Известно, что изотопный состав атмосферы Марса значительно отличается от земного - в ней присутствует в 6 раз больше дейтерия (700-1000 ppm), на 70% больше азота-15 и на 5% - углерода-13 и кислорода-18. Прежде чем отправлять экспедицию на Марс с целью основания колонии, необходимо выяснить, как отличный от земного марсианский изотопный состав повлияет на жизнедеятельность млекопитающих. Известно, что снижение содержания дейтерия в питьевом рационе может оказывать стимулирующее влияние на функциональную активность живых систем, тогда как значительное увеличение концентрации дейтерия способно ингибировать жизненно важные процессы, а в ряде случаев отмечено, что умеренные колебания концентрации дейтерия (как при повышении, так и при уменьшении его содержания в воде) способны повышать функциональную активность живых систем [1, 2].

К настоящему времени опубликовано значительное количество работ, в которых описано как активирующее, так и ингибирующее влияние воды с пониженным относительно природного уровня содержанием дейтерия практически на все уровни организации живой материи (молекулярный, клеточный, тканевой, организменный) [3-5]. При этом особый интерес представляет исследование влияния воды, в которой содержание дейтерия сопоставимо с таковым в ледниковых шапках Марса, на функциональные системы неспецифической защиты организма. И, прежде всего, на ее прооксидантно-антиоксидантное звено, нарушения в котором играют существенную роль в развитии многих заболеваний.

В связи с вышеизложенным, целью настоящего исследования являлось изучение влияния воды с модифицированным изотопным составом (750 ppm) на показатели прооксидантно-антиоксидантной системы печени и крови лабораторных животных.

Изотопный обмен протона на дейтрон в гидратационной воде или в функциональных группах аминокислотных остатков, находящихся на поверхности белковой структуры, способствует укреплению межмолекулярных связей между гидратационным слоем и макромолекулой, что в конечном счете может привести к изменению функциональной активности белка.

Раннее нами установлено, что среда с концентрацией дейтерия 50 ppm приводит к снижению скорости окисления о-дианизидина пероксидом водорода, катализируемое пероксидазой хрена [6].

Учитывая полученные результаты флуоресцентной и КД–спектроскопии, вероятнее всего, усиление водородных связей приводит к конформационным перестройкам в молекуле БСА (бычий сывороточный альбумин). Потеря процента альфа спиральности говорит об изменениях во вторичной структуре БСА. Известно, что у БСА имеется два триптофановых остатка, один из них находится на поверхности молекулы, а другой внутри нее. Основными тушителями триптофановой флуоресценции являются молекулы растворителя (воды), а также тирозиновые остатки за счет переноса энергии по диполь-дипольному механизму. Можно предположить, что снижение интенсивности триптофановой флуоресценции может быть следствием увеличения доступности растворителю остатков триптофана и возрастанию вероятности переноса энергии с триптофана на тирозиновые остатки. Таким образом, проведённые оптические исследования указывают на модификацию структуры БСА в среде с концентрацией дейтерия 487 ppm.

На основании проведенных исследований можно сделать вывод о том, что у крыс при потреблении воды с повышенным содержанием дейтерия (750 ppm) наблюдается одновременно как снижение интенсивности свободнорадикальных процессов в крови и гепатоцитах, так и нарастание антиоксидантного потенциала в тканях печени, в том числе за счет увеличения содержания низкомолекулярных тиоловых антиоксидантов. Полученные в работе данные указывают на возрастание функциональной активности прооксидантно-антиоксидантного звена системы неспецифической защиты организма на фоне питьевого рациона с пятикратным увеличением дейтерия.

Таким образом, повышение содержания дейтерия до 750 ppm в питьевом рационе млекопитающих, т.е. уровня аналогичного марсианским ледникам, оказывает биологическое действие на тканевом и молекулярном уровне, активируя антиоксидантную систему млекопитающих. Приведенные в работе результаты не дают полных оснований утверждать, что марсианские ледники пригодны для осуществления жизни на этой планете. Данное исследование открывает предпосылки для дальнейшего изучения биологических эффектов относительно высоких концентраций дейтерия, соответствующих его содержанию в ледниковых шапках на полюсах Марса (от 700 до 1000 ppm), и понимания возможности его колонизации.

Работа выполнена при финансовой поддержке государственного задания ЮНЦ РАН № 122020100351-9.

1. Basov A., Fedulova L., Vasilevskaya E., Dzhimak S. Possible Mechanisms of Biological Effects Observed in Living Systems during 2H/1H Isotope Fractionation and Deuterium Interactions with Other Biogenic Isotopes. Molecules. 2019; 24(22):4101. Doi: 10.3390/molecules24224101

2. Лобышев В.И., Калиниченко Л.П. Изотопные эффекты D2О в биологичеcкиx cиcтемаx (Наука, М., 1978).

3. Kravtsov A., Kozin S., Basov A., et al. Reduction of Deuterium Level Supports Resistance of Neurons to Glucose Deprivation and Hypoxia: Study in Cultures of Neurons and on Animals. Molecules. 2022, 27(1):243. doi: 10.3390/molecules27010243.

4. Basov A.A., Kozin S.V., Bikov I.M., et al. Changes in prooxidant-antioxidant system indices in the blood and brain of rats with modelled acute hypoxia which consumed a deuterium-depleted drinking diet. Biol. Bull. 2019, 46, 531–535.

5. Kozin S., Skrebitsky V., Kondratenko R., et al. Electrophysiological activity and survival rate of rats nervous tissue cells depends on D/H isotopic composition of medium. Molecules 2021, 26, 2036. Doi: 10.3390/molecules26072036

6. Kozin S.V., Kravtsov A.A., Churkina A.V., Malyshko V.V., Turoverov K.K., Fonin A.V., Chikhirzhina E.V., Moiseev A.V. Changes in the functional activity of horseradish peroxidase and bovine serum albumin in media with different isotope 2H/1H compositions. Biophysics. 2020. Т. 65. № 2. С. 195-201. DOI: 10.1134/S0006350920020098

It is known that the isotopic composition of the atmosphere of Mars differs significantly from the Earth's - it contains 6 times more deuterium (700-1000 ppm), 70% more nitrogen-15 and 5% more carbon-13 and oxygen-18. Before sending an expedition to Mars with the aim of establishing a colony, it is necessary to find out how the Martian isotope composition different from the Earth's will affect the life of mammals. It is known that a decrease in the content of deuterium in the diet can have a stimulating effect on the functional activity of living systems, while a significant increase in the concentration of deuterium can inhibit vital processes, and in some cases it has been noted that moderate fluctuations in the concentration of deuterium (both with an increase and with decrease in its content in water) can increase the functional activity of living systems [1,2].

To date, a significant number of works have been published that describe both the activating and inhibitory effects of water with a deuterium content reduced relative to the natural level on almost all levels of organization of living matter (molecular, cellular, tissue, organism) [3–5]. At the same time, of particular interest is the study of the effect of water, in which the deuterium content is comparable to that in the ice caps of Mars, on the functional systems of nonspecific defense of the body. And, first of all, on its prooxidant-antioxidant link, disturbances in which play a significant role in the development of many diseases.

In connection with the above, the purpose of this study was to study the effect of water with a modified isotope composition (750 ppm) on the parameters of the prooxidant-antioxidant system of the liver and blood of laboratory animals.

The isotope exchange of a proton for a deuteron in water of hydration or in functional groups of amino acid residues located on the surface of a protein structure helps to strengthen intermolecular bonds between the hydration layer and the macromolecule, which ultimately can lead to a change in the functional activity of the protein.

We have previously established that a medium with a deuterium concentration of 50 ppm leads to a decrease in the rate of oxidation of o-dianisidine by hydrogen peroxide, catalyzed by horseradish peroxidase [6].

Taking into account the obtained results of fluorescence and CD spectroscopy, most likely, the strengthening of hydrogen bonds leads to conformational rearrangements in the BSA (bovine serum albumin) molecule. Loss of alpha helicity percent indicates changes in the secondary structure of BSA. It is known that BSA has two tryptophan residues, one of them is located on the surface of the molecule, and the other is inside it. The main quenchers of tryptophan fluorescence are solvent (water) molecules, as well as tyrosine residues due to energy transfer by the dipole–dipole mechanism. It can be assumed that the decrease in the intensity of tryptophan fluorescence may be due to an increase in the availability of tryptophan residues to the solvent and an increase in the probability of energy transfer from tryptophan to tyrosine residues. Thus, the performed optical studies indicate a modification of the BSA structure in a medium with a deuterium concentration of 487 ppm.

On the basis of the conducted studies, it can be concluded that in rats, when water with a high deuterium content (750 ppm) is consumed, both a decrease in the intensity of free radical processes in the blood and hepatocytes and an increase in the antioxidant potential in liver tissues are observed, including due to increasing the content of low molecular weight thiol antioxidants. The data obtained in the work indicate an increase in the functional activity of the prooxidant-antioxidant link of the body's nonspecific defense system against the background of a drinking diet with a fivefold increase in deuterium.

Thus, an increase in the deuterium content to 750 ppm in the diet of mammals, i.e. level similar to Martian glaciers, has a biological effect at the tissue and molecular level, activating the antioxidant system of mammals. The results presented in the paper do not give full grounds to assert that the Martian glaciers are suitable for life on this planet. This study paves the way for further study of the biological effects of relatively high concentrations of deuterium, corresponding to its content in ice caps at the poles of Mars (from 700 to 1000 ppm), and understanding the possibility of its colonization.

This work was supported by the grant of the SSC RAS No. 122020100351-9.

1. Basov A., Fedulova L., Vasilevskaya E., Dzhimak S. Possible Mechanisms of Biological Effects Observed in Living Systems during 2H/1H Isotope Fractionation and Deuterium Interactions with Other Biogenic Isotopes. Molecules. 2019; 24(22):4101. Doi: 10.3390/molecules24224101

2. Lobyshev V.I., Kalinichenko L.P. D2O isotope effects in biological systems (Nauka, Moscow, 1978).

3. Kravtsov A., Kozin S., Basov A., et al. Reduction of Deuterium Level Supports Resistance of Neurons to Glucose Deprivation and Hypoxia: Study in Cultures of Neurons and on Animals. Molecules. 2022, 27(1):243. doi: 10.3390/molecules27010243.

4. Basov A.A., Kozin S.V., Bikov I.M., et al. Changes in prooxidant-antioxidant system indices in the blood and brain of rats with modelled acute hypoxia which consumed a deuterium-depleted drinking diet. Biol. Bull. 2019, 46, 531–535.

5. Kozin S., Skrebitsky V., Kondratenko R., et al. Electrophysiological activity and survival rate of rats nervous tissue cells depends on D/H isotopic composition of medium. Molecules 2021, 26, 2036. Doi:10.3390/molecules26072036

6. Kozin S.V., Kravtsov A.A., Churkina A.V., et al. Changes in the functional activity of horseradish peroxidase and bovine serum albumin in media with different isotope 2H/1H compositions. biophysics. 2020. V. 65. No. 2. S. 195-201.DOI:10.1134/S0006350920020098