5 мая 2022 года.
На бутылках с солнцезащитными кремами часто пишут «дружественный к рифам» и «безопасный для кораллов». Как правило, это означает, что в лосьонах заменен оксибензон — химическое вещество, которое может нанести вред кораллам, — на что-то другое. Но действительно ли эти другие химические вещества безопаснее для рифов, чем оксибензон?
Этот вопрос заставил нас, двух химиков-экологов, объединиться с биологами, изучающими морских анемонов в качестве модели кораллов. Нашей целью было выяснить, как солнцезащитный крем вредит рифам, чтобы лучше понять, какие компоненты в солнцезащитных кремах действительно «безопасны для кораллов».
В нашем новом исследовании, опубликованном в журнале Science, мы обнаружили, что когда кораллы и морские анемоны поглощают оксибензон, их клетки превращают его в фототоксины — молекулы, которые безвредны в темноте, но становятся токсичными под воздействием солнечного света.
Защищая людей, мы вредим рифам
Солнечный свет состоит из множества различных длин волн. Более длинные волны — например, видимый свет — обычно безвредны. Но свет с меньшей длиной волны — например, ультрафиолетовый — может проходить через поверхность кожи и повреждать ДНК и клетки. Солнцезащитные средства, в том числе оксибензон, поглощают большую часть ультрафиолетового излучения и преобразуют его в тепло.
В последние десятилетия коралловые рифы по всему миру страдают от потепления океана и других стрессовых факторов. Некоторые ученые решили, что солнцезащитные кремы, попадающие на кожу пловцов или в сточные воды, также могут вредить кораллам. Они провели лабораторные эксперименты, которые показали, что концентрация оксибензона в 0,14 мг на литр морской воды может убить 50 % личинок кораллов менее чем за 24 часа. В то время как в большинстве полевых образцов концентрация солнцезащитного крема обычно ниже, на одном из популярных рифов для снорклинга на Виргинских островах США содержание оксибензона достигало 1,4 мг на литр морской воды — более чем в 10 раз выше смертельной дозы для личинок кораллов.
Вероятно, вдохновленные этим и рядом других исследований, показавших вред для морской жизни, законодатели Гавайев в 2018 году проголосовали за запрет оксибензона и другого ингредиента в солнцезащитных кремах. Вскоре после этого законодатели в других местах с коралловыми рифами, таких как Виргинские острова, Палау и Аруба, ввели свои собственные запреты.
До сих пор не решен вопрос о том, достаточно ли высока концентрация оксибензона в окружающей среде, чтобы нанести вред рифам. Но все согласны с тем, что эти химические вещества могут нанести вред при определенных условиях, поэтому важно понять механизм их действия.
Солнцезащитный крем или токсин
Хотя лабораторные исследования показали, что солнцезащитный крем может нанести вред кораллам, было проведено очень мало исследований, чтобы понять, как именно. Некоторые исследования предполагали, что оксибензон имитирует гормоны, нарушая размножение и развитие. Но еще одна теория, которая показалась нашей команде особенно интригующей, — это возможность того, что солнцезащитный крем действует на кораллы как токсин, активируемый светом.
Чтобы проверить это, мы использовали морских анемонов, которых разводят наши коллеги, в качестве модели для кораллов. Морские анемоны и кораллы тесно связаны между собой и имеют много общих биологических процессов, включая симбиотические отношения с водорослями, которые живут внутри них. Проводить эксперименты с кораллами в лабораторных условиях крайне сложно, поэтому анемоны, как правило, гораздо лучше подходят для лабораторных исследований, подобных нашим.
Мы поместили 21 анемону в пробирки с морской водой под лампу, излучающую полный спектр солнечного света. Пять анемонов мы накрыли коробкой из акрила, которая блокирует именно те длины волн ультрафиолетового света, которые оксибензон обычно поглощает и с которыми взаимодействует. Затем мы подвергли все анемоны воздействию 2 мг оксибензона на литр морской воды.
Анемоны под акриловой коробкой были нашими «темными» образцами, а анемоны за ее пределами — контрольными «светлыми» образцами. Анемоны, как и кораллы, имеют полупрозрачную поверхность, поэтому если бы оксибензон действовал как фототоксин, то ультрафиолетовые лучи, попадающие на светлую группу, вызвали бы химическую реакцию и убили бы животных, а темная группа выжила бы.
Мы проводили эксперимент в течение 21 дня. На шестой день погибла первая анемона из светлой группы. К 17-му дню погибли все. Для сравнения: ни один из пяти анемонов в темной группе не умер за все три недели.
Метаболизм преобразует оксибензон в фототоксины
Мы были удивлены тем, что солнцезащитный крем ведет себя в анемонах как фототоксин. Мы провели химический эксперимент с оксибензоном и подтвердили, что сам по себе он ведет себя как солнцезащитный крем, а не как фототоксин. Только когда химическое вещество поглощалось анемонами, оно становилось опасным под светом.
Когда организм поглощает чужеродное вещество, его клетки пытаются избавиться от него с помощью различных метаболических процессов. Наши эксперименты позволили предположить, что один из этих процессов превращает оксибензон в фототоксин.
Чтобы проверить это, мы проанализировали химические вещества, которые образовались внутри анемонов после воздействия на них оксибензона. Мы узнали, что наши анемоны заменили часть химической структуры оксибензона — определенный атом водорода в спиртовой группе — на сахар. Замена атомов водорода в спиртовых группах на сахар — это обычная для растений и животных процедура, позволяющая сделать химические вещества менее токсичными и более растворимыми в воде, чтобы они легче выводились из организма.
Но когда вы удаляете эту спиртовую группу из оксибензона, оксибензон перестает выполнять функцию солнцезащитного средства. Вместо этого он удерживает энергию, поглощаемую ультрафиолетовым излучением, и запускает серию быстрых химических реакций, которые повреждают клетки. Вместо того чтобы превратить солнцезащитный крем в безвредную, легко расщепляющуюся молекулу, анемоны превращают оксибензон в мощный токсин, активизируемый солнечным светом.
Когда мы провели аналогичный эксперимент с грибовидными кораллами, то обнаружили нечто удивительное. Несмотря на то что кораллы гораздо более уязвимы к стрессовым факторам, чем морские анемоны, они не погибли от оксибензона и воздействия света в течение всего нашего восьмидневного эксперимента. Кораллы вырабатывали те же фототоксины, что и оксибензон, но все токсины хранились в симбиотических водорослях, живущих в кораллах. Водоросли, похоже, поглощали побочные фототоксичные продукты и тем самым, вероятно, защищали своих хозяев-кораллов.
Мы подозреваем, что кораллы погибли бы от фототоксинов, если бы у них не было водорослей. В лаборатории невозможно сохранить жизнь кораллов без водорослей, поэтому мы провели несколько экспериментов с анемонами без водорослей. Эти анемоны погибли в два раза быстрее, и в их клетках было почти в три раза больше фототоксинов, чем у тех же анемонов с водорослями.
Обесцвечивание кораллов, «рифобезопасные» солнцезащитные средства и безопасность человека
Мы считаем, что из нашей попытки лучше понять, как оксибензон вредит кораллам, можно сделать несколько важных выводов.
Во-первых, обесцвечивание кораллов — когда кораллы выбрасывают свои водоросли-симбионты из-за высокой температуры морской воды или других стрессовых факторов — вероятно, делает кораллы особенно уязвимыми к токсическому воздействию солнцезащитных средств.
Во-вторых, возможно, что оксибензон опасен и для других видов животных. В нашем исследовании мы обнаружили, что клетки человека также могут превращать оксибензон в потенциальный фототоксин. Если это происходит внутри организма, куда не проникает свет, то это не проблема. Но если это происходит в коже, где свет может создавать токсины, это может стать проблемой. Предыдущие исследования показали, что оксибензон может представлять опасность для здоровья людей, и некоторые ученые недавно призвали провести дополнительные исследования его безопасности.
Наконец, химические вещества, используемые во многих альтернативных «безопасных для рифов» солнцезащитных кремах, содержат ту же спиртовую группу, что и оксибензон, поэтому потенциально также могут быть преобразованы в фототоксины.
Мы надеемся, что в совокупности наши результаты приведут к созданию более безопасных солнцезащитных средств и помогут в работе по защите рифов.
Авторы: Джордже Вукович, кандидат наук в области гражданского и экологического строительства, Стэнфордский университет, и Билл Митч, профессор гражданского и экологического строительства, Стэнфордский университет.
