«Подоить» змею: пермские ученые рассказали об инженерном вдохновении и пользе ядовитых рептилий

Откуда у змей появляется яд?

Змеиный яд — это видоизмененная слюна, вырабатываемая специальными железами, расположенными за глазами рептилии. Они анатомически связаны с клыками, через которые яд попадает в тело жертвы. 

— Яд представляет собой сложную смесь из нескольких токсинов и биологически активных веществ, которые не обязательно имеют белковую природу. В нем содержатся 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) нуклеотиды. Все эти биологически активные веществе могут поражать нервную, кровеносную и мышечную системы организма. Если быть точной, то состав видоизмененной слюны варьируется в зависимости от вида змеи, ее возраста, рациона, географического положения и других факторов, — рассказывает Екатерина Баньковская, доцент кафедры химических технологий Пермского Политеха, кандидат фармацевтических наук.

Полная характеристика белков змеиного яда достаточно сложна даже при доступности современных физико-химических методов анализа из-за наличия множественных изомерных форм токсинов.

Типы ядов классифицируются по их воздействию на организм

В России известно 13 опасных и ядовитых для человека змей. Членистоногие, относящиеся к этим семействам, отличаются по своей биологии, строению ядовитого аппарата, химическому составу яда и механизмам его токсического действия. На территории страны встречаются гадюки (обыкновенная, степная, кавказская и др.), среднеазиатские кобры, щитомордники (обыкновенный, восточный) и крайне редко — гюрза.

Существуют нейротоксичные яды, которые воздействуют на нервную систему. Они 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. Действие таких ядов проявляется в параличе, в том числе дыхательной мускулатуры, что приводит к остановке жизненно-важных органов. У пострадавшего опускаются веки, затрудняется глотание, а речь становится невнятной.

— Гадюки, гремучие змеи и некоторые щитомордники обладают гемотоксическим ядом. В его состав входят ферменты, которые приводят к разрушению кровяных клеток эритроцитов (гемолиз), нарушению свертываемости крови (коагулопатию) и повреждению сосудистой стенки. Их действие вызывает кровотечения, тромбоз, отеки, некроз тканей, снижение артериального давления и нарушение в работе почек. Цитотоксические яды также характерны для змей, которые «плюются». Вещества в нем травмируют клетки организма в месте укуса. Действие проявляется в сильной боли, отеке, покраснении, образовании пузырей, некрозе тканей и рубцевании, — поясняет Екатерина Баньковская.

Миотоксические яды воздействуют на мышечные ткани, их токсины высвобождают внутриклеточные ферменты в кровь, что в результате приводит к боли в мышцах, слабости и острой почечной недостаточности. Ядом с такими свойствами обладают некоторые морские и гремучие змеи.

Как готовят противоядие от укуса?

Поскольку у змей разный по составу яд, в некоторых регионах выпускают поливалентные сыворотки, эффективные против нескольких видов змей, но обычно они менее специфичны, чем моновалентные, которые направлены против одного вида. Производство антитоксинов – длительный и дорогостоящий процесс.

— После сбора змеиного яда путем «доения» его разбавляют и вводят небольшими, постепенно увеличивающимися дозами животным, чаще всего лошадям, реже – овцам или козам. Это делается, чтобы стимулировать их иммунную систему вырабатывать антитела, специфичные к компонентам токсичного вещества. В этот период, который длится до года, у животного регулярно берут 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, — добавляет Екатерина Баньковская.

Кто и как «доит» змей?

В России существует только один центр добычи змеиного яда и находится он в Новосибирске. Процессом добычи ценного вещества занимаются специалисты, которых называют герпетологами, токсикологами или змееловами. Они обучены технике безопасного обращения со змеями.

— Процесс «доения» змеи не такой уж простой, он требует осторожности и опыта. Змею аккуратно фиксируют, чаще всего за голову, специальным инструментом или вручную, чтобы животное не могло укусить человека. Для выделения яда чешуйчатое 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, — рассказывает Екатерина Баньковская, доцент кафедры химических технологий Пермского Политеха, кандидат фармацевтических наук.

Змеиный яд добавляют в лекарства

Змеиный яд — сложный комплекс биологически активных соединений, являющийся ценным сырьем для фармацевтической науки и промышленности. В доказательной медицине змеиный яд находит свое применение для создания антидотов – противоядий, спасающих жизни при укусах змей. Отдельные компоненты яда, в том числе белки, влияющие на свертываемость крови, используют при разработке лекарств для разжижения крови и от тромбозов, снижая риск образования тромбов в сосудах. Другие соединения, воздействующие на нервную систему, нашли применение в лечении хронических болей и нейродегенеративных заболеваний.

— Сначала яд тщательно обрабатывают, очищают его от крови и слюны путем фильтрации. Затем для повышения стабильности и срока годности подвергают сушке, чаще всего лиофилизации – процессу обезвоживания яда путем замораживания и последующего удаления льда под вакуумом. Проще говоря, яд сначала замораживают, а затем вытягивают из него воду, превращая в сухой порошок. Готовый сухой яд хранят в герметичных контейнерах. Из него выделяют отдельные фракции, обладающие нужными фармакологическими свойствами, и используют для создания препаратов, — поясняет эксперт Пермского Политеха.

Змеиный яд против морщин

В основе большинства косметических средств со «змеиным ядом» лежит синтетический трипептид Syn-Ake, который является подражателем нейротоксичного компонента из яда.

— Важно подчеркнуть, что в косметологии не применяют натуральный змеиный яд, только его синтетический аналог. Проведенные клинические испытания на настоящих людях показали, что синтетический трипептид при местном применении может уменьшать глубину и выраженность мимических морщин, в том числе «гусиные лапки», межбровные и лобные. В этих исследованиях обычно оцениваются параметры кожи с помощью методов визуализации (например, трехмерного сканирования), — отмечает Екатерина Баньковская, доцент кафедры химических технологий Пермского Политеха, кандидат фармацевтических наук.

Крема с имитацией змеиного жира

Еще один известный косметический ингредиент «змеиный жир» в большинстве случаев представляет собой не настоящий жир, извлеченный из животного, а его имитацию, созданную на основе растительных масел, минеральных компонентов и других добавок. 

— Среди его компонентов есть растительные экстракты, которые обладают противовоспалительными свойствами, способствуют уменьшению покраснений и раздражений. Еще добавляют фосфолипиды, витамины A, E и D, считающиеся мощными антиоксидантами, они защищают клетки от повреждений и способствуют их регенерации. Сквален – природный углеводород, который является компонентом кожного сала. Этот ингредиент увлажняет, смягчает и защищает кожу. Жирные кислоты и липиды образуют на теле человека защитную пленку, предотвращая трансэпидермальную потерю влаги. Это приводит к повышению увлажненности кожи, ее эластичности и гладкости, — поясняет Екатерина Баньковская.

Настоящий змеиный жир дорогой и эксклюзивный

Жир змеи считается одним из самых дорогостоящих и эксклюзивных продуктов, поскольку он богат такими жирными кислотами, синтез которых в организме человека не осуществляется. Он славится своими обезболивающими, смягчающими, противовоспалительными, антибактериальными, а также антисептическими свойствами. Змеиный жир абсолютно гипоаллергенен и с успехом применяется в косметологии для замедления старения и восстановления защитных свойств кожи.

— Жир змеи встраивается в липидный слой кожи, восполняя истонченный защитный слой. В результате кожа становится менее уязвимой, визуально выравнивается и омолаживается, приобретает здоровый вид. При некоторых видах заболеваний змеиный жир используется в качестве компонента лечебного питания, так как способен стимулировать всевозможные обменные процессы, проходящие в организме человека, — уточняет эксперт Пермского Политеха.

Змеи вдохновляют инженеров

В биомеханике и робототехнике маневренность змеи используют как модель для создания роботов, имитирующих перемещение чешуйчатых.

— Такие роботы, цепляясь за поверхность, подтягивают себя вперед. Их конструкция состоит из звеньев, соединенных приводами — эластомерными или механическими сервоприводами. Движение обеспечивается активными (приводными) или пассивными колесами, а также силами трения, — рассказывает Андрей Затонский, заведующий кафедрой «Автоматизация технологических процессов» Березниковского филиала Пермского Политеха, доктор технических наук.

Для усовершенствования алгоритмов управления роботом, ученые изучали особенности перемещения змей в разных условиях. Например, археологический робот Elizabeth оказался неспособен 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.

Змееподобные роботы

Бурное развитие змееподобных роботов происходило лет 10-20 назад, их создавали и испытывали в разных странах. Основное их назначение – инспекционное.

– Например, японский ACM-R5H или российский ЗМЕЕЛОК-3 способны проникать в трубы и узости с целью их осмотра изнутри. ЗМЕЕЛОК может ползти по прямой, по заданной кривой, по горизонтальному или даже вертикальному каналу, развернуться на месте, перекатиться, преодолевать небольшие препятствия, – приводит примеры Андрей Затонский.

По словам эксперта, в 2023 году NASA провела испытания «змеи» Exobiology Extant Life Surveyor, предназначенной для исследования космических объектов. Робот создает трехмерную карту своего окружения при помощи четырех пар стереокамер и лидара, который использует короткие лазерные импульсы. На основе данных датчиков аппарат определяет наиболее безопасный путь. Англичанами разработан робот Lira, предназначенный для работ в труднодоступных зонах АЭС Dounreay, выводимой из эксплуатации.

ПНИПУ

1033 статей

Пермский национальный исследовательский политехнический университет (национальный исследовательский, прошлые названия: Пермский политехнический институт, Пермский государственный технический университет) — технический ВУЗ Российской Федерации. Основан в 1960 году как Пермский политехнический институт (ППИ), в результате объединения Пермского горного института (организованного в 1953 году) с Вечерним машиностроительным институтом. В 1992 году ППИ в числе первых политехнических вузов России получил статус технического университета.

Показать больше