется двумя основными факторами. Первый – собственный синтез жирных кислот, который зависит от самого организма. Есть организмы, которые синтезируют большой набор жирных кислот и находятся во многом на самообеспечении. Например, растения не получают органические соединения из пищи, они производят их сами. Животные в этом плане им уступают.

Второй фактор – что организм потребил. Есть замечательная фраза: ты то, что ты ешь. В свое время я даже вынесла ее в качестве слайда во время защиты своей докторской диссертации. Чем более разнообразный корм у объекта, тем более многообразным будет его жирнокислотный состав. Если пища наоборот очень бедна в плане жирнокислотного состава, то и в организме их будет мало. Так у свиней, домашних птиц, коров и всех животных, которых кормят в искусственных условиях, жирнокислотный состав пищи довольно бедный и, соответственно, жирнокислотный состав мяса этих животных не очень большой. А водные беспозвоночные, у которых среди объектов питания находятся бактерии и различные группы водорослей, содержат значительное количество разнообразных жирных кислот. Дело в том, что различные водоросли — зеленые, диатомовые, динофитовые — имеют свои специфические жирные кислоты, совершенно не характерные для других. У бактерий тоже свои специфичные кислоты, больше их никто не синтезирует. Поэтому водный организм, потребляя разные группы объектов, получает разные жирные кислоты и их состав может быть очень большим.

– Для чего нужны жирные кислоты?

– Жирные кислоты с точки зрения исследователя и их важности можно разделить на две группы. Начнем с первой, она касается физиологически ценных жирных кислот и непосредственно связана с человеком и практическим применением. В нее входят всего три полиненасыщенные жирные кислоты: омега-6 – арахидоновая и две жирные кислоты из семейства омега-3 – докозагексаеновая (ДГК) и эйкозапентаеновая (ЭПК). Из арахидоновой и эйкозапентаеновой жирных кислот синтезируются очень важные вещества, необходимые любому многоклеточному организму – эйкозаноиды или гормоноподобные вещества. В отличие от гормонов, эти вещества могут синтезироваться в любой ткани, а не только в определенном органе. Их воздействие на организм очень велико, они регулируют многие важные процессы в организме человека. Эйкозаноиды, которые синтезируется из омега-6 кислоты, способствуют реакции организма на раздражители, например, аллергены и провоцируют воспалительные процессы: вызывают увеличение производства мокроты, повышают температуру, усиливают аллергическую реакцию, сужают сосуды. А те, что синтезируется из омега-3, действуют обратным образом: наоборот расслабляют сосуды, снижают температуру и другие ярко выраженные реакции. Прекрасно, когда в организме баланс этих групп жирных кислот, не должно быть перевеса между ними.

Третья кислота, докозагексаеновая, интересна тем, что она служит передатчиком сигнала нервного импульса. Поэтому она используется в построении мембран нервных клеток и необходима для нормального формирования нервной системы и хорошей умственной деятельности. Ее очень много в мозге, в нервных тканях, в сетчатке глаза.

– Можно ли на основе жирных кислот создавать медицинские препараты и использовать как лекарственное средства?

– Все-таки жирные кислоты не являются лекарственными препаратами. Их необходимо применять только для гармоничного развития, чтобы не было предпосылок для образования и усугубления каких-то процессов. Несколько лет назад я участвовала в крупном конгрессе по изучению липидов с медицинским уклоном в Швеции. Там я увидела, что жирные кислоты исследуются со многих точек зрения, например, омега-3 кислоты могут тормозить развитие злокачественных опухолей. Нет, они не вылечивают, но способствуют организму в борьбе с заболеванием. Не стоит рассчитывать, что эти кислоты будут работать как лекарство. Подобные исследования осложняются еще и тем, что люди с заболеваниями применяют компенсирующие препараты. Вычленить действие препарата и действие омега-3 жирной кислоты бывает затруднительно.

– А где брать эти жирные кислоты?

– Одно из направлений нашей работы сосредоточено на поиске продуктов питания, которые содержат много омега-3 жирных кислот. Это делается для того, чтобы потом рекомендовать людям потреблять эти продукты для восполнения недостатка в омега-3.

Омега-3 жирные кислоты не очень-то распространены в наземных экосистемах, в отличие от водных. Активный синтез ЭПК и ДГК происходит в определенных группах водорослей. И далее по трофической цепи они передаются к рачкам и рыбе, в которых эти кислоты накапливаются. Поэтому для человека основной источник омега-3 жирных кислот – это рыба. Но не вся рыба будет ими богата, а только та, которая получает много омега-3 жирных кислот из пищи или синтезирует их. Это тоже очень важное направление, которым я занимаюсь. Мы проводим исследования, которые позволят нам сказать, какие виды рыб способны синтезировать важные омега-3 жирные кислоты и на что можно заменить их стандартный корм, чтобы рыба оставалась богатой этими веществами. Есть рыба, которую чем бы ты ни кормил, она всегда содержит мало ЭПК и ДГК просто потому, что не накапливает их в большом количестве. И выявить такие особенности – интересная задача.

Кстати, омега-6 люди потребляют постоянно, в ней нет дефицита практически никогда. Ее очень много в мясе, молоке и другой мясной продукции. Но не все животные содержат в себе много омега-6 и очень мало омега-3. Есть такие, которые содержат в себе достаточное количество и того, и другого. Это в основном дикие животные или животные, которые пасутся на полях, где они потребляют свежую зелень, а не искусственные корма. Так как в зеленых растениях содержится предшественник для синтеза омега-3 жирных кислот, то эти животные вероятно способны сами синтезировать их некоторое количество. Например, овцы и олени. С точки зрения липидов это очень хороший продукт питания. Они содержат омега-3 жирные кислоты в достаточно большом количестве.

– А что насчет людей?

– Есть исследования, показывающие, что некоторые люди, населяющие определенные территории, тоже могут синтезировать жирные кислоты. Не очень много, не очень эффективно, но, тем не менее, могут. В первую очередь, это люди, которые питаются растительной пищей. Однако если просто перестать есть мясную продукцию, вы, конечно же, не начнете синтезировать эти вещества. Это эволюционный процесс, связанный с генами, в которых случается мутация. В то же время те люди, которые из поколения в поколение всю жизнь жили рядом с морем и потребляли большое количество рыбы, а значит и омега-3 жирных кислот, они потеряли способность синтезировать эти кислоты. Если вещество поступает в организм из пищи, то организму не нужно самому воспроизводить энергетически затратный процесс синтеза.

Так же происходит и с рыбой. Морская рыба в основном потеряла свою способность синтезировать омега-3 жирные кислоты, потому что они все время находятся в ее пище. С пресноводными все происходит иначе. В прошлом году мы начали исследование возможности синтеза омега-3 жирных кислот у северных пресноводных рыб красноярского края. Уже показали, что сибирский хариус способен самостоятельно синтезировать ДГК в некоторых тканях.

– А вторая группа и направление использования жирных кислот?

– Второе направление – это маркерное значение жирных кислот. Вернемся к началу. Разные таксономические группы организмов могут синтезировать свои специфические жирные кислоты. Их можно использовать в качестве маркеров. Например, мы исследуем питание какого-то организма, смотрим его жирнокислотный состав и видим в нем наличие маркеров диатомовых водорослей или бактерий, или других организмов. На основании жирнокислотного состава можно сказать, чем питался организм. Анализ содержимого желудка показывает, что организм съел прямо сейчас и может содержать что-то нетипичное для повседневного рациона, например, камешки и случайные объекты питания, а иной раз в желудке рыбы можно найти даже мышь. По таким однократным пробам сложно понять, чем живет и питается организм. По жирнокислотному составу сделать это получается с большей точностью.

Очень часто ЖК анализ мы применяем для изучения одного и того же вида в разных водоемах. Бывает, что виды относятся к одному большому таксону и должны, по литературным данным, потреблять одно и то же, но выясняется, что они питаются селективно и каждый из них выбирает свой объект питания. Например, у нас была очень интересная работа с рачками-фильтраторами. Считается, что такие многочисленные обитатели водоемов как дафнии в целом питаются не избирательно, они фильтруют воду и максимум, что могут делать – «выбирать» частицы определённого размера. С этой точки зрения разные виды дафний близкого размера должны потреблять одинаковую пищу. Но мы показали в экспериментальных работах, что разные виды даже близких по размеру рачков-фильтраторов могут выбирать объекты питания. Это существенно расширяет наши представления о том, как сложно устроены пищевые цепи в природных экосистемах.

О том, как можно использовать жирные кислоты в качестве маркеров, мы в конце прошлого года написали главу в международную энциклопедию водных экосистем, издаваемую издательством Elsevier. Она предназначена для тех, кто собирается использовать этот метод в научных исследованиях. Глава целиком посвящена трофическому направлению использования жирных кислот как маркеров. Когда поступило предложение от издательства, написать такую работу, мы с радостью согласились. Я занимаюсь трофическими маркерами уже порядка 15 лет, и сделала очень много работ с разными специалистами на тему трофических связей в водных экосистемах. Это и работы с американскими коллегами на их прудах в штате Иллинойс, и работы по моллюскам в Рыбинском и Каневском водохранилищах, исследование спектров питания организмов, населяющих солёные реки бассейна озера Элтон, а сейчас мы изучаем с коллегами из Москвы спектры питания околоводных беспозвоночных — коллембол. Я активно развиваю это направление и была рада, что наконец-то смогу свою работу воплотить в большой обзор в виде главы энциклопедии.

По научной литературе заметно, что количество людей, использующих этот метод, растет. Мне часто приходят заявки на рецензирования статей из разных научных журналов. Не всегда метод ЖК-маркеров применяется авторами адекватно. Наша глава в энциклопедии – это некая инструкция начинающим специалистам, она демонстрирует, как правильно применять метод.

– Как работает этот метод?

Жирнокислотный метод позволяет ответить на очень многие вопросы от типа питания, до экологии или физиологии вида. С точки зрения классической экологии на одном и том же корме не могут сосуществовать несколько видов, один должен вытеснить другой. А когда мы приходим в водную экосистему и видим там разнообразие видов потребителей, то понимаем: объектов питания должно быть много. И понять, как они сосуществуют вместе в водной экосистеме, как поддерживается этот тонкий баланс – помогают выяснить жирные кислоты.

Мы используем в качестве маркерных только те жирные кислоты, которые самим организмом не могут быть синтезированы. Если объект питается только водорослями, то по жирнокислотным маркерам очень легко сказать, какими именно водорослями он потребляет. Исследовать спектры питания рыбы, объекта, который может употреблять разнообразные пищевые источники, гораздо сложнее. Рыба может питаться и водорослями, и рачками, и другой рыбой. Вот она, например, съела рачка, а рачок до этого фильтровал водоросли и значит содержит кислоты, которые были в водорослях, а рыба получит кислоты и водорослей, и рачка. Все это выглядит как матрешка. В таких исследованиях уже сложнее определить спектры питания основываясь только на ЖК-маркерах, но можно обнаружить, например, изменения рациона питания рыбы в течение сезона.

К тому же нужно помнить, что синтезировать самому невыгодно. Поэтому кислот собственного синтеза в организме будет существенно меньше. Они не будут откладываться в жировой ткани, организм не будет отправлять их на сжигание и получение энергии. Он будет их использовать для строительства, а значит встраивать в мембраны. В мембранах жирные кислоты находятся в составе полярных липидов. А потребленные из пищи ЖК будут отправляться в триацилглицерины — запасные липиды. И поэтому на маркеры лучше исследовать либо жировую ткань, либо запасные липиды мышечной ткани.

– Получали ли вы какие-нибудь непредсказуемые результаты?

– Да, бывают интересные ситуации, которые повторяются из раза в раз. Например, сейчас вместе с московскими коллегами мы исследуем ЖК состав коллембол. Это такие маленькие беспозвоночные животные, которые обитают в прибрежной зоне на увлажненной почве. Коллеги прислали нам несколько проб с двумя видами этих животных. Я обработала пробы, расшифровала хроматограммы, анализирую полученные результаты и вижу, что данные не сходятся. По описи мне прислали по три пробы двух видов. Однако по жирнокислотному составу у меня получается четыре пробы одного, и две – другого. Я перепроверила, не ошиблась ли, и стала звонить коллегам. Они сверяют свои данные по полевому дневнику и говорят, что действительно ошиблись в описи проб. И такие ситуации у нас были неоднократно.

Похожий случай у нас был с рыбами. Есть полупроходные рыбы, которые выходят в океан и определенную часть жизни питаются в океане, а потом возвращаются обратно в реку. Нам привезли разные виды рыб из Енисея, среди которых был полупроходной омуль. Но мы смотрим образцы и по жирнокислотным маркерам видим, что этот омуль в этом году в океан не ходил. После чего эта информация подтвердилась ихтиологами. Иметь такую возможность находить ошибки и доверять своему анализу больше, чем тому, что мы получаем от людей, — это очень здорово и говорит о нашем профессионализме. Умение пользоваться своим методом позволяет ответить на вопросы, которые даже не стояли изначально.

– Вы много говорите о разных пробах, как проходит их отбор?

– Поскольку мы живем в таком климате, где не круглый год водные экосистемы функционируют активно, то полевые работы в основном ведутся с мая по сентябрь- октябрь. Затем начинается этап активной пробоподготовки: их обработка, запись хроматограмм, написание статей. А потом снова новый полевой сезон.

Методика отбора проб зависит от объекта. Например, если исследуешь организмы, живущие в грунте, на мелководье, то надеваешь сапоги, заходишь неглубоко в воду и специальным пробоотборником зачерпываешь пробу вместе с камнями, галькой, гравием, песком или илом, привозишь ее в лабораторию и начинаешь разбирать. Это довольно долгий процесс. Нужно извлечь разнообразные организмы, отдать их систематикам для определения видов. После этого все экземпляры одного вида нужно обсушить, взвесить и зафиксировать для дальнейшего анализа.

Для организмов, которые живут в тоще воды, нужна лодка. За свою жизнь я много часов провела на воде. С помощью сетки или специальных устройств — батометров, которые поднимают воду с нужной глубины, мы ловим рачков. Затем их собираем на фильтр фиксируем в специальной жидкости, убираем в морозилку до биохимического анализа.

В случае рыбы, необходима помощь специалистов ихтиологов, которые могут выловить образцы в определенном месте. Иногда мы покупаем образцы рыбы просто в магазине, но это касается исследований по питанию человека. Потом в лаборатории ее препарируют, чтобы взять на анализ определенные ткани: печень, сердце, жировую ткань, гонады, мозг. Для отбора образцов нужно знать физиологию, уметь определять пол организма, иметь определенные навыки. От правильной подготовки пробы зависит точность результата.

– Какие перспективы у ваших исследований?

– Исследование трофических сетей – это фундаментальная задача. Ее решение позволяет понять, как перераспределяется органическое вещество в биосфере. От интенсивности движения различных веществ по трофическим сетям зависит жизнь экосистемы. Убери одно звено, и либо вся цепь порвется, либо система перестроится и пойдет по новым путям. В этой связи важно понимать, кто, кем и в каком количестве питается в экосистеме. О крупных наземных животных наши знания более обширные в силу того, что за ними легче наблюдать. Водные экосистемы для нас являются большей загадкой, и исследовать их существенно сложнее.

Важно изучать водную экосистему целиком. В нашей лаборатории под руководством член-корреспондента РАН Михаила Ивановича Гладышева собрались специалисты из разных областей: систематики, классические гидробиологи, знающие фитопланктон, зоопланктон, зообентос, ихтиологи, биохимики и гидрохимики, генетики. Также мы сотрудничаем с гидрофизиками, специалистами в области математического моделирования. То есть, если мы приходим нашей дружной командой на водоём, то способны изучить функционирование водной экосистемы с учетом всех аспектов. Это большое преимущество.

Более того, водную экосистему нужно изучать совместно с наземной. Ведь они очень тесно связаны. Многие насекомые, те же ручейники, поденки и веснянки находятся в воде только в личиночной стадии. А потом они вылетают из водоема и выносят вещества, которые получили в воде, на землю. Несколько лет назад у нас в лаборатории появилось новое для нас направление исследований вклада водных организмов в наземные экосистемы. В этом году совместно с коллегами из Владивостока мы решили сосредоточиться и на обратном потоке веществ – с земли в воду. Ведь из наземных экосистем в водные тоже попадает органическое вещество. Например, осенью в водоем падает много листьев и другого опада. Что с ним происходит, питаются ли этим органическим веществом водные организмы или оно там захоранивается? Какой вклад в потоки вещества вносят наземные насекомые, которые падают на водную гладь и их съедают рыбы? Мы активно выходим за границы водной экологии, у нас в группе уже есть энтомологи. Настоящая эволюция из воды на сушу. Как когда-то жизнь, так и научные исследования.