Боковые ветви эволюционной теории

Ошибались не только те, кто отрицал теорию эволюции, но и те, чей энтузиазм распространял ее на области, где она неприложима. Так, английский философ Герберт Спенсер (1820–1903), который пришел к идее эволюции еще до опубликования книги Дарвина, пытался с ее помощью объяснить развитие человеческого общества и его культуры, став пионеромсоциологии.

Развитие человеческого общества Спенсер рассматривал как переход от однородного, простого уровня до современного разнородного и сложного состояния. Оперируя терминами «эволюция», «выживание наиболее приспособленного», Спенсер пытался доказать, что непременным спутником эволюционного прогресса в обществе является соревнование человеческих индивидуумов, при котором слабые неизбежно терпят неудачу. Спенсер не учитывал огромной роли в развитии человеческого общества взаимопомощи, заботы о больных и престарелых.

Учение Спенсера сыграло свою отрицательную роль в истории. Накануне первой мировой войны в руках националистов и милитаристов оказалась теория, утверждавшая, что война — это «благо», так как она обеспечивает выживание наиболее приспособленных.

К счастью, теперь уже не существует романтических иллюзий относительно последствий грязных войн.

Английский антрополог Фрэнсис Гальтон (1822–1911), двоюродный брат Чарлза Дарвина, положил начало другому направлению. Заинтересовавшись вопросами наследственности, он первым отметил важность изучения однояйцовых близнецов, наследственные задатки которых следует считать одинаковыми, а различия — приобретенными под влиянием внешней среды.

Изучая частоту проявления высоких умственных способностей в отдельных семьях, Гальтон получил данные, доказывавшие их наследуемость. В связи с этим он предположил, что путем соответствующей селекции умственные способности и другие желательные качества человека можно усилить, а нежелательные — устранить. Науку о методах, с помощью которых можно наилучшим образом осуществить такой контроль, он назвал в 1883 г. евгеникой. Однако чем глубже познается механизм наследования, тем меньше биологи верят в возможности целенаправленного разведения для улучшения расы людей. Это очень сложная проблема. Хотя евгеника на вполне законных основаниях остается отраслью биологии, не следует забывать, что находятся и такие далекие от науки люди, которые используют ее язык для пропаганды расизма.

Глава VII
У истоков генетики

Слабое место в теории Дарвина

Процесс передачи потомству родительских наследственных факторов долгое время оставался совершенно непонятным. Открытие в конце XVII в. сперматозоида вызвало целую дискуссию. Одни утверждали, что будущий зародыш целиком заключен в яйцеклетке и оплодотворение является лишь толчком к развитию. Другие настаивали на том, что будущий зародыш помещается в сперматозоиде, а яйцеклетка лишь обеспечивает его питание. Спорщики сходились на том, что носителем наследственных факторов является одна родительская особь.

Только в середине XVIII в. в результате наблюдений над детьми от смешанных браков у человека и исследования экстерьера мулов было установлено, что признаки наследуются от обоих родителей. Пьер Луи Моро Мопертюи (1698–1759) выдвинул теорию, согласно которой наследственные признаки у потомков формируются и определяются «семенными частицами» обоих родителей.

Даже в XIX в. еще не было правильного представления о наследственном механизме. Именно поэтому эволюционная теория так часто применялась неудачно. Спенсер считал возможным быстрое изменение человеческого поведения: Гальтону казалось весьма несложным усовершенствовать человеческую расу с помощью подбора производителей при размножении. Подобные воззрения биологов объяснялись, по сути дела, недостатком знаний о природе наследственного механизма. Это было самое слабое звено в теории Дарвина. Дарвин предполагал, что среди молодых особей любого вида наблюдается непрерывная случайная изменчивость, причем определенные изменения делают животных более приспособленными к окружающей среде. Так, жирафу тем легче прокормиться, чем длиннее у него шея.

Но где гарантия, что этот признак повторится у потомства? Вряд ли жираф выискивал особо длинношеего супруга, гораздо вероятнее, что ему пришлось встретиться с короткошеим. При скрещивании крайних вариантов происходит смешение признаков, так что у потомства длинношеего и короткошеего жирафов шея будет средней длины, — к такому убеждению привел Дарвина весь его опыт по разведению животных.

Иными словами, в результате случайного спаривания все полезные и приспособительные признаки, которые проявляются при случайной изменчивости, усредняются. Раз естественному отбору нечего «отбирать», то и эволюционных изменений происходить не будет.

Попытки биологов объяснить это явление оказались безуспешными. Немецкий ботаник Карл Вильгельм Негели (1817–1891) прекрасно сознавал, как сложно найти четкое обоснование «усреднения» и его последствий. Он предположил, что эволюционные изменения направляются в определенную сторону каким-то внутренним толчком.

Так, судя по палеонтологическим данным, предками лошадей были животные величиной с собаку, имевшие по четыре копытца на каждой стопе. С течением времени эти животные становились крупнее и утрачивали одно копытце за другим, пока не превратились в современную крупную однокопытную лошадь. Негели предполагал, что побудительным фактором этого процесса было действие некой внутренней силы. Если бы она действовала и дальше, лошади могли бы стать слишком крупными и неуклюжими и, следовательно, беззащитными против врагов; им грозило бы постепенное вымирание.

Эта теория носит название теории ортогенеза. Современные биологи ее отвергают. Как мы увидим дальше, приверженность Негели к этой теории неожиданно принесла скверные плоды.

Горох Менделя

Проблема была решена благодаря трудам чешского натуралиста Грегора Иоганна Менделя (1822–1884). Мендель занимался и математикой и ботаникой. Начиная с 1856 г. он в течение девяти лет изучал наследственные признаки гороха, используя статистические приемы обработки результатов.

Ученому нужна была полная уверенность, что наследуются признаки только одного родителя, поэтому он очень тщательно проводил самоопыление различных растений, аккуратно собирал с каждого самоопыленного растения семена, отдельно высаживал их и изучал новое поколение.

В результате этих опытов Мендель обнаружил, что горошины от карликовых растений и в первом и в последующих поколениях дают только карликовые растения. Таким образом, карликовые растения чистосортны.

Высокорослые растения вели себя по-разному. Некоторые (более трети) оказались чистосортными и поколение за поколением давали высокие растения. Часть остальных семян давала высокие, а часть — карликовые растения, причем высокорослых всегда получалось в два раза больше, чем карликовых. Очевидно, имелось два типа высоких растений — чистосортные и нечистосортные.

Мендель пошел дальше. Он скрестил карликовые растения с чистосортными высокорослыми и обнаружил, что из каждого гибридного семени вырастает высокое растение. Казалось бы, признаки карликовости исчезли.

Произведя затем самоопыление каждого гибридного растения, Мендель изучил полученные семена. Все гибридные растения оказались нечистосортными. Около одной четверти горошин дали карликовые растения, одна четверть — чистосортные высокорослые, а оставшаяся половина — нечистосортные высокорослые растения.

Мендель предположил, что каждое растение гороха несет два фактора, определяющих какой-либо признак, в данном случае — высоту. Один фактор содержится в пыльце, другой — в семяпочках. После оплодотворения новое поколение содержит уже оба фактора (по одному от каждого родителя, если произошло скрещивание двух растений). У карликовых растений имеются только факторы «карликовости»; при комбинации их путем перекрестного опыления или самоопыления получаются только карликовые растения. Чистосортные высокорослые растения содержат только факторы «высокорослости», и их комбинации дают только высокие растения.

 

 

Рис. 3. Схема, объясняющая опыты Менделя по скрещиванию высокорослых и карликовых растений гороха.

Вверху — скрещивание чистосортного высокорослого растения с карликовым, которое дает гибридные, или нечистосортные, высокорослые растения. Внизу — скрещивание между собой гибридных растений первого поколения, которое дает чистосортные высокорослые растения, гибридные высокорослые растения и карликовые растения в отношении 1:2:1. Фактор карликовости обозначается буквой к, так как он рецессивен, а соответственный ему доминантный фактор высокорослости — К.

 

Когда чистосортные высокие растения скрещиваются с карликовыми, факторы «высокорослости» и «карликовости» комбинируются и следующее поколение оказывается гибридным. Все гибриды будут высокими, так как фактор «высокорослости» является доминантным, маскирующим действие фактора «карликовости». Последний, однако, не исчезает, а сохраняется.

Такие гибриды не будут вести себя как чистосортные, потому что содержат оба фактора, комбинации которых определяет чистая случайность. Фактор «высокорослости» может комбинироваться с другим фактором «высокорослости», тогда появится чистосортное высокорослое растение. Так произойдет в одной четверти случаев. В другой четверти фактор «карликовости» в комбинации с другим фактором «карликовости» дает карликовое растение. В оставшейся половине фактор «высокорослости» сочетается с фактором «карликовости» или фактор «карликовости» — с фактором «высокорослости»; при этом получаются высокорослые нечистосортные растения.

Мендель показал, что наследование любого признака можно объяснить таким же образом, причем для всех изученных им признаков скрещивание двух крайностей не приводило к смешению наследственности — каждый вариант сохранялся без изменения; если он исчезал в одном поколении, то появлялся в следующем.

Все это имело немаловажное значение для эволюционной теории (хотя сам Мендель никогда не думал о приложении к ней своих идей), так как позволяло сделать следующий вывод. Случайные вариации, в течение какого-то промежутка времени возникающие внутри вида, в конечном счете не усредняются, а исчезают и проявляются вновь, пока их в полной мере не использует естественный отбор.

Причина, по которой унаследованные признаки часто выглядят промежуточными, состоит в том, что при скрещивании растений и животных большинство признаков обычно является комбинацией нескольких факторов. Различные компоненты наследуются независимо, но в то же время по принципу «да» или «нет». Среднее количество «да» или «нет» определяет появление промежуточного признака.

Открытия Менделя касались и евгеники. Искоренять нежелательные признаки оказалось не так легко, как представлялось вначале. Не проявившись в одном поколении, они могут обнаружиться в следующем. Размножение, сопровождаемое отбором, — процесс более тонкий и более продолжительный, чем думал Гальтон.

Однако мир был еще не подготовлен к тому, чтобы оценить эти факты. Тщательно описав результаты своих экспериментов, Мендель решил заинтересовать какого-нибудь известного ботаника, чтобы заручиться его поддержкой. Поэтому в начале 60-х годов XIX в. он переслал свои работы Негели. Тот прочел рукопись и отозвался весьма холодно. Теория, основанная на подсчетах растений гороха, не произвела на него никакого впечатления. Он предпочитал туманный и многословный мистицизм, который так характерен для его собственного учения об ортогенезе.

Неудача обескуражила Менделя. В 1866 г. он опубликовал свою статью, но исследований уже не продолжал. Да и статья не обратила на себя особого внимания, поскольку Негели не поддержал Менделя. Менделя с полным правом можно назвать основателем учения о механизмах наследственности, которое теперь называется генетикой, но в то время никто этого не предполагал, в том числе и он сам.

Мутации

Во второй половине XIX столетия возникла другая проблема, связанная с развитием эволюционных идей. В результате новейших открытий, сделанных физиками, появилось неожиданное представление о значительно меньшей длительности истории Земли. С провозглашением закона сохранения энергии возник вопрос об источнике солнечной энергии. О радиоактивности и ядерной энергии стало известно много позже, так что в течение XIX в. не было дано удовлетворительных доказательств того, что Солнце пребывало в его теперешнем состоянии на протяжении по крайней мере десятков миллионов лет.

Для эволюции по дарвиновскому типу времени было явно недостаточно, и некоторые биологи, в том числе Негели и Келликер, предположили, что эволюция идет скачками. Хотя потом выяснилось, что масштаб времени определен неправильно, мысль о скачкообразности эволюционного процесса все же оказалась плодотворной.

Голландский ботаник Гуго де Фрис (1848–1935) также принадлежал к тем, кто заговорил о скачках в эволюции. Как-то на заброшенном лугу ему попалась на глаза заросль ослинника — растения, незадолго до этого завезенного в Нидерланды из Америки. Наблюдательный глаз ботаника отметил, что некоторые из этих растений резко отличались по внешнему виду, хотя и происходили, вероятно, от общего предка.

Он перенес ослинник в сад, стал разводить каждую форму отдельно и постепенно пришел к выводам, которые за много лет до него сделал Мендель: индивидуальные свойства передаются из поколения в поколение, не претерпевая смешения и усреднения; время от времени появляются новые признаки, заметно отличающие эти растения от других и сохраняющиеся в следующих поколениях. Де Фрис назвал такие внезапные изменения мутациями (от латинского mutatio — изменение) и решил, что он наблюдает скачкообразно протекающую эволюцию вида. В действительности мутации ослинника не были связаны с изменениями самих наследственных факторов.

Вскоре, однако, были изучены и настоящие мутации. Подобные явления уже давно были известны пастухам и фермерам, часто наблюдавшим появление уродств и всякого рода отклонений от нормального типа. Некоторые такие отклонения даже использовались в сельскохозяйственной практике. Например, мутация «коротконогости» овец появилась в Новой Англии в 1791 г. Короткие ноги не позволяли овцам перепрыгивать даже через очень низкую изгородь. Этих овец начали усиленно разводить и оберегать. Но пастухи, как правило, не делают теоретических выводов из своих наблюдений, а ученые, к сожалению, часто незнакомы с практическим скотоводством.

И только благодаря де Фрису эти явления наконец предстали перед научным миром. Около 1900 г., готовясь к опубликованию своих открытий и просматривая старые работы, посвященные этой проблеме, ученый, к своему удивлению, обнаружил статью Менделя тридцатилетней давности.

Независимо от де Фриса еще два ботаника — немец Карл Эрих Корренс (1864–1933) и австриец Эрих Чермак (род. в 1871 г.) — в один и тот же год пришли к весьма сходным выводам. И каждый из них, просматривая предшествующие работы, обнаружил статью Менделя.

Все трое, де Фрис, Корренс и Чермак, опубликовали свои работы в 1900 г., и каждый, ссылаясь на работу Менделя, оценивал свои исследования как простое подтверждение его выводов. Поэтому мы и говорим теперь о менделевских законах наследственности. Эти законы в сочетании с открытием де Фриса дают картину возникновения и сохранения вариаций. Так было устранено слабое место в теории Дарвина. А после того, как английский ученый Рональд Фишер (1890–1962) в своей книге «Генетическая теория естественного отбора» (1930) показал, что дарвиновская теория отбора и менделевская генетика должны быть сведены в единую теорию эволюции, были достигнуты заметные успехи. В позднейших работах англичанина Джулиана Хаксли (род. в 1887 г.) и американца Джорджа Гейлорда Симпсона (род. в 1902 г.) показано, что отбор — более важный фактор эволюционного процесса, чем мутации.

Хромосомы

К 1900 г. менделевские законы приобретают гораздо большее значение в связи с новыми важными открытиями в области изучения клеток.

В XVIII и в начале XIX столетий немногое можно было разглядеть в клетке, даже пользуясь усовершенствованным микроскопом. Клетка представляет собой довольно прозрачное тело и при наблюдениях имела вид более или менее резко очерченной капли. Биологам приходилось довольствоваться описанием ее внешней формы и размеров. Правда, иногда удавалось разглядеть в центре клетки несколько более плотное тело (теперь его называют клеточным ядром). В 1831 г. шотландский ботаник Роберт Браун (1773–1858) впервые предположил, что оно обязательно для каждой клетки.

Семью годами позднее Шлейден в своей клеточной теории отводит ядру клетки весьма серьезную роль. Он связывает его с клеточным размножением, считая, что новые клетки отпочковываются от поверхности ядра. К 1846 г. Негели удалось доказать, что это неверно. Однако интуиция лишь частично подвела Шлейдена: ядро действительно связано с размножением клетки. Но исследование роли ядра требовало новой техники, которая позволила бы заглянуть внутрь клетки.

Такую технику принесла органическая химия. Вслед за Бертло химики-органики быстро научились изготовлять органические вещества, не существующие в природе, — многие из них обладали яркой окраской. С 50-х годов XIX в. начался бурный рост производства синтетических красителей.

Если считать содержимое клетки неоднородным, можно предположить, что отдельные ее части будут по-разному реагировать с различными химическими веществами. В результате обработки красителями некоторые части клетки окрасятся, а другие останутся бесцветными. Невидимые до тех пор детали благодаря окраске станут доступными наблюдению.

Можно рассказать о многих биологах, экспериментировавших в этом направлении, но наиболее выдающихся успехов достиг немецкий цитолог Вальтер Флемминг (1843–1905). Он исследовал тонкое строение клетки животных и с помощью разработанных им методов фиксации и окраски обнаружил, что частицы, разбросанные внутри клеточного ядра, представляют собой образования, которые хорошо абсорбируют краситель, отчетливо выделяясь на бесцветном фоне. Флемминг назвал содержимое этих окрашивающихся частиц хроматином (от греческого chröma — окраска).

Обрабатывая срезы растущей ткани, Флемминг, конечно, убивал клетки, причем каждая из них фиксировалась на той или иной стадии процесса деления. В 70-х годах XIX в. Флеммингу удалось выявить картину изменений хроматинового материала на всех этапах клеточного деления. Он обнаружил, что в начале процесса хроматиновый материал сливается, формируя короткие нитевидные образования, которые впоследствии получили название хромосом (от греческих chroma — окраска, soma — тело). Поскольку эти нитевидные хромосомы были типичны для процесса деления клетки, Флемминг назвал весь процесс митозом (от греческого mitos — нить). В клетке имеется небольшое тельце, носящее название центриоль, — оно напоминает звезду с расходящимися во все стороны лучами. Центриоль делится на две части, которые расходятся к противоположным концам клетки. Тонкие лучи, идущие от одной центриоли к другой, как бы опутывают хромосомы, группирующиеся в плоскости, проходящей через центр клетки.

 

 

Рис. 4. Митоз в клетке гипотетического животного.

А — стадия покоя; Б — ранняя профаза (центриоль разделилась, появляются хромосомы); В — более поздняя профаза (хромосомы раздвоились, но еще остаются связанными); Г — поздняя профаза (ядерная оболочка растворилась, имеется веретено); Д — метафаза (хромосомы расположились по экватору веретена); Е — анафаза (хромосомы движутся к полюсам); Ж — телофаза (образовались ядерные оболочки, хромосомы удлиняются, начинается деление цитоплазмы); З — дочерние клетки (стадия покоя). 1 — центриоль; 2 — ядрышко; 3 — хроматин.

 

Критический момент клеточного деления наступает, когда хромосома воссоздает свою собственную копию. Сдвоенные хромосомы растягиваются в противоположные стороны: одна хромосома каждой пары — в один конец клетки, другая — в другой; после этого клетка делится — в центре образуется перегородка. Каждая из двух новых дочерних клеток благодаря удвоению хромосом содержит такое же количество хроматина, какое было в исходной материнской клетке. Эти наблюдения Флемминг опубликовал в 1882 г.

В 1887 г. бельгийский цитолог Эдуард ван Бенеден (1846–1910) наглядно показал две важные особенности хромосом. Во-первых, число хромосом в различных клетках организма постоянно, то есть каждый вид характеризуется определенным хромосомным набором (например, каждая клетка человека имеет 46 хромосом). Во-вторых, при образовании половых клеток — яйцеклетки и сперматозоида — в одном из делений не происходит удвоения хромосом. Следовательно, каждое яйцо и сперматозоид получают только половину типичного для вида количества хромосом.

Второе рождение менделевского закона заставило по-новому взглянуть на исследования хромосом. В 1902 г. американский цитолог Уолтер Саттон (1876–1916) обратил внимание на то, что хромосомы ведут себя подобно менделевским наследственным «факторам»: каждая клетка имеет постоянное число пар хромосом. Они, видимо, несут в себе способность передавать физические признаки от клетки к клетке, так как в каждом клеточном делении число хромосом строго сохраняется; каждая хромосома создает копию (реплику) самой себя для использования ее в новой клетке.

В оплодотворенной яйцеклетке, образовавшейся от слияния яйца и сперматозоида, восстанавливается прежнее число хромосом. При прохождении последовательных стадий деления в оплодотворенной яйцеклетке число хромосом опять строго сохраняется вплоть до образования самостоятельно живущего организма. Однако не следует забывать, что в новом организме одна хромосома из каждой пары получена от матери (через яйцеклетку), а другая — от отца (через сперматозоид). Это перемешивание хромосом, происходящее в каждом поколении, может вывести на свет рецессивные признаки, ранее подавленные доминантными. Новые комбинации в дальнейшем создают все новые вариации признаков, которые и «подхватываются» естественным отбором.

Казалось, на заре XX столетия наступил небывалый расцвет эволюционного учения и генетики, но это было лишь прелюдией к новым, еще более поразительным достижениям.

Глава VIII
Конец витализма

Азот и диета

Дарвиновская теория эволюции, казалось бы, могла послужить основой стройного мировоззрения. Однако, если взглянуть внимательнее, она еще больше подчеркнула таинственность жизни. С самого возникновения живое, преодолевая противодействие среды, неудержимо стремится к все большей сложности и производительности. В этом живое никак нельзя сравнить со стабильной неживой природой. Вновь образующиеся горы являются лишь повторением тех, что существовали в другие эпохи; жизненные формы, возникающие в процессе эволюции, всегда новы, всегда отличаются от предшествовавших. Таким образом, теория Дарвина на первый взгляд как бы подтверждала представление виталистов об огромном барьере между живым и неживым. Витализм вновь стал популярен во второй половине XIX в.

В XIX в. главным вызовом витализму были достижения химиков-органиков. Оборону против этого натиска виталисты пытались строить на молекуле белка и почти до конца века довольно успешно защищали свои позиции.

Молекула белка чрезвычайно занимала биохимиков. Огромное значение белка в жизни организмов впервые показал французский физиолог Франсуа Мажанди (1783–1855). Нехватка пищевых ресурсов, небывалое ухудшение жизни народов после наполеоновских войн привели к тому, что правительства ряда стран создали комиссию под руководством Мажанди для исследования вопроса, возможно ли получить полноценную пищу из чего-либо дешевого и доступного, вроде желатина. В опытах Мажанди (1816) с кормлением собак пищей, в которой отсутствовал белок (диета состояла из сахара, оливкового масла и воды), животные погибали от голода. Выяснилось, что одних калорий недостаточно и белок — необходимый компонент пищи. Далее обнаружилось, что не все белки одинаково полезны: если желатин был единственным белком в рационе, собаки все же погибали. Эти работы положили начало современнойдиететике — науке о питании и его действии на организм.

Белки в отличие от углеводов и жиров содержат азот. Поэтому внимание ученых сосредоточилось на азоте, как на необходимой составной части живого организма. В 40-х годах XIX в. французский химик Жан Батист Буссенго (1802–1887), изучая потребность растений в азоте, нашел, что некоторые растения, например бобовые, не только прекрасно растут на почве, не содержащей азота, но и заметно увеличивают его содержание в организме. Буссенго предположил, что растения берут азот из воздуха. Теперь мы знаем, что азот из воздуха поглощают не сами растения, а определенные азотфиксирующие бактерии, живущие в особых клубеньках на корнях растений. Буссенго своими дальнейшими опытами доказал, что животные не могут усваивать азот из воздуха, а получают его только с пищей. Уточнив в деталях исследования Мажанди, которые носили скорее качественный, чем количественный, характер, Буссенго подсчитал содержание азота в пище и показал прямую зависимость скорости роста организма от количества усваиваемого азота. Он заключил, что наиболее богатые азотом корма самые ценные. Однако при одинаковом содержании азота одна пища оказывалась более эффективной для роста, чем другая. Отсюда было сделано единственно возможное заключение: ценность белков в питательном отношении различна. Причина этого отличия оставалась неясной до конца века. К 1844 г. Буссенго чисто эмпирически определил относительную ценность различной пищи в зависимости от содержания белка.

В последующем десятилетии исследования Буссенго продолжал немецкий химик Юстус Либих (1803–1873), который детально разработал учение о полноценности пищи. Либих был сторонником материализма и с этих позиций подошел к разрешению проблем сельского хозяйства. Он полагал, что причиной падения плодородия почвы, использовавшейся в течение ряда лет, является ее постепенное обеднение минеральными солями. Растения должны поглощать из растворимых соединений почвы необходимые для роста небольшие количества натрия, калия, кальция и фосфора. С незапамятных времен для поддержания плодородия почвы в нее вносили навоз. Но Либих не расценивал это как добавление чего-то «витального», он считал, что навоз дает почве лишь те неорганические вещества, которые были утрачены. А почему бы не вносить в почву чистые минеральные вещества и таким образом избавиться от дурного запаха?

Либих был первым, кто способствовал широкому внедрению в земледелие минеральных удобрений. Вначале Либиха преследовали неудачи, так как он слишком полагался на данные Буссенго. Но когда он понял, что большинство растений получают азот из растворимых азотсодержащих соединений (нитратов) почвы, и ввел их в свои смеси, ему удалось получить весьма эффективные удобрения. Буссенго и Либих, таким образом, явились создателями агрохимии.

Калориметрия

Либих, как последовательный материалист, полагал, что углеводы и жиры служат топливом для организма. Это было явным прогрессом по сравнению со взглядами Лавуазье, жившего полстолетия назад. Если Лавуазье говорил только об углероде и водороде, теперь можно было говорить о более специфических соединениях — углеводах и жирах, состоящих из углерода и водорода (плюс кислород).

Естественно, воззрения Либиха побудили многих ученых попытаться определить, равно ли количественно тепло, полученное организмом от такого «топлива», теплу, получаемому при сжигании углеводов и жиров вне организма. Грубые опыты Лавуазье давали положительный ответ на этот вопрос. Однако значительное усовершенствование техники измерений требовало проверки данных. В 60-х годах XIX столетия Бертло для определения количества тепла, выделяемого при сжигании, использовал прибор калориметр. Сжигаемое вещество смешивали в закрытой камере с кислородом и смесь взрывали, поджигая электричеством. Камера находилась в водяной бане. По повышению температуры воды и определялось количество выделившегося тепла.

Для определения количества тепла, образующегося в организме, надо было построить калориметр достаточно больших размеров, чтобы поместить в нём живой организм. По количеству выделяемой организмом углекислоты и потребляемого им кислорода можно рассчитать количество углеводов и жиров, которое сжигает организм. Тепло, выделяемое организмом, определяется измерением температуры окружающего калориметр водяного кожуха. Количество этого тепла сопоставляется с количеством тепла, которое можно получить от сгорания того же количества углеводов и жиров вне организма.

Немецкий физиолог Карл Фойт (1831–1908), ученик Либиха, вместе с немецким гигиенистом Максом Петтенкофером (1818–1901) построили калориметр достаточно большой, чтобы помещать в него животных и даже человека. Результаты их экспериментов подтвердили, что у живых тканей нет других энергетических источников, кроме тех, которые имеются и в неживом мире. Ученик Фойта Макс Рубнер (1854–1932) продолжил исследования и экспериментально доказал приложимость закона сохранения энергии к организму животного. Сравнивая количество азота, содержащегося в моче и фекалиях, с количеством его в пище, которой кормили подопытных животных, он показал (1884), что углеводы и жиры не могут быть единственным топливом, поступающим в организм. Молекулы белка после отщепления азотсодержащей части также могут использоваться как топливо. Учитывая белок как источник энергии, Рубнер смог получить более точные данные. К 1894 г. он установил, что энергия, выделяемая пищевыми продуктами в организме, точно равна энергии, которую можно получить при сжигании этих продуктов вне организма (с учетом количества энергии, содержащейся в моче и фекалиях).

Итак, закон сохранения энергии справедлив как для неживого мира, так и для живого. Открытие этого закона нанесло сокрушительный удар по виталистическим воззрениям.

Новые количественные методы нашли применение и в медицине. Немецкий физиолог Адольф Магнус-Леви (1865–1955) определил нижний уровень энергетического обмена у человека (темп основного обмена веществ — ООВ). Магнус-Леви нашел при этом значительные изменения ООВ при заболеваниях, связанных с щитовидной железой. С этого времени измерение ООВ стало важным методом диагностики.

Брожение

Успехи калориметрии во второй половине XIX в. не затронули, однако, самых основ витализма. И человек и скала, на которой он стоит, материальны. Но между формами этих материй — непреодолимая грань, отделяющая органическую материю от неорганической. Когда оказалось, что эта грань стирается, виталисты ухватились за белок. Кроме того, признав доступность для живого энергии неживого мира, они были убеждены, что методы использования этой энергии в корне отличны.

Так, горение вне организма сопровождается выделением большого количества тепла и света; процесс протекает стремительно. При сгорании пищи в организме образуется небольшое количество тепла и свет не выделяется. Температура организма в норме держится около 36,8°, горение протекает медленно и прекрасно регулируется. Когда химик пытается воспроизвести в лаборатории реакцию, характерную для живых тканей, он вынужден прибегать к сильнодействующим средствам — высокой температуре, электрическому току, сильным химическим реактивам, — в которых живые ткани не нуждаются.

Не в этом ли основное отличие живого от неживого? Либих считал, что это не так, и в качестве примера приводил брожение. С доисторических времен человечество сбраживало соки из фруктов и замачивало зерно для изготовления вина и пива. Люди использовали закваски, или дрожжи (как их чаще называют), для изготовления теста. Тесто поднималось, в нем образовывались пузырьки. Хлеб получался мягким и вкусным.

В этот процесс вовлечены органические вещества. Сахар или крахмал превращается в спирт, а это напоминает реакции, протекающие в живых тканях. Однако при брожении не требуется сильнодействующих реактивов или других средств. Оно протекает при комнатной температуре в спокойном, медленном темпе. Либих видел в брожении чисто химический процесс, протекающий без участия некой «жизненной силы», и настаивал на том, что он подобен превращениям в живом организме, однако идет без участия живого.

Надо заметить, что еще со времен Левенгука было известно, что дрожжи состоят из шариков, не обнаруживающих признаков жизни. В 1836 и 1837 гг. биологам, в том числе Шванну, удалось заметить у дрожжей процесс почкования, приводящий к образованию новых шариков, что было явным признаком жизни. Биологи заговорили о дрожжевых клетках, однако Либих отверг эти представления.

В защиту живой природы дрожжей выступил французский ученый Луи Пастер (1822–1895). В 1856 г. французские виноделы пригласили его на консультацию. Вино и пиво при долгом хранении часто прокисали, принося миллионные убытки. Не могли бы химики помочь?

Пастер обнаружил довольно любопытную закономерность: хорошо сохранившиеся вино и пиво содержали крошечные круглые дрожжевые клетки. А если жидкость прокисала, дрожжевые клетки были удлиненными. Итак, ясно: существует два типа дрожжей — образующие спирт и вызывающие медленное скисание вина. Слабое нагревание убивало дрожжевые клетки и останавливало процесс. Если это делать в нужный момент, после того как спирт уже образовался, но скисание еще не началось, вино можно сохранить. Практика подтвердила выводы Пастера.

При изучении этого процесса Пастер выяснил два момента. Первый: дрожжевые клетки — живые организмы, поскольку слабое нагревание разрушает их способность вызывать брожение; клетки остаются, они не разрушаются, но в них убита жизнь. Второй: только живые дрожжевые клетки вызывают брожение. Спор между Пастером и Либихом закончился полной победой Пастера и витализма.

Вслед за этим Пастер поставил свой знаменитый опыт по самопроизвольному зарождению — теме, укреплявшей позиции витализма еще со времен Спалланцани. Религиозные лидеры, разумеется, приветствовали опровержение теории самопроизвольного зарождения, поскольку зарождение жизни на Земле можно было приписать только богу. Как раз материалисты середины XIX в. горячо отстаивали идею самопроизвольного зарождения. Спалланцани показал, что, если стерилизовать мясной бульон и изолировать его от загрязнений, в нем не появится никаких форм жизни. На этом строился вывод: тепло разрушило всякое жизненное начало в воздухе герметически закрытого сосуда.

Пастер поставил опыт (1860) так, чтобы обычный ненагретый воздух не был изолирован от мясного бульона: кипяченый и простерилизованный бульон он оставил открытым в комнатной атмосфере. Бульон находился в колбе с длинной вытянутой горловиной, профиль которой напоминал лежащую на боку букву S. Ненагретый воздух свободно проникал в колбу, а загрязняющие частицы оседали на дне этой S-образной горловины и не попадали в колбу. При таких условиях организмы в мясном бульоне не размножались, но, если горловину удаляли, быстро наступало загрязнение. Таким образом, отпал вопрос о нагретом и ненагретом воздухе, о «жизненном начале», разрушенном и неразрушенном. Суть дела заключалась в том, что в бульон попадала пыль, частично состоящая из взвешенных в воздухе микроорганизмов, которые росли и размножались в бульоне.

В 50-х годах XIX в. немецкий врач Рудольф Вирхов, которого считают основоположником современной патологической анатомии, науки об изменении тканей в результате болезни, продолжил исследования. Он изучал пораженные болезнью ткани и доказал применимость клеточной теории к тканям как здорового, так и больного организма. Клетки тканей, пораженных болезнью, происходят от нормальных клеток здоровых тканей. При этом не наблюдается какого-либо нарушения преемственности, скажем возникновения ненормальных клеток из неизвестного начала. В 1855 г. Вирхов сформулировал основное положение своей клеточной теории: «Всякая клетка происходит из клетки путем деления».

Таким образом, Вирхов и Пастер совершенно ясно показали, что каждая клетка, будь то самостоятельный организм или часть многоклеточного, произошла от ранее существовавшей клетки. Никогда еще живое не казалось столь четко и необратимо отграниченным от неживого. Никогда еще позиции витализма не казались столь прочными.

Ферменты

Если в живом организме происходят химические превращения, которые не могут осуществляться в неживой природе, они должны совершаться с помощью каких-то материальных средств (в XIX в. уже трудно было ссылаться на сверхъестественное). Природа этих материальных средств постепенно прояснялась.

Еще в XVIII в. химики обнаружили, что реакцию иногда можно ускорить введением веществ, которые, по всей видимости, не принимают в ней участия. В начале XIX в. эти наблюдения привлекают особое внимание. В 1811 г. русский химик Константин Сигизмундович Кирхгоф (1764–1833) показал, что крахмал, прокипяченный с раствором кислоты, расщепляется до простого сахара — глюкозы, чего не происходит в отсутствие кислоты. Кислота, казалось, не принимала участия в реакции, так как не расходовалась в процессе расщепления.

В 1817 г. английский химик Гемфри Дэви (1778–1829) открыл способность паров спирта и эфира окисляться на платине при комнатной температуре. Платина, конечно, не участвовала в реакции.

Эти и другие примеры привлекли внимание Берцелиуса, и он назвал (1835) явление ускорения реакции в присутствии веществ, остающихся в конце реакции неизменными, катализом (от греческого katalysis — растворение, распад), что, вероятно, относилось к процессу расщепления крахмала, катализируемого кислотой.

Спирт обычно горит в кислороде, только будучи нагретым до высокой температуры, при которой воспламеняются его пары. В присутствии платинового катализатора эта реакция протекает без предварительного нагревания. Казалось вероятным, что химические процессы в живых тканях могут протекать при очень мягких условиях, потому что в тканях присутствуют различные катализаторы, которых не существует в неживой природе.

Действительно, в 1833 г., незадолго до работ Берцелиуса, французский химик Ансельм Пэйян (1795–1871) экстрагировал из проросшего ячменя вещество, которое расщепляло крахмал до сахара даже быстрее, чем кислота. Он назвал это вещество диастазой. Диастаза и другие подобные вещества были названы ферментами, поскольку превращение крахмала в сахар является одним из первичных этапов ферментации зерна.

Вскоре были выделены ферменты и из животных организмов. В числе первых был фермент желудочного сока. Еще Реомюр установил, что переваривание пищи — химический процесс. А в 1824 г. английский врач Уильям Праут (1785–1850) выделил из желудочного сока соляную кислоту. Соляная кислота — чисто неорганическое вещество, поэтому ее выделение было неожиданным для химиков. В 1836 г. Шванн, один из основателей клеточной теории, получил экстракт желудочного сока, не содержащий соляной кислоты и значительно интенсивнее, чем кислота, разлагающий мясо. Это вещество, которое Шванн назвал пепсином (от греческого pepsis — пищеварение), было истинным ферментом.

Список открываемых ферментов расширялся. Уже во второй половине XIX в. стало совершенно ясно, что ферменты являются катализаторами, только если речь идет о живых тканях; благодаря им организм осуществляет то, что недоступно экспериментатору. Итак, белки продолжали оставаться щитом для виталистов, так как много данных свидетельствовало о белковой природе ферментов (хотя до XX в. это и не было точно доказано). Однако в позиции виталистов обнаружилось слабое место: ферменты действовали как внутри клетки, так и вне ее. Ферменты, выделенные из желудочного сока, производили расщепление пищи в пробирке. Казалось, если бы удалось создать образцы всех ферментов, можно было бы воспроизвести в пробирке любую реакцию, протекающую в живом организме, без вмешательства живого, поскольку ферменты сами по себе (по крайней мере изученные) не являются живыми. Более того, они подчиняются тем же законам, что и неорганические катализаторы, такие, как кислоты или платина.

Виталисты вынуждены были признать, что ферменты желудочного сока продолжают свою деятельность вне клетки: ведь желудочный сок можно налить в пробирку. Однако, говорили они, есть и такие ферменты, которые проявляют активность, только находясь в клетке. Эти ферменты лежат вне компетенции химиков. Виталисты разделили ферменты на два класса: «неорганизованные», например пепсин, которые могли быть выделены из живой клетки и осуществляли свое каталитическое действие вне клеток, и «организованные», действие которых, как предполагалось, неотделимо от жизнедеятельности живых клеток.

Первую группу ферментов немецкий физиолог Вильгельм Кюне (1837–1900) в 1878 г. предложил называть энзимами (от греческих en — в, zumé — дрожжи). Для вторых было сохранено название ферменты.

В 1897 г. работы немецкого химика Эдуарда Бухнера (1860–1917) неожиданно подорвали виталистическую позицию. Отфильтровав перетертую до полного разрушения массу дрожжей, Бухнер получил свободный от живых клеток дрожжевой сок и, чтобы он не загрязнялся микробами, добавил в него концентрированный раствор сахара. Бухнер ожидал, что этот сок не будет обладать ферментативной способностью. Каково же было его удивление, когда он обнаружил, что сахар подвергается медленному брожению. Он ставил опыт за опытом, убивая дрожжевые клетки спиртом, — результат был один: мертвые клетки сбраживали сахар так же хорошо, как и живые.

К концу XIX в. стало совершенно ясно, что все ферменты, как «организованные», так и «неорганизованные», представляют собой мертвые вещества. Выделенные из клеток, они с успехом действуют в пробирке. Название энзимы отнесли ко всем ферментам, признав, что в клетках нет особых химических веществ, которые могут проявлять свою активность только в присутствии какой-то «жизненной силы».

Категорическое заявление Пастера, что брожение не может осуществляться без живых организмов, оказалось применимым лишь к процессам, происходящим в природе. Человек сумел так искусно обработать дрожжевые клетки, что, убив и разрушив их, оставил нетронутыми содержащиеся в них ферменты, — теперь брожение стало возможным и вне живого организма. Витализм потерпел наиболее серьезное поражение, чем когда-либо, однако окончательный его разгром был впереди. Предстояло еще многое узнать о белковой молекуле, — а не обнаружится ли где-нибудь проявление «жизненной силы»? В частности, пока не было снято еще одно заявление Пастера (и Вирхова) — о возникновении клеток от клеток, — человек еще не мог сказать, что он постиг суть жизни.

И все-таки виталисты теряли под собой почву. Некоторые биологи продолжали туманно говорить о каких-то проявлениях «жизненной силы» (и говорят об этом по сей день), но никто уже не принимает этого всерьез. Общепризнано, что жизнь подчинена законам, управляющим неживым миром, что в биологии не существует проблемы, которую нельзя было бы разрешить в лабораторных условиях, и нет такого жизненного процесса, который нельзя было бы воспроизвести вне живого организма.

Материалистическая точка зрения стала господствующей.

Глава IX
Борьба с болезнями

Вакцинация

Вспоминая горячие дебаты по вопросам эволюции и витализма, мы не должны забывать, что интерес людей к теоретической биологии возник в результате усиленных занятий медициной, настойчивого изучения функциональных нарушений в организме. Как бы быстро ни развивалась биологическая наука в теоретическом отношении, как бы далеко она ни отошла от повседневных нужд практики, все равно рано или поздно она должна была вернуться к запросам медицины.

Изучение теории отнюдь не является чем-то отвлеченным и неоправданным, так как внедрение достижений теоретической науки позволяет практике быстро двигаться вперед. И хотя прикладная наука может развиваться чисто эмпирически, без теории это развитие идет гораздо медленнее и неувереннее.

В качестве примера вспомним историю изучения инфекционных заболеваний. Вплоть до начала XIX в. врачи, по сути дела, были совершено беспомощны во время эпидемий чумы или других инфекционных болезней, время от времени вспыхивавших на нашей планете. К заболеваниям, от которых страдало человечество, относится и оспа. Трагично было то, что она распространялась, как настоящее стихийное бедствие, каждый третий из заболевших погибал, а выжившие на всю жизнь оставались обезображенными: покрытые рябинами лица отталкивали даже близких.

Однако было замечено, что перенесенное заболевание обеспечивало иммунитет при следующей вспышке. Поэтому многие считали более целесообразным не избегать заболевания, а перенести его, но в очень слабой форме, которая не была бы опасна для жизни и не обезображивала больного. В этом случае человек был бы гарантирован от повторных заболеваний. В таких странах, как Турция и Китай, уже давно пытались заражать людей содержимым пустул от больных легкой формой оспы. Риск был велик, так как порой болезнь протекала в очень тяжелой форме. В начале XVIII в. подобные прививки проводились и в Англии, но трудно сказать, приносили ли они больше пользы или вреда. Занимаясь практической врачебной деятельностью, англичанин Эдуард Дженнер (1749–1823) изучал известные в народной медицине предохранительные свойства коровьей оспы: люди, переболевшие ею, становятся иммунными как к коровьей, так и к человеческой оспе. После долгих и тщательных наблюдений 14 мая 1796 г. Дженнер впервые провел прививку коровьей оспы восьмилетнему мальчику, использовав материал, взятый от женщины, болевшей коровьей оспой. Прививка сопровождалась недомоганием. А два месяца спустя мальчик был инфицирован гноем из пустулы больного натуральной оспой — и остался здоровым. В 1798 г., после многократного повторения этого опыта, Дженнер опубликовал результаты своей работы. Он предложил назвать новый метод вакцинацией (от латинского vaccinia — коровья оспа).

Страх перед оспой был так велик, что метод Дженнера приняли с восторгом, а сопротивление наиболее консервативных было быстро сломлено. Вакцинация распространилась по всей Европе, и болезнь отступила. В странах с высокоразвитой медициной врачи уже не чувствовали себя беспомощными в борьбе с оспой. В истории человечества это был первый случай быстрой и радикальной победы над опасной болезнью.

Но дальнейшие успехи могла принести только разработка теории. В то время никто не знал возбудителей инфекционных болезней, на использование в целях вакцинации легких форм рассчитывать не приходилось. Перед биологами встала задача научиться «изготавливать» свои собственные «варианты» легких форм болезни, но для этого требовалось знать гораздо больше, чем было известно во времена Дженнера.

Микробная теория болезней

Столь необходимая теория была разработана Пастером, который заинтересовался микроорганизмами в связи с работой над проблемой брожения. В 1865 г. шелководству Франции был нанесен огромный ущерб в результате массовой гибели шелковичных червей от какой-то болезни. За помощью обратились к Пастеру. И он обнаружил мельчайших паразитов, повреждающих шелковичных червей и загрязняющих листья тутового дерева, которыми питаются гусеницы. Заключение Пастера было суровым, но единственно верным: всех пораженных червей и зараженный корм уничтожить, выкормку начать заново, взяв здоровых червей и незараженный корм. Только неуклонное выполнение требований Пастера спасло шелководство Франции.

Пастеру было ясно: справедливое для одной инфекционной болезни справедливо и для другой. Болезнь вызывается микроорганизмами. Она может передаваться с кашлем, при чихании, поцелуях, через отбросы, зараженную пищу и воду. В каждом случае микроорганизм — возбудитель заболевания передается от больного человека здоровому. Сами врачи вследствие неизбежного контакта с больными могут быть первичными переносчиками инфекции.

Окончательный вывод сделал венгерский врач Игнац Филипп Земмельвейс (1818–1865). Еще не зная теории Пастера, он обратил внимание на то, что смертность от родильной горячки была очень высокой в больницах Вены и незначительной среди женщин, рожавших в домашних условиях, с помощью зачастую несведущих акушерок. У Земмельвейса возникла мысль, что заболевание переносят врачи и студенты, которые приходили в акушерскую клинику после работы в секционной (помещении для вскрытия трупов). Он решительно потребовал, чтобы врачи перед приемом родов тщательно мыли руки. Смертность сразу упала. Однако обиженные врачи добились его ухода из больницы, и смертность снова поднялась. Земмельвейс умер слишком рано, чтобы дождаться признания.

По мере распространения микробной теории болезней положение мало-помалу менялось. Теперь все поняли, почему необходимо мыть руки; наиболее консервативные врачи еще протестовали против «новой моды», но постепенно сдались и они. Во время франко-прусской войны Пастеру удалось убедить хирургов кипятить перед операцией инструменты и обрабатывать паром перевязочный материал.

Одновременно в Англии хирург Джозеф Листер (1827–1912) реформирует хирургию, в частности вводит в практику анестезию. Больной, вдыхая смесь эфира и воздуха, погружался в сон и переставал чувствовать боль. Врачи получили наконец возможность проводить операции и удалять зубы, не причиняя мучений своим пациентам. Хотя изобретение анестезии подготовлено работами многих врачей, наибольшей считают заслугу американского зубного врача Уильяма Томаса Грина Мортона (1819–1868), который в октябре 1846 г. удалил опухоль на лице под эфирным наркозом. Успешное применение анестезии привело к тому, что этот метод быстро вошел в хирургическую практику. Огорчало одно: даже при безболезненном и удачном исходе операции больной нередко умирал от послеоперационной инфекции. Когда Листер узнал о теории Пастера, у него возникла мысль, что, если бы рана или хирургический разрез были стерильными, инфекция не развивалась бы. Он попробовал применить для этой цели карболовую кислоту (фенол) и вскоре убедился, что ее действие весьма эффективно. Так Листер основал антисептическую хирургию.

В дальнейшем для этой цели были найдены менее раздражающие и более действенные химические вещества. Хирурги стали работать в масках и стерильных резиновых перчатках. Хирургия стала наконец безопасной для человечества. Даже если бы теория Пастера дала одно это нововведение, ее и тогда можно было бы считать самым замечательным открытием в истории медицины.

Бактериология

Нельзя надеяться, что когда-нибудь удастся полностью изолировать людей от болезнетворных микробов. Рано или поздно человек подвергается риску заражения. Как же лечить больного? Безусловно, у организма есть какие-то свои средства борьбы с микробами: ведь, как известно, иногда больной выздоравливает и без оказания ему помощи. Выдающемуся русскому биологу Илье Ильичу Мечникову (1845–1916) удалось показать на примере такую «антибактериальную борьбу» организма. Он показал, что лейкоциты выполняют функцию защиты от патогенных агентов, проникших в организм животных и человека: выходят из кровеносных сосудов и устремляются к месту внедрения инфекции, где развертывается настоящая битва белых кровяных телец с бактериями. Клетки, осуществляющие защитную роль в организме, Мечников назвал фагоцитами.

Кроме того, выздоровление от многих болезней сопровождается выработкой иммунитета (невосприимчивости), хотя никаких видимых изменений и не обнаруживается. Это можно было бы довольно логично объяснить тем, что в организме переболевшего образуются антитела, обладающие способностью убивать либо нейтрализовать внедрившиеся микробы. Такое представление объясняет и действие вакцинации; в организме вакцинируемого образуются антитела, активные в отношении как микроба коровьей оспы, так и очень похожего на него микроба натуральной оспы. Теперь победа обеспечена, но уже не над самой болезнью, а над вызывающим ее микробом.

Пастер наметил пути борьбы с сибирской язвой, смертельной болезнью, которая уничтожала стада домашних животных. Он нашел возбудителя заболевания и доказал его принадлежность к особому виду бактерий. Пастер нагревал препарат из бактерий, чтобы уничтожить их способность вызывать болезнь (патогенность). Введение в организм животного ослабленных (аттенуированных) бактерий приводило к образованию антител, способных противостоять исходным патогенным бактериям.

В 1881 г. Пастер поставил чрезвычайно показательный опыт. Для эксперимента было взято стадо овец, одной части которых ввели ослабленных бактерий сибирской язвы, а другая осталась непривитой. Через некоторое время всех овец заразили патогенными штаммами. У привитых овец не было обнаружено каких-либо признаков заболевания; непривитые овцы заболели сибирской язвой и погибли.

Сходные методы применял Пастер для борьбы с куриной холерой и, что особенно показательно, с одной из самых ужасных болезней — бешенством (или водобоязнью), передающимся человеку от зараженных диких или домашних животных.

Успех микробной теории Пастера возродил интерес к бактериям. Немецкий ботаник Фердинанд Юлиус Кон (1828–1898) изучал под микроскопом растительные клетки. Он показал, например, что протоплазмы растительной и животной клеток, в сущности, идентичны. В 60-х годах XIX столетия он обратился к изучению бактерий. Крупнейшей заслугой Кона было установление растительной природы бактерий. Он впервые четко отделил бактерии от простейших и попытался систематизировать бактерии по родам и видам. Это позволяет считать Кона основоположником современной бактериологии.

Кон первым заметил дарование молодого немецкого врача Роберта Коха (1843–1910). В 1876 г. Кох выделил бактерию, вызывающую сибирскую язву, и научился ее выращивать. Поддержка Кона, ознакомившегося с работой Коха, сыграла важную роль в жизни великого микробиолога. Кох культивировал бактерии на твердой среде — желатине (который позднее был заменен агаром, добываемым из морских водорослей), а не в жидкости, наливаемой в пробирки. Это техническое усовершенствование дало массу преимуществ. В жидкой среде бактерии различных видов легко смешиваются, и трудно установить, какая именно вызывает ту или иную болезнь. Если культуру нанести в виде мазка на твердую среду, отдельные бактерии, многократно делясь, образуют колонии новых клеток, строго фиксированные в своем положении. Даже если исходная культура состоит из смеси различных видов бактерий, каждая колония является чистой культурой клеток, что позволяет совершенно точно определить вид болезнетворных микробов. Сначала Кох наливал среду на плоский кусок стекла, но его ассистент Юлиус Рихард Петри (1852–1921) заменил стекло двумя плоскими мелкими стеклянными чашками, одна из которых служила крышкой. Чашки Петри и сейчас широко применяются в бактериологии. Используя разработанный метод выделения чистых микробных культур, Кох и его сотрудники выделили возбудителей многих болезней, в том числе туберкулеза (1882).

Насекомые

Возбудителями инфекционных заболеваний являются не только бактерии. Недаром Пастер назвал свою теорию микробной: он имел в виду микробы вообще, а не только бактерии. Например, в 1880 г. французский врач Шарль Луи Альфонс Лаверан (1845–1922) открыл возбудителя малярии — заболевания, от которого в тропиках и субтропиках гибло больше людей, чем от какого-либо другого. Это открытие было особенно интересно тем, что возбудителем оказалась не бактерия, а простейшее, одноклеточное животное. В 60-х годах XIX в. немецкий зоолог Карл Фридрих Рудольф Лейкарт (1822–1898), изучая беспозвоночных, обратил внимание на тех из них, которые вели паразитический образ жизни. Работы Лейкарта заложили основы науки о паразитах — паразитологии. Лейкарт доказал, что все типы беспозвоночных имеют паразитов. Некоторые из них живут в организме человека, а такие, как гельминты (сосальщики, круглые и ленточные черви) — животные далеко не микроскопических размеров, — вызывают серьезные заболевания. Затем было установлено, что даже те многоклеточные животные, которые не являются непосредственными возбудителями болезней, могут оказаться переносчиками инфекции. Малярия была первым заболеванием, переносчик которого был найден. Легко можно было показать, что малярия не распространяется при непосредственном контакте с больными. В 1897 г. английский врач Рональд Росс (1857–1932), изучавший комаров как предполагаемых переносчиков малярии, обнаружил малярийного паразита в комарах рода Anopheles.

Это открытие принесло огромную пользу, так как прояснило наиболее слабо изученное звено в цепи передачи инфекции. Оказалось, что, прежде чем попасть в организм человека, паразит должен пройти определенные стадии развития в комаре. Отсюда вывод: для борьбы с малярией необходимо избавиться от комаров. Почему бы не спать под пологом, не пропускающим комаров? Почему бы не осушать болота? И именно там, где эти меры были широко проведены, случаи заболевания малярией стали реже.

Другой смертельной болезнью, которая на протяжении XVIII и XIX вв. периодически косила население восточного побережья Соединенных Штатов, была желтая лихорадка. Американский военный хирург Уолтер Рид (1851–1902) установил, что желтая лихорадка не передается при прямом контакте с больным, и на основе работы Росса предположил, что и в этом случае переносчиком является комар, но уже рода Aëdes^[1]. Врачи, работавшие с Ридом, дали искусать себя комарам, которые насосались крови больных лихорадкой. Некоторые из них заболели, а один, молодой врач Джесс Уильям Лазир (1866–1900), умер от желтой лихорадки, пожертвовав собой ради блага человечества. Картина передачи заболевания была, таким образом, выявлена. Другой военный хирург, Уильям Кроуфорд Горгас (1854–1920), провел ряд мероприятий по борьбе с комарами для уничтожения желтой лихорадки в Гаване. Затем его перевели в Панаму, где Соединенные Штаты пытались осуществить то, что не удалось Франции, — построить канал. Высокая смертность строителей канала от желтой лихорадки была, пожалуй, страшнее технических трудностей. Горгас повел борьбу с комарами и пресек распространение заболевания.

Оказалось, что комары были не единственными претендентами на роль главного злодея. В 1902 г. французского врача Шарля Жана Анри Николя (1866–1936) назначили директором Пастеровского института в Тунисе. Там он изучал опасное и высокоинфекционное заболевание — сыпной тиф. Николь обратил внимание на то, что болезнь, чрезвычайно заразная за пределами больницы, в больничных палатах быстро теряла свою инфекционность. Перед поступлением больные обязаны были снимать одежду и мыться в бане с мылом. Николь предположил, что источник инфекции гнездится где-то в одежде и удаляется с тела при мытье. Поставив ряд опытов на животных, ученый доказал, что заболевание передается только через укусы платяных вшей^[2].

В 1906 г. американский патолог Говард Тэйлор Риккетс (1871–1910) установил, что пятнистая лихорадка Скалистых гор передается через укус клещей крупного рогатого скота.

Факторы питания

На протяжении последней трети прошлого века микробная теория владела умами большинства врачей, но находились и такие, которые придерживались иного мнения. Немецкий патолог Вирхов — самый знаменитый противник пастеровской теории — считал, что болезни вызываются скорее расстройством в самом организме, чем внешними агентами. Заслугой Вирхова было то, что за несколько десятков лет работы в берлинском муниципалитете и национальных законодательных органах он добился таких серьезных улучшений в области гигиены, как очистка питьевой воды и создание эффективной системы обеззараживания сточных вод. В этой области очень много сделал и другой ученый — Петтенкофер. Он и Вирхов могут считаться основателями современной социальной гигиены (изучение профилактики заболеваний в человеческом обществе).

Подобные мероприятия, препятствующие распространению эпидемий, безусловно, были не менее важны, чем непосредственное воздействие на самих микробов.

Естественно, что забота о чистоте, которую проповедовал еще Гиппократ, сохранила свое значение и тогда, когда всем стала понятна роль микробов. Остались в силе и советы Гиппократа относительно необходимости полноценного и разнообразного питания, причем выяснилось их значение не только для поддержания здоровья вообще, но и как специфического метода профилактики некоторых заболеваний. Мысль о том, что неполноценное питание может быть причиной заболевания, считалась «старомодной» — ученые были увлечены микробами, — но ее подтверждали достаточно веские доказательства.

В эпоху великих географических открытий люди проводили долгие месяцы на борту кораблей, питаясь только теми продуктами, которые могли хорошо сохраняться, так как использование искусственного холода было еще не известно. Страшным бичом моряков была цинга. Шотландский врач Джеймс Линд (1716–1794) обратил внимание на то, что заболевания встречаются не только на борту кораблей, но и в осажденных городах и тюрьмах — повсюду, где питание однообразно. Может быть, болезнь вызывает отсутствие какого-либо продукта в пище? Линд попробовал разнообразить пищевой рацион моряков, больных цингой, и вскоре выявил целительное действие цитрусовых. Великий английский мореплаватель Джемс Кук (1728–1779) ввел цитрусовые в рацион экипажа своих тихоокеанских экспедиций в 70-х годах XVIII в. В результате от цинги умер только один человек. В 1795 г., во время войны с Францией, морякам британского флота начали давать лимонный сок, и не было отмечено ни одного случая заболевания цингой.

Однако такие чисто эмпирические достижения при отсутствии необходимых теоретических обоснований внедрялись очень медленно. В XIX в. главные открытия в области питания относились к выявлению роли белка. Было установлено, что одни белки, «полноценные», присутствуя в пищевом рационе, могут поддерживать жизнь, другие, «неполноценные», вроде желатина, не в состоянии делать этого. Объяснение пришло, лишь когда лучше узнали природу молекулы белка. В 1820 г., обработав кислотой сложную молекулу желатина, выделили из нее простую молекулу, которую назвали глицином. Глицин принадлежит к классу аминокислот. Вначале предположили, что он и служит строительным блоком для белков, подобно тому как простой сахар, глюкоза, — кирпичиком, из которого строится крахмал. Однако к концу XIX в. выяснилась несостоятельность этой теории. Из самых различных белков были получены другие простые молекулы — все они, различаясь только деталями, принадлежали к классу аминокислот. Молекула белка оказалась построенной не из одной, а из целого ряда аминокислот. К 1900 г. были известны десятки различных аминокислотных «строительных блоков». Теперь уже не казалось невероятным, что белки различаются соотношением содержащихся в них аминокислот. Первым ученым, показавшим, что тот или иной белок может не иметь одной или нескольких аминокислот, играющих существенную роль в жизнедеятельности организма, был английский биохимик Фредерик Гауленд Гопкинс (1861–1947). В 1903 г. он открыл новую аминокислоту — триптофан — и разработал методы ее выявления. Зеин — белок, выделенный из кукурузы, — давал отрицательную реакцию и, следовательно, не содержал триптофана. Он оказался неполноценным белком, так как, будучи единственным белком в рационе, не обеспечивал жизнедеятельности организма. Но уже небольшая добавка триптофана позволяла продлить жизнь подопытных животных.

Последующие опыты, поставленные в первом десятилетии XX в., ясно показали, что некоторые аминокислоты синтезируются в организме млекопитающих из веществ, обычно находящихся в тканях. Однако часть аминокислот обязательно должна поступать с пищей. Отсутствие одной или нескольких таких «незаменимых» аминокислот и делает белок неполноценным, приводя к заболеванию, а иногда и смерти. Так было введено понятие о добавочных питательных факторах — соединениях, которые не могут синтезироваться в организме животных и человека и для обеспечения нормальной жизнедеятельности обязательно должны входить в пищу.

Строго говоря, аминокислоты не являются серьезной медицинской проблемой для специалистов диетологов. Нехватка аминокислот обычно возникает только при искусственном и однообразном питании. Естественная пища, даже если она не очень богата, доставляет организму достаточное разнообразие аминокислот.

Раз такая болезнь, как цинга, излечивается лимонным соком, разумно предположить, что лимонный сок снабжает организм каким-то недостающим пищевым фактором. Маловероятно, что им является аминокислота. И действительно, все известные биологам XIX в. составные части лимонного сока, взятые вместе или в отдельности, не могли вылечить цинги. Этим пищевым фактором должно было быть вещество, необходимое лишь в очень малых количествах и химически отличное от обычных компонентов пищи.

Обнаружить загадочное вещество оказалось не так уж трудно. После разработки учения о существенно важных для жизни аминокислотах были выявлены более тонкие пищевые факторы, нужные организму лишь в ничтожных количествах, но произошло это не в процессе изучения цинги.

Витамины

В 1886 г. голландского врача Кристиана Эйкмана (1858–1930) послали на Яву для борьбы с болезнью бери-бери. Были основания думать, что эта болезнь возникает в результате неправильного питания. Японские моряки сильно страдали от бери-бери и перестали болеть, лишь когда в 80-х годах XIX столетия в их пищевой рацион, состоявший почти исключительно из риса и рыбы, ввели молоко и мясо. Эйкман, однако, будучи в плену микробной теории Пастера, был убежден, что бери-бери — бактериальная болезнь. Он привез с собой кур, надеясь заразить их микробами. Но все его попытки успеха не имели. Правда, в 1896 г. куры неожиданно заболели болезнью, похожей на бери-бери. Выясняя обстоятельства заболевания, ученый обнаружил, что именно перед вспышкой болезни кур кормили шлифованным рисом с больничного склада продуктов. Когда их перевели на прежний корм, наступило выздоровление. Постепенно Эйкман убедился, что эту болезнь можно вызывать и излечивать простым изменением рациона.

Вначале ученый не оценил истинного значения полученных данных. Он предположил, что в зернах риса содержится какой-то токсин, который нейтрализуется чем-то содержащимся в оболочке зерна, а так как при обдирке риса оболочку удаляют, то в шлифованном рисе остаются ненейтрализованные токсины. Но зачем создавать гипотезу о наличии двух неизвестных веществ, токсина и антитоксина, когда гораздо проще предположить, что существует какой-то пищевой фактор, нужный в ничтожных количествах? Такого мнения придерживались Гопкинс и американский биохимик Казимир Функ (род. в 1884 г.). Они высказали мысль, что не только бери-бери, но и такие заболевания, как цинга, пеллагра и рахит, объясняются отсутствием в пище ничтожнейших количеств определенных веществ^[3].

Еще находясь под впечатлением, что эти вещества принадлежат к классу аминов, Функ предложил в 1912 г. называть их витаминами (амины жизни). Название привилось и сохранилось поныне, хотя с тех пор и выяснилось, что они никакого отношения к аминам не имеют.

Витаминная гипотеза Гопкинса — Функа была полностью сформулирована, и первая треть XX в. показала, что различные заболевания могут излечиваться назначением разумного рациона и режима питания. Например, американский врач Джозеф Гольдбергер (1874–1929) обнаружил (1915), что болезнь пеллагра, распространенная в южных штатах США, отнюдь не микробного происхождения. В самом деле, она вызывалась отсутствием какого-то витамина и исчезала, как только к рациону больных добавляли молоко. Вначале о витаминах было известно лишь то, что они способны предупреждать и лечить определенные заболевания. В 1913 г. американский биохимик Элмер Вернон Макколлум (род. в 1879 г.) предложил называть витамины буквами алфавита; так появились витамины A, B, C и D, а потом к ним добавили и витамины Е и К. Выяснилось, что пища, содержащая витамин В, в действительности содержит более одного фактора, способного воздействовать более чем на один симптомокомплекс. Биологи заговорили о витаминах B₁, B₂ и т. д.

Оказалось, что именно отсутствие витамина B₁ вызывало бери-бери, а отсутствие витамина B₂ — пеллагру. Отсутствие витамина С приводило к цинге (наличием небольших количеств витамина С в соке цитрусовых и объясняется их целительное действие, позволившее Линду вылечить цингу), отсутствие витамина D — к рахиту. Нехватка витамина A влияла на зрение и вызывала куриную слепоту. Недостаток витамина В₁₂ вызывал злокачественное малокровие. Таковы основные болезни, обусловливаемые витаминной недостаточностью. По мере накопления знаний о витаминах все эти болезни перестали быть серьезной медицинской проблемой. Уже с 30-х годов XX столетия стали выделять витамины в чистом виде и осуществлять их синтез.

Глава X
Нервная система

Гипноз

Другой группой заболеваний, которые, несомненно, нельзя было объяснить с помощью микробной теории Пастера, были психические заболевания. Они с незапамятных времен внушали человечеству благоговейный ужас. Последователи Гиппократа относились к этим заболеваниям вполне разумно, но большинство врачей были во власти суеверий. По всей вероятности, именно верой в то, что умалишенные находятся под влиянием злых сил, можно объяснить ту ужасную жестокость по отношению к психически больным, которая существовала до XIX в.

Реформировал дело психиатрической помощи французский врач Филипп Пинель (1745–1826). Он считал безумие заболеванием психики, а не проявлением злых сил, и открыто отстаивал свои взгляды. В 1793 г., в самый разгар Великой французской буржуазной революции, вызвавшей огромные перемены в общественной атмосфере, началась реформа парижских больниц и Пинеля назначили главным врачом психиатрической больницы Bicêtre под Парижем. В то время положение психически больных в государственных больницах было крайне тяжелым: с ними обращались, как с дикими животными, заковывали в цепи, избивали, морили голодом. Первое, что сделал Пинель, — это снял оковы с несчастных и стал относиться к ним как к обыкновенным больным, нуждающимся в лечении и хорошем обращении. Однако новые идеи распространялись очень медленно.

Нарушение психики, даже не такое тяжелое, чтобы быть причиной госпитализации, нередко приводит к отчетливо выраженным соматическим проявлениям (так называемые психосоматические заболевания). Подобные проявления удается ослабить, если больной верит в лечение. Этим и объясняется, почему заклинания священника или колдуна иногда приносили определенную пользу.

«Изгнание духов» всегда было предметом забот теологии. В биологии этим занимался австрийский врач Франц Антон Месмер (1734–1815). Вначале Месмер применял в своей лечебной практике магниты. Но в дальнейшем он обнаружил, что лечение идет быстрее, если больной погружен в состояние транса и его внимание фиксировано на монотонных однообразных воздействиях. Он стал делать перед больным медленные, ритмические движения рукой — пассы, — используя, по его выражению, «животный магнетизм». Не приходится сомневаться в известном успехе такого метода (который даже сейчас называют месмеризмом). Благодаря ему психика разгружается от массы внешних раздражений и больной, сосредоточив все внимание на враче, становится более восприимчивым к внушениям. Первое время Месмера сопровождал огромный успех, особенно в Париже. Однако граничившая с шарлатанством мистика, которой он окружал свои методы, а также неудачные попытки лечить и не психосоматические заболевания постепенно привели к разочарованию, а потом и прямому недовольству не только больных, но и конкурирующих врачей, пользовавшихся общепринятыми методами лечения. Специально созданная комиссия вынесла отрицательное заключение, и Месмер вынужден был покинуть Париж и уехать в Швейцарию, где его ждала безвестность.

Однако то ценное, что было в методе Месмера, продолжало жить. Через полвека английский хирург Джеймс Брэд (1795–1860) начал систематическое изучение месмеризма, который он назвал гипнозом (от греческого hypnos — сон). После опубликования Брэдом в 1842 г. научного обоснования гипноза этот метод вошел в медицинскую практику. Родилась новая область медицины — психиатрия, задачей которой стало лечение психических заболеваний.

Психиатрия получила дальнейшее развитие в трудах австрийского врача Зигмунда Фрейда (1856–1939). В студенческие годы и на протяжении последующих нескольких лет Фрейд занимался изучением нервной системы человека. Он первым обратил внимание на способность кокаина парализовать нервные окончания. Молодой врач Карл Коллер (1857–1944), работавший в той же больнице, что и Фрейд, использовал данные Фрейда и в 1884 г. успешно применил кокаин как анестезирующее средство при глазных операциях. Можно считать, что это было первое применение местной анестезии, при которой обезболивается определенный участок тела и исключается необходимость в общем наркозе для местной операции.

В 1885 г., находясь в Париже, Фрейд заинтересовался гипнозом как методом лечения психосоматических заболеваний. Вернувшись в Вену, он решил усовершенствовать этот метод. Фрейд считал, что психическая деятельность проходит на уровне как сознания, так и подсознания. Хотя тяжелые воспоминания, желания или страсти, которых человек стыдится, можно подавить, но при этом они переходят на уровень подсознания. Человек предпочитает «не знать» о существовании такого «хранилища», но оно способно влиять на его поступки и действия и вызывать те или иные физические проявления. Под гипнозом бессознательная деятельность проявляется свободно, пациент в этом состоянии говорит и на такие темы, о которых в нормальном состоянии предпочел бы умолчать. Однако в 90-х годах Фрейд заменяет гипноз таким общением врача с больным, которое позволяет последнему говорить о чем угодно при минимальном руководстве со стороны врача. Больной постепенно освобождается от застенчивости, и врач выявляет факты, которые в обычных условиях тщательно скрываются даже от самого себя. Преимущество этого метода перед гипнозом заключается в том, что больной все время отдает себе отчет в происходящем и не нуждается в последующей информации о том, что он говорил. Как только вскрывается содержание подсознательной психики, реакции пациента перестают быть немотивированными и он получает возможность изменять их путем осознания выявленных теперь мотивов. Этот медленно проводимый анализ содержания психики был назван психоанализом.

Фрейд придавал огромное значение сновидениям, так как ему казалось, что они раскрывают содержание подсознательного (хотя обычно и в сугубо символической форме) способом, который невозможен во время бодрствования. (Его книга «Толкование сновидений» опубликована в 1900 г.) Далее он считал, что сексуальное влечение в его различных проявлениях — наиболее важный источник побуждений, даже у детей. Этот последний взгляд вызвал много возражений среди специалистов и широких кругов читателей.

С 1902 г. вокруг Фрейда стали группироваться молодые ученые. Они не всегда и не вполне сходились с ним во взглядах, но непреклонный в своих воззрениях Фрейд никогда не шел на компромиссы. Некоторые из этих ученых, как, например, австрийский психиатр Альфред Адлер (1870–1937) и шведский психиатр Карл Густав Юнг (1875–1961), отошли от Фрейда и разработали собственные научные системы.

Нервы и головной мозг

Человеческая психика, однако, чрезвычайно сложна, так что вера в психиатрию остается в значительной степени делом индивидуальным. Различные школы отстаивают свои точки зрения, но слишком мало еще разработано объективных путей решения вопроса о том, кто же из них прав, а если говорить о дальнейшем прогрессе, то он наступит только тогда, когда основная наука о нервной системе — неврология — получит достаточное развитие.

Начало неврологии положил швейцарский физиолог Альбрехт фон Галлер (1708–1777), опубликовавший в 60-х годах XVIII в. восьмитомное руководство по физиологии человека. До него считалось, что нервы — это полые трубки, которые несут загадочный «дух», или флюид, подобно тому как вены — кровь. Однако Галлер отверг это мнение и предложил новое понимание нервной деятельности, исходя из данных эксперимента.

Например, он выяснил, что мышцы обладают «раздражимостью», то есть слабое возбуждение мышцы приводит к ее резкому сокращению. Слабое возбуждение нерва также приводит к резкому сокращению связанной с ним мышцы. Нерв более «раздражим», чем мышца, и Галлер делает вывод, что движениями мышц управляет в большей мере стимуляция нерва, чем непосредственное их раздражение.

Он показал также, что ткани сами по себе не воспринимают ощущений; пронизывающие их нервы несут импульсы, которые вызывают ощущения. Но все нервы ведут к головному или спинному мозгу — явное указание, что именно здесь находятся центры восприятия и ответного действия. Производя опыты со стимуляцией или повреждением различных участков головного мозга животных, Галлер наблюдал различные типы ответного действия.

Работы Галлера продолжил немецкий врач Франц Иосиф Галль (1758–1828), который в 1796 г. начал читать лекции по неврологии. Он показал, что нервы идут к серому веществу головного мозга. Белое вещество мозга Галль считал связующей субстанцией.

Подобно Галлеру, Галль предполагал, что определенные участки головного мозга управляют определенными участками тела. Он довел это положение до крайности, считая, что участки головного мозга контролируют не только чувствительные восприятия и специфические мышечные движения, но и все виды эмоций и свойства темперамента. Его последователи утверждали, что черты человека можно определить ощупыванием выпуклостей на черепе. Эти взгляды легли в основу псевдонауки — френологии.

Нелепости френологии заслонили тот факт, что в утверждениях Галля была доля правды — мысль о локализации функций в головном мозге. Это положение рационально изучал французский нейрохирург Поль Брока. Изучая тонкую структуру головного мозга, он показал (1861), что у больных, страдавших потерей речи, обнаруживаются повреждения определенного участка в верхнем отделе головного мозга, на третьей извилине левой лобной доли, которая до сих пор носит название извилины Брока.

К 1870 г. два немецких невролога, Густав Теодор Фрич (1838–1891) и Эдвард Гитциг (1838–1907), шагнули еще дальше. Прикасаясь электрическими иглами к мозгу живых собак, они нашли, что раздражение определенного участка вызывает определенное мышечное движение, и таким образом смогли, так сказать, нанести карту тела на головной мозг. Им удалось показать, что левое полушарие головного мозга контролирует правую половину тела, а правое полушарие — левую.

Теперь уже не приходилось сомневаться, что головной мозг управляет деятельностью тела, причем делает это высокоспецифическим образом. Появилась надежда связать все психические функции с физиологией головного мозга. Но это превращало психику как бы в продолжение тела, а следовательно, и укрепляло материалистические представления.

Однако более основательным и реальным было применение к нервной системе клеточной теории. Биологи середины XIX в. обнаружили в головном и спинном мозге нервные клетки, но природа самих нервных волокон оставалась еще не раскрытой. Ясность в этот вопрос внес немецкий анатом Вильгельм Вальдейер (1836–1921). В 1891 г. он пришел к выводу, что нервные волокна представляют собой тонкие отростки нервных клеток и являются их существенной составной частью. Следовательно, нервная система состоит из нейронов — собственно нервных клеток со всеми их отростками. Такова суть нейронной теории. Далее Вальдейер показал, что хотя отростки отдельных нейронов и могут значительно приближаться друг к другу, но в местах соединений нейронов имеется только контакт, соприкосновение нервных субстанций, а не слияние их. Зона межнейронных соединений позже получила название синапса.

Прочную основу нейронной теории заложили работы итальянского цитолога Камилло Гольджи (1844–1926) и испанского невролога Сантьяго Рамон-и-Кахаля (1852–1934). В 1873 г. Гольджи применил для окраски клеток особый краситель, содержащий соли серебра. Пользуясь им, он обнаружил внутриклеточные образования (аппарат Гольджи), функции которых до сих пор не известны.

Гольджи использовал свой метод окраски и для изучения нервной ткани. Ученому удалось рассмотреть неизвестные прежде детали, обнаружить тонкие отростки нервных клеток и отчетливо увидеть синапсы. Тем не менее, когда Вальдейер выступил с нейронной теорией, Гольджи не принял ее.

Однако Рамон-и-Кахаль решительно поддержал нейронную теорию. Пользуясь улучшенной модификацией метода окраски, он очень много сделал для укрепления этой теории. Ему принадлежат классические работы о строении сетчатки глаза, спинного мозга, мозжечка и других частей нервной системы.

Поведение

Нейронная теория оказалась чрезвычайно полезной для разработки проблемы поведения животных. Еще в 1730 г. Стивен Гейлс обнаружил, что обезглавленная лягушка при уколе кожи отдергивает лапку. В этом случае тело реагирует механически, головной мозг отключен. Так было положено начало изучению более или менее автоматической рефлекторной деятельности, при которой ответная реакция наступает без участия воли, следуя в соответствии с некой установленной схемой точно за раздражением.

И человек не свободен от такой автоматической деятельности. Удар чуть ниже коленной чашечки вызывает хорошо всем знакомое резкое движение колена. При случайном прикосновении к горячему предмету человек отдергивает руку, даже если он знал, что предмет горяч.

Английский физиолог Чарлз Скотт Шеррингтон (1859–1952), изучая рефлекторную деятельность, заложил основы нейрофизиологии. Подобно тому как ранее Гольджи, предложив свой метод окраски клеток, дал толчок развитию нейроанатомии, Шеррингтон обнаружил рефлекторную дугу, представляющую собой комплекс по крайней мере двух, а часто и более чем двух нейронов. Ощущение, возникшее в определенном месте, посылает импульс по нерву, через синапс и затем через обратный нейрон к мышце или железе, стимулируя сокращение или секрецию. Проходит ли раздражение органа чувств и стимулирование мышцы через один или большее число промежуточных нейронов, не имеет принципиального значения.

Возникло представление, будто через одни синапсы импульсы проходят легче, чем через другие. Так, существуют особые рефлекторные пути, которые сравнительно легко проходят через сложную сеть переплетающихся нейронов.

Позднее предположили, что один рефлекторный путь может открыть дорогу другому, иными словами, ответ на одно рефлекторное действие становится стимулом для второго рефлекса, который в свою очередь вызывает новое ответное действие, а оно является стимулом для третьего рефлекса и так далее. Целый ряд рефлексов составляет более или менее полный комплекс поведения, который мы называем инстинктом.

Но даже такой относительно маленький и простой организм, как, например, насекомое, представляет собой нечто большее, чем просто сумма инстинктов. Поскольку нервные связи довольно легко передаются по наследству, то и инстинкты наследуются и проявляются с самого рождения. Так, паук прядет паутину, хотя он никогда не видел ее; больше того, каждый вид паука создает паутину, характерную для данного вида.

Млекопитающие (и, в частности, человек) относительно бедны инстинктами, но обладают способностью к обучению, приобретая на основе опыта новые формы поведения. Несмотря на то что систематическое изучение такого поведения с точки зрения нейронной теории и представляет трудности, его можно анализировать чисто эмпирически.

Применение количественных измерений к человеческой психике (по крайней мере к способности воспринимать окружающие раздражения) началось с работ немецкого физиолога Эрнста Генриха Вебера (1795–1878). В 30-х годах XIX в. он нашел, что оценка подопытным человеком различий между двумя ощущениями одного и того же типа находится в зависимости от логарифма интенсивности ощущений.

Предположим, что в комнате, освещенной одной свечой, будет зажжена вторая и мы получим дополнительное освещение, которое обозначим х. Вначале одной дополнительной свечи было достаточно, чтобы получить ощущение, что свет в комнате стал ярче на величину х; чтобы ощутить дальнейшее повышение освещения на ту же величину х, требуется уже две свечи, затем четыре, восемь и так далее. Вывод о логарифмической зависимости между воздействующим на органы чувств раздражителем и возникающим ощущением был сформулирован в 1860 г. немецким физиком Густавом Теодором Фехнером (1801–1887), и называют его законом Вебера — Фехнера. Так было положено начало психофизике — количественному изучению ощущений.

Учение о поведении в целом — психология — труднее всего поддается математическому выражению, но его можно обосновать экспериментально. Приоритет в этой области принадлежит немецкому физиологу Вильгельму Максу Вундту (1832–1920), создавшему в 1879 г. первую лабораторию экспериментальной психологии. Его исследования дали начало таким экспериментам, во время которых крысы должны были решать в лабиринте сложные задачи, а шимпанзе — придумывать, как добраться до недоступных бананов. Позднее такие эксперименты применили и к людям, предлагая им отвечать на специальные вопросы и решать задачи. На основе полученных ответов давалась оценка умственных способностей человека. В 1905 г. французский психолог Альфред Бине (1857–1912) предложил свой метод, основанный на определении коэффициента умственных способностей, или коэффициента интеллектуальности (КИ).

Значительно более фундаментальные исследования, непосредственно связывающие поведение с нервной системой, провел русский физиолог Иван Петрович Павлов (1849–1936), который на ранних этапах своей научной деятельности изучал нервную регуляцию секреции пищеварительных соков, а с начала нашего века — рефлексы вообще.

У голодной собаки при виде пищи выделяется слюна. Это целесообразный рефлекс, так как слюна необходима для смачивания и переваривания пищи. Если каждый раз, когда собаке показывают пищу, одновременно звенит звонок, то он прочно связывается с видом пищи; в конце концов слюна будет выделяться на звонок, даже если собака не видит пищи, то есть у нее выработается условный рефлекс. Павлов доказал, что подобным образом можно выработать любые рефлексы.

Другое направление в психологии — бихевиоризм — утверждает, что всякое обучение является, по существу, развитием условных рефлексов и, если можно так сказать, новых нервных связей. Наиболее известными представителями этой школы в ее крайнем выражении были американские психологи Джон Бродес Уотсон (1878–1958) и Баррус Фредерик Скиннер (род. в 1904 г.).

Бихевиоризм выражает крайне механистическое понимание психики, так как низводит все фазы психической деятельности до физических моделей сложного сплетения нервов. По общему мнению, такая постановка вопроса является упрощенчеством.

Изучение поведения, инстинктов и способности к обучению, проявляемой животными в природе, получило новое развитие в работах Конрада Лоренца (род. в 1903 г.) и Николааса Тинбергена (род. в 1907 г.), посвященных возникновению структур поведения и значению «пусковых» механизмов отдельных актов поведения. В итоге возникла новая отрасль биологии — этология, изучающая сложные формы поведения животных.

Нервные потенциалы

Мы говорим о нервной системе и импульсах, проходящих по ее путям. Но что представляют собой эти импульсы? Древняя доктрина о духе, протекающем по нервам, была вдребезги разбита Галлером и Галлем, но в 1791 г., когда итальянский физиолог Луиджи Гальвани (1737–1798) обнаружил, что мышцы препарированной лягушки могут сокращаться под влиянием электрического тока, она возродилась в новой форме. Гальвани объявил о существовании собственного, так называемого «животного» электричества мышцы.

В своей первоначальной формулировке эта мысль была неверной, но, соответственно видоизмененная, она дала плоды. Немецкий физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон (1818–1896), еще будучи студентом, написал работу об электрических рыбах; с тех пор электрические явления в животных тканях стали предметом его научного интереса. С 1840 г. ученый приступил к усовершенствованию старых приборов и изобрел новую, безупречную методику регистрации очень слабых электрических токов, проходящих по нерву и мышце. Он показал, что нервный импульс сопровождается изменениями в электрическом состоянии нерва. Нервный импульс по своей природе, по крайней мере частично, является электрическим, а электричество и есть тот тончайший флюид, который искали в нервах ученые, верившие в нервный «дух».

Электрические разряды пробегают не только по нерву, но и по мышце. В ритмически сокращающихся мышцах, как, например, в сердце, электрические изменения также ритмичны. В 1903 г. голландский физиолог Виллем Эйнтховен (1860–1927) сконструировал очень чувствительный струнный гальванометр, способный обнаруживать чрезвычайно слабые токи. Он использовал его для регистрации ритмически изменяющихся электрических потенциалов сердца, помещая на коже специальные электроды. К 1906 г. он установил, что по электрокардиограммам (ЭКГ), которые он получал, можно выявить различные виды нарушений работы сердца.

Сходные методы использовал в 1929 г. немецкий психиатр Ганс Бергер (1873–1941). Он прикреплял электроды к черепу и регистрировал ритмические изменения потенциалов, которые сопровождают мозговую деятельность^[4]. Электроэнцефалограммы (ЭЭГ) очень сложны и трудны для расшифровки. Однако при значительных повреждениях головного мозга, при наличии опухоли изменения выявить легко. Точно так же эпилепсия, считавшаяся «священной болезнью», может быть обнаружена по измененной ЭЭГ.

И все же открытие электрических потенциалов не дало исчерпывающего ответа на все вопросы. Электрический импульс, проходящий через нервное окончание, сам по себе не способен преодолеть синаптического разрыва между двумя нейронами и вызвать новый электрический импульс в следующем нейроне. В 1921 г. австрийский физиолог Отто Леви (1873–1961) описал химическую передачу нервных импульсов. Нервный импульс наряду с электрическим включает в себя и химическое изменение. Химическое вещество, освобождающееся при возбуждении нерва, переходит через синаптический разрыв и таким образом передает нервное возбуждение. Английский физиолог Генри Холлет Дейл (род. в 1875 г.) отождествил это химическое вещество с соединением, называемым ацетилхолином. Позже были открыты и другие химические вещества, так или иначе связанные с нервной деятельностью. Некоторые из них могут вызывать симптомы психических расстройств.

Но все же нейрохимия пока находится на ранней стадии развития, хотя ей и суждено стать новым могучим средством изучения психической деятельности человека.

Глава XI Кровь

Гормоны

Как бы ни был велик успех нейронной теории, она не могла решить всех накопившихся к тому времени проблем. Электрические сигнализаторы, курсирующие по нервным путям, не могут считаться единственными регулирующими механизмами тела. Существуют также и химические сигнализаторы, проходящие по крови.

Так, в 1902 г. два английских физиолога, Эрнст Генри Старлинг (1866–1927) и Уильям Мэддок Бейлисс (1860–1924), обнаружили, что даже если перерезать все нервы, ведущие к поджелудочной железе, она все равно принимает сигналы: выделяет пищеварительный сок сразу, как только кислая пища из желудка попадает в кишечник. Оказалось, что слизистая оболочка тонких кишок под влиянием кислоты желудочного сока вырабатывает вещество, которое Старлинг и Бейлисс назвали секретином. Именно секретин и стимулирует выделение сока поджелудочной железы. Старлинг предложил называть все вещества, выделяемые в кровь железами внутренней секреции и осуществляющие регуляцию функций органов, гормонами (от греческого horman — возбуждать, побуждать).

Гормональная теория оказалась чрезвычайно плодотворной; было обнаружено, что большинство гормонов, циркулирующих с кровью в ничтожных, следовых концентрациях, очень тонко поддерживает строгое соотношение между химическими реакциями, иными словами, регулирует физиологические процессы в организме.

В 1901 г. американский химик Йокихи Такамине (1854–1922) выделил из мозговой части надпочечников активное вещество в кристаллическом виде и назвал его адреналином. Это был первый выделенный гормон с установленной структурой.

Вскоре возникло предположение, что одним из процессов, регулируемых гормональной деятельностью, является основной обмен веществ. Магнус-Леви обратил внимание на связь между нарушениями основного обмена и заболеваниями щитовидной железы, а американский биохимик Эдвард Кэлвин Кендалл (род. в 1886 г.) в 1915 г. сумел выделить из щитовидной железы вещество, названное им тироксином. Оно действительно оказалось гормоном, небольшие количества которого регулируют основной обмен веществ.

Однако наиболее эффективными оказались результаты изучения сахарного диабета. Эта болезнь сопровождается сложными нарушениями обмена веществ, главным образом углеводного, что приводит к увеличению количества сахара в крови до ненормально высокого уровня. Организм выделяет избыток сахара с мочой; появление сахара в моче и является признаком начальной стадии диабета. До XX столетия это заболевание почти всегда приводило к смерти.

После того как в 1889 г. два немецких физиолога, Джозеф Меринг (1849–1908) и Оскар Минковский (1858–1931), удалив у подопытных животных поджелудочную железу, обнаружили быстрое развитие диабета, возникло предположение, что поджелудочная железа как-то ответственна за это заболевание. Исходя из гормональной концепции, выдвинутой Старлингом и Бейлиссом, логично было предположить, что поджелудочная железа выделяет гормон, регулирующий расщепление сахара в организме.

Однако попытки выделить гормон из поджелудочной железы потерпели неудачу. И это понятно, так как основная функция поджелудочной железы — выработка пищеварительных соков, содержащих большой запас расщепляющих белок ферментов. Поскольку гормон является белком (а это было доказано), он расщеплялся в процессе экстракции.

В 1920 г. у молодого канадского врача Фредерика Гранта Бантинга (1891–1941) возникла интересная идея: изолировать поджелудочную железу подопытных животных путем перевязки ее протока. По мнению ученого, клетки железы, выделяющие пищеварительный сок, должны были бы дегенерировать, так как сок перестал бы вырабатываться, а участки, секретирующие гормон непосредственно в кровяное русло, продолжали бы действовать. В 1921 г. Бантинг организовал лабораторию в университете в Торонто и с помощью ассистента Чарлза Герберта Беста (род. в 1899 г.) приступил к опытам. Ему повезло: он получил в чистом виде гормон инсулин, который нашел широкое применение для лечения сахарного диабета. Хотя больной, в сущности, беспрерывно подвергается утомительному лечению, жизнь его вне опасности^[5].

Вслед за инсулином были получены и другие гормоны. Немецкий химик Адольф Фридрих Бутенандт (род. в 1903 г.) в 1929 г. выделил из мочи беременных женщин и семенников половые гормоны, управляющие развитием вторичных половых признаков и влияющие на половой ритм у женщин.

Кендалл, открывший тироксин, и швейцарский химик Тадеуш Рейхштейн (род. в 1897 г.) выделили целую группу гормонов из внешнего, коркового, слоя надпочечников. В 1948 г. сотрудник Кендалла, Филипп Шоуолтер Хенч (род. в 1896 г.), обнаружил, что один из них, кортизон, оказывает целебное действие при ревматическом артрите. Позже он стал применяться и для лечения других болезней.

В 1924 г. аргентинский физиолог Бернардо Альберто Хуссей (род. в 1887 г.) доказал, что гипофиз, небольшая шаровидная железа внутренней секреции, которая лежит непосредственно под головным мозгом, каким-то образом влияет на расщепление сахара. Последующие исследования показали, что гипофиз выполняет и другие важные функции. Американский биохимик Чо Хао-ли (род. в 1913 г.) в 30–40-х годах выделил из гипофиза целый ряд различных гормонов. Одним из них, например, является «гормон роста», который регулирует рост организма. Если он поступает в кровь в избыточном количестве, вырастает великан, если его недостает — карлик. Наука, изучающая гормоны, — эндокринология — и в середине XX столетия остается чрезвычайно сложным, но зато и весьма плодотворным разделом биологии.

Серология

Функция распространения гормонов была лишь одним из новых свойств крови, открытых в конце XIX в. Являясь носителем антител, кровь выполняет роль защитника организма от инфекций. (Теперь трудно поверить, что полтора века назад врачи считали кровопускание лучшим способом помочь больному.) Использование защитных свойств крови против микроорганизмов получило развитие в работах двух помощников Коха, немецких бактериологов Эмиля Адольфа Беринга (1854–1917) и Пауля Эрлиха (1854–1915). Беринг открыл, что введение животным бактерийных культур стимулирует выработку в жидкой части крови (кровяной сыворотке) специфических антител. Если затем эту сыворотку ввести другому животному, оно, по крайней мере на какое-то время, будет невосприимчиво к данному заболеванию.

Беринг решил проверить свое открытие на дифтерии, заболевании, поражающем в основном детей и очень часто оканчивавшемся смертью. Если ребенок выживал после дифтерии, он становился невосприимчивым (иммунным) к этой болезни. Но зачем заставлять организм ребенка вырабатывать собственные антитела в борьбе с бактериальными токсинами? Почему бы не приготовить антитела в организме животного, а затем уже иммунную сыворотку ввести в организм больного ребенка? Применение антитоксической сыворотки во время эпидемии дифтерии в 1892 г. резко сократило детскую смертность.

Свой эксперимент Беринг проводил при участии Эрлиха, который, по-видимому, разработал конкретную дозировку и способы лечения. В дальнейшем Эрлих выполнял исследования самостоятельно, тщательно отшлифовывая методы использования сыворотки. Его по праву можно считать основателем серологии — учения о физических, химических и биологических свойствах сыворотки крови и о методах ее приготовления. Когда эти методы ставят целью создание невосприимчивости к заболеванию, наука называется иммунологией.

Бельгийский бактериолог Жюль Борде (1870–1939) был другим крупным серологом, внесшим большой вклад в становление этой науки. В 1898 г., работая в Париже под руководством И. И. Мечникова, он открыл, что антитела, присутствующие в нагретой до 55 °C сыворотке крови, по существу, остаются неизменными, сохраняя способность соединяться с теми же веществами (антигенами), с которыми они соединялись до нагревания. Однако способность сыворотки поражать бактерии исчезает. Возникло предположение, что какой-то очень нестойкий компонент (или группа компонентов) сыворотки действует в качестве дополнения (комплемента) к антителу, прежде чем последнее вступает в борьбу с бактерией. Борде назвал этот компонент алексином, а Эрлих — комплементом; последнее название принято и сейчас.

В 1901 г. Борде показал, что, если антитело реагирует с антигеном (чужеродным белком), комплемент истощается. Такой процесс фиксации комплемента оказался важным для диагностики сифилиса. Эта диагностика была разработана в 1906 г. немецким бактериологом Августом фон Вассерманом (1866–1925) и до сих пор известна как реакция Вассермана.

В реакции Вассермана сыворотка крови больного реагирует с определенными антигенами. Если в сыворотке содержатся антитела против возбудителя сифилиса, реакция осуществляется и комплемент исчезает. Утрата комплемента означает положительную реакцию на сифилис. Если комплемент не теряется, реакции не происходит и, следовательно, сифилиса у пациента нет.

Группы крови

Успехи серологии принесли в начале XX в. довольно неожиданные плоды: были открыты индивидуальные различия человеческой крови.

На протяжении всей истории врачи пытались возместить потерю крови путем ее переливания. Кровь здорового человека или даже животного вводилась в вену больного. Несмотря на отдельные случайные успехи, лечение, как правило, приводило к летальному исходу. Поэтому в большинстве европейских стран к концу XIX в. переливание крови было запрещено.

Австрийский врач Карл Ландштейнер (1868–1943) нашел ключ к решению проблемы. В 1900 г. он открыл, что кровь человека варьирует по способности сыворотки к агглютинации (склеиванию в комочки и выпаданию в осадок) красных кровяных телец (эритроцитов). Сыворотка крови одного человека может склеить эритроциты человека А, но не В, сыворотка другого, наоборот, — склеить эритроциты человека В, но не А. Существует сыворотка, которая склеивает эритроциты и А и В, и такая, которая вообще не склеивает эритроцитов. В 1902 г. Ландштейнер разделил человеческую кровь на четыре группы, или типа, которые он назвал А, В, АВ и 0.

Теперь нетрудно понять, что переливание крови в одних комбинациях безопасно, а в других вызывает смертельный исход, так как вводимые эритроциты могут агглютинировать с эритроцитами больного. Переливание крови при тщательном предварительном определении групп крови больного и донора сразу стало важным помощником в медицинской практике.

В последующие сорок лет Ландштейнер и другие ученые открыли такие группы крови, которые индифферентны при переливании крови. Все группы крови передаются по наследству в соответствии с менделевскими законами наследственности. Это обстоятельство в настоящее время используют при установлении отцовства. Так, например, родители с группой крови А не могут иметь ребенка с группой крови В.

Кроме того, открытие групп крови позволило выдвинуть приемлемое объяснение вековой проблемы рас. Люди всегда делили своих собратьев на некие группы; разумеется, авторы такого деления, лишенные всяких объективных критериев, себя обычно зачисляли в высшую группу. Даже в наше время неспециалисты склонны делить человечество на расы лишь на основе цвета кожи.

Бельгийский астроном Ламберт Адольф Жак Кетле (1796–1874) впервые показал, что различия между человеческими индивидуумами постепенны и не очень резки. Они скорее количественные, чем качественные. Кетле использовал статистические методы для изучения людей, что позволяет считать его основателем антропологии (учения о естественной истории человека).

Кетле изучал результаты измерения объема груди шотландских солдат, данные о росте рекрутов французской армии и т. п. и в 1835 г. пришел к выводу, что отклонения этих показателей от средней величины столь же закономерны, как и падение игральных костей или распределение пулевых отверстий вокруг центра мишени. Иначе говоря, было показано, что жизнь течет по тем же законам, которые управляют и неодушевленным миром.

Шведский анатом Андерс Адольф Ретциус (1796–1860) предложил классифицировать расы по форме черепа. Отношение ширины черепа к его длине, помноженное на 100, он назвал краниальным (черепным) индексом. Если краниальный индекс меньше 80, перед вами — долихоцефал (длинноголовый); если он превышает 80 — брахицефал (широкоголовый). Европейцев он делил на представителей северной расы (высокие и длинноголовые), средиземноморской (невысокие и длинноголовые) и альпийской (невысокие и широкоголовые).

Но в действительности все это не так просто: различия очень малы, за пределами Европы они вообще стираются, наконец, краниальный индекс не строго фиксирован в наследственности и может меняться из-за недостатка витаминов и под влиянием окружающей среды, в которой живет ребенок.

Однако с установлением групп крови открылась заманчивая возможность использовать их для классификации популяций человека. Во-первых, группы крови не являются видимыми признаками. Они истинно врожденные и не поддаются влиянию окружающей среды, свободно смешиваются в последующих поколениях, поскольку при выборе супруга люди вовсе не задумываются над тем, какая у него (или у нее) группа крови.

Ни одна группа крови в отдельности не может быть использована для различения рас, но встречаемость разных групп крови приобретает значение при сравнении большого числа людей. Можно считать, что приоритет в этой ветви антропологии принадлежит американскому иммунологу Уильяму Клоузеру Бойду (род. в 1903 г.). В 30-х годах он пытался выявить тип крови у населения различных частей света. На основании полученных сведений и литературных данных в 1956 г. Бойд подразделил человечество на тринадцать групп. Большинство групп соответствовало географическим делениям. К его удивлению, выявилась древняя европейская раса, характеризующаяся необычно высокой встречаемостью группы крови, называемой Rh-отрицательной (резус-отрицательной). Древние европейцы были вытеснены современными народами Европы, но их потомки (баски) сохранились и до наших дней в нагорьях Западных Пиренеев.

По встречаемости групп крови можно проследить миграции народов доисторического и даже близкого к нам времени. Например, процент группы крови В наиболее высок среди жителей Центральной Азии и прогрессивно уменьшается на запад и восток. Но в Западной Европе все же встречаются люди с группой крови В. Предполагают, что это результат периодических вторжений в Европу кочевников Центральной Азии — гуннов и монголов.

Вирусные заболевания

Наиболее значительные успехи в борьбе с микроорганизмами, не известными во времена Пастера и Коха, были сделаны в XX в. Пастеру не удалось отыскать возбудителя бешенства, заболевания явно инфекционного и, согласно его теории, вызываемого микроорганизмом. Пастер полагал, что этот микроб слишком мал и именно поэтому его не удавалось найти с помощью существовавших в то время приборов. Как выяснилось позже, Пастер был прав.

Инфекционный возбудитель может быть гораздо меньше обычной бактерии. Впервые в этом убедились при изучении мозаичной болезни табака. Оказалось, что сок больных растений заражает здоровые. В 1892 г. русский ботаник Дмитрий Иосифович Ивановский (1864–1920) установил, что сок сохраняет свои инфекционные свойства, даже если его пропустить через фильтры, задерживающие все известные бактерии. В 1895 г. к этому же открытию пришел голландский ботаник Мартин Виллем Бейеринк (1851–1931). Бейеринк назвал инфекционный агент фильтрующимся вирусом, понимая под словом «вирус» просто ядовитое вещество. Эти открытия двух ученых легли в основу науки вирусологии.

Оказалось, что и некоторые другие заболевания вызываются фильтрующимися вирусами. Немецкий бактериолог Фридрих Леффлер (1852–1915) в 1898 г. установил, что фильтрующимся вирусом вызывается ящур крупного рогатого скота, а в 1901 г. Рид доказал то же самое в отношении желтой лихорадки. Такие заболевания, как полиомиелит, сыпной тиф, корь, свинка (эпидемический паротит), ветряная оспа, грипп и заразный насморк (common cold), также оказались вирусными.

Интересное научное открытие было сделано в 1915 г. Английский бактериолог Фредерик Уильям Творт (1877–1950), проводя свои наблюдения за колониями бактерий, обнаружил, что некоторые из них постепенно как бы окутываются туманом, а затем и вовсе исчезают. Он профильтровал раствор с исчезнувшими колониями, и оказалось, что в фильтрате содержится нечто вызывающее гибель колоний. Очевидно, и у бактерий имеются вирусные болезни: паразиты становятся жертвами еще более мелких паразитов. Канадский бактериолог Феликс д'Эрелль (1873–1949) в 1917 г. повторил это открытие. Он назвал вирусы, поражающие бактерий, бактериофагами, что значит «пожиратели бактерий».

Пока еще никто не может сказать, подлежит ли включению в список заболеваний, вызываемых вирусами, рак. Роль рака — одной из самых распространенных смертельных болезней нашего столетия — неуклонно растет, он уносит все больше человеческих жизней. Медленное неумолимое разрастание раковой опухоли, обычно затяжная и мучительная смерть сделали рак одной из болезней, которые наводят ужас на человечество.

В период первых успехов микробной теории болезней полагали, что и рак — бактериальное заболевание, но найти вызывающие его бактерии не удавалось. После открытия вирусов стали искать раковый вирус, но опять-таки безуспешно. Все это в сочетании с тем, что рак не заразен, склонило многих ученых к мысли, что он вообще не микробного происхождения.

Может быть, это и так, однако не следует забывать, что, хотя вирус рака до сих пор не обнаружен, для отдельных видов рака открыты особые вирусоподобные агенты. В 1911 г. американский врач Фрэнсис Пейтон Раус (род. в 1879 г.) изучал куриную опухоль, называемую саркомой. Выясняя, нет ли в саркоме особого вируса, Раус профильтровал раковую вытяжку — оказалось, что фильтрат вызывает образование опухолей у здоровых кур. Утверждать, что открыт вирус рака, сам Раус не решился, но за него это сделали другие.

В течение почти четверти века вирус куриной саркомы Рауса был единственным четким примером инфекционного фактора, способного вызвать рак. Однако после 1930 г. появились и другие примеры. Несмотря на это, наука, изучающая опухоли, их предупреждение и лечение (онкология), является самым неясным разделом медицины.

Хотя физическая природа вирусов в течение почти сорока лет после их открытия оставалась неизвестной, это не мешало предпринимать возможные шаги на пути лечения вирусных заболеваний. Оспа, по существу, первое полностью ликвидированное вирусное заболевание. Вакцинация против оспы стимулирует организм к выработке антител, специфически направленных против вируса оспы. Естественно предположить, что для каждого вирусного заболевания существует свой серологический метод лечения.

Трудность состоит в том, что надо найти такой штамм вируса, который, вызывая слабые проявления болезни, в то же время стимулировал бы выработку антител против вирулентных штаммов (по аналогии с функцией, выполняемой штаммом коровьей оспы). Сходные методы были использованы Пастером в борьбе с бактериальными заболеваниями, но культивировать бактерии и получать ослабленные бактериальные штаммы сравнительно просто.

Вирусы, к сожалению, размножаются только в живых клетках, и это еще более осложняет решение проблемы. Так, вакцина против желтой лихорадки была получена в 30-е годы южноафриканским микробиологом Максом Тейлером (род. в 1899 г.) после длительных внутримозговых пассажей (серии последовательных заражений) вируса, сначала на обезьянах, а затем на белых мышах. У мышей вирус желтой лихорадки вызывал энцефалит — воспаление головного мозга. После длительного пассирования вируса на мышах Тейлер вновь привил его обезьянам. К этому времени вирус был уже ослаблен, и обезьяны страдали лишь очень слабыми приступами желтой лихорадки. Но у животных вырабатывалась полная невосприимчивость к большинству вирулентных штаммов вируса.

Между тем американский врач Эрнест Вильям Гудпасчер (1886–1960) открыл своего рода живой аналог питательного бульона Коха. В 1931 г. он предложил использовать в качестве питательной среды для вирусов развивающиеся куриные эмбрионы. Если удалить верхушку скорлупы, оставшаяся часть яйца служит как бы естественной чашкой Петри. В 1936 г. Тейлор создал еще более безвредную вакцину против желтой лихорадки, отобрав ослабленный вирусный штамм из штаммов, длительно пассированных (до 200 раз) в культуре ткани куриного эмбриона.

Наиболее ярко успех нового серологического метода проявился в борьбе с полиомиелитом. Вирус полиомиелита был выделен в 1908 г. Ландштейнером, впервые заразившим этой болезнью обезьян. Однако обезьяны — малопригодный объект для поисков ослабленного штама из-за дороговизны и трудности содержания большого числа животных.

Американский микробиолог Джон Франклин Эндерс (род. в 1897 г.) с двумя молодыми помощниками, Томасом Хаклом Веллером (род. в 1915 г.) и Фредериком Чапманом Роббинсом (род. в 1916 г.), в 1948 г. попытался культивировать вирусы в среде из измельченных куриных эмбрионов и крови. Подобные попытки делались и раньше, но всегда оканчивались неудачей, поскольку культура вируса вытеснялась быстро размножающимися бактериями. Однако Эндерс добавил к среде открытый незадолго до этого пенициллин. Последний приостанавливал рост бактерий, никак не влияя на вирус. Вначале Эндерсу удалось успешно культивировать вирус паротита, а затем вирус полиомиелита (1949). Появилась возможность выращивать вирус полиомиелита в достаточном количестве, а значит, и надежда напасть среди сотен штаммов на ослабленный с желательными свойствами. Американский микробиолог Альберт Брусс Сейбин (род. в 1906 г.) успешно селекционировал и очистил к 1957 г. три типа ослабленных вакцинных штаммов для каждого из трех разновидностей полиомиелита и создал эффективную живую вакцину.

Согласно последним данным, Эндерс со своим помощником Самуэлем Лоуренсом Кацем (род. в 1927 г.) в начале 60-х годов нашел пригодный для изготовления вакцины ослабленный штамм вируса кори, что, вероятно, поможет покончить и с этой детской болезнью.

Аллергия

Механизм иммунитета не всегда используется, как нам кажется, наиболее рациональным образом. Организм может развить способность к выработке антител против любого чужеродного белка, даже против такого, который на первый взгляд безвреден. Если организм сенсибилизирован (то есть его чувствительность повышена), он реагирует на контакт с белками различными симптомами: отеком слизистых оболочек носа, чрезмерной выработкой слизи, кашлем, чиханием, слезотечением, сужением бронхиол легких (астма). Такая реакция организма называется аллергией. Часто причиной аллергии бывает присутствие какого-либо пищевого компонента или некоторых видов цветочной пыльцы (так называемая сенная лихорадка).

Даже белки других людей являются чужеродными для данного индивидуума, и организм вырабатывает против них антитела. Из этого можно заключить, что каждый человек (за исключением близнецов) представляет собой химически особое существо. Именно поэтому заканчиваются неудачей попытки пересадить кожу или какой-либо орган от одного человека к другому. Организм больного, которому сделали пересадку, вырабатывает антитела, стараясь избавиться от чужеродного органа или ткани. Аналогичные трудности возникают при переливании крови, но пересадка связана с дополнительными, еще более сложными проблемами, так как ткани в отличие от крови человека невозможно классифицировать на ряд основных типов.

Это тем более досадно, что биологи научились поддерживать в течение некоторого времени жизнедеятельность изолированных частей тела. Так, сердце, удаленное у подопытного животного, можно заставить пульсировать еще довольно долго. В 1882 г. английский врач Сидней Рингер (1834–1910) предложил раствор, близкий по составу неорганических солей к плазме крови. Этот раствор, выполняя роль искусственной питательной жидкости, способен в течение достаточно длительного времени поддерживать жизнедеятельность изолированного органа.

Искусство сохранения органов жизнеспособными в питательной среде точного ионного состава довел до совершенства французский хирург Алексис Каррель (1873–1944). Он поддерживал рост клеток сердечной ткани куриного эмбриона в течение более двадцати лет.

Из этого следует, что трансплантация (пересадка) органа была бы успешной, если бы организм в ответ на нее не вырабатывал враждебных антител. И все же некоторые достижения имеются уже и сегодня. В повседневную практику вошла пересадка роговицы глаза; в Советском Союзе начиная с 1960 г. успешно производятся единичные пересадки почек.

В 1949 г. австралийский вирусолог Франк Барнет (род. в 1899 г.) выступил с утверждением, что способность организма к выработке антител против чужеродных белков не врожденная, а развивается в процессе жизни, хотя и может проявиться довольно рано. Английский биолог Питер Брайн Медавор (род. в 1915 г.) привил мышиным эмбрионам клетки мышиных же тканей, но от мышей другой линии (не имевших общих предков). Итак, если эмбрионы не способны образовывать антитела, то к тому времени, когда они начнут самостоятельную жизнь и приобретут эту способность, привитые им белки уже не должны быть чужеродными. И действительно, оказалось, что взрослые мыши, привитые в эмбриональном состоянии, в отличие от непривитых принимали пересадку кожи от мышей другой линии.

В 1961 г. открыли источник способности организма вырабатывать антитела. Им оказалась зобная железа, где продуцируются лимфоциты (род белых кровяных клеток), в функцию которых входит образование антител. Сразу после рождения человека лимфоциты направляются в лимфоузлы и в кровяное русло. Через некоторое время лимфоузлы уже могут существовать сами по себе, а тимус по достижении человеком половой зрелости сокращается и исчезает. Сейчас еще трудно сказать, какое влияние окажет это открытие на возможность пересадки органов.

Глава XII
Обмен веществ

Химиотерапия

Борьба с бактериальными заболеваниями в некотором отношении проще, чем с вирусными. В предыдущей главе мы уже говорили, что бактерии легче поддаются культивированию. Кроме того, они более уязвимы. Бактерии существуют вне клеток «хозяина» и оказывают свое вредоносное действие, либо конкурируя с ними в пище, либо выделяя токсины. Однако их обмен веществ, как правило, отличается от обмена веществ клеток «хозяина». Поэтому у нас всегда есть возможность воздействовать на бактерии теми химическими веществами, которые нарушат их обмен веществ, не влияя сколько-нибудь существенно на клеточный обмен веществ.

Использование химических лекарственных средств для борьбы с болезнями восходит к доисторическим временам. Лечение травами и отварами приносит порой положительные результаты и в наши дни. Опыт приготовления таких лекарств лекари-«травники» передавали из поколения в поколение. Например, хинин применялся сначала как народное средство против малярийного паразита, а позже его взяли на вооружение профессиональные медики.

Появление синтетических препаратов дало возможность подбирать для каждой болезни специфическое лекарственное вещество. Пионером в этой области был Эрлих — он называл такие лекарства «волшебными пулями», отыскивающими и убивающими микроба, не принося никакого вреда клеткам тела больного.

Эрлих работал с красителями бактерий. Зная, что эти краски вступают в специфические соединения с определенными составными частями бактериальных клеток, ученый попытался установить, нельзя ли ими разрушить рабочий механизм бактерий. Ему и в самом деле удалось найти краситель — трипановый красный, который разрушал трипаносом, — правда, они относятся к простейшим, а не к бактериям, но это не меняет дела.

Однако Эрлих на этом не остановился. Он справедливо рассудил, что действие трипанового красного обусловлено сочетаниями атомов азота, входящих в состав красителя. Атомы мышьяка по своим химическим свойствам сходны с атомами азота, но в соединениях более ядовиты. И Эрлих стал испытывать — одно за другим — все мышьяксодержащие органические вещества, которые в то время можно было достать или синтезировать.

В 1909 г. один из его помощников обнаружил, что соединение, известное в лаборатории под № 606, будучи не очень эффективным против трипаносом, дало превосходные результаты на возбудителе сифилиса. Эрлих назвал это лекарство сальварсаном и посвятил остаток своей жизни улучшению метода его использования для лечения сифилиса.

С получения трипанового красного и сальварсана ведет свое начало современная химиотерапия, то есть лечение химическими препаратами (термин предложен Эрлихом). Ученые возлагали большие надежды на то, что и другие заболевания удастся лечить аналогичным способом. К сожалению, в течение 25 лет после обнаружения эффективного действия сальварсана исследователям не удалось извлечь ничего полезного из огромного списка синтетических органических веществ.

Но прошло время, и судьба вновь улыбнулась медикам. Немецкий биохимик и врач Герхардт Домагк (род. в 1895 г.), работавший по заданию фирмы по производству красителей, начал систематически испытывать новые красители в надежде использовать некоторые из них в медицине. Одним из вновь созданных препаратов был пронтозил. В 1932 г. Домагк обнаружил, что инъекция этого красителя оказывает сильнейшее действие на стрептококковую инфекцию у белых мышей.

Вскоре ему пришлось проверить этот препарат на собственной дочери, которая, уколовшись иглой, внесла в организм стрептококковую инфекцию. Никакое лечение не помогало, и Домагк в отчаянии ввел ей большую дозу пронтозила. Больная быстро пошла на поправку, и в 1935 г. мир узнал о новом лекарстве.

Незадолго до этого группа французских бактериологов установила, что антибактериальное действие пронтозила связано с наличием в его молекуле остатка сульфаниламида (соединения, известного химикам еще с 1908 г.). Использование пронтозила и других сульфаниламидных препаратов ознаменовало целую плеяду «чудесных лекарств». Множество инфекционных болезней, особенно некоторые разновидности пневмонии, перестали угрожать жизни человека.

Ученые долго не могли найти лекарственных веществ для борьбы с туберкулезными бациллами. И только в 1952 г. немецким и американским исследователям удалось обнаружить, что гидразид изоникотиновой кислоты (тубазид) удивительно эффективно излечивает от туберкулеза. С тех пор тубазид и его производные стали повсеместно применяться в борьбе с туберкулезом.

Антибиотики и пестициды

И все же крупнейшие достижения химиотерапии связаны не с синтетическими лекарствами типа сальварсана и сульфаниламида, а с природными веществами. Американский микробиолог Рене Жюль Дюбо (род. в 1901 г.) на протяжении многих лет изучал почвенные микроорганизмы. Как известно, в почву попадают трупы животных, пораженных различными заболеваниями, но, за очень редким исключением, сама почва не является источником инфекций. Это, очевидно, объясняется тем, что в ней существуют какие-то антимикробные агенты. (Такие агенты впоследствии получили название антибиотиков, что означает «против жизни».)

В 1939 г. Дюбо выделил из почвенных бактерий кристаллическое вещество тиротрицин, состоящее из двух антибиотиков, впоследствии названных грамицидином и тироцидином. Хотя сам по себе тиротрицин не был очень эффективным агентом, он возродил интерес ученых к открытию, сделанному десятью годами раньше шотландским бактериологом Александером Флемингом (1881–1955).

Работая с культурой стафилококка, Флеминг случайно оставил ее на несколько дней открытой. Он уже совсем собирался ее выбросить, когда заметил, что туда попали споры плесени и вокруг каждой плесневой колонии стафилококковые бактерии отсутствуют.

Флеминг выделил эту плесень и отнес ее к виду Penicillium notatum, близкому к обычной плесени, которая часто появляется на черством хлебе. Ученый пришел к выводу, что плесень выделяет какое-то вещество, угнетающее рост бактерий, и назвал это вещество пенициллином. На основе тщательного изучения он показал, что пенициллин воздействует на одни бактерии и не влияет на другие, абсолютно безвреден для лейкоцитов и, по-видимому, для других клеток человеческого организма. Дальше этих выводов Флеминг не пошел^[6].

Открытие Дюбо возродило интерес к антибиотикам, одним из представителей которых был пенициллин. Кроме того, начавшаяся вторая мировая война настоятельно требовала эффективных средств для борьбы с раневыми инфекциями. Именно поэтому английский патолог Говард Уолтер Флори (род. в 1898 г.) совместно с английским биохимиком Эрнстом Чейном (род. в 1906 г.) пытался разрешить проблему выделения пенициллина, определить его структуру и найти промышленные способы его получения. К концу войны оба эти ученые возглавили большую группу исследователей и добились блестящих успехов. Пенициллин стал и посейчас остается самым популярным лекарством в борьбе с инфекционными заболеваниями.

Послевоенные исследования привели к открытию и других антибиотиков. Так, американский бактериолог Соломон Ваксман (род. в 1888 г.), которому принадлежит термин «антибиотик», столь же систематически исследовал почвенные микробы, как в свое время Эрлих — синтетические вещества. В 1943 г. ему удалось выделить антибиотик, оказавшийся эффективным против тех бактерий, на которые не действовал пенициллин. Через два года этот антибиотик поступил в широкую продажу под названием стрептомицина.

В начале 50-х годов были открыты антибиотики широкого спектра действия (то есть подавляющие развитие многих видов бактерий), группа тетрациклинов — ауреомицин, террамицин, тетрациклин.

С появлением антибиотиков борьба против бактериальных заболеваний достигла таких успехов, которые каких-нибудь два-три десятилетия назад казались невероятными. А между тем будущее не сулит радужных перспектив. В результате естественного отбора выживают только те штаммы бактерий, которые имеют естественную устойчивость к антибиотикам. Поэтому со временем отдельные антибиотики теряют свою эффективность. Несомненно, в дальнейшем будут открыты новые антибиотики, однако о полной победе пока говорить не приходится, да, возможно, ее и не будет.

Химиотерапевтические средства, как правило, не действуют на вирусы. Последние размножаются внутри живой клетки; чтобы уничтожить их химическим воздействием, придется уничтожить саму клетку. Однако успеха можно добиться, уничтожая многоклеточных живых существ — носителей патогенного для человека вируса.

Так, вирус сыпного тифа переносит платяная вошь, от которой гораздо труднее избавиться, чем, скажем, от свободно живущего комара. Тиф — чрезвычайно опасная болезнь: на фронтах первой мировой войны от эпидемии сыпного тифа нередко гибло больше солдат, чем от вражеской артиллерии.

1935 г. швейцарский химик Пауль Мюллер (род. в 1899 г.) приступил к поискам органических соединений, способных быстро уничтожать насекомых, не угрожая жизни других животных. В сентябре 1939 г. он окончательно установил, что для этой цели лучше всего подходит 4,4-дихлордифенилтрихлорэтан (сокращенно ДДТ), впервые синтезированный в 1874 г. В 1942 г. началось промышленное производство ДДТ, а уже через год этот препарат использовали во время эпидемии сыпного тифа в Неаполе (эпидемия вспыхнула вскоре после оккупации города англо-американскими войсками). В результате применения нового препарата насекомые погибли, и впервые в истории эпидемия тифа была быстро ликвидирована. Аналогичная картина наблюдалась в конце 1945 г. в Японии.

После второй мировой войны ДДТ и другие органические инсектициды стали применяться не только с целью предотвращения эпидемий, но и для спасения урожая от насекомых. Вскоре вещества, уничтожающие сорняки и насекомых, были объединены в группу пестицидов. Следует, однако, отметить, что, по мере того как у насекомых вырабатывается устойчивость к химическим препаратам, пестициды теряют свою эффективность. Более того, в результате беспорядочного использования пестицидов уничтожаются огромные количества безвредных для человека организмов и тем самым нарушается равновесие в природе. Следовательно, излишнее увлечение пестицидами может принести больше вреда, чем пользы.

Это весьма серьезная проблема. Учение о взаимосвязи живых организмов с окружающей средой и друг с другом (экология) является областью биологии, где слишком много нерешенных проблем. В погоне за кратковременной выгодой человечество меняет окружающую среду, но кто знает, возможно, даже незначительные на первый взгляд изменения в конечном итоге приведут к необратимым потерям.

---

Дата добавления: 2019-09-08; просмотров: 146; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!