Краткая история биологии

Гормоны

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Серология

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

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

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

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

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

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

Группы крови

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Вирусные заболевания

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Аллергия

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

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

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

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

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

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

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