Специалисты Пермского политеха рассматривают змей как объект инженерного вдохновения.
Год Змеи по китайскому календарю - удачный повод, чтобы побольше узнать об этих удивительных созданиях. В последнем номере прошлого года «Поиск» уже писал о змеях. Продолжаем рассказ. О том, что такое змеиный яд, как его получают и производят антидоты, и чем пресмыкающиеся полезны инженерам, мы спросили у экспертов Пермского национального исследовательского политехнического университета - доцента кафедры химических технологий, кандидата фармацевтических наук Екатерины БАНЬКОВСКОЙ и заведующего кафедрой «Автоматизация технологических процессов» Березниковского филиала вуза доктора технических наук Андрея ЗАТОНСКОГО.
– Змеиный яд - это сложная смесь токсинов и биологически активных веществ, содержащая свободные аминокислоты, сахара, липиды и ионы металлов, гидролитические ферменты, низко- и высокомолекулярные протеины и небольшое число других органических и неорганических молекул (пигментов, минеральных компонентов и микроэлементов), а также нуклеотиды. Состав ядов варьируется в зависимости от вида змеи, ее возраста, рациона, географического положения и других факторов, - рассказала Екатерина Баньковская.
По ее словам, типы ядов классифицируются по их воздействию на организм. Нейротоксичные воздействуют на нервную систему, нарушают передачу нервных импульсов, блокируя рецепторы на мышечных клетках или препятствуя высвобождению нейромедиаторов - биологически активных химических веществ, необходимых для передачи электрохимического импульса от нервной клетки. Их действие проявляется в виде паралича, в том числе дыхательной мускулатуры, что приводит к остановке работы жизненно важных органов. У пострадавшего опускаются веки, затрудняется глотание, а речь становится невнятной. Миотоксические яды воздействуют на мышечные ткани, высвобождают внутриклеточные ферменты в кровь, что приводит к боли в мышцах, слабости и острой почечной недостаточности (ядом с такими свойствами обладают некоторые морские и гремучие змеи).
Укус мгновенен, реакция на него мучительна, а вот производство антитоксинов - процесс длительный и дорогостоящий. Как рассказала Екатерина Баньковская, после сбора змеиного яда его разбавляют и вводят небольшими, постепенно увеличивающимися дозами животным, чаще всего лошадям, реже - овцам или козам. Это делается, чтобы стимулировать иммунную систему для выработки антител, специфичных к компонентам токсичного вещества. Достаточно продолжительный срок у такого животного регулярно забирают кровь, выделяют из нее плазму с антителами, затем очищают и концентрируют, извлекая белки, которые не являются антителами, и добавляют консерванты для стабильности и хранения препарата.
В России существует только один центр добычи змеиного яда, в Новосибирске. Этой непростой работой занимаются специалисты, которых называют герпетологами, токсикологами или змееловами.
– Процесс «доения» змеи требует осторожности и опыта. Ее аккуратно фиксируют, чаще всего за голову, специальным инструментом или рукой так, чтобы избежать укуса. Для выделения яда пресмыкающееся подносят к стерильному контейнеру (чаще всего это стеклянная чашка Петри, покрытая тонкой пленкой) и аккуратно надавливают на ядовитые железы. Иногда для стимуляции змею заставляют кусать через тонкую мембрану, которая покрывает край чашки. Выделившийся яд собирают со дна емкости, а затем фильтруют, чтобы удалить примеси слюны и крови, - рассказала Екатерина Баньковская.
Для повышения стабильности и срока годности полученную субстанцию подвергают сушке, чаще всего лиофилизации - процессу обезвоживания яда путем замораживания и последующего удаления льда под вакуумом. Проще говоря, яд превращают в сухой порошок. Готовый экстракт хранят в герметичных контейнерах. При необходимости из него выделяют отдельные фракции, обладающие нужными фармакологическими свойствами, и дальше используют для создания препаратов.
Отдельные компоненты яда, в том числе белки, влияющие на свертываемость крови, используют при разработке лекарств для разжижения крови, снижая риск образования тромбов в сосудах. Другие соединения, воздействующие на нервную систему, применяют для лечения хронических болей и нейродегенеративных заболеваний.
В косметологии не применяют натуральный змеиный яд, только его синтетический аналог трипептид Syn-Ake, который имитирует нейротоксичный компонент слюны пресмыкающихся. Такое вещество при местном применении может уменьшать глубину и выраженность мимических морщин, в том числе «гусиные лапки».
Еще один известный косметический ингредиент - змеиный жир - считается одним из самых дорогостоящих и эксклюзивных продуктов, поскольку богат кислотами, синтез которых в организме человека не осуществляется, и славится своими обезболивающими, смягчающими, противовоспалительными, а также антисептическими свойствами. Змеиный жир абсолютно гипоаллергенен и с успехом применяется в косметологии для замедления старения и восстановления защитных свойств кожи.
Эти грациозные создания вдохновляют не только медиков и косметологов, но и… инженеров. В биомеханике и робототехнике маневренность пресмыкающихся используют как модель для создания роботов.
– Такие роботы, цепляясь за поверхность, подтягивают себя вперед. Их конструкция состоит из звеньев, соединенных эластомерными или механическими сервоприводами. Движение обеспечивается активными (приводными) или пассивными колесами, а также силами трения, - пояснил Андрей Затонский.
Для усовершенствования алгоритмов управления роботом ученые изучали особенности перемещения змей в разных условиях. Например, археологический робот Elizabeth не смог ползти в песке. Тогда инженеры создали в зоопарке условия для исследования рогатого гремучника, ловко ползающего по дюнам, и выяснили, что, попав на песок, живая змея резко увеличивает длину соприкосновения одного из изгибов с грунтом. Это позволяет ей двигаться, не «пробуксовывая». Метод был успешно перенесен на изделие, отметил ученый.
По его словам, пик развития змее-подобных роботов был лет 10-20 назад, их создавали и испытывали в разных странах. Например, японский ACM-R5H или российский «ЗМЕЕЛОК-3» способны проникать в трубы и узкие места для осмотра поверхностей изнутри. «ЗМЕЕЛОК» может проползти по прямой, по заданной кривой, по горизонтальному или даже вертикальному каналу, развернуться на месте, перекатиться, преодолеть небольшие препятствия. В Великобритании разработали робота Lira, предназначенного для работ в труднодоступных зонах АЭС Dounreay, выводимой из эксплуатации.
По словам эксперта, в 2023 году NASA провела испытания робота-змеи Exobiology Extant Life Surveyor для исследования космических объектов. Он создает трехмерную карту окружающей среды при помощи четырех пар стереокамер и лидара, который использует короткие лазерные импульсы. На основе данных датчиков аппарат определяет наиболее безопасный путь.
Ксения РАЗУМОВСКАЯ
