великих научных открытий

Строение человеческого тела

Удивительно, но один из самых значимых вкладов в развитие анатомии принадлежит не врачу, а художнику и изобретателю ― Леонардо да Винчи. Он жил в эпоху Возрождения, когда все деятели искусства и науки отчаянно пытались вырваться за рамки церковной схоластики и мистицизма. Широко известно, что Леонардо писал сочинения по геометрии, гидродинамике, гидравлике, астрономии, геологии и ботанике, а вот о его достижениях в области медицины и физиологии мало кто знает. Между тем он глубоко изучил строение тела человека и сделал открытия, заставившие пересмотреть многие положения анатомической науки, бытовавшие ранее.

Изысканиями в этой области Леонардо занялся под влиянием анатома Маркантонио делла Торре, читавшего лекции по медицине галлов. Впоследствии Маркантонио выпустил капитальный труд по анатомии, оформив его иллюстрациями великого художника. Да Винчи с удивительной точностью изобразил формы и пропорции всех частей скелета, впервые в истории науки предположил, что крестец состоит из пяти, а не из трех позвонков, описал лордозы и кифозы (искривления) позвоночного столба, рассмотрел наклон и изгибы ребер, что было необходимо для понимания механизма дыхания, безошибочно нарисовал суставные поверхности костей. А кроме того, «прикрепил» к скелету нервы и мускулы, чего раньше не делал никто.

Такой реалистичности художник добился только благодаря тому, что имел возможность исследовать тела умерших людей. Конечно, делал он это без ведома властей, и если бы инквизиторы узнали об этом, да Винчи мог бы понести наказание, но его мастерская была надежно скрыта в монастыре св. Аннунциаты, настоятели которого любезно позволили ему посещать монастырский морг и изучать тела почивших.

В процессе работы Леонардо не ограничивался анатомическими описаниями – он занимался также вопросами патологии, а еще интересовался изменениями, происходящими с человеком в процессе старения: почему с возрастом сужается просвет кишок, чем отличаются мышцы молодого и пожилого человека, как с годами меняется сила голоса. Вот какие выводы он сделал после анатомирования тела одного старца: «Некоторые сведения, собранные мной о его жизни перед кончиной, говорят о его возрасте: он прожил сто лет и даже в самый последний день не чувствовал ничего, кроме старческой слабости. Я провел вскрытие, желая узнать секрет такой безболезненной смерти, и обнаружил, что она наступила вследствие бессилия, проявившегося в отказе работоспособности крови и артерии, обслуживающей сердце и другие сопутствующие органы…» Таким образом, Леонардо впервые описал атеросклероз.

Подробно изучая историю медицины, да Винчи осуждал эксперименты античных целителей, которые анатомировали живых преступников, приговоренных к смерти.

К изучению физиологии – функций различных частей и органов человеческого тела – художника подтолкнули те исследования, что он проводил в процессе вскрытий. Рассматривая движения людей, Леонардо анализировал моторику мышц и их связь с нервной системой, а анатомические занятия в лаборатории помогали ему классифицировать мышцы по величине, силе, форме, типу сухожилий и способу прикрепления к костям скелета. Эта типология стала основой для современной систематизации мышц, принятой в миологии.

В ходе исследования черепа да Винчи открыл воздухоносные пазухи. Но особое внимание он уделял изучению строения глаза, поскольку орган зрения, по его мнению, является «повелителем и князем прочих четырех чувств».

При описании работы сердца Леонардо увлекся экспериментальной физиологией и даже предпринял попытку создать протез клапана, изготовив из воска левый желудочек и начальную часть аорты. Это позволило ему лучше изучить работу «главной мышцы» и предвосхитило развитие кардиохирургии. Когда же дело дошло до исследования пищеварительной системы, да Винчи во всех деталях изобразил аппендикс и сосудистую систему желудочно-кишечного тракта.

Кроме того, великий художник описал аномалии, которые могут возникнуть в речевом аппарате человека вследствие деформации подбородка, губ, челюсти и зубов, и первым изобразил неудачно прооперированную «заячью губу» (в те времена подобные хирургические промахи были не редкостью).

А еще да Винчи заслужил славу «отца» эмбриологии. В 1512 г. он внимательно изучил зародыши, а затем зарисовал этапы развития младенца в околоплодных водах: органы и кровеносные сосуды, положения тела, то, «как ребенок дышит, получая питание через пуповину». До этого изучение эмбриона в матке практически не предпринималось.

Да и вообще, анатомия времен Ренессанса не могла похвастать точностью иллюстраций: в 1495 г. вышел серьезный труд, детально описывавший женскую мочевыделительную систему, однако изображения в книге были самыми что ни на есть примитивными. Леонардо же, напротив, старался сделать анатомический рисунок максимально информативным и понятным. Именно он предложил изображать кости и части человеческого тела реалистично объемными, а уже потом его примеру последовали и другие анатомы. Недаром рисунки и рукописи да Винчи, найденные в 1778 г. в пригороде Лондона, стали предметом гордости Королевской библиотеки в Виндзоре.

Вклад Леонардо да Винчи в медицину просто неоценим. Его анатомические иллюстрации можно назвать революционными, поэтому он по праву считается основателем современной анатомии. Французский философ Ипполит Тэн увидел в нем «самого раннего открывателя всех идей и всех современных курьезов».

Кровообращение

Кровь от сердца бежит по артериям к органам, а от органов по венам поступает обратно в сердце. Об этом сейчас знают даже школьники, однако во времена Уильяма Гарвея (1578— 1657) – английского врача, физиолога и анатома-экспериментатора – данный факт вовсе не был очевидным.

«Он тверд в споре, непоколебим во взглядах, никогда не меняет своих суждений… Он слепо верит нашим древним учителям и не желает даже слушать о так называемых открытиях нашего века касательно кровообращения…» Так восхвалял достоинства врача доктор Диафуарус – герой комедии Мольера «Мнимый больной». Именно с такой позицией столкнулся выдающийся исследователь человеческого организма Гарвей после публикации своего сочинения о работе сердца и движении крови. Ученому пришлось вступить в борьбу с господствовавшей тогда традицией, основанной на учении античного лекаря Галена, а Парижский медицинский факультет, чьи профессора непоколебимо придерживались «допотопных» взглядов, объявил Уильяму настоящую войну.

Последователи «древнего учителя» полагали, что артерии содержат мало крови и много воздуха, в то время как вены наполнены кровью. Казалось бы, откуда возникло данное убеждение? Ведь при любом ранении, затронувшем артерию, кровь бьет ключом! Это знали даже первобытные люди, да и античная публика не раз наблюдала такую картину во время жертвоприношений. Но медики основывались на ином опыте ― полученном при вскрытиях. Естественно, в мертвом теле артерии бескровны, тогда как вены полны. К реальному кровообращению это не имеет никакого отношения, и все же «светила медицины» упорно придерживались устаревших методов исследования. Они считали, что кровь образуется в печени и оттуда через большую полую вену поступает в сердце: «Части пищи, всосанные из пищеварительного канала, подносятся воротной веной к печени и под влиянием этого большого органа превращаются в кровь. Обогащенная пищей, кровь наделяет эти самые органы питательными свойствами, но сама она является еще недоработанной, негодной для высших целей в организме. Приносимые из печени через v. cava (нижнюю полую вену) к правой половине сердца некоторые ее части проходят из правого желудочка через бесчисленные невидимые поры к левому желудочку. Расширяясь, сердце насасывает воздух из легких через венообразную артерию («легочную вену») в левый желудочек, и в этой левой полости кровь, которая прошла через перегородку, смешивается с воздухом…» – писал Гален. Его последователь, анатом эпохи Возрождения А. Везалий, продолжал эту мысль: «Так же, как правый желудочек насасывает кровь из v. cava, левый желудочек накачивает в себя воздух из легких через венообразную артерию всякий раз, когда сердце расслабляется. В левом желудочке этот воздух используется для охлаждения врожденной теплоты, для питания и для приготовления жизненных дýхов. Очищенный воздух вместе с кровью, которая просачивается в левый желудочек через septum из правого желудочка, может быть предназначен для большой артерии (аорты) и, таким образом, для всего тела».

Между тем исторические документы свидетельствуют, что малый круг кровообращения был открыт еще в Средневековье арабским врачом Ибн-аль-Нафисом. Вслед за ним истинным механизмом кровообращения заинтересовался астроном, метролог, географ, врач и теолог эпохи Возрождения Мигель Сервет, который слушал в Падуе лекции немецкого анатома Ф. Сильвия и, возможно, встречался с Везалием. В книге «Восстановление христианства» Сервет писал, что «мы должны сначала изучить возникновение в крови самого жизненного духа. Жизненный дух берет начало в левом сердечном желудочке, при этом особое содействие его производству оказывают легкие, поскольку там происходит смешение входящего в них воздуха с кровью, поступающей из правого сердечного желудочка. Этот путь крови вовсе не пролегает через перегородку сердца (septum), как принято думать, – кровь гонится другим путем из правого сердечного желудочка в легкие. Здесь она смешивается с вдыхаемым воздухом, а на выдохе освобождается от сажи. Хорошо перемешавшись в процессе дыхания, кровь наконец снова притягивается в левый сердечный желудочек».

Однако по-настоящему понять значение сердца и сосудов удалось именно Гарвею, который в своей научной деятельности руководствовался многочисленными опытами, связанными со вскрытием еще живых животных. Известный своим скептицизмом, Гарвей писал: «Когда я впервые обратил все свои помыслы и желания к наблюдениям на основе вивисекций (в той степени, в которой мне их приходилось делать), чтобы посредством собственных созерцаний… распознать смысл и пользу сердечных движений у живых существ, – я обнаружил, что вопрос этот весьма сложен и преисполнен загадок».

В 1616 г. на одной из лекций Гарвей впервые заявил, что «кровь кружит в теле», хотя после этого еще долгие годы продолжал искать доказательства своего предположения и лишь 12 лет спустя опубликовал результаты своего труда – «Анатомические исследования о движении сердца и крови животных».

В этом труде была высказана «крамольная» мысль о том, что кровь при сокращении сердечных желудочков выталкивается в аорту, по аорте и ее ответвлениям поступает во все части тела, доставляя туда жизненно необходимый кислород, а затем по венам возвращается обратно к сердцу и через большую полую вену вливается в правое предсердие. Оттуда кровь поступает в правый желудочек, тот сокращается и выталкивает ее через легочную артерию в легкие, где она снабжается свежим кислородом, – это малый круг кровообращения, открытый еще Серветом. Получив в легких свежий кислород, кровь по большой легочной вене течет в левое предсердие, откуда поступает в левый желудочек. После этого большой круг кровообращения повторяется. Именно Гарвей установил, что артерии – это сосуды, уводящие кровь от сердца, а вены – сосуды, ведущие к сердцу, и точно описал все движения «главной мышцы». Его открытие оказало влияние на Рене Декарта (1596—1650), который выдвинул гипотезу, что процессы в центральной нервной системе происходят автоматически и не составляют душу человека: мол, нервные «трубки», посылающие сигналы к мышцам, расходятся от мозга радиально, подобно тому, как от сердца расходятся сосуды.

Впрочем, в системе Гарвея не хватало некоторых звеньев, например соединительной части между артериями и венами. Капиллярная система – комплекс тончайших сосудов, которые являются окончанием артерий и началом вен, – была открыта уже после смерти ученого, когда был изобретен микроскоп. Описать кровеносные капилляры в легких и тем самым доказать, что артерии и вены большого и малого круга кровообращения соединяются капиллярами, сумел итальянский биолог Марчелло Мальпиги (1628—1694). Детально изучив лягушек, Мальпиги установил, что тончайшие бронхиолы заканчиваются легочными пузырьками, окруженными кровеносными сосудами. Капиллярные сетки расположены очень близко одна к другой, а в самих сосудах нет воздуха и стенки у них очень тонкие, поэтому кислород без труда поступает из них в клетки ткани, после чего бедная кислородом кровь направляется к сердцу. Вдобавок, согласно наблюдениям Мальпиги, в крови содержатся некие красные тельца (позже было выяснено, что это эритроциты).

Данное открытие, ставшее последним звеном в теории Уильяма Гарвея, настолько возмутило консервативных итальянских профессоров, что они организовали нападение на Мальпиги. Самого же Гарвея еще долго обвиняли в жестоком обращении с животными, однако со временем и британский, и итальянский ученые были реабилитированы, ведь их выводы были подтверждены опытами других исследователей. Во дворе Падуанского университета даже был размещен герб Гарвея – две змеи Эскулапа, обвивающие горящую свечу. По мнению великого исследователя, горящая свеча символизирует жизнь, пожираемую пламенем и в то же время дарующую свет.

Клеточное строение организма

Первые «кирпичики» в построение клеточной теории были заложены более 350 лет назад английским натуралистом Робертом Гуком (1635—1703). Пытаясь заглянуть за горизонт человеческих познаний, Гук установил на термометре «точки отсчета» – кипения и замерзания воды, изобрел воздушный насос и прибор для определения силы ветра, а затем его чрезвычайно увлекли необыкновенные возможности микроскопа. Под стократным увеличением он рассматривал все, что попадалось под руку, будь то муравей, блоха, песчинка или водоросли. Однажды под объективом Гука оказался кусочек пробки, и молодой ученый увидел нечто невероятное, похожее на пчелиные соты. Позже, обнаружив подобные ячейки и в живой ткани, Гук назвал их клетками и вместе с полусотней других наблюдений описал в книге «Микрография». Вскоре он переключил все внимание на другие идеи и больше никогда не возвращался к микроскопу, а о клетках и думать забыл. Зато другие ученые открытием заинтересовались. Так, рассматривая в микроскоп разные части растений, итальянец Марчелло Мальпиги обнаружил, что те состоят из мельчайших «трубочек», «мешочков» и «пузырьков». Вдохновленный, Мальпиги взялся исследовать кусочки тканей человека и животных, но из-за несовершенства техники никаких клеток там не увидел.

Дальнейшая история открытия связана с именем голландца Антони ван Левенгука (1632—1723). Сын коммерсанта, он сумел усовершенствовать микроскоп и первым описал клетки человека – в частности, эритроциты и сперматозоиды (по его терминологии, «шарики» и «зверьки»). Конечно, Левенгук не предполагал, что это были клетки, зато ему удалось рассмотреть и очень подробно зарисовать строение волокна сердечной мышцы. Кроме того, Левенгук первым заметил и описал ядро клетки в эритроцитах рыб, однако не придал этому значения.

Его исследования продолжил немецкий ученый Каспар Фридрих Вольф (1733—1794): при описании «пузырьков», «зернышек» и «клеток» животных и растений он первым заметил сходство этих структур, а также предположил, что клетки могут играть определенную роль в развитии организма. Еще позже английский ботаник Роберт Броун (1773—1858), первооткрыватель хаотичного теплового движения частиц (названного впоследствии броуновским в его честь), исследовал срезы тропических орхидей и заметил в центре клеток какие-то странные сферические структуры. Эту клеточную конструкцию он назвал ядром. В то же время чешский биолог Ян Эвангелиста Пуркине (1787—1869), рассматривая яйцеклетки птиц, тоже обратил внимание на ядро: «Сжатый сферический пузырек, одетый тончайшей оболочкой. Он… преисполнен производящей силой, отчего я и назвал его “зародышевый пузырек”».

В 1837 г. Пуркине сообщил научному миру результаты своей многолетней работы: в каждой клетке организма животного и человека есть ядро. К сожалению, ученый не сумел обобщить накопленные знания о клетках и оказался слишком осторожным в выводах. Через пять лет после открытия ядра появился термин, определяющий остальное содержимое клетки – протоплазма (теперь ее называют цитоплазмой). В течение последующих лет ученые обстоятельно исследовали роль протоплазмы в живой клетке, и к середине XIX в. формирование клеточной теории было почти завершено.

Последние «кирпичики» в нее положили юрист Маттиас Якоб Шлейден (1804—1881) и священнослужитель Теодор Шванн (1810—1882). Увлекшись наукой, оба они выучились на медиков, и Шлейден занялся физиологией растений, а Шванн – исследованием строения спинной струны (основного органа нервной системы) животных из отряда круглоротых, в том числе миног. Шлейден методично просматривал срезы самых разных растений, выискивая ядра, а затем оболочки, и за пять лет доказал, что все органы растений имеют клеточную природу. Однако, описывая возникновение клеток, ученый предположил, что каждая новая клетка развивается внутри старой, что было в корне неверно, поэтому сформулировать основные постулаты клеточной теории ему так и не удалось. Зато удалось Шванну. Познакомившись со Шлейденом в Берлине, Шванн часто беседовал с ним на научные темы. И вот однажды, во время обеда, Маттиас указал Теодору на важную роль ядра в развитии растительных клеток. По воспоминаниям Шванна, «я тотчас припомнил, что видел подобный орган в клетках спинной струны, и в тот же момент понял, насколько важно показать: в клетках спинной струны ядро играет ту же роль, что и ядра растений в развитии их клеток…».

Шванн всерьез озаботился вопросом: можно ли говорить о едином законе клеточного строения для всего живого? Ведь наряду с исследованиями, доказывавшими клеточное строение животных тканей, были работы, в которых это заключение категорически оспаривалось. Делая срезы костей, зубов и ряда других тканей животных, ученые никаких клеток не видели.

Усилия Теодора оказались не напрасны. Уже через два года вышла в свет его книга «Микроскопические исследования о соответствии в структуре и росте животных и растений», где были изложены основные идеи клеточной теории. Шванн не только первым увидел в клетке то, что объединяет животные и растительные организмы, но и обнаружил сходство в развитии всех клеток.

Дальнейшие исследования показали, что можно найти организмы, которые состоят из громадного числа клеток; организмы, состоящие из ограниченного числа клеток; наконец, такие, все тело которых представлено всего одной клеткой. Бесклеточных организмов в природе не существует. Позже было установлено, что каждая клетка возникает путем деления предшествующей ей материнской клетки: в 1855 г. немецкий биолог Рудольф Вирхов четко сформулировал это правило в афоризме «Каждая клетка – только из клетки».

Вирхов изучал значение клетки для организма и ее роль при заболеваниях. Работы ученого о болезнях послужили базой для новой дисциплины – патологической анатомии. Именно он ввел понятие клеточной патологии, однако в своих исканиях несколько перегнул палку. Представляя живой организм как «клеточное государство», Вирхов считал клетку полноценной личностью: «Клетка… да, это именно личность, притом деятельная, активная личность, и ее деятельность есть… продукт явлений, связанных с продолжением жизни».

Шли годы, развивалась техника, появился электронный микроскоп с увеличением в десятки тысяч раз. Было подробно описано деление, открыты клеточные органеллы, описаны биохимические процессы в клетке, наконец, расшифрована структура ДНК. Казалось бы, ничего нового о клетке уже не узнать. И все же осталось еще много непонятого, неразгаданного, и наверняка будущие поколения исследователей добавят новые «кирпичики» в построение науки о клетке.

Деление клеток

Как образуются клетки? Этим вопросом впервые задались Маттиас Якоб Шлейден и Теодор Шванн. Шлейден выдвинул теорию свободного клеткообразования из слизи, заключенной в существующих клетках. Шванн поначалу поддерживал эту мысль, однако, как ни старался, не мог найти убедительных картин рождения новых клеток внутри старых (нечто подобное обнаружилось только в хряще и хорде). Поэтому у него возникло предположение, что новые клетки появляются не только в старых, но еще и в особом межклеточном веществе – цитобластеме.

Надо заметить, в то время уже было известно о размножении клеток путем деления. В 1832 г. Б. Дюмортье наблюдал за делением клеток у нитчатых водорослей. А три года спустя этот процесс был описан в труде Г. Моля. Изучая водоросли Conferva glomerata, Моль обнаружил перешнуровку протоплазмы и образование перегородки между дочерними клетками, более того – определил различные стадии деления, но, к сожалению, упустил из виду ядро. Не сумев обобщить результаты своих наблюдений, Моль так и не создал на их основе новую теорию клеткообразования.

Первым возразить Шлейдену осмелился русский ботаник Николай Железнов (1816—1877). Работая над диссертацией, он наблюдал за развитием волосков традесканции и не заметил ничего подобного тому, что описал Шлейден, – новые клетки рождались путем разделения материнской клетки перегородками. Не подтвердил Железнов и обязательного, по мнению Шлейдена, первичного образования ядрышка («центрального тела»). Вдобавок ученый заявил, что клеточные процессы в растительном и животном царствах одинаковы.

Вслед за Железновым развенчивать шлейденовскую теорию взялся анатом и ботаник Франц Унгер (1800—1870). В своей работе о размножении клеток в точке роста растений он подчеркнул, что клетки образуются не свободной кристаллизацией из «слизи», а путем деления, или «почкования», ранее существующих клеток. Впоследствии Унгер еще не раз возвращался к проблеме клеткообразования, но так и не решился окончательно опровергнуть теорию Шлейдена. В «Основах анатомии и физиологии растений» он описал первичное и вторичное клеткообразование, под первым подразумевая «возникновение» клеток без посредничества ранее существовавших структур, а под вторым – «размножение».

Ознакомившись с работами Унгера, Шлейден внес во 2-е издание «Основ ботаники» описание клеточного деления наряду со своей теорией клеткообразования. Правда, понятие о делении в то время было расплывчатым. Основной частью клетки считалась оболочка, поэтому исследователи говорили о делении лишь в тех случаях, когда видели образование клеточной перегородки. Если же оболочка была неясной, то есть клетка выглядела «голой», ученые употребляли термин «свободное клеткообразование», хотя речь шла тоже о делении.

Эта путаница встречается, в частности, в работах ботаника и натурфилософа Карла Негели (1817—1891), чьи исследования сыграли особенно важную роль в опровержении шлейденовской теории. Рассматривая разные группы растений, Негели доказал, что «клеточные ядра существуют во всех клетках», – и этим нанес сокрушительный удар по идеям Шлейдена, который полагал, будто новые ядра рождаются в процессе клеткообразования. По словам Негели, «часть содержимого клетки изолируется, становится шарообразной или эллипсоидальной и порождает по всей поверхности мембрану. Мембрана возникает не вокруг клеточного ядра, а вокруг содержимого. Кроме того, содержимое принимается за первичное, а мембрана за вторичное». Это открытие стало большим шагом вперед на пути к разгрому шлейденовской теории цитогенеза.

В итоге благодаря исследованиям Моля, Железнова, Унгера и Негели идеи Шлейдена утратили авторитет в ботанике, а вместо этого утвердилось представление, что образование клеток растений происходит, как правило, путем деления.

В гистологии животных теория цитобластемы продержалась дольше. С критикой представлений о свободном образовании клеток в некоем межклеточном веществе первым выступил московский зоолог Николай Варнек (1821—1897). О его лекциях физиолог Иван Сеченов отзывался так: «Читал он просто и толково, останавливаясь преимущественно на общих признаках принятых в зоологии отделов, а описанию одноклеточных предпосылал длинный трактат о клетках. Последнее учение падало на неподготовленную почву – Москва еще не думала тогда о микроскопе, поэтому у студентов Варнек не пользовался успехом, а в насмешку они даже прозвали его Клеточкой. Много позднее я узнал, что Варнек и известный ботаник Ценковский были из числа первых русских биологов, работавших с микроскопом».

Варнеку принадлежит ряд ценных микроскопических исследований, значение которых не было понято его современниками. Описывая клетки печени ракообразных, Варнек отметил, что «ядро здесь вполне развито и занимает по большей части центр молодой клеточки. Свободных ядер я не замечал и поэтому не могу согласиться с мнением Шванна о способе образования клеток. Если бы свободные ядра действительно были, то их можно было бы видеть в веществе, связывающем клетки, то есть в межклетниках. Последние здесь очень велики, часто весьма разнообразной формы, но всегда наполнены веществом без ядер». Поэтому Варнек считал неверным мнение, «будто бы ядро развивается самостоятельно и вне клеточки, как собрание элементарных частиц цитобластемы. Если в разрушенной ткани мы встречаем свободные ядра, то из этого еще не следует, что ядра эти произошли вне клеточек, независимо от них».

Постепенно выяснилось, что процесс дробления яйцеклетки – это ряд повторяющихся делений, однако морфологическое значение бластомеров (дочерних клеток яйцеклетки) долгое время оставалось неясным.

Наиболее четкая формулировка процесса дробления яйцеклетки была сделана Альбертом Кёлликером (1817—1905), которого справедливо считают одним из основоположников современной гистологии. Работая помощником профессора анатомии в Берлинском университете, Кёлликер напечатал работу о развитии головоногих моллюсков, где указал, что «шары дробления (бластомеры) составляют в совокупности тело эмбриона и путем бесчисленных делений дают вторичные клетки», то есть клетки различных тканей зародыша.

Клеточный характер бластомеров и их образование путем деления показаны и в работе Варнека, посвященной развитию брюхоногих моллюсков. В этом труде впервые были изображены процессы созревания и оплодотворения, а также начальные стадии дробления. Так, к середине XIX в. было установлено, что на ранних этапах эмбрионального развития клетки рождаются не из цитобластемы, а за счет деления первичной яйцеклетки.

Что же касается деления тканевых клеток у животных организмов, то честь его открытия принадлежит Роберту Ремаку (1815—1865), который прославился не только исследованиями в области эмбриологии и цитологии, но и открытием безмякотных волокон симпатической нервной системы. Изучая кровяные клетки зародышей, Ремак описал процесс клеточного деления элементов крови, а впоследствии проследил весь цикл эмбрионального развития и показал, что деление – это единственный способ возникновения новых клеток в животном организме.

В 1852 г. вышла статья Ремака, ставшая важным этапом в развитии клеточного учения. Наблюдая развитие животных организмов от начала и до конца, Ремак видел, что новые клетки у них образуются неизменно путем деления, так же, как и в тканях растений. «Эти результаты имеют столь же близкое отношение к патологии, сколь и к физиологии», – сделал вывод ученый. И действительно, понимание механизма клеточного образования стало отправной точкой для создания целой науки о строении, функционировании, размножении и старении клеток – цитологии.

Гомеостаз

Гомеостаз – один из четырех важных принципов современной биологии, наряду с эволюцией, генетикой и клеточной теорией. Основная идея умещается в короткую фразу: организмы сами регулируют свою внутреннюю среду.

Впервые идею гомеостаза выдвинул Клод Бернар (1813— 1878), плодовитый ученый, который добился серьезных успехов в понимании физиологии, невзирая на то, что любовь к вивисекции разрушила его первый брак. Однако истинная важность гомеостаза, названного им milleu interieur, была признана спустя десятилетия после смерти Бернара.

В чем же состояло открытие ученого? Он считал, что для живого организма существуют «две среды: внешняя, в которую помещен организм, и внутренняя, в которой живут элементы тканей». В 1878 г. Бернар сформулировал концепцию, согласно которой внутреннюю среду составляет не только кровь, но также все происходящие из нее плазматические и прочие жидкости. «Внутренняя среда, – писал ученый, – образуется из всех составных частей крови: азотистых и безазотистых, белковины, фибрина, сахара, жира… за исключением кровяных шариков, которые являются самостоятельными органическими элементами». Главным свойством внутренней среды Бернар считал то, что она находится «в непосредственном соприкосновении с анатомическими элементами живого существа». А значит, изучая физиологические свойства этих элементов, необходимо учитывать их зависимость от окружающей внутренней среды.

Ученый справедливо считал, что все явления жизни обусловлены конфликтом между существующими силами организма (конституцией) и влиянием внешней среды. В любом организме постоянно происходят процессы синтеза и распада, в результате чего мы приспосабливаемся, адаптируемся к условиям среды.

Согласно работам Бернара, все физиологические механизмы служат сохранению постоянства условий во внутренней среде. То есть организм должен совершенствоваться так, чтобы внешние изменения в каждое мгновение компенсировались бы и уравновешивались. А для этого ему необходимы вода, кислород, питательные вещества и определенная температура.

Правда, независимость от внешней среды, о которой говорил Бернар, весьма относительна. Внутренняя среда тесно связана с внешней. Более того, она сохранила многие свойства той первичной среды, в которой зародилась жизнь. Земные существа словно «замкнули» морскую воду в кровеносные сосуды, превратив изменчивую внешнюю среду во внутреннюю, постоянство которой охраняется специальными механизмами.

Бернар объяснял, что между внутренней средой и тканями идет безостановочный обмен разнообразных веществ. Внутренняя среда создается самим организмом, и постоянство ее состава поддерживается органами пищеварения, дыхания, выделения, которые «готовят для клеток общую питательную жидкость». Деятельность этих органов регулируется нервной системой с помощью специально вырабатываемых веществ. В этом «заключается круг взаимных влияний, образующих жизненную гармонию».

Таким образом, Бернар еще во второй половине XIX в. дал правильное научное определение внутренней среды организма, выделил ее элементы, описал состав, свойства, эволюцию и подчеркнул ее значение в обеспечении жизнедеятельности организма.

Впрочем, чтобы оценить эту идею, науке понадобилось почти 50 лет. В статье о Бернаре в энциклопедии «Британника» за 1911 г. вообще не упоминается о гомеостазе, а шестью годами позже в той же обновленной энциклопедической статье гомеостаз называется «важнейшим достижением эпохи».

В отличие от Бернара, чьи выводы базировались на биологических обобщениях, американский физиолог Уолтер Кеннон (1871—1945) действовал на основе экспериментов. Ученый обратил внимание на то, что жизнь животного и человека, несмотря на довольно частые неблагоприятные воздействия, протекает нормально в течение многих лет. По его мнению, постоянные условия, поддерживаемые в организме, можно было бы назвать равновесием, однако за этим словом уже закрепилось другое значение. Термином «равновесие» обозначают такое состояние изолированной системы, в котором все силы взаимно сбалансированы, а потому параметры системы не зависят от времени, к тому же там отсутствуют потоки вещества или энергии. В организме же протекают сложные физиологические процессы, обеспечивающие устойчивость его состояний, – примером может служить согласованная деятельность мозга, нервов, сердца, легких, почек и других органов и систем. Такие состояния Кеннон предложил называть гомеостазом.

Это слово вовсе не предполагает нечто застывшее и неподвижное. Оно означает условия, которые могут меняться, но все же оставаться относительно постоянными. О полной стабильности тут речи не идет, наоборот, все процессы в организме динамичны и изменчивы, однако в норме колебания физиологических показателей жестко ограничены. Кеннон показал, что все обменные процессы – температура тела, концентрация глюкозы и минеральных солей в плазме крови, давление в сосудах – колеблются в очень узких пределах вокруг некоторых средних величин (физиологических констант). Поддержание этих констант в организме и есть обязательным условием существования.

Кроме того, ученый выделил основные компоненты гомеостаза: материалы, необходимые для роста, восстановления и размножения (глюкоза, белки, жиры, вода, хлориды натрия, калия и другие соли; кислород; регуляторные соединения), а также физико-химические факторы, влияющие на клеточную активность (осмотическое давление, температура, концентрация водородных ионов и пр.). Не так давно к этой классификации были добавлены механизмы, обеспечивающие структурное постоянство внутренней среды и структурно-функциональную целостность всего организма: наследственность, регенерация, иммунитет.

В теории Кеннона особенно ценно то, что живые организмы рассматриваются как открытые системы, имеющие множество связей с окружающей средой. Эти связи осуществляются посредством органов дыхания и пищеварения, поверхностных рецепторов, нервной и мышечной систем и др. Изменения в окружающей среде прямо или косвенно воздействуют на указанные системы, вызывая в них соответствующие изменения. Однако эти воздействия обычно не сопровождаются большими отклонениями от нормы и не вызывают серьезных нарушений в физиологических процессах.

Впоследствии теорию Кеннона развивали Э. Пфлюгер, Ш. Рише, И. Сеченов, Л. Фредерик, Д. Холдейн, а также Л. Штерн, которая обнаружила гистогематические барьеры – физиологические преграды, разделяющие кровь и ткани. Этот механизм обеспечивает регуляцию состава и свойств собственной среды органа и клетки, а также защищает ее от поступления из крови веществ, чуждых данному органу или всему организму. Предложенная и обоснованная Штерн теория барьерных механизмов стала принципиально новым вкладом в учение о внутренней среде.

Белки

Свое название белки получили от яичного белка, который с незапамятных времен использовался человеком в пищу и применялся как лечебное средство. Однако подлинная история этого вещества началась с появлением сведений о химических свойствах белков (свертываемость при нагревании, разложение кислотами и крепкими щелочами и т. п.). Образование сгустков крови при ее свертывании было описано еще основателем учения о кровообращении У. Гарвеем. Среди растительных белков пальма первенства принадлежит нерастворимой в воде клейковине из пшеничной муки, которую впервые получил Я. Беккари, отметив сходство клейковины с веществами животной природы.

Впервые термин «белковый» (albumineise) в значении «жидкость животного организма» был введен французским физиологом Ф. Кене в 1747 г. и в таком толковании вошел в «Энциклопедию» Д. Дидро и Ж. Д’Аламбера. С той поры исследования белков приобрели систематический характер. В 1759 г. А. Кессель-Майер описал выделение клейковины из растений и охарактеризовал ее свойства. В 1762 г. А. Галлер исследовал процесс образования и свертывания казеина (молочного белка), а в 1777 г. А. Тувенель назвал творог белковой частью молока. В то же время французский химик А. Фуркруа доказал единую природу белков, выделенных из растительных и животных организмов, а также обозначил три главных белковых компонента крови: альбумин, желатин и фибрин.

В 1803 г. Дж. Дальтон вывел первые формулы альбумина и желатина, показав, что эти вещества содержат азот. Семь лет спустя Ж. Гей-Люссак провел химические анализы фибрина крови и казеина и пришел к выводу, что все белки содержат общую основу – протеин (в переводе с греческого «самый важный»), который имеет формулу C₄₀H₆₂N₁₀O₁₂ и связан в различных пропорциях с атомами серы и фосфора. Эта теория получила всеобщее признание и привлекла интерес к аналитическим исследованиям белков, для чего ученые стали использовать щелочной и кислотный гидролиз – реакции с водой в присутствии кислот и щелочей. Чуть позже путем экстракции растворами нейтральных солей был получен кристаллический гемоглобин, а также некоторые растительные белки.

Создание теории протеина совпало с формированием представлений о функции белков в организме. В 1835 г. Й. Берцелиус высказал идею о важнейшей функции белка – ускорять химические реакции в организме. Год спустя Т. Шванн открыл первый белковый фермент – пепсин, а через 20 лет Ж. Корвизар обнаружил трипсин. Эти открытия подогрели интерес биохимиков к физиологии пищеварения, а следовательно, к продуктам переваривания белков. К середине XIX в. было доказано, что под действием ферментов белки распадаются на близкие по свойствам фрагменты, получившие название пептонов.

Решающим для понимания химической природы белков стало выделение из них аминокислот в процессе гидролиза. В 1806 г. Л. Воклен выделил из сока спаржи аминокислоту аспарагин. В то же время Ж. Пруст получил лейцин из сыра и творога. В 1820 г. А. Браконно вскипятил белки с серной кислотой и получил «клеевой сахар», или глицин. Далее путем гидролиза фибрина из мяса ученый выделил лейцин, а при разложении шерсти – лейцин и смесь других продуктов гидролиза. Чтобы не путаться, было решено называть аминокислоты в честь «первоисточников». Так, аспарагин был обнаружен в соке аспарагуса (спаржи), глутаминовая кислота – в клейковине пшеницы (от лат. gluten ― клей), цистеин – в камнях мочевого пузыря (от греч. «цистис» – пузырь), а аргинин получен в виде соли серебра (от лат. argentum ― серебро).

В начале ХХ в. значительный вклад в изучение белка внес Э. Фишер. Впервые применив методы органической химии (в частности, встречный синтез, предполагающий создание одних и тех же веществ разными способами), Фишер доказал, что белки построены из остатков α-аминокислот, соединенных пептидной связью.

В 1920—1940-е получили развитие физико-химические методы анализа, которые помогли определить молекулярные массы многих белков, открыть сферическую форму молекул глобулярных белков, выполнить первые рентгеноструктурные анализы аминокислот и их связующих звеньев – пептидов, молекулы которых построены из двух и более аминокислотных остатков – C(O)NH, – соединенных в цепь.

В 1934 г. Лайнус Полинг совместно с А. Мирски сформулировал теорию строения и функций белка, а два года спустя начал изучать атомную и молекулярную структуру белков и аминокислот с применением рентгеновской кристаллографии. В 1942 г. Полингу удалось получить первые искусственные антитела (белки, призванные защищать организм от вирусов, токсинов и пр.) и изменить химическую структуру некоторых глобулинов, содержащихся в крови.

В 1937 г. М. Перуц начал изучать строение молекулы гемоглобина, а позже к нему присоединился Дж. Кендрю, заинтересованный структурой молекулы миоглобина – белка, связывающего кислород в мышцах. Длительное время ученые исследовали эти вещества, играющие огромную роль в окислительных процессах, и в 1957 г. Кендрю впервые смог представить структуру белка в системе трех координат. Подкрепив свои выводы рентгеноструктурным анализом и обработав результаты на ЭВМ, ученые создали полноценные трехмерные модели миоглобина и гемоглобина и в 1962 г. были удостоены Нобелевской премии по химии.

В 1951 г. Карл и Герти Кори опубликовали первое полное описание молекулярной структуры белков. Применяя рентгеновскую кристаллографию для анализа белков в волосах, шерсти, мускулах, ногтях и других биологических тканях, супруги Кори обнаружили, что цепи аминокислот в белке закручены одна вокруг другой в виде спирали. В то же время К. Линнерстрём-Ланг высказал идею о трех уровнях организации белковых молекул, и тогда уже все убедились, что белки – это сложные органические вещества, представляющие собой полимеры, мономерами которых являются аминокислоты.

В природе известно 150 аминокислот, но в построении белков живых организмов участвуют только 20. Благодаря особенностям своего химического состава аминокислоты способны соединяться, образуя так называемую первичную структуру, которая определяет уникальность белка. У каждой аминокислоты имеется карбоксильная группа (-СООН) и аминогруппа (-NH₂), что обусловливает способность белка вступать в разнообразные химические реакции. Соединяются аминокислоты, как уже упоминалось, химической пептидной связью, в результате чего образуется остаток – пептид.

Позднейшие исследования показали, что одни аминокислоты, заменимые, могут быть синтезированы в клетках самого организма, а другие, незаменимые, должны поступать в готовом виде из пищевых продуктов. Например, для белой крысы незаменимыми являются 10 аминокислот, для молочнокислых бактерий – 16, для человека – 8 (валин, лейцин, изолейцин, фенилаланин, метионин, триптофан, треонин, лизин).

Открытие и изучение белков оказалось очень важным для всех сфер человеческой жизни, особенно медицины, ведь эти соединения выполняют в организме множество функций. Как строительный материал входят в состав всех клеток. Обеспечивают сокращение мышечных волокон, движение ресничек и жгутиков, перемещение хромосом. Переносят внутри организма различные вещества (кислород, липиды, жирные кислоты). Распознают и уничтожают вредоносные микроорганизмы. При расщеплении служат источником энергии. В десятки и сотни тысяч раз ускоряют течение химических реакций. Наконец, особые белки, гормоны, поддерживают постоянные концентрации веществ в крови и клетках, участвуют в росте, размножении и других жизненно важных процессах.

В 2012 г. австралийские ученые обнаружили в человеческом организме белок, с помощью которого происходит регуляция размера мышц. Результаты опытов на мышах показали, что при блокировке белка Gbr10, получившего прозвище «Халк», мышцы начинают расти как на дрожжах. По мнению биологов, это поможет восстановлению утерянных или атрофировавшихся мышц, заживлению ран, лечению диабета и многих заболеваний, связанных с необходимостью регулирования объемов мышечной ткани.

А не так давно британские ученые определили, что за возникновение боли в случае солнечных ожогов и других воспалений отвечает протеин CXCL5. Данное открытие может быть полезным для создания новых обезболивающих средств, которые будут обладать гораздо меньшим количеством побочных эффектов, чем ныне существующие.

Очевидно, что в дальнейшем изучение процесса биосинтеза белков в живой клетке поможет решать огромное количество самых разных задач в области промышленности, сельского хозяйства, медицины и охраны природы.

Цикл Кребса

В 1930 г. немецкий биолог, сын еврейского врача Ханс Кребс (1900—1981) вместе со своим студентом открыл процесс обезвреживания аммиака в организме. Цикл образования мочевины (именно в этом состоял данный процесс) позже получил название «цикл Кребса № 1». Но главное открытие ученого было еще впереди. В середине 1930-х он бежал из нацистской Германии в Британию, там нашел место в лаборатории Кембриджского университета и занялся изучением механизма превращения организмом пищи в энергию.

В 1935 г. А. Сент-Дьёрди заметил, что янтарная, оксалоуксусная, фумаровая и яблочная кислоты (все четыре – естественные химические компоненты клеток животных) усиливают процесс окисления в грудной мышце голубя, где метаболические процессы идут с наибольшей скоростью.

Два года спустя Ф. Кнооп и К. Мартиус обнаружили, что лимонная кислота превращается в изолимонную через промежуточный продукт – цис-аконитовую кислоту. Кроме того, изолимонная кислота может превращаться в α-кетоглутаровую, а та – в янтарную.

Кребс попробовал измельчить образец животной ткани, сделал жидкость из этих клеток, пропустил содержимое через ряд химических реакций – и заметил, что кислоты определенным образом влияют на поглощение кислорода грудной мышцей голубя, а также способствуют окислению пировиноградной кислоты и образованию ацетил-коэнзима А. При этом малоновая кислота угнетала процессы в мышце и подавляла действие ферментов – белковых катализаторов, которые позволяют некоторым реакциям протекать гораздо быстрее и эффективнее, в частности во взаимодействии с янтарной кислотой. Когда Кребс добавлял малоновую кислоту к среде реакции, начиналось накопление α-кетоглутаровой, лимонной и янтарной кислот. Так стало понятно, что совместное действие α-кетоглутаровой и лимонной кислот приводит к образованию янтарной.

Затем Ханс исследовал еще более 20 веществ, но они не влияли на окисление. Сопоставив полученные данные, ученый выявил последовательный процесс, который назвал циклом трикарбоновых кислот (поскольку поначалу не мог точно сказать, с какой кислоты начинается процесс: лимонной или изолимонной). Сейчас уже известно, что первой является лимонная кислота, поэтому правильно называть открытие Кребса цитратным циклом или циклом лимонной кислоты.

В общих чертах этот процесс можно описать так: молекулы сахара (глюкозы) из переваренной пищи проходят через ряд различных химических реакций внутри самой клетки, что приводит к образованию богатой энергией молекулы, а та, в свою очередь, снабжает энергией весь организм.

Как же все это происходит? Внутри каждой клетки находятся митохондрии – отдельные органеллы («органы» клетки), перерабатывающие глюкозу для получения внутриклеточного источника энергии – АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты). АТФ как источник питания универсальна и очень удобна в использовании: в белки она встраивается напрямую, потому очень быстро насыщает их энергией. Самый простой пример – белок миозин, который обеспечивает сокращение мышц.

Однако, несмотря на то что в сахаре содержится очень много энергии, сделать из глюкозы АТФ попросту невозможно. Как же извлечь эту энергию и направить в нужное русло, не прибегая к «варварским» методам вроде сжигания? Нужно задействовать ферменты.

Первый этап – расщепление молекулы глюкозы на две молекулы пировиноградной кислоты (пирувата) или молочной кислоты (лактата) с выделением небольшой части, примерно 5 %, энергии, запасенной в сахаре. Лактат получается при анаэробном окислении – в отсутствие кислорода. А превращение глюкозы в пируват катализируется десятью ферментами, действующими последовательно.

В результате окисления пирувата отщепляется двуокись углерода (СО₂) и образуется ацетильный остаток ацетил-КоА (кофермент А). Затем к реакции присоединяются ацетилы, образованные в процессе расщепления жиров, а дальше происходит цепочка реакций, для удобства запоминания которых была придумана детская считалочка: «Целый Ананас И Кусочек Суфле Сегодня Фактически Мой Обед» – то есть выделяется цитрат, цис-аконитат, изоцитрат, кетоглутарат, сукцинил-КoA, сукцинат, фумарат, малат, оксалоацетат.

Ацетил-КоА конденсируется с молекулой оксалоацетата и дает цитрат. При этом высвобождается кофермент А и молекула воды. От цитрата отщепляется водород, и получается цис-аконитат – вторая трикарбоновая кислота в цикле. Цис-аконитат присоединяет обратно молекулу воды, превращаясь уже в изолимонную кислоту (изоцитрат). Та теряет двуокись углерода (СО₂) и одновременно окисляется специфическим ферментом с коферментом НАД, давая кетоглутаровую кислоту. При этом НАД, восстанавливаясь, превращается в другой кофермент – НАДХ. Затем от кетоглутаровой кислоты отщепляется СО₂ и образуется сукцинил-КоА, который на следующей стадии вступает в реакцию с водой и превращается в сукцинат, направляя высвобождающуюся энергию на синтез АТФ.

Далее сукцинат, отбрасывая водород, преобразуется в фумарат, тот присоединяет воду и превращается в яблочную кислоту (малат), а последующее окисление снова дает оксалоацетат. Круг замыкается. Одновременно образуется еще одна молекула НАДХ и молекула ФАДХ₂ (кофермент, отличный от НАД, который, однако, тоже может окисляться и восстанавливаться, запасая и отдавая энергию). Выходит, что оксалоацетат работает как катализатор, не накапливаясь и не расходуясь в процессе, – его концентрация в митохондриях поддерживается на низком уровне. А как избежать накопления других продуктов, как согласовать между собой все восемь стадий цикла? Для этого, как оказалось, существуют специальные механизмы – своего рода отрицательная обратная связь. Как только концентрация какого-либо продукта превышает норму, работа фермента, ответственного за его синтез, блокируется.

Весь этот процесс, названный циклом Кребса № 2, стал великим открытием для биохимии, поскольку открыл дорогу к пониманию того, как работают клетки внутри человеческого организма.

Результаты исследований ученый послал в журнал Nature, но редакция не захотела печатать статью, и тогда Ханс переправил текст в голландский журнал Enzymologia. В 1953 г. Кребс получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине.

Микроорганизмы

Первые жители Земли – микробы – появились 3,9 млрд лет назад, когда на планете практически не было кислорода. Постепенно они заселили все пригодные для жизни ниши – от ледников до гейзеров, а также изловчились создавать колонии внутри крупных организмов. Всего пять столетий назад люди могли видеть лишь доступное невооруженному взгляду, и до XVII в. никто не подозревал, что совсем рядом обитают микроскопические организмы. Человеком, открывшим мир микроорганизмов, стал Антони ван Левенгук (1632—1723).

Антони никогда не думал, что его имя будет стоять в ряду великих ученых. Сын промышленника и торговца из Делфта, он тоже торговал сукном, однако врожденное любопытство постоянно подталкивало его к исследованиям окружающего мира. В течение 20 лет Левенгук осваивал у оптиков искусство обтачивать и шлифовать стекла, посещал алхимиков и аптекарей, выведывая у них тайные способы выплавлять металлы из руд, учился обращаться с золотом и серебром. Голландия всегда славилась мастерами оптики, но Левенгук достиг небывалых успехов. Свои линзы он вставлял в небольшие оправы из меди, серебра или золота, которые сам вытягивал на огне, среди дыма и чада. В итоге его микроскопы, состоявшие всего из одной линзы, получались гораздо сильнее тех, что имели несколько увеличительных стекол. Антони утверждал, что сконструировал 200 приборов – весьма неудобных, зато дававших увеличение до 270 раз.

Разумеется, имея в распоряжении такие микроскопы, Левенгук принялся наводить линзы на все, что попадалось под руку: мышечные волокна кита, чешуйки собственной кожи, овечьи, бобровые и лосиные волоски, которые под стеклышком превращались в толстые мохнатые «бревна». Рассматривая бычьи глаза, Антони восторгался тонким устройством хрусталика. Насадив на тонкую иголочку микроскопа мушиный мозг, с восхищением разглядывал детали этого «чудовищного» органа. Исследовал поперечные срезы разных пород деревьев, изучал семена растений…

В какой-то момент ему пришло в голову направить свою линзу на каплю прозрачной дождевой воды. Впечатленный увиденным, Левенгук написал дочери: «В дождевой воде есть маленькие животные. Они плавают! Они играют! Они в тысячу раз меньше любого существа, которое мы можем видеть простым глазом! Смотри! Ты видишь? Вот что я открыл!»

В 1673 г. исследователь отважился отправить подробные описания и зарисовки своих наблюдений в Лондонское королевское общество – самую авторитетную научную организацию того времени. Письмо под заголовком «Перечень некоторых наблюдений, сделанных с помощью микроскопа, изобретенного мистером Левенгуком, относительно строения кожи, мяса и т. д., жала пчелы и т. д.» удивило и позабавило маститых ученых. Отдельные исследователи и ранее высказывали смутные догадки о существовании каких-то мелких существ, повинных в распространении и возникновении заразных болезней. Но все эти догадки долгое время оставались на уровне гипотез, ведь никто никогда не видел загадочных «зверюшек». А неучу Левенгуку каким-то чудом удалось приоткрыть завесу в неведомый дотоле мир микроорганизмов, которые играют огромную роль в природе и жизни человека.

Несмотря на все сомнения, академики в итоге признали заслуги голландца, и в 1680 г. Королевское общество избрало его полноправным членом. Левенгук стал мировой знаменитостью, однако не остановился на достигнутом и открыл более 200 видов разных микроорганизмов. Позже, в ходе международной экспедиции в Саргассово море, было обнаружено еще около 1800 микробов.

О том, что микробы являются причиной всех инфекционных заболеваний, первым уверенно заявил французский ученый Луи Пастер (1822—1895). «Если бы Пастер жил во времена отдаленной древности, он превратился бы в мифического героя и память о нем была бы окутана ореолом легенд», – писал его ученик, русский микробиолог Н. Гамалея.

Работы Пастера объяснили происхождение инфекционных болезней человека и стали экспериментальной основой асептики и антисептики, разработанных в хирургии Н. Пироговым, Дж. Листером, а также их многочисленными учениками. Пастер открыл возбудителей куриной холеры, септицемии, остеомиелита и пр., а также разработал метод приготовления вакцин путем искусственного ослабления болезнетворных микробов для профилактики инфекционных болезней – метод, которым пользуются и в настоящее время. Последней разработкой Пастера стала вакцина против бешенства, первую прививку которой сделали 6 июля 1885 г. 9-летнему Иосифу Мейстеру.

Лечение закончилось успешно, мальчик поправился, а 27 октября Пастер сделал доклад перед Академией наук о результатах пятилетней работы над изучением бешенства. К Пастеру стали стекаться пациенты, обнадеженные победой над страшной болезнью.

Между тем за сто лет до исследований Луи С. Андреевский ввел себе содержимое сибиреязвенного карбункула от больного животного и доказал, что сибирскую язву у людей и домашних животных вызывает одна и та же причина.

Подобный эксперимент в 1870-х был повторен врачами Одесской городской больницы О. Мочутковским и Г. Минхом, которые хотели доказать, что возбудитель сыпного и возвратного тифа находится в крови больного.

Дальнейшее развитие микробиологии тесно связано с деятельностью немецкого ученого Роберта Коха (1843—1910), чье имя ассоциируется прежде всего с открытием возбудителя туберкулеза. Однако этому открытию предшествовала колоссальная работа. Сначала Кох выделил сибиреязвенного возбудителя в чистой культуре, обнаружил его способность к образованию стойких спор и объяснил, почему вблизи «проклятых холмов» (где зарывали падший от сибирской язвы скот) наблюдается массовая смерть животных, причина которой долгие годы оставалась непонятной. Затем доказал три положения, на основании которых инфекционное заболевание можно связать с тем или иным возбудителем: 1) микроб всегда должен обнаруживаться у больного при данной инфекции и отсутствовать при других; 2) возбудитель каждой инфекции должен быть выделен в чистой культуре в виде определенного микроорганизма; 3) у зараженных чистой культурой животных проявления болезни должны быть аналогичны обнаруженным у исследуемого больного, ведь они обусловливаются одинаковым числом и распределением микробов.

Эти положения привели ученого к поискам возбудителей других заразных болезней. Прежде всего Кох нашел питательные среды, на которых можно было выделить чистую микробную колонию, – такими средами оказались вареный картофель и вещество на желатиновой основе. Затем ученый посеял заразный материал, взятый у 30 умерших от туберкулеза людей, на твердую среду с последующей окраской. После нескольких неудач возбудитель наконец-то вырос из свернувшейся при нагревании кровяной сыворотки. Эксперимент был повторен многократно – и каждый раз с успехом.

Стало ясно, что возбудитель туберкулеза найден, но Коху нужно было еще доказать, что человек заражается только через вдыхание палочек. Для этого ученый закрыл 200 подопытных животных в герметическом ящике и заполнил пространство воздухом с рассеянными живыми туберкулезными палочками – в итоге все подопытные погибли от туберкулеза.

В июле 1884 г. на медицинской конференции в Берлине Кох доложил о результатах своей экспедиции в Индию. Там он обнаружил палочки холеры не только у больных, но и в водах Ганга, куда сбрасывали трупы умерших от недуга. В награду за свое открытие ученый получил 100 000 марок и почетный орден.

Наконец, в 1892 г. русский ученый Д. Ивановский открыл вирусы – доклеточные организмы, неспособные размножаться вне живых клеток.

В ХХ в. американские исследователи нашли в пробах льда, взятых в Гренландии на глубине 3000 м, многочисленные колонии микробов – всего около 40 видов. Их возраст составлял не менее 120 000 лет. Некоторые из них, попав в лабораторию, стали размножаться, однако делали это раз в пять медленнее, чем обычные микробы. Возможно, они размножались даже в толще льда, но тоже очень медленно.

В 1960-е обнаружилось, что микробы могут обмениваться информацией. К такому выводу ученые пришли, исследуя поведение морских светящихся бактерий Vibrio fischeri. Паразитируя в органе свечения каракатицы, эти микробы излучают свет – как оказалось, в результате интенсивных процессов окисления, сопровождающихся выделением энергии. Таким образом, свечение морской воды, чешуи рыб, тел мелких ракообразных, сгнившего дерева объясняется присутствием на них светящихся фотобактерий.

В 1978 г. группа ученых из США во главе с К. Безе открыла новый вид бактерий – археи. Это уникальные микроорганизмы: к паразитизму они не склонны и вреда не несут, в органической пище не нуждаются, а необходимую для жизни энергию получают за счет окислительно-восстановительных реакций, в которые вовлечены неорганические молекулы. Но главное – только археи способны производить метан из солей уксусной и муравьиной кислот, которыми они питаются. Обитать археи могут в самых экстремальных условиях: горячих источниках, где температура достигает 200—300 °С, в лагунах и соляных чеках, где испарение приводит к концентрации солей; или на дне океана, в зонах вулканической активности – «черных курильщиках», расположенных на тысячеметровых глубинах; или в щелочной среде с водородным показателем 12,8 (с таким же успехом они могли бы процветать в едком натре). Ученые считают, что такие микроорганизмы выжили бы даже на Марсе.

С середины 1990-х исследователи стали применять новейшее оборудование – лазерные микроскопы, и жизнь микробов открылась во всем ее разнообразии. Если раньше считалось, что бактерии – крайне примитивные организмы, каждый вид которых живет и размножается изолированно от других, то теперь стало ясно: микробы действуют на удивление слаженно. Только так они могут вести активную геохимическую деятельность, поддерживающую круговорот жизни: разрушать мертвую органическую материю и превращать ее в углекислый газ и воду, регулировать состав атмосферы, помогать сохранению плодородия почвы.

Биологическая теория брожения

В 1680 г., впервые рассмотрев с помощью своего самодельного микроскопа пивные дрожжи, голландец Антони ван Левенгук описал их и зарисовал в виде почкующихся круглых клеток, образующих скопления. Эти наблюдения значительно опередили время: только в 1835 г. француз Ш. Каньяр де Ла-Тур и немец Ф. Кютцинг доказали, что дрожжи относятся к низшим растительным организмам, которые имеют ядро, размножаются почкованием на питательных сахаросодержащих средах и вызывают брожение. Однако тогда данное открытие не получило всеобщего признания.

Дело в том, что в середине XIX в. была распространена химическая теория брожения. Скажем, Г. Э. Шталь утверждал, что гниение сопровождается движением, следовательно, процесс этот связан с передачей движения от гниющего тела к здоровому. Ю. Либих и Й. Берцелиус не видели разницы между гниением и брожением и полагали, будто сгнившие органические вещества превращаются в ферменты, ускоряющие химические реакции внутри организма. Ферменты также постоянно движутся и вызывают сбраживание негниющих веществ, например сахара, путем разложения последних на частицы. Чтобы это произошло, сбраживаемая среда должна содержать клейковину или другое органическое азотистое соединение и контактировать с воздухом – в итоге на дно сосуда выпадает нерастворимый осадок, способный запустить новое брожение. Либих не отрицал, что для ферментации сахара нужны дрожжи, но предлагал использовать неживой продукт: мол, брожение запускается именно отмирающими, гниющими грибками.

Вот так ученые представляли себе этот процесс, пока брожением не заинтересовался француз Луи Пастер (1822―1895). Ему не было и 26 лет, когда он выявил причину неодинакового влияния луча поляризованного света на кристаллы разных органических веществ и этим открытием положил начало стереохимии – науке о пространственном расположении атомов в молекулах. Через семь лет Пастер стал деканом физико-математического факультета Лилльского университета и переехал в регион О-де-Франс, который издревле славился своей сахарной, пивоваренной и винодельной промышленностью. Владельцы местных заводов неоднократно обращались к нему с просьбой улучшить их производство, и, вникая в рабочий процесс, Луи постепенно убеждался, что явление брожения исследовано очень слабо. Дабы разобраться в вопросе, ученый стал проводить собственные эксперименты, сравнивая полученные результаты с химической теорией брожений, и в конце концов сделал революционные выводы. 1. Воздух брожению не нужен! И молочнокислое, и спиртовое брожение протекает без доступа воздуха, то есть «брожение – жизнь без кислорода». Доказательством этого тезиса стало открытие маслянокислого брожения, вызываемого анаэробными бактериями, которые не только не нуждаются в кислороде, но и воспринимают его как яд.

2. Каждое брожение вызывается особым возбудителем. Пастер впервые установил, что молочнокислое брожение (и образование масляной кислоты) связано с развитием особого вида микробов, не похожих по строению на дрожжи. Точно так же для ферментации мочевины, образования уксусной кислоты и спирта нужны «индивидуальные» микроорганизмы. Хотя ученый не всегда давал правильные названия этим самым организмам (например, маслянокислых бактерий относил к представителям животного мира, а уксуснокислых обозначал как Mycoderma), главная мысль – о том, что различные брожения требуют разных возбудителей, – была верной.

3. Брожение связано с жизнью и размножением, а не с гибелью и разложением микробов. В процессе вес микробов постоянно увеличивается – организмы используют сбраживаемые вещества для построения своего тела.

4. Для сбраживания не обязательны белковые соединения (клейковина), которые, по мнению адептов химической теории, якобы передают свое движение другим частицам, чем и вызывают брожение либо гниение. Образование спирта или молочной кислоты из сахара может происходить в среде, не содержащей белка, ведь источниками азота служат и неорганические соединения, например сернокислый аммоний.

Результаты экспериментов Пастера нанесли сокрушительный удар по теории Либиха, чьи последователи больше не могли объяснять брожение передачей движения частиц и разложением гниющих веществ. Однако уже в начале 1860-х М. Бертло заявил, что «ограниченная биологическая точка зрения не должна удовлетворять физиолога, тем более химика». Изучая тепловые эффекты, сопровождающие химические процессы, Бертло утверждал, будто брожение не связано с жизнедеятельностью дрожжевых клеток – рост дрожжей не нуждается в притоке энергии извне.

Вокруг самозарождения начались жаркие споры. Французская академия пообещала премию тому, кто разрешит этот вопрос, и в 1864 г. приз достался Пастеру. Дабы доказать, что микробы не заводятся в жидкой среде сами по себе, ученый взял колбы с длинными узкими искривленными горлышками, налил в них питательную жидкость и вскипятил, уничтожив все микроорганизмы. Через некоторое время он разбил горлышко одной колбы и показал, что микробы появились лишь в данном сосуде, а в другом жидкость осталась чистой. Это означало одно: организмы попадали на горлышки исключительно извне, и при повреждении стекла все осевшее на нем свободно проникало внутрь сосуда.

Впрочем, в 1870-х разгорелись новые дебаты – теперь уже на тему самозарождения плесневых грибов при брожении вина. То, что споры дрожжей все-таки переносятся воздухом, а не зарождаются в ткани винограда самопроизвольно, Пастер доказал так: в стерильных условиях вынул ягодную мякоть, поместил ее в безвоздушное пространство и пару недель спустя представил чистый, не запятнанный плесенью материал.

Впоследствии развитие биохимии и ферментологии побудило ученых вернуться к идеям Бертло. Открытие растворимых ферментов (энзимов) позволило осуществлять разложение белка, окисление, гидролиз ди- и полисахаридов (разложение сложных сахаров на простые молекулы с последующим присоединением воды и образованием глюкозы и фруктозы). Однако Пастер никогда не отрицал участия ферментов в брожении: будучи химиком, он не мог себе представить превращение молекулы в спирт без цепи реакций, которые протекают внутри клетки. Луи впервые дал исчерпывающий ответ, почему возникли брожения, и объяснил целесообразность этих процессов, показав, что они не могли бы возникнуть в природе, если бы не носили приспособительный характер.

Разгадка явления брожения не только помогла развитию французского виноделия, терпевшего огромные убытки от «болезней вина», но и сыграла огромную роль в развитии биологии, сельского хозяйства и промышленности (хлебопечения, изготовления кисломолочных продуктов и пр.).

Кроме того, именно Пастер указал на энергетическое значение брожений и продемонстрировал, что продукты жизнедеятельности бродящих микроорганизмов играют огромную роль в изменении окружающей среды. Установив, что один вид микроба вытесняет другой, Пастер отказался от поисков универсальной питательной среды, на которой могли бы расти все виды организмов без исключения, и создал среды, исходя из экологии, то есть условий существования микробов. Поэтому его можно считать основоположником особой отрасли микробиологии – экологии микроорганизмов.

Витамины

Во второй половине XIX в. ученые были уверены, что пищевая ценность продуктов заключается в содержании жиров, белков, углеводов, воды и минеральных солей. Но почему-то многие категории людей – мореплаватели, военные, путешественники, жители осажденных городов и заключенные, чей рацион включал все эти вещества, но был лишен свежих овощей, фруктов и мяса, – все равно страдали цингой, куриной слепотой, пеллагрой, бери-бери и рахитом. Так, моряки в плавании питались солониной и сухарями – продуктами длительного хранения – и в итоге заболевали цингой, которая проявляется в хрупкости сосудов, кровоточивости десен, выпадении зубов, язвах на коже. По подсчетам историков, за время великих географических открытий от цинги скончалось более 1 млн моряков – только в индийской экспедиции Васко да Гама были сражены 100 человек из 160. Медики той эпохи пытались объяснять причины заболеваний токсинами, ядами и инфекциями, хотя еще древние египтяне знали, что от куриной слепоты – неспособности видеть в темное время суток – помогает печень (теперь мы знаем, что она богата витамином А).

В 1330 г. придворный диетолог китайского императора Ху Сыхуэй опубликовал трехтомный труд «Важные принципы пищи и напитков», где указал, что для поддержания здоровья необходимо комбинировать в рационе различные продукты. Два столетия спустя индейцы Северной Америки спасли от цинги команду французского землепроходца Жака Картье, предложив больным воду, настоянную на сосновой хвое. Еще через 200 лет шотландский врач Джеймс Линд провел эксперимент – разделил 20 больных моряков на несколько групп и первой добавил в рацион сидр, второй – морскую воду, третьей – уксус, а четвертой – лимоны и апельсины. В итоге поправилась лишь четвертая группа, и в 1753 г. Линд опубликовал трактат «Лечение цинги», где описал роль цитрусовых в предотвращении заболевания.

Примеру Линда последовал английский путешественник Джеймс Кук: отправившись в 1772 г. во второе кругосветное плавание, он обеспечил свежими овощами, фруктами, кислой капустой, лимонным и морковным соками лишь один из двух своих кораблей, а меню другого оставил традиционным. За три года странствий ни один из членов экипажа первого судна не заболел цингой, тогда как четверть команды второго, где отсутствовали запасы овощей и фруктов, была сражена болезнью.

Установить, что полноценное питание не ограничивается белками, жирами и углеводами, в конце XIX в. смог русский биохимик Николай Лунин. В 1880 г., наблюдая за подопытными мышами, Лунин заметил, что те из них, кто пил искусственное молоко, состоящее из казеина, жира, сахара и соли, вскоре погибали, а выкормленные натуральным молоком выглядели здоровыми и бодрыми. На основании этого наблюдения ученый сделал вывод: «Если, как вышеупомянутые опыты учат, невозможно обеспечить жизнь белками, жирами, сахаром, солями и водой, то из этого следует, что в молоке, помимо казеина, жира, молочного сахара и солей, содержатся еще другие вещества, незаменимые для питания. Представляет большой интерес исследовать эти вещества и изучить их значение». Увы, научный мир не принял всерьез открытие русского ученого, хотя десять лет спустя К. Сосин провел аналогичный эксперимент и получил те же результаты, что и Лунин.

Следующий шаг в открытии витаминов был сделан в 1886 г., когда нидерландский бактериолог Христиан Эйкман отправился в тюремный госпиталь на острове Ява, дабы выяснить причину болезни бери-бери (полиневрита), которая уносила сотни тысяч жизней. В ходе одного из экспериментов Эйкман обнаружил, что цыплята, питающиеся шлифованным рисом, страдали полиневритом, но стоило перевести их на цельное зерно, как они выздоравливали. Кроме того, ученый заметил, что тюремные заключенные, которых кормили очищенным рисом, тоже часто болели бери-бери, а среди тех, кто употреблял неочищенную крупу, болезни подвергался всего один человек из 10 000.

Догадавшись, что в рисовой шелухе содержится некое вещество, предупреждающее полиневрит, Эйкман выделил данное соединение с помощью воды и отметил крошечный размер молекул, свободно проходящих сквозь мембрану, через которую не могли проникнуть белки. На этом эксперименты Эйкмана закончились, однако он внес огромный вклад в открытие витаминов, за что в 1929 г. получил Нобелевскую премию.

В то же время голландский диетолог Корнелис Пекельхаринг и английский биохимик Фредерик Хопкинс провели ряд исследований, в ходе которых сделали вывод, что в молочном белке (казеине) содержится вещество, необходимое для роста и развития организма. Тем не менее вопрос о природе и структуре вещества оставался открытым до 1911 г., когда польский ученый Казимир Функ путем химического анализа выделил из рисовых отрубей (а чуть позже – из дрожжей и других продуктов) кристаллическое соединение, в настоящее время именуемое витамином В₁, или тиамином. Как оказалось, данное вещество относится к группе органических и содержит азот в составе аминогруппы -NH₂, выдерживает кипячение 20%-ным раствором серной кислоты, а значит, устойчиво к действию кислот, однако быстро разрушается щелочами. Год спустя Функ дал веществу название, оттолкнувшись от латинских vita ― жизнь и amini ― амины, азотистые соединения. Впоследствии ученый ввел понятия «авитаминоз», «гиповитаминоз» и «полигиповитаминоз», предположив, что причиной многих болезней является отсутствие в пище одного из «жизненных аминов».

В 1913 г. американские биохимики Элмер Вернер Макколлум и Маргарита Дэвис выделили из сливочного масла и яичного желтка вещество, которое хорошо растворялось в жирах и плохо – в воде. Макколлум назвал его «жирорастворимым фактором А», а «витамин» Функа, предупреждающий бери-бери, – «водорастворимым фактором В». С тех пор подобные факторы стали обозначать буквами латинского алфавита.

В 1920 г. английский биохимик Джек Сесиль Драммонд решил упорядочить номенклатуру витаминов и заменил название «жирорастворимый фактор А» на «витамин А» (в дальнейшем было выявлено, что этот витамин предупреждает сухость кожи вокруг глаз). В том же году Макколум выделил из жира печени трески вещество, препятствующее рахиту, и назвал его витамином D. А за последующие 10 лет ученые выяснили, что витамин В растворяется только в воде и включает в себя целый ряд веществ (В₁, В₂, В₃), каждое из которых имеет свои свойства и функции.

Витамин Е был открыт в1920 г., когда ученые обнаружили, что при длительной молочной диете даже у очень плодовитых белых крыс начинаются проблемы с зачатием. Два года спустя К. Бишоп и Г. Эванс заметили, что при исключении из рациона растворимых жиров, которыми богаты зародыши зерновых культур и зеленые листья, изначально здоровые крысы рождают мертвых детенышей. В то же время у самцов крыс при недостатке витамина Е происходили изменения в эпителии семенных канальцев, из-за чего животные теряли способность к оплодотворению. В 1936 г. ученые получили первые препараты витамина Е путем экстракции из масел ростков зерна, а через пару лет П. Каррер осуществил синтез витамина Е. Дальнейшие исследования показали, что этот элемент оказывает влияние не только на репродуктивную функцию.