История биологии знает немало событий, взволновавших широкую общественность. Однако есть события совершенно особые, и к ним можно отнести применение пестицидов.
Пестициды в дословном переводе с латинского — заразоубивающие средства (пестис — зараза, цедере — убивать). Сам термин «пестициды» собирательный: это и инсектициды, используемые для борьбы с насекомыми (инсектум — насекомые); и фунгициды, направленные против паразитарных грибов и бактерий (фунгус — гриб); и гербициды против сорняков (герба — трава); и зооциды против грызунов; и нематоциды против нематод. Имеются и другие пестициды, обладающие комплексным действием. Например, нитрофан является инсектицидом против тлей, клещей, щитовок и фунгицидом для борьбы с возбудителями таких болезней, как рак, антракноз, мильдью.
Наибольший накал страстей ученых и общественности, несомненно, вызвал инсектицид под сокращенным названием ДДТ — дихлордифенилтрихлорэтан. В его оценке одно быстро сменяло другое. Радужные надежды и горькие разочарования, восторженные отзывы и тяжкие обвинения. Пестициды называли чудом современной химии и непростительной ошибкой ученых.
ДДТ был синтезирован еще в 1874 г. Но только в 1937 г. было открыто его инсектицидное действие. Автору открытия швейцарскому ученому П. Рихтеру была присуждена Нобелевская премия. Двадцать лет спустя Швейцария запретила применение этого препарата.
Чем же так провинился ДДТ, и почему он впал в такую немилость? По данному вопросу написаны тысячи статей и высказаны взаимоисключающие точки зрения.
Еще продолжалась вторая мировая война, когда ДДТ одержал свою первую крупную победу. С его помощью удалось предотвратить вспышку сыпного тифа. Прошло немного лет, и с помощью ДДТ удалось подавить размножение комаров — переносчиков возбудителей малярии, и тем самым спасти жизнь миллионов людей. Затем последовали победы над многими сельскохозяйственными вредителями. Америка вдвое увеличила сбор хлопка благодаря защите хлопчатника от долгоносика. В Советском Союзе были сохранены миллионы тони пшеницы от вредной черепашки. Началось триумфальное шествие препарата по странам н континентам. За 20 лет во всем мире его было использовано около 4,5 миллионов тони.
Но постепенно над ДДТ сгущались тучи. Появились серьезные опасения, что пестицид оказывает вредное влияние на окружающую среду. Однако вера в него была настолько сильна, что вначале опасения вообще не воспринимали всерьез, а капиталистические монополии не желали считаться ни с чем, кроме прибыли. Отчеты ученых просто скрывали. Целых семь лет власти США не разрешали опубликовать отчет об ответственности ДДТ за гибель тихоокеанской рыбы.
Отчет был составлен специалистом по исследованию качественного состава воды Уолтером Томсоном. Сравнение содержания пестицида на полях Америки с показателем уловов сардинки привело к «ошеломляющим» результатам: поголовье сардинок убывало в такой же пропорции в какой возрастало применение ДДТ. Попадание пестицида в районы лова рыбы объяснялось размыванием почвы при разливах рек, которые несли его с собой в океан. Он оказался ядовитым не только для рыб, по и для организмов, которыми они питаются.
Последовали и новые отчеты о вреде ДДТ для других организмов, в частности птиц. Скрывать их от общественности становилось все труднее. Гром разразился в 1962 г. с выходом в США книги Речел Карсон под названием «Безмолвная весна». В ней изображены страшные последствия применения ДДТ. Не слышно пения птиц, не плавают в водоемах рыбы, многие виды животных на грани полного исчезновения. В США книга вызвала бурю протестов (подогреваемых радио, телевидением, газетами) против ДДТ и других пестицидов, которые могли принести вред окружающей среде.
В ноябре 1972 г. на заседании Продовольственной и сельскохозяйственной организации ООН (ФЛО) выступил с лекцией Норман У. Борлоуг — лауреат Нобелевской премии мира 1970 г. за личный вклад в так называемую зеленую революцию. Лекция была названа «Человечество и цивилизация снова на распутье». В ней была отдана дань уважения Р. Карсон, сделавшей очень много для понимания красоты природы. Но книга была подвергнута резкой критике, прежде всего за то, что она внушала читателям, что без пестицидов будто бы можно обойтись. По мнению Берлоуг, такой день если он вообще наступит, пока еще очень далек.
Лекция была страстной, но одновременно и пристрастной. Теории противников были объявлены шаткими, а приводимые факты сокращения численности животных объяснялись не столько применением пестицида, сколько другими причинами нарушения экологического равновесия, например сбросом в водоемы отходов промышленных предприятий.
Факты, однако, со всей неоспоримостью говорили об отрицательном влиянии ДДТ. Приведем лишь некоторые.
Если в воде концентрация ДДТ составляет 0,000005 единицы, то в планктоне она достигает 0,04 единицы, т. е. увеличивается почти в 10 тысяч раз; в мелкой рыбе, питающейся планктоном, увеличивается до 0,5 единицы; в крупной рыбе, пожирающей мелкую, до 2. Тогда как у птиц, кормящихся крупной рыбой, до 2,5, т. е. в 500 тысяч раз выше по сравнению с исходной концентрацией. Превышение содержания ДДТ в фитопланктоне лишь на несколько частей на миллиард уже отражается на процессе фотосинтеза. А ведь фитопланктон производит почти 70% кислорода, содержащегося в воздухе.
На острове Калимантан в Индонезии ящерицы «устроили пир» из мух, убитых ДДТ. Но это поистине был пир во время чумы, так как вскоре погибли и ящерицы. Вслед за ними стали гибнуть и кошки, питавшиеся ящерицами. В результате крысы, которых уничтожали кошки, наводнили деревни и создали угрозу возникновения эпидемий.
Но это лишь одна сторона проблемы. Другая, не менее острая, состоит в том, что вредители, против которых применялся ДДТ и считавшиеся к нему весьма чувствительными, в итоге меньше всего от него пострадали. Объясняется это тем, что они приобрели к нему настолько высокую устойчивость, что даже при увеличении концентрации препарата в несколько раз против разрешенных нормами, они оставались живыми. Более того, насекомые, ставшие устойчивыми к ДДТ, приобрели устойчивость и к некоторым другим хлорорганическим пестицидам. Неудивительно, что в большинстве стран мира, в том числе и в нашей стране, применение ДДТ было запрещено в законодательном порядке или крайне ограничено. Заметим, что в пашей стране, когда ДДТ применялся, допустимые его остатки в полевых, плодовых и овощных растениях были самыми низкими: в 7 раз ниже, чем в США и Канаде, в 2 раза ниже, чем в Швейцарии. И сейчас у нас действуют самые строгие критерии оценки всех пестицидов.
Итак, ДДТ во многом помог, во многом навредил, но и многому научил, хотя и дорогой ценой. Этот урок следует всегда помнить, когда речь заходит о применении пестицидов, без которых, по призванию ведущих ученых мира, пока обойтись нельзя.
Подсчитано, что в настоящее время чуть ли не каждые 10 минут в мире создается соединение, обладающее пестицидными свойствами. Но подавляющая их часть отбрасывается уже после первичного отбора (скрининга). После полевой оценки и определения безвредности остаются считанные единицы. И в этом тоже один из уроков, извлеченных из применения ДДТ.
В прошлом при испытании пестицидов ограничивались определением степени их токсичности путем скармливания препаратов животным. В дальнейшем уже стали определять, как быстро препарат выводится из организма и не накапливается ли он в каком-либо органе, например в печени. Далее начали выяснять, а не оказывает ли препарат или продукты его распада, возникающие в организме, мутагенное и канцерогенное действие.
Правда, чрезвычайно низкий выход пестицидов из огромного числа синтезируемых соединений связан еще с несовершенством самого принципа их синтеза и первичного отбора, основанного на методе проб и ошибок. Вполне понятно, что при этих условиях с каждым годом стоимость нового пестицида сильно возрастает. По мнению специалистов, при более рациональном использовании ужо существующих пестицидов они могут давать вдвое больший эффект по сравнению с ныне получаемым. Особо важное значение имеет улучшение службы прогнозирования времени появления вредителей и возбудителей болезней, а также усовершенствование техники нанесения пестицидов.
Пестициды могут быть эффективны только в том случае, если они применяются в нужное время, в нужном количестве и нужном месте. В противном случае пестициды приносят больше вреда, чем пользы. Несоблюдение этого требования служит причиной порою возникающих и поныне бесплодных дискуссии о пользе или вреде химизации сельского хозяйства.
Поскольку наша книга посвящена устойчивости растений к болезням, остановимся лишь на фунгицидах.
Фунгицидами называются вещества, убивающие или подавляющие споры грибов или их мицелий. Еще с древних времен было известно, что подобным действием обладает сера. О ней вновь вспомнили во Франции, когда в середине прошлого века туда проник из Америки один из паразитарных грибов — оидиум, нанесший большой ущерб виноградникам. Опыливание виноградников серой помогло приостановить распространение этой опасной болезни.
Однако сера оказалась малоэффективной против другого, также проникшего с Американского континента паразита виноградников, называемого милдью. И тогда против пего во Франции была предложена смесь, состоящая из медного купороса и негашеной извести, в которой действующим началом является медь. Подобная смесь, названная бордосской жидкостью, оказалась весьма эффективной не только против милдью, но и других возбудителей болезней, благодаря чему была признана царицей фунгицидов. Так было положено начало промышленного производства фунгицидов с использованием для этих целей как неорганических веществ, так и сложных органических соединений.
С увеличением числа фунгицидов их стали классифицировать по биологическому действию, химическому составу, способу применения и ряду других важных признаков. В самом общем виде существующие сейчас фунгициды можно разделить на контактные н системные.
Первое поколение фунгицидов относится к контактным, для действия которых необходим контакт фунгицида с патогеном. Все они обладают широким спектром биологической активности. Они действуют не избирательно, а сразу на многие структуры клетки и разные звенья обмена веществ, являющиеся более или менее общими для всех живых организмов. Благодаря этому паразитарным грибам и бактериям довольно трудно приспособиться к контактным фунгицидам и многие из них используются в течение длительного времени. Примером является та же бордосская жидкость.
Однако все эти фунгициды вступают в контакт с паразитом только на поверхности растения. Ни один из них не может проникать в ткани растений в сколько-нибудь эффективных дозах. Кутикула, покрывающая поверхность листьев, стеблей, плодов, является для них непреодолимым барьером. Это и хорошо, и плохо. Хорошо потому, что, не проникнув в растение, они не оказывают на них токсическое действие. Но по этой же причине они являются эффективными лишь против паразитов, развивающихся на поверхности растения. И эго плохо. Они могут оказаться эффективными и против паразитов, проникающих в растение, по лишь в том случае, если вступают с ними в контакт еще до их проникновения в растительную ткань, когда они находятся на поверхности растения. Следовательно, против таких паразитов контактные фунгициды приходится применять еще до появления симптомов болезни. Но до встречи с паразитом фунгицид может разложиться, его может смыть дождь или сдуть ветер. Кроме того, и это весьма существенно, контактными фунгицидами надо покрывать всю поверхность растения, как верхнюю, так и нижнюю сторону листьев. В небольшом хозяйстве такая обработка растений хотя и является трудоемкой, по осуществима. На больших же площадях достичь такого равномерного нанесения фунгицида с помощью существующих технических средств практически невозможно.
Ученые начали создавать второе поколение пестицидов системного действия, т. е. соединения, которые способны проникать внутрь растения и перемещаться в нем. О возможности вводить в растения чужеродные вещества давно известно. Еще в XII в. пытались получать плоды с новым ароматом, вкусом и цветом путем введения в просверленные в стволах отверстия пряностей и красителей.
В конце 30-х годов нашего столетия на основе учения о передвижении веществ в растениях был создан первый системный инсектицид, а четверть века спустя — первый системный фунгицид.
Отличительная особенность системных фунгицидов состоит в том, что они способны проникать в растение, продвигаться по нему, убивать или подавлять в нем рост проникшего паразита, не повреждая при этом растительную клетку. Иными словами, мирно существовать с ней. Все они действуют избирательно, т. е. на определенное звено в системе обмена организма. Если контактные пестициды бьют бесприцельно, то системные поражают лишь определенную мишень. Так, один из первых системных фунгицидов — бенлат, или беномил, связывается только с одним белком тубулином, а такие контактные фунгициды, как карбаматы, инактивируют более 20 белков-ферментов.
Следует, правда, признать, что действие системных фунгицидов все же еще мало изучено. Многими работами показано, что системные фунгициды в отличие от контактных оказывают влияние преимущественно на биосинтетические процессы, т. е. ведущие к получению нового вещества, необходимого для роста и сохранения организма. Контактные фунгициды в первую очередь вызывают нарушение структуры клетки.
Конечно, прицельный удар системного фунгицида является более точным и поэтому более сильным. Действительно, все системные фунгициды оказались более сильными по сравнению с контактными. Но в то же время и паразитам легче приспосабливаться к фунгицидам, которые бьют только по определенной мишени. Так оно и произошло. В результате вместо уничтоженных рас паразита стали появляться новые, еще более агрессивные, а взамен одних видов микроорганизмов начали усиленно развиваться другие. Знакомая ситуация. Возникли новые проблемы, и начался поиск путей их решения. Проблемы в общем уже знакомые, близкие к тем. которые возникали при использовании сортов растений с вертикальной и горизонтальной устойчивостью. Подобно сорту с вертикальной устойчивостью, системный фунгицид хотя и действует сильно, однако быстро теряет свою активность в силу адаптации к нему фитопатогенов. А подобно сорту с горизонтальной устойчивостью, действие контактного фунгицида хотя и менее сильно, но зато более продолжительно, поскольку к нему трудно адаптироваться. Поэтому как при выведении сортов необходимо заботиться о многообразии генов их устойчивости, так и при подборе фунгицидов нужно стремиться к многообразию их химического строения. Это может быть достигнуто разными путями. Во-первых, созданием фунгицидов в виде смесей из различных химических соединений, обладающих синергическим действием. Во-вторых, чередованием применения разных фунгицидов. Задача не простая, так как пока еще далеко не ясно, что с чем смешивать, в какой последовательности и что с чем чередовать.
Но даже системный фунгицид, каким бы избирательным действием он ни обладал, если он убивает или подавляет паразита, то может оказаться токсичным и для других организмов и, следовательно, потенциальным нарушителем экологического равновесия со всеми вытекающими отсюда отрицательными последствиями. Наряду с дальнейшим совершенствованием системных фунгицидов перед учеными встала новая задача — найти соединения, которые не были бы ни фунгитоксичными, ни фитотоксичными, а усиливали бы естественные механизмы устойчивости растений к болезням.
Сравнительно недавно удалось синтезировать соединения, которые, будучи слабо токсичными или вовсе нетоксичными для паразитов, тем не менее защищали от них растения. Механизм их действия пока не изучен, но поскольку они не токсичны для паразитов, то можно предположить, что они каким-то образом действуют на механизмы, контролирующие фитоиммунитет, хотя это и необязательно.
Некоторые фитопатологи предлагают назвать соединения, действующие по принципу повышения устойчивости растений к болезням, системными терапевтантами. Но дело не в терминологии. Главное — найти вещества, которые действительно повышали бы устойчивость растений к болезням, не оказывая при этом отрицательного влияния на биосферу. Их поиск начат, и постепенно выявляются трудности, которые придется преодолеть.