Краткая история биологии. От алхимии до генетики

Глава 11 Кровь

Успехи теории нейронов не абсолютны. Электрические «посланники», курсирующие вдоль нерва, не единственные контролеры тела. Через кровь курсируют также посланники химические.

В 1902 г. два английских физиолога — Эрнест Генри Старлинг (1866 — 1927) и Уильям Мэддок Бэйлисс (1866 — 1924) обнаружили, что если уничтожить все нервные окончания, ведущие к поджелудочной железе, то она все равно будет выполнять свою функцию. Железа начинает производить пищеварительные соки, как только в кишечный тракт поступает кислотное содержимое желудка. Выяснилось, что внутренняя оболочка тонкого кишечника под влиянием желудочной кислоты выделяет вещество, названное Старлингом и Бэйлиссом секретином.

Два года спустя Старлинг предложил называть все вещества, выбрасываемые в кровоток эндокринной железой, гормонами (от греческого слова, означающего «вызывающий активность»). Гормоны служат для побуждения к деятельности того или иного органа.

Гормональная теория зарекомендовала себя исключительно полезной, поскольку вскоре было обнаружено множество гормонов, поступающих в кровоток в следовых (крайне малых) количествах, которые поддерживают жизненно важный баланс химических компонентов тела либо привносят хорошо контролируемые изменения там, где они необходимы. Японско-американский химик Йокихи Така-мини (1854— 1922) в 1901 г. выделил из адреналиновой железы вещество, которое сейчас называется эпинефрин (коммерческое наименование — адреналин). Именно адреналин стал первым выделенным, с известной структурой и применяемым гормоном.

Обмен веществ в организме является гормоноконтролируемым. Магнус-Леви в свое время показал взаимосвязь между изменениями в обмене веществ и заболеванием щитовидной железы. Американский биохимик Эдуард Кальвин Кендалл в 1916 г. выделил из щитовидной железы вещество, названное им тироксин. Выяснилось, что производство этого гормона в небольших количествах контролирует общий обмен веществ.

Наиболее показательный результат работы гормонов — взаимосвязь их содержания с заболеванием диабетом. Нарушения здесь касаются процесса разложения Сахаров для высвобождения энергии, в результате чего происходит резкое повышение содержания сахара в крови. В результате тело освобождается от избытка сахара через мочу, и присутствие сахара в моче является симптомом приближающегося диабета. До XX в. заболевание неизменно приводило к смерти.

В 1893 г. у немецких физиологов Йозефа фон Меринга (1849 — 1908) и Оскара Минковского (1858—1931) возникло подозрение, что диабет каким-то образом связан с деятельностью поджелудочной железы. При удалении поджелудочной железы у подопытных животных в проведенных учеными опытах диабет развивался стремительно. На основании гормональной теории Старлинга и Бэйлисса было логичным предположить, что поджелудочная железа производит гормон, контролирующий процесс разложения сахара.

Попытки выделить гормон из поджелудочной железы, как Кендалл изолировал тироксин из щитовидной железы, провалились. Конечно, главной функцией поджелудочной железы является производство желудочных соков — таким образом, чтобы в них было большое содержание протеинрасщепляющих энзимов. Если гормон сам по себе является протеином (что было доказано позднее), он разрушится в процессе экстракции.

В 1920 г. канадский физик Фредерик Грант Бантинг (1891 — 1941) провел опыт с перевязыванием поджелудочной 'железы у животных. Сама железа при этом не удалялась.

Аппарат пищеварительных соков при этом дегенерирует, поскольку пищеварительные соки не поставляются; однако порции, которыми гормон выбрасывается в кровь, надеялся Бантинг, останутся эффективными. В 1921 г. он со своим- ассистентом Чарлзом Гербертом Вестом проверил свое предположение на практике. Ему удалось выделить гормон инсулин. Использование инсулина позволило контролировать развитие диабета, и хотя диабет неизлечим и больным приходится всю жизнь проходить лечение, но жизнь их удается спасти и сделать вполне нормальной.

Впоследствии были выделены и другие гормоны. Половые гормоны (контролирующие развитие вторичных половых признаков в подростковом возрасте и полового цикла у женщин) из яичников и яичек выделил немецкий химик Адольф Фридрих Йоханнес Бутенандт (1903-1995) в 1929 г.

Кендалл, первооткрыватель тироксина, а также польский химик Тадеуш Рейхштейн выделили целое семейство гормонов-кортикоидов из открытых порций (или кортекса) адреналиновых желез. В 1948 г. один из сотрудников Кендалла, Филип Шоуолтер Хенч (1896 — 1965), показал, что один из кортикоидов — кортизон — дает положительное влияние на излечение ревматоидного артрита.

Гипофиз — небольшая структура у основания черепа — в 1924 г. был исследован аргентинским физиологом Бернардо Альбер-то Хуссеем (1887-1971). Он показал, что гипофиз имеет связь с процессом разложения Сахаров. Позже выяснилось, что у гипофиза есть и другие крайне важные функции. Китайско-американский биохимик Чао Хао Ли (род. 1913) в 1930-х годах выделил из гипофиза ряд различных гормонов. Один из них — «гормон роста», контролирующий процесс роста;, Когда гормон выделяется в избыточных количествах, рост получается гигантским, когда в недостаточных — наблюдается карниковость.

Наука о гормонах, эндокринология, остается крайне сложным аспектом биологии.

Гормональная функция крови является одним из преимуществ жидкой среды организма, открытым в XIK в. Кровь также носитель антител, поэтому может считаться главным противником инфекции. (Трудно поверить, что век назад врачи полагали, будто лучший способ помочь больному — пустить ему кровь.)

Использование крови против микроорганизмов началось после опубликования работ двух ассистентов Коха — немецких бактериологов Эмиля Адольфа фон Беринга (1854 — 1917) и Пауля Эрлиха (1854-1915). Фон Беринг обнаружил, что можно делать инъекции животным определенной бактерией, заставив организм вырабатывать против нее антитела, которые будут концентрироваться в жидкой составляющей крови (кровяной сыворотке). Если сыворотку затем взять от подопытного животного, то можно сделать «прививку» другому животному, у которого появится иммунитет к данной болезни.

Фон Берингу также пришла идея попытаться делать прививку сывороткой детям, больным дифтерией — смертельной болезнью, свирепствовавшей в те годы. Давно было установлено на практике, что если ребенок выживал в борьбе с заболеванием, то он получал на всю жизнь иммунитет. Но зачем было подвергать детей риску и выжидать, когда организм сам выработает антитела? Почему не взять антитела, выработанные организмом животного, и не сделать инъекцию этой сывороткой ребенку? Такие прививки хорошо себя зарекомендовали во время эпидемии дифтерии 1892 г.

Эрлих, работая вместе с фон Берингом, выработал точные дозы и методику прививки. После успешного дуэта между ними произошла размолвка, и впоследствии Эрлих работал один. Именно его можно назвать основателем серологии — науки о методике применения сыворотки крови. (Где дело касается установления иммунитета, эта отрасль науки именуется иммунологией.)

Бельгийский бактериолог Жюль Борде (1870—1961) стал еще одним выдающимся специалистом в серологии. В 1898 г., работая в Париже с Мечниковым, он открыл, что, если нагревать сыворотку крови до 55 С, антитела остаются неповрежденными, поскольку комбинируются с определенными химическими веществами (антигенами), в то время как бактерицидная способность сыворотки уничтожается. Видимо, для бактерицидной работы сыворотки крови необходим какой-то компонент.

В 1901 г. Борде доказал, что этот компонент утилизуется при реакции антител с антигеном. Этот процесс назван был биологической комплиментарной фиксацией, и его до сих пор используют в диагностике сифилиса. Методику разработал в 1906 г. немецкий бактериолог Август фон Вассерман (1866—1925), поэтому она сейчас называется реакцией Вассермана.

При этой реакции кровяная сыворотка реагирует с определенными антигенами. Если в сыворотке данного пациента присутствуют антитела к бактериям сифилиса, задействуется комплиментарная фиксация. Потеря комплиментарности свидетельствует о заражении сифилисом. Если комилиментарность не потеряна, реакция не состоялась, значит, сифилиса нет.

Открытия XX в. показали победу серологии в весьма неожиданном аспекте. Дело касается не заболеваний, а индивидуальных особенностей крови человека.

В течение всей истории человечества врачи пытались компенсировать обильные кровопотери вливанием крови, взятой у другого человека либо у животного. Несмотря на отдельные успешные случаи, часто при вливаниях наступала смерть, и большинство европейских наций к концу XIX в. запретили такие переливания.

Австрийский врач Карл Ландштейнер (1868—1943) нашел ключик к успеху. В 1900 г. он обнаружил, что кровь разных людей различается по способности связывать кровяные тельца. Один и тот же образец кровяной сыворотки может свертывать кровь человека А, но не кровь человека В. Другой образец сыворотки может демонстрировать прямо противоположные особенности. Третий образец будет свертывать кровь и того и другого. А четвертый — не будет свертывать ни единого образца крови.

К 1902 г. Ландштейнер разделил человеческую кровь на четыре группы и назвал их А, В, АВ и О.

Теперь следовало доказать, что в определенных комбинациях переливание крови может быть безопасным; в других привнесенные с донорской кровью красные кровяные тельца будут свертываться с последующим фатальным результатом. Переливание крови, основанное на тщательном изучении групп крови, как донора, так и акцептора, стало неотъемлемой частью практической медицины.

Позже было открыто, что все группы крови наследуются в соответствии с законами Менделя, и теперь на этом основан тест на отцовство. Так, оба родителя, если они имеют кровь группы А, не могут зачать ребенка с кровью группы В, и такой ребенок либо был подменен после рождения, либо его отец кто-то другой.

Группы крови имеют также отношение к застарелой дискуссии о расах. Ни одна раса не может считаться превосходствующей, если у каждой имеются в наборе все группы.

Индивидуальные различия между людьми подытожил бельгийский астроном Ламберт Адольф Жак Кетелет (1796-1874). Он применил к человеческим существам законы статистики и тем самым положил начало науке антропологии (изучению естественной истории человека).

Он записал результаты обмеров охвата груди шотландских солдат, роста французских призывников, другие подобные обмеры и к 1835 г. сделал вывод: разброс этих показателей относительно среднего подчиняется той же формуле, что и частота выпадающих чисел при игре в кости. Таким образом, жизнь подчинена тем же законам, что и вся Вселенная.

Шведский анатом Андерс Адольф Ретциус (1796—1860) пытался притянуть антропологические измерения к расовой проблеме. Он назвал отношение ширины черепа к его Длине, умноженное на 100, черепным индексом. Индекс с показателем ниже 80 был назван долихоцефалическим, выше 80 — брахицефалическим. Таким образом, европейцы делятся на нордийскую расу (высокие, долихоцефалы), средиземноморскую (малого роста, долихоцефалы) и альпийскую (малого роста, брахицефалы).

Однако различия достаточно малы, они не разработаны для других регионов, кроме Европы, а, кроме того, черепной индекс можно изменить добавкой витаминов и он не передается по наследству.

Лидером ветви антропологии, изучающей разброс показателей групп крови по расам, стал американский иммунолог Уильям Клозе Бойд (род. 1903). Вместе с женой в 1930-х годах они путешествовали по миру, ведя статистику. В 1956 г. Бойд на основе своей и чужой статистики смог разделить человечество на 13 видовых групп. Большинство групп локализовались в соответствии с географическим распределением. Удивление вызвало наличие группы так называемых ранних европейцев, которые характеризуются исключительной частотой встречаемости группы крови «Rh минус». Затем в Европе эта группа была заменена поздними европейцами, но остатки этой группы встречаются в горных районах — например, баски.

Частота встречаемости групп крови может помочь проследить исторические и прочие миграции населения. К примеру, процент крови группы В наиболее высок среди населения Центральной Азии и снижается как на восток, так и на запад. То, что эта группа крови встречается и в Европе, объясняется периодическими нашествиями кочевников.

Серология XX в. оставила самые удивительные открытия на долю существ, не известных ни Пастеру, ни Коху. Пастеру не удалось открыть возбудителя бешенства — определенно инфекционной болезни, вызываемой, но его версии, микроорганизмом. Пастер предположил, что этот микроорганизм слишком мал, чтобы выявить его при помощи доступной тогда техники, и он был прав.

Тот факт, что существуют организмы меньше обычной бактерии, был доказан при исследовании болезни табака — табачной мозаики. Было известно, что сок заболевших растений инфицирует здоровые растения, и в 1892 г. русский ботаник Дмитрий Ивановский (1864 — 1920) обнаружил, что сок инфицирует здоровые растения даже после прохождения через тонкие бактериальные фильтры. В 1895 г. к такому же открытию, независимо от Ивановского, пришел голландский ботаник Мартин Биллем Бейеринк (1851 — 1931). Именно он назвал инфекционный агент фильтруемым вирусом («вирус» означает «яд»). Этот факт отмечает начало науки вирусологии.

Другие болезни также вызываются вирусами. Немецкий бактериолог Фридрих Август Йоханнес Лёффлер (1852 — 1915) продемонстрировал в 1898 г., что болезнь ротовой полости и копыт крупного скота вызывается вирусом; в 1901 г. то же было установлено для желтой лихорадки.

Другие болезни, такие, как полиомиелит, тиф, грипп, паротит, корь, также, как было доказано позже, вирусного происхождения.

В 1915 г. английский бактериолог Фредерик Уильям Творт (1877 — 1950) обнаружил, что некоторые из коллекционных колоний бактерий подернулись пленкой, а затем растворились. Он профильтровал эти исчезнувшие колонии и обнаружил, что в фильтрате содержится вещество, вызывающее растворение бактерий. Значит, сами бактерии могут заражаться вирусом — то есть паразиты становятся жертвами еще более мелких паразитов. Канадский бактериолог Феликс Губерт Дэрелль (1873 — 1949) независимо сделал такое же открытие в 1917 г. и назвал пожирающих бактерий вирусов бактериофагами (буквально — пожирателями бактерий).

В списке странных и неизлечимых заболеваний рак остается наибольшей загадкой. За последний век масштабы его распространения выросли; он остается ужасом человечества.

В период становления бактериальной теории предполагали бактериальную природу рака, однако до сих пор не найдена бактерия-возбудитель. После открытия вирусов также не было найдено вирусного возбудителя рака.

И, тем не менее, были обнаружены узкопрофильные вирусные агенты, отвечающие за определенные виды рака. В 1911 г. американский врач Франсис Пейтон Рус (род. 1879) наблюдал за цыплятами, больными саркомой. Он проверил саркому на присутствие вируса. Профильтровав содержимое опухоли, заразил им других цыплят. Сам, не решившись назвать это открытием вируса саркомы, он опубликовал результаты. Другие ученые сочли это открытием.

В течение четверти века вирусом-возбудителем рака, известным ученому миру, оставался лишь вирус саркомы Руса. После 1930 г. были открыты другие, но до сих пор вопрос остается неясным, и онкология (изучение рака) полна загадок.

Физическая природа вирусов оставалась неясной еще сорок лет после их открытия. Как выяснилось, оспа, первое из побежденных человечеством заболеваний эпидемического порядка, — вирусное заболевание. Вакцинация против оспы заставляет организм вырабатывать антитела к этому вирусу. Следовательно, каждое вирусное заболевание может быть контролируемо при помощи серологических методик.

Трудность состоит в том, чтобы обнаружить штамм вируса, не дающий серьезных симптомов, но провоцирующий выработку антител против вирулентных штаммов.

К сожалению, вирус может жить только в живых клетках и тем самым увеличивает трудность проблемы. Южноамериканский микробиолог Макс Тейлер (1899-1972) в 1930 г. приготовил вакцину против желтой лихорадки только после того, как трансформировал выработку антител от мартышек к мышам. У мышей заболевание развивалось в форме воспаления мозга — энцефалита. Он переносил вирус от одной подопытной мыши к другой и затем вновь к мартышкам.

Лишь в таком случае был получен ослабленный вирус желтой лихорадки, дающий, однако, полный иммунитет к наиболее вирулентным штаммам вируса.

Тем временем был обнаружен живой аналог питательной среды Коха. Американский врач Эрнест Уильям Гудпасчур (1886 — 1960) в 1931 г. предложил куриный эмбрион как питательную среду для вирусов. Если удалить верхушку скорлупы, остальное служит в качестве чашки Петри, наполненной питательной средой. К 1937 г. Тейлер получил на куриных эмбрионах еще более безопасную вакцину против желтой лихорадки.

Наиболее эффектную серологическую методику предложили ученые в 1948 г. в борьбе против вируса полиомиелита. Впервые вирус полиомиелита был выделен в 1908 г. Ландштейнером. Подопытными животными служили мартышки, но для разработки вакцины нужно было заразить тысячи подопытных животных, работа с которыми стоит огромных денег и трудоемка.

Американский микробиолог Джон Франклин Эндерс (1897-1985) с двумя коллегами, Томасом Хакли Уэллером и Фредериком Чаименом Роббинсом, выращивали вирус на взболтанных куриных эмбрионах, которые предварительно окунали в кровь. Такие попытки делались и ранее, однако безуспешно; размножался ли вирус или нет — его быстро подавляли сильнее размножившиеся бактерии. Однако Эндерс добавлял к своим культурам незадолго до этого разработанный пенициллин. Это остановило рост бактерий, не повредив вирусу. Таким образом ему удалось выделить в 1949 г. вирус полиомиелита.

Оставалось найти среди сотен штаммов его такой, который, будучи слабым, обладал бы нужными характеристиками. Поляк по происхождению, американский микробиолог Альберт Брюс Сабин (род. 1906) в 1957 г. обнаружил ослабленный штамм вируса полиомиелита для каждой из трех разновидностей этого заболевания, а затем были разработаны успешно введенные вакцины против полиомиелита.

Аналогично Эндерс с коллегой Сэмюэлом Катцем разработал вакцину против кори. С этой смертельно опасной детской болезнью во многих странах было покончено.

Механизм создания иммунитета не всегда утилизуется благоприятно. Организм может развить способность производить антитела против любого чужеродного протеина, даже против такого, который кажется безвредным. Когда организм так «настроен», он реагирует на протеин весьма «неуютным» для самочувствия образом: набухшая слизистая оболочка, насморк, кашель, слезящиеся глаза, судорожное сжимание бронхиол вплоть до астмы. В таких случаях говорят об аллергии.

Весьма распространенной является аллергия на пищевой компонент, и тогда у больного начинается жжение, зуд и покраснение кожи.

Массовое проявление имеет аллергия на цветочную пыльцу, на цветочные запахи — например, ошибочно названная сенная лихорадка.

Поскольку антитела формируются против протеинов других человеческих особей, следует вывод: каждый человек — это химическая индивидуальность. Поэтому не стоит пересаживать ни кожу, ни любой орган от одного человека другому. Это аналогично проблемам с переливанием крови, поскольку организм после пересадки начинает продуцировать антитела против пересаженного агента. Дело осложняется тем, что разделить органы и кожу на типы и группы не удается.

Биологи научились сохранять некоторое время живые донорские органы, но им не удается справиться с вышеуказанной проблемой. Сердце, удаленное у подопытного животного, остается работающим, и еще в 1880 г. английский врач Сидней Рингер (1834—1910) разработал физиологический раствор, содержащий различные неорганические соли в пропорциях, аналогичных пропорциям крови. Этот раствор позволяет сохранять органы живыми.

Работу по разработке и использованию физиологических растворов для хранения живых органов довел до совершенства американский хирург Алексис Каррель (1873 — 1944). Ему удавалось в течение 20 лет сохранять сердце куриного эмбриона живым и даже растущим.

Итак, если бы не антитела, то трансплантация органов была бы делом решенным. Но даже при всем том сейчас успешно и массовым образом производится трансплантация роговицы глаза; в 1960-х годах было сделано несколько успешных трансплантаций почек.

В 1949 г. австралийский врач Фрэнк Макфарлан Вернет (1899 — 1985) предположил, что способность организма формировать антитела против чужеродных протеинов не является врожденной, а может приобретаться в течение жизни, однако приобретение этой способности может произойти на первых порах после рождения.

В 1961 г. было обнаружено, что вилочковая железа, функция которой до тех пор была неизвестна ученым, «отвечает» за способность организма формировать антитела. Эта железа производит лимфоциты (разновидность белых кровяных телец), чья функция — формирование антител. Вскоре после рождения лимфоциты, произведенные вилочковой железой, путешествуют к лимфатическим узлам и затем — в кровоток. По истечении некоторого времени лимфатические узлы могут сами продолжать исполнять свою функцию, и в пубертатном возрасте вилочковая железа ссыхается и прекращает свою деятельность.