Джордж Зейдан
Ингредиенты. Странные химические свойства того, что мы едим, пьем и наносим на кожу
Цианид прост: он состоит из углерода и азота, которые растения получают из воздуха и почвы практически в неограниченном количестве. Он легок: в нем всего два атома, и это значит, что на его производство не требуется больших энергетических затрат (белок, например, состоит из тысяч атомов). Этот ион наносит удар по одной из основных составляющих жизни, производству энергии, поэтому он чрезвычайно токсичен для широкого круга потенциальных пожирателей растения.
Этот яд был бы идеальным, если бы не одно но: у растений тоже есть митохондрии. Таким образом, цианид так же токсичен для них, как и для того, кто собирается их съесть. Есть, однако, простой и коварный способ обойти это препятствие. Вместо того чтобы производить чистый цианид, растения присоединяют его к безвредной молекуле глюкозы, образуя цианогенный гликозид.
Цианогенные гликозиды можно сравнить с гранатами. Взрывная часть гранаты – это молекула цианида, а чека – молекула глюкозы.
Чека внутри: граната безвредна. Чеки нет: граната опасна.
Чтобы вытащить чеку из цианогенного гликозида, требуется специальный фермент под названием «бета-глюкозидаза». Назовем его Филиппом, потому что это запомнить проще, чем сложный термин. По причине, известной только Богу и ему самому, Филипп любит вытаскивать чеки из гранат. Это его призвание. Его природа. Его судьба:
Ни гранаты, ни Филиппы сами по себе не токсичны, но вместе они выделяют цианид. Если бы растение хранило их в одной части клетки, они бы смешались и образовали цианид, что привело бы к серьезному повреждению или смерти растения. Это плохо. По этой причине они хранят гранаты и Филиппов отдельно. Когда внутри все функционирует нормально, они не встречаются. Но если жук или гусеница начинают пожирать листья (рвать, давить или жевать), то оболочки между гранатами и подрывниками повреждаются. Филиппы исполняют свое последнее желание: все гранаты, до которых они могут добраться, взрываются. Где-то в пищеварительной системе несчастного существа, съевшего растение, цианид производится и сразу приступает к действию. Он радостно посвистывает, удушая клетки вокруг себя.
Цианид невероятно эффективен, и взаимодействие «граната – Филипп» очень простое, поэтому системы такого типа содержатся более чем в 2500 различных видов растений[35]. Вы, наверное, уже знаете, что яблочные, вишневые, персиковые и абрикосовые косточки, а также миндаль содержат их, однако вы этого не заметите, если съедите одну-две косточки. Такие системы также присутствуют в некоторых видах растений, из которых миллионы людей по всему миру получают основную часть калорий, но об этом мы поговорим позднее. Вы думаете, что цианид – это единственный подобный яд? Нет. Это еще цветочки.
* * *
Видов растительных токсинов больше, чем сенаторов США, и каждый из них может иметь двадцать, пятьдесят или сто разных типов.
Некоторые из них даже более коварны, чем цианиды, например танины. Это относительно большие молекулы, состоящие из десятков, сотен и даже тысяч атомов (а не двух, как цианид), и они действуют совсем иначе. Вместо того чтобы не давать митохондриям использовать кислород, танины прикрепляются к белкам. Представьте, что вы ходите из комнаты в комнату с двумя маленькими детьми, которые висят у вас на руках и отказываются отцепляться. Вы можете перемещаться, но вам приходится тащить их на себе. Затем еще двое цепляются за ноги. Теперь это похоже на попытки передвигаться в море патоки. Затем еще один ребенок виснет у вас на талии, а двое других – на шее и плечах. В конце концов на вас столько детей, что вы становитесь парализованным и совершенно неузнаваемым. Именно это танины делают с белками[36].
Когда мы употребляем в пищу продукты, содержащие много этих веществ (некоторые желуди, кофе, чай, какао и др.), они связываются с белками в пище и предотвращают их переваривание. По этой причине организм бедных млекопитающих, поедающих танины, выводит эти ценные белки вместе с калом. Куры, в рационе которых содержится один процент танина, растут медленнее и несут меньше яиц, чем те, которые вообще не потребляют эти вещества, потому что последние получают всю пользу протеинов. В больших дозах танины чрезвычайно токсичны: они вызывают язвы и другие повреждения желудочно-кишечного тракта. Куры, рацион которых на 5–7 % состоит из танина, умирают. Другие животные, например коровы, более устойчивы к их воздействию: они погибают, когда уровень танинов достигает 20 % и более[37].
В самом известном ведьмином зелье в истории, рецепт которого был описан Шекспиром, присутствует корень ядовитого болиголова, содержащий огромное количество химических веществ под названием «алкалоиды». Кофеин в кофе – это алкалоид, так же как и морфин в капельнице и хинин в джин-тонике. Никотин, кокаин и стрихнин тоже относятся к этой группе. В высоких дозах они могут отключить нервную или дыхательную систему. В низких дозах некоторые алкалоиды очень полезны. Прежде чем мы начали производить эти вещества в лабораториях, их получали из растений. Около 18 % растений производят их.
Некоторые растительные токсины удивительно специфичны и носят чудесные названия. Рицин является наиболее известным представителем группы, называемой рибосом-инактивирующие белки (РИБ). Большая доза рицина может вас убить. Вы что-нибудь помните о рибосомах из уроков биологии? Это молекулярный аппарат, отвечающий за сборку белков на основе последовательности матричной РНК. По клеточным стандартам рибосомы очень большие: они состоят из 79 белков и цепочек нуклеиновых кислот (РНК) длиной несколько тысяч единиц. Рицин удаляет одну нуклеиновую кислоту из рибосомы, что полностью и необратимо инактивирует весь этот молекулярный аппарат. А затем продолжает свое дело, подрезая крылья другим рибосомам и инактивируя более тысячи из них в минуту. В конечном счете он выключает так много рибосом, что клетка умирает. Давайте здесь остановимся, потому что это просто невероятно: одной молекулы этого вещества достаточно, чтобы убить целую клетку. Чтобы вам было понятнее, молекула рицина весит около 0,000000000000000005 грамма, а клетка – в 400 миллионов раз больше. Убить ее одной молекулой этого вещества – все равно что убить человека правой лапкой муравья.
Кофеин в кофе – это алкалоид, так же как и морфин в капельнице и хинин в джин-тонике.
К сожалению, рицин довольно легко достать, потому что он в значительных количествах содержится в клещевине. По этой причине его часто используют злоумышленники-любители, пытающиеся убить известных людей по почте[38]. Поскольку опасное вещество легкодоступно в Соединенных Штатах, Химический корпус армии США искал пути его использования в качестве биологического оружия в середине 1940-х годов. К счастью для человечества, его сложно превратить в мелкую пудру, без чего невозможно убить большое число людей.
Другие растительные токсины убивают гораздо медленнее. Marsilea drummondii, разновидность австралийского папоротника, вырабатывает большое количество фермента под названием «тиаминаза», который разрушает тиамин, также известный как витамин В1. При длительном дефиците этого вещества у человека развивается болезнь бери-бери. Со временем она убьет вас, но не раньше, чем вы сами будете умолять о смерти. Именно это произошло с двумя британскими исследователями, которые путешествовали по Австралии в 1861 году: они сделали муку из Marsilea drummondii, заболели бери-бери (не считая других болезней) и медленно умерли.
Некоторые формы самозащиты растений настолько нам привычны, что мы забываем об их первоначальном предназначении. Вы знаете теплый и уютный запах сосны? На самом деле это защитная система. Когда насекомые повреждают кору хвойных, деревья выделяют смолу, растворенную в скипидаре, в месте повреждения. Он испаряется (при этом восхитительно ароматные молекулы попадают в нос), оставляя затвердевшую смолу, чтобы загерметизировать повреждение и образовать то, что известно нам как янтарь. Часто в него попадают насекомые. Представьте, что вы сели на чудесный участок дерева и вдруг оказались в липкой золотистой тюрьме, которая может стать вашим домом… на следующие 50 миллионов лет. Молодец, сосна, молодец… Некоторые другие растения хранят смолу под таким давлением, что она выстреливает почти на полтора метра (словно содержимое шприца для инъекций), когда насекомое вгрызается в кору. Биологи называют это «шприцевая защита».
Латекс (да, материал белых перчаток, которые врач театрально надевает перед ректальным обследованием) – это не просто основа для презервативов, а вещество из сока дерева. Два исследователя, изучающие это вещество, в 2009 году назвали его «токсичный белый клей». На то есть веская причина: в зависимости от вида растения латекс может содержать сотни различных токсинов. В его составе также множество крошечных резиновых частиц, взвешенных в жидкости, и, подобно сосновой смоле, он может как захватывать насекомых целиком, так и склеивать их ротовые органы. Представьте тысячу маленьких резиновых лент, которые держат ваш рот закрытым. Это примерно то же самое.
Растения жестоки.
Совестно ли им вызывать весь этот хаос? Есть только один способ выяснить это: спросить их. Исследователи из Массачусетского технологического института недавно скрестили чихотник обыкновенный с MacBook Pro, что позволило им получить доступ к сознанию растения. Шучу, такие технологии нам пока недоступны. Но спустя тысячелетия существования человека мы, надеюсь, сможем общаться с ними. Растения – невероятные существа, но пока люди не нашли способ заставить их раскрыть свои секреты. Мы не можем спросить клещевину, является ли рицин оружием против млекопитающих или он нужен для выполнения важных функций внутри клетки, а токсичность – это лишь случайность. Большинство ученых, однако, считают, что подобные яды обычно предназначены именно для того, чтобы мешать насекомым и животным есть растения. Поскольку все формы жизни, особенно насекомые и млекопитающие, используют в основном одни и те же молекулы для выживания, практически любое химическое или биологическое оружие растения наверняка навредит более чем одному виду. Люди тоже могут пострадать. Честно говоря, я весьма впечатлен тем, что растения вызывают множество разных симптомов, включая першение, жжение и покраснение в горле и дыхательных путях, головокружение, рвоту, диарею, одышку, сердечную недостаточность, кому и смерть.
* * *
Арсенал химического оружия растений может показаться ошеломляющим, безграничным и даже шокирующим, но не стоит забывать, что животные тоже не просто съедают яд и надеются на лучшее. «Растение может выделять токсины, но некоторые насекомые в ходе эволюции научились нейтрализовать их, – говорит ботаник Фабиан Микеланджели. – Начинается гонка вооружений».
Например, ваше тело имеет систему детоксикации цианидов на основе фермента роданезы. У многих живых существ есть роданезная система, предположительно необходимая для того, чтобы избежать смерти после случайного употребления в пищу растительного цианида[39]. Однако на этом все не заканчивается. Насекомые и растения могут сделать гораздо больше, чем просто попытаться химически уничтожить токсин. Чтобы обезвреживать танины, которые связываются с белками из пищи и препятствуют их перевариванию, у многих видов животных, включая лосей, бобров, оленей и бурых медведей, в слюне есть особые белки. Они впитывают танины и не дают им связываться с протеинами из пищи, которые животное пытается переварить.
Цианогенные гликозиды (помните «гранаты»?) присутствуют у многих видов растений, поэтому некоторые насекомые и животные разработали удивительно креативные способы поедания этих растений. Гусеницы бабочки пестрянки, питающиеся таволгой, меняют способ, которым едят: они делают огромные укусы, чтобы избежать повреждения слишком большого числа растительных клеток, в результате которого выделяется цианид. Кроме того, среда в их средней кишке щелочная (противоположность кислотной), из-за чего количество гранат, которые Филиппы могут взрывать в секунду, снижается. Еще они проворно едят (практически четыре квадратных сантиметра листа в час), и это значит, что и испражняются очень быстро. Это ограничивает количество цианида, которое может выделиться в теле.
Гусеницы нескольких видов бабочек и мотыльков научились безопасно обращаться с цианогенными гликозидными гранатами. Вместо того чтобы просто вывести яд из организма, они хранят его, чтобы использовать в качестве оружия против тех, кто пытается их съесть. В научном эксперименте исследователи собрали одну группу гусениц на растениях, выделяющих цианид, и другую – на тех, которые его не синтезируют. Они предложили всех гусениц ящерицам. Эти природные хищники съели меньше половины насекомых, хранивших внутри себя цианид. Иногда ящерицы делали один укус и быстро бросали таких особей, трясли головами, широко открывали рты, вытирали челюсти об пол или лапки, а также водили языком по верхней челюсти. Иными словами, вели себя так, будто ожидали съесть печенье с кусочками шоколада, а получили овсяное с изюмом.
Некоторые виды гусениц, когда их беспокоят, срыгивают крошечную капельку пищеварительного сока с цианидом, словно желая сказать потенциальным хищникам: «Это еще не все, так что дважды подумай, прежде чем меня есть». Бражник табачный, который питается листьями табака, забирает никотин из растения, а затем, когда на него нападает паук-волк, выпускает его в виде газа. В этот момент последний все бросает и убегает. (Есть потрясающее видео, на котором запечатлен этот момент. Я еще ни разу не видел, чтобы паук так быстро отказывался от еды[40].) Ученые, обнаружившие это явление, назвали его «токсичный галитоз[41]», но мне кажется, что это преуменьшение. У бражника табачного не просто дурно пахнет изо рта, как это бывает у людей. Он выпускает никотин через дюжину небольших отверстий, расположенных по всему телу. По сути, он окутывает себя облаком ядовитого газа, что крайне неприятно для бедных пауков-волков.
Чтобы противостоять растениям, производящим латекс, некоторые насекомые перерезают жилку листа, позволяют жидкости вытечь, а затем начинают есть часть ниже пореза. Поскольку содержимое уже удалено, в том месте, где ест насекомое, латекс не вытекает. Это подло!
Гонка вооружений между растениями и всеми, кто пытается их съесть, продолжается сотни миллионов лет. А еще есть мы. Люди жили в эпицентре этой войны на протяжении всего своего существования, но каким-то образом поняли, как есть растения, несмотря на все удивительные химические вещества, выделяемые ими для защиты. Конечно, у нас есть биохимические особенности (например, роданеза), однако я уверен, что нам это удалось благодаря врожденной гениальности.
* * *
Высоко в Андах, на высоте почти 4000 метров над уровнем моря, относительно плоское и широкое плато Альтиплано занимает 965 километров в длину и 130 в ширину. Оно простирается от Южного Перу почти до Аргентины. Как правило, там холодно и сухо, а солнце светит неумолимо. Атмосфера там более тонкая, как масло, размазанное по слишком большому куску хлеба. Жизнь там сложна, однако есть люди, которые выживали среди холмов тысячелетиями. Их основная и иногда единственная еда – это дикий картофель. Возможно, вы думаете о картофеле как о полном крахмала гарнире к стейку. Вы правы: в основном в нем содержатся углеводы. Однако в его состав также входят витамины, железо, магний, фосфор и 2–4 % белка. Если вам приходится выживать на высоте тысяч метров над уровнем моря, то дикий картофель может стать вашим спасением. Есть лишь одна проблема: он очень токсичен. Он содержит все виды ядов[42], которые, если вы съедите их в достаточном количестве, приведут к серьезному расстройству желудочно-кишечного тракта, то есть боли в животе, спазмам, рвоте, диарее или сочетанию всех этих симптомов. Термическая обработка уменьшает токсичность дикого картофеля, но некоторые яды не уничтожаются высокой температурой. Даже приготовленный овощ небезопасен. Если вы в буквальном смысле умираете от голода, лучше продолжить голодать и надеяться на чудо, чем есть его.
Гонка вооружений между растениями и всеми, кто пытается их съесть, продолжается сотни миллионов лет.
Вполне возможно, что через миллионы лет у людей, живущих на Альтиплано, разовьется сверхэффективная биологическая защита от картофельных ядов. Однако сегодня на это полагаться не приходится. К счастью, вы можете кое-что сделать прямо сейчас, чтобы съесть дикий клубень и избежать неприятных последствий. Это просто и бесплатно. Вы можете сделать это на кухне или даже на улице. Ешьте грязь. Но не просто грязь, а глину. И не просто глину. Коренные жители Альтиплано, называемые аймара, копают землю на 2–3 метра в глубину, чтобы найти p’asa, p’asalla или ch’aqo, три разновидности глины, каждая из которых имеет свой цвет, текстуру и вкус[43]. Все они действуют абсолютно одинаково: играют роль губки, впитывающей достаточно ядов, чтобы картофель было безопасно употреблять в пищу. Способ приема этого противоядия не имеет значения: вы можете приготовить картофель в глиняном соусе или просто макать его туда, как фри в кетчуп. В любом случае глина обладает магической эффективностью в нейтрализации ядов.
Чтобы впитать 30 миллиграммов томатина, гликоалкалоидного яда, содержащегося в диком картофеле, требуется всего 60 миллиграммов p’asa, наиболее эффективной из трех глин. Пара чайных ложек могут обезвредить 10–15 картофелин[44]. (Аймара употребляют гораздо больше. Похоже, им кажется, что лучше съесть слишком много глины, чем выбрасывать еду. По-моему, логично.)
* * *
Употребление глины (или других минералов) для детоксикации потенциально опасной пищи, пожалуй, первое, что сделали люди в плане обработки пищи. Мы взяли что-то у природы и, прежде чем съесть, каким-то образом это изменили. По сути, обработка – это изменение еды таким образом, чтобы она удовлетворяла наши потребности. Если вы думаете, что глина с картофелем – это не переработанная пища, а два отдельных продукта, то я вас понимаю. Окунание овоща в глину находится за пределами самого общего определения обработки. Это как опускать фри в кетчуп, если бы картофель был ядом, а соус – антидотом. Давайте приведем другой пример, тоже с аймара и ядовитым клубнем.
Будучи ребенком, я совершал ежегодные летние паломничества в Национальный музей авиации и космонавтики в Вашингтоне, округ Колумбия. Главным событием этих поездок всегда была покупка маленького прямоугольного кусочка лиофилизированного «космического» мороженого. Это обычный земной десерт, который был одновременно заморожен и высушен. Он сохранял вкус и текстуру, но в нем не было воды. Лиофилизация – сложный процесс. При использовании современных технологий он проходит примерно так.
1. Возьмите мощный вакуумный насос, немного спирта и сухого льда, а также несколько трубок и колб.
2. Заморозьте то, что вы хотите лиофилизировать, а затем положите это в колбу.
3. Поместите один конец трубки в эту колбу, а второй конец – в другую.
4. Поставьте вторую колбу в ванну со спиртом и сухим льдом.
5. Соедините вторую колбу с вакуумным насосом.
6. Включите насос и оставьте его работать как минимум 12 часов.
7. Через несколько часов слегка нагрейте колбу.
8. Подождите еще несколько часов и…
9. …наслаждайтесь космическим мороженым.
Вот как все работает: вакуумный насос понижает давление почти до нуля, из-за чего вода в мороженом начинает испаряться (при этом само оно не тает). Тепло лампы способствует этому процессу. Когда водные пары попадают во вторую колбу, они замерзают. В итоге вы получаете ледяную и сухую, как кость, еду. По сути, вы используете низкое давление, сильный холод и легкое тепло, чтобы удалить лед из замороженной еды, избежав оттаивания.
Лиофилизация кажется современной технологией, но аймара научились такой обработке еды без насосов, трубок и морозильной камеры. Вот как они это делают.
1. Нужно взять токсичный дикий картофель.
2. Заморозить его, оставив на ночь на большой высоте.
3. Растоптать замороженный клубень, как французские виноделы давят виноград.
4. Положить размятый картофель в плетеную корзину, поставить ее в ручей и оставить там на несколько недель.
5. Положить картофель перед входной дверью дома, оставить его замерзать на ночь, высушить днем, периодически выжимая, и оставить еще на несколько недель.
6. Вуаля! Лиофилизированный картофель готов!
Этот метод поразительно похож на современную технологию. Вместо вакуумного насоса аймара используют окружающую среду: на большой высоте давление низкое. Вместо тепловых ламп они используют солнце. Метод индейцев даже более изысканный, чем современная технология: если дикий картофель размять, а затем оставить в проточной воде, то из него уйдет около 97 % токсинов[45]. Получившийся продукт можно не только есть, не боясь за желудочно-кишечный тракт, но и долго хранить. Если свежий картофель хранится примерно год, то лиофилизированный – 20 лет (кто-то утверждает, что бесконечно). Для народов вроде аймара запас съедобных углеводов, который позволит пережить два или три голодных года, является ключом к выживанию.
По историческим документам неясно, можно ли считать лиофилизированный картофель первым в мире обработанным продуктом, но очевидно, что это действительно обработка: люди берут что-то у природы и меняют это так, чтобы оно соответствовало их потребностям. В данном случае цель в том, чтобы сделать продукт нетоксичным.
Давайте рассмотрим другой корнеплод – кассаву. Вы, вероятно, знаете его под названием «маниок». В зависимости от вашего места жительства, кассава для вас – это либо экзотический ингредиент из изысканного меню, либо неотъемлемая составляющая повседневного рациона. Рос Глидоу, австралийский ботаник, говорит: «Кассава очень важна для рациона людей. В Австралии мы едим ее нечасто, но миллиард человек по всему миру потребляет ее ежедневно». Маниок – это мечта фермера: его легко разводить, он приживается в плохой почве и на выращивание требуется очень мало ресурсов. Он устойчив к засухам, и вы можете оставить клубни в земле на срок до трех лет, что является своего рода страховкой от голода.
Но, разумеется, здесь есть подвох. Если вы еще не догадались, я дам подсказку: как, по вашему мнению, растению в течение трех лет удается избежать поедания своих питательных крахмалистых клубней животными и насекомыми? Да, благодаря цианиду. Как мы уже знаем, многие растения вырабатывают цианогенные гликозиды (на самом деле хотя бы одна часть тканей двух третей сельскохозяйственных культур производит цианид). Но некоторые сорта кассавы, употребляемые в пищу во всем мире, имеют в клубнях достаточно этих соединений, чтобы убить взрослого человека[46]. К сожалению, простые способы обработки, такие как жарка или варка, никак не помогают уничтожить цианогенные гликозиды. Но если приготовить кассаву правильно, то вам удастся избавиться от цианида.
Давайте вернемся к нашей метафоре. Вспомните, что растения хранят гранаты (цианогенные гликозиды) отдельно от Филиппов (любителей вытаскивать чеку), но, когда некоторые насекомые начинают повреждать их клетки, они объединяются. Филиппы вытаскивают чеки, гранаты взрываются, цианид высвобождается.
Преобразование ядовитых растений в безопасную еду – это минимальная пищевая обработка, которую мы можем произвести.
Как ни парадоксально, первый шаг на пути к обезвреживанию кассавы – это вытаскивание чеки из ВСЕХ ГРАНАТ, что приводит к максимальному выбросу яда, но за пределами человеческого тела. Например, можно физически повредить клетки растения, натерев клубень на терке. Вы также можете дать бактериям и грибкам разрушить растительные клетки в процессе ферментации. После того как цианид выйдет наружу, его необходимо устранить. К счастью, он растворяется в воде и довольно быстро испаряется. Натерев кассаву на терке, вы можете процедить пюре, а затем выпарить из него воду или переложить в мелкую широкую посуду и оставить на солнце на несколько часов. В Южной Америке пюре кассавы часто процеживается с помощью особого приспособления под названием «типити»: представьте себе китайскую ловушку для пальцев, но 120 сантиметров в длину. Ее наполняют массой из растения, подвешивают за один конец на ветке дерева, а затем тянут второй вниз, используя вес своего тела. Вода с цианидом выходит, и кассава становится безопасной для употребления в пищу. Гениально.
Преобразование ядовитых растений в безопасную еду – это минимальная пищевая обработка, которую мы можем произвести. Так поступали на протяжении большей части истории, и многие люди до сих пор полагаются на простейшие методы делать это. Можно есть дикий картофель с глиной или лиофилизировать его, а также печь желудевый хлеб с глиной. Разумеется, важнейшей составляющей пищевой обработки является изменение генома растения путем селекции, чтобы он изначально не был токсичным[47].
Возможно, вам интересно, почему нельзя оставить ядовитые растения в покое и питаться только безобидными. Это вполне разумно, когда вокруг есть множество безопасных продуктов. Но если ваш запас нетоксичных углеводов, жиров и белков иссякает, то лучше продумать резервный план, ведь иначе вы рискуете умереть от голода. Логика проста: чем больше вещей (токсичных или нет) вы можете превратить в еду, тем выше ваши шансы сохранить жизнь.
Однако выживание является не единственной причиной обработки продуктов.