Чтобы токсичное вещество стало вредным, для начала ему нужно проделать путешествие из среды к конкретной мишени в организме. Большая часть этого путешествия осуществляется на первый взгляд простым путем диффузии: молекулы мигрируют прочь от источника своего происхождения. Примеры диффузии можно найти повсюду: это и соль, растворяющаяся в воде, и дым, распространяющийся в атмосфере, из заводской трубы. Но диффузия становится более сложной, если молекулы переходят из одной части окружающей среды в другую. Например, когда молекулы переходят из воды в воздух, скорость диффузии зависит как от их собственных свойств, так и от свойств воды и воздуха. Более того, расстояние от источника, которое могут преодолеть молекулы, и размеры поверхности, с которой они распространяются, также оказывают влияние на степень диффузии.

Чтобы токсичная молекула вызвала реакцию в ткани-мишени, токсичное вещество нередко преодолевает несколько различных сред. Загрязняющее вещество, присутствующее в воздухе, может проникать из него в водный слой (влажная среда в воздухе), затем – в липидный слой (мембрана, покрывающая каждую клетку) и наконец – снова в водную среду внутри клетки.

Чтобы попасть в кровь, вещество должно повторить все эти ступени, перемещаясь из внутренней водной среды клетки через липидную мембрану и обратно в водную среду крови.

Вне зависимости от того, каким образом токсины попадают в организм животного – через пищеварение, дыхание или кожу, – все химико-биологические реакции начинаются с перемещения химического вещества через слой эпителия. Кожа – первый приходящий в голову пример эпителиальной ткани, потому что она всегда у нас перед глазами. Но эпителий также имеется в легких и пищеварительном тракте. Эти три эпителиальных слоя не совсем одинаковы, поскольку у них разные функции.

Кожа млекопитающих, среди прочего, служит барьером между внешней средой и внутренним «океаном» крови. Кожа плотно натянута на все наше тело, имеется лишь небольшое число складок, которые незначительно увеличивают общую площадь ее поверхности. Однако по сравнению с поверхностью внутренних органов, например печени, поверхность кожи очень велика.

Внешний слой кожи состоит из отмерших клеток. В находящемся под ним слое дермы клетки постоянно делятся, производя новые клетки, которые умирают, обезвоживаются и кератинизируются. Процесс кератинизации – это накопление кератина в эпителиальном клеточном слое. Кератин – это волокнистый белок, который можно обнаружить не только в наружном слое кожи, но и в ногтях, копытах и даже роге носорога. Пучки кератиновых волокон очень прочны и, что не менее важно, нерастворимы в воде. Поэтому кератиновый слой вашей кожи можно рассматривать в первую очередь как водонепроницаемый барьер между вами и окружающим миром.

В слое мертвых клеток нет живых белков, поэтому через кожу не может происходить активный транспорт веществ. А как же жирорастворимые вещества? В мертвой клетке сохраняются липиды, образовавшиеся при ее жизни, поэтому жирорастворимые молекулы могут проникать в слой мертвых клеток кожи. В ходе эволюции кожа не развивалась специально как абсорбирующая поверхность, но так как защитный кожный барьер состоит из мертвых клеток, он по своей природе остается способным к абсорбции жирорастворимых веществ.

Способность кожи абсорбировать жирорастворимые вещества – это и наше благословение, и наше проклятие. Например, способность кожи всасывать небольшие липофильные молекулы используется в фармакологии: с помощью адгезивных пластырей можно доставлять в организм такие вещества, как скополамин, средство от морской болезни или никотин. К несчастью, урушиол, активный компонент, содержащийся в ядовитом плюще и сумахе, также может абсорбироваться кожей.

Внутренняя поверхность легких значительно отличается от внешнего слоя кожи, так как все клетки легких вполне живые, однако имеется одно очень важное общее свойство. Между воздушными мешочками – альвеолами – и внутренней средой клеток легких также не происходит транспорта веществ с помощью белков. Но на этом сходство двух эпителиальных слоев практически заканчивается.

В легких, заполненных воздухом, происходит диффузия кислорода и углекислого газа. У земноводных, например лягушек, легкие похожи на гроздь винограда, состоящую из нескольких очень крупных воздушных мешков с относительно небольшой общей площадью поверхности и относительно большим расстоянием для диффузии от центра каждого мешочка до крови. У млекопитающих в легких того же объема (у крупной лягушки-быка объем легких приблизительно такой же, как у небольшой крысы) альвеолы гораздо мельче и более многочисленные. Кроме того, у крысы гораздо выше уровень метаболизма, для чего требуется более быстрое поступление кислорода в кровь. Отчасти это достигается уменьшением расстояния, на котором осуществляется диффузия (так как альвеолы значительно мельче) и увеличением площади поверхности. Поэтому у крыс кислород поступает из легких в кровь, а углекислый газ – в обратном направлении, быстрее, чем у земноводных.

Однако через эпителий легких проникают не только такие простые газы, как кислород и углекислый газ. Может происходить также абсорбция различных паров. Пар – это газообразная фаза вещества, которое улетучивается с поверхности жидкости (представьте себе пары, поднимающиеся от капельки духов), однако не все химические вещества в одинаковой степени способны производить пары. Например, водорастворимые вещества не улетучиваются из раствора, а упорно в нем остаются. И даже если сама вода полностью испарится, эти вещества, как правило, не попадают в атмосферу, а остаются в виде твердого осадка, часто в форме соли. Так что в легких нет белков-переносчиков водорастворимых веществ, и эти вещества не обнаруживаются в легких в каких-либо значительных концентрациях.

А что же происходит с более летучими органическими соединениями? Эти вещества могут абсорбироваться в различной степени, и определяющим фактором здесь служит коэффициент распределения кровь/газ. Чтобы понять, как абсорбция зависит от этого коэффициента, представьте себе пары воздуха, находящиеся в коктейльном шейкере вместе с небольшим количеством воды. При взбалтывании коктейля пар частично перейдет в воду, а в основном останется в воздухе внутри шейкера. В этом случае у веществ, оставшихся в газовой среде шейкера, будет низкий коэффициент распределения кровь/газ, а у веществ, которые преимущественно перейдут в воду, этот коэффициент будет высоким. Это сильно влияет на способность к абсорбции, так как низкое значение коэффициента означает и низкую абсорбцию, а при повышенном значении коэффициента распределения абсорбция через легочный эпителий будет гораздо выше.

Жабры рыб – очень интересный вариант дыхательного органа. В отличие от легких, жабры контактируют с водой, поглощая растворенный в ней кислород и выделяя углекислый газ из крови непосредственно в воду. Кроме того, прямой контакт жабр с водой позволяет осуществлять транспорт водорастворимых веществ. Поэтому жабры рыб, в отличие от легких млекопитающих, содержат белки, ответственные за этот транспорт, в частности за перенос таких неорганических ионов, как ионы натрия, кальция и калия. Жабры являются не просто дыхательным органом, но и ионорегуляторной структурой, подобной почкам млекопитающих, функция которой состоит в поддержании нужных концентраций необходимых ионов в крови.