От оргазма до бессмертия. Записки драг-дизайнера

Наука о жизни

Максима «Познай самого себя» приписывается древним грекам. Ясно, что в те времена в первую и единственную очередь имелось в виду осознание человеком себя самого как носителя определенной нравственной сущности. Люди мало задумывались о себе как о возможных объектах естествознания. Да и естествознанию было не по силам такое исследование: сохранилось одно из тогдашних определений понятия «человек» — двуногое существо без перьев с плоскими и широкими ногтями. Лишь много веков спустя началось постепенное понимание человека как организма, биологической единицы. И следовательно, объекта для изучения методами биологии — науки о живом.

Биология принципиально отличается от физики или химии тем, что ее главной чертой является... история. Правда, в биологии она называется особым термином «эволюционный процесс», но суть от этого не меняется. Действительно, для понимания устройства и действия дверного замка, телевизора или даже сверхсовременных компьютерных девайсов (велик и могуч все-таки русский язык!) вовсе не обязательно знать историю их создания. А вот понять самые элементарные способы организации работы живого организма без учета истории его происхождения попросту невозможно. Логика построения «механизмов» и «приборов», относящихся к живой природе, отличается от традиционной логики инженера или конструктора. Дело в том, что в них слишком много деталей вроде бы лишних, ненужных для конкретной функции, которую выполняет сегодня данный живой «механизм». Но не для той, которая была важна для него вчера и, возможно, будет важна завтра; а как раз сохранение «традиций» прошлого и борьба за выживание в неизбежно изменяющемся будущем и есть самая характерная черта живого.

Ибо все живое на Земле существует под постоянным давлением эволюционного процесса. В наследственной линии любого организма за века развития обязательно произойдут какие-нибудь изменения, которые послужат либо процветанию его потомков, либо ухудшению перспектив их дальнейшего существования. Происходит это потому, что некоторые изменения наследуются, передаются потомству и закрепляются — если, конечно, столкновение с окружающей средой позволит выжить организмам с такими изменениями. Так, скажем, приобретенная когда-то маскировочная окраска зайца — серая или белая — дала возможность этому симпатичному зверьку благополучно продержаться до наших дней. Между тем, если бы у кого-то из зайцев появлялась в прошлом ярко-красная или ультрамариновая шерстка, носители этого признака были бы немедленно выловлены разнообразными любителями зайчатины и не успели бы оставить цветное потомство. Что ж, за оригинальность приходится платить: вспомним о горестных судьбах белых ворон.

Процесс закрепления тех или иных изменений, передающихся по наследству, носит название естественного отбора. Теория естественного отбора была предложена великим натуралистом XIX века Чарлзом Дарвином на основе сопоставления огромного количества данных о различных организмах. Дарвин разработал также эволюционную концепцию происхождения биологических видов друг из друга — через сохранение признаков, отобранных внешними условиями.

Идея эта была встречена в штыки многими — ив первую очередь церковью, поскольку, как казалось, эволюционная теория может поставить под сомнение само существование Бога. В самом деле, официальная теология признает лишь пять доказательств бытия Божьего. Шестое доказательство, сконструированное Иммануилом Кантом, церковная наука отвергла (как правильно предупреждал философа за завтраком булгаковский Воланд: «Над вами смеяться будут»). Разобраться в этих теологических и философских доказательствах трудно; но есть еще один простой довод, очевидный для каждого. Легко заключить, что окружающая нас живая природа представляет собой настолько сложную систему, что сама ее сложность служит иллюстрацией или даже доказательством Божественного умысла. Ведь и вправду трудно поверить, чтобы все эти тычинки, пестики, когти, крылья, жабры и прочие тысячи органов растений и животных образовались, а главное, функционировали согласованно самопроизвольно, а не по точному плану, составленному Создателем.

Самое смешное, впрочем, то, что Дарвин, будучи человеком глубоко верующим, никогда не утверждал, что биологические виды возникли сами по себе. Он говорил о переходах из одного вида в другой, но не о том, что (или Кто) был причиной их первоначального возникновения. Ведь, изучая природу, живую или неживую, наука не задает вопрос «почему» — она спрашивает лишь, «как это устроено».

Живая природа постоянно изменяется, и, по Дарвину, полезность каждого следующего изменения проверяется строжайшим контролем естественного отбора. Уже по одному лишь термину «отбор» можно предполагать, что процесс эволюции носит направленный характер, имеет какие-то заранее определенные цели. Однако это положение, к которому склонялись многие основатели эволюционной теории, до сих пор не удалось подтвердить: очень трудно определить признак, по которому один вид можно поставить выше другого на эволюционной лестнице. Человек — царь природы, потому что он обладает интеллектом, связанным с физиологическими функциями головного мозга; но мозг слона по весу, объему и площади своей коры далеко превосходит мозг человека. Самый успешно выживающий биологический вид должен вроде бы накопить наибольшее количество биомассы на единицу площади Земли; и такой вид есть — земляные черви. Наконец, возможность ядерной войны заставляет подумать о том, какой из знакомых нам организмов больше других устойчив к радиации: оказывается, это тараканы. А поскольку будущее непредсказуемо — по крайней мере для нас, не для Господа, — заранее неизвестно, какие свойства, приобретенные в ходе эволюции, будут особенно полезными в дальнейшем.

Случайный характер эволюции, в свою очередь, тесно связан с механизмом, за счет которого она осуществляется. Его детали стали известны сравнительно недавно, хотя первые догадки появились еще при жизни Дарвина и название новой науки — «генетика» — впервые прозвучало уже тогда. С возникновением этой науки тесно связано имя Грегора Менделя, которого наша родная советская печать сначала именовала «австрийским монахом-реакционером», а потом «чешским исследователем» (тоже пример своеобразной эволюции). В старинных стенах монастыря в городе Брно стоит скромный памятник Менделю, а рядом — заботливо восстанавливаемые грядки горошка. Именно при изучении этого растения никому не известный тогда монах открыл первые количественные законы наследования признаков от поколения к поколению. Затем немец Август Вейсман и американец Томас Морган обосновали представление об особом наследственном веществе, устойчивость которого на протяжении веков эволюции и дает возможность сохраниться тому или иному признаку. А вслед за ними в тридцатые-сороковые годы прошлого столетия генетикой всерьез занялись многие ученые во всем мире. В том числе и в СССР — до тех пор, пока в 1948 году сессия Всесоюзной академии сельскохозяйственных наук (ВАСХНИЛ) не разгромила отечественную генетику как идеологически вредную прихлебательницу закордонного «менделизма-вейсманизма-морганизма».

Современный вид эволюционная теория приобрела в пятидесятые годы, когда «наследственное вещество» Вейсмана и Моргана удалось не только точно определить химически, но и «увидеть» с помощью рентгеноструктурного анализа, позволяющего различить положения отдельных атомов в молекуле. Этим веществом оказались нуклеиновые кислоты — химические соединения, представляющие собой длиннейшие полимерные цепочки, составленные из мономерных единиц, которые называются нуклеотидами. Впрочем, о них не раз будет говориться в дальнейшем.

А пока буквально в нескольких словах и весьма приблизительно очертим сегодняшнее понимание элементарного шага эволюционного процесса: по каким-то причинам происходит точечная мутация, то есть замена одного нуклеотида другим. В результате изменяются другие молекулы, например белки, которые непрерывно синтезируются в организме. Из-за этого те или иные функции организма претерпевают изменения, которые либо идут на пользу организму и его потомкам, либо приводят к их гибели.

Еще раз подчеркнем случайность мутаций. Замены нуклеотидов в цепи или их повреждения могут быть связаны с внешними причинами — например, с воздействием некоторых химических веществ или значительных доз радиации, однако могут возникнуть и как бы самопроизвольно, поскольку основания для этого нам пока неизвестны. Но, конечно, далеко не всякая мутация влечет за собой эволюционные последствия: в подавляющем большинстве они нейтральны.

В наши дни описание эволюционного процесса — основы основ биологии — проводится почти исключительно на молекулярном уровне. Это означает, что если раньше вопрос о месте организма в эволюционном ряду решался благодаря сопоставлению, например, особенностей скелета, то теперь та же информация может быть получена при изучении химического строения молекул белков разных организмов. И, надо отметить, оба подхода действительно дают весьма сходные результаты. Иными словами, современная биология невозможна без биологии молекулярной.

От молекулы к организму

«Самомалейшие малости» Паскаля — это те самые молекулярные механизмы организма, которые мы только еще начинаем изучать спустя почти четыреста лет. В этой книге, однако, они интересуют нас не только сами по себе, но в связи с драг-дизайном, процессом создания лекарственных средств для дальнейшего применения их в медицине. А медицина — область особая, не вполне сводимая ни к физике, ни к химии, ни к биологии. Известный латышский врач и педагог профессор Паулс Страдыньш (его имя носит крупнейшая рижская больница) в свое время называл медицину наукой, искусством и профессией одновременно — и был совершенно прав.

В самом деле, пациенты врача, как и люди вообще, бывают самыми разными. И не только в смысле особенностей характера, но и в отношении свойств организма: двух одинаковых больных с медицинской точки зрения не бывает. Тем не менее ставить диагноз врачу приходится по симптомам, связанным прежде всего с заболеванием, а не с конкретным больным. И поставить правильный диагноз — это во многом действительно искусство.

Однако коль скоро диагноз поставлен, выбор тактики лечения и успех ее применения зависят от того, насколько врач знает и понимает организм (а иногда и психологию) данного пациента. А это обусловлено в первую очередь опытом и добросовестностью врача, то есть в конечном счете его профессионализмом: знахари-любители приносят в целом больше вреда, чем пользы.

И разумеется, медицина — это наука, поскольку сумма знаний, которыми должен обладать врач, чтобы успешно бороться с болезнью, отнюдь не маленькая. Но наука исследует наиболее общие закономерности окружающего мира: как же совместить универсальность научных теорий и индивидуальность пациентов?

Оказывается, это не так уж трудно. Конечно, пациенты не похожи даже друг на друга, не говоря уже о собаках и крысах — типичных лабораторных подопытных животных. Но это — на уровне целого организма. А вот отдельные органы: сердце, легкие, печень и прочие жизненно важные узлы — есть у каждого, и принципы их функционирования в общем одинаковы. Далее, многие типы клеток, из которых построены эти органы, практически не различаются не только у разных людей, но порой и в сравнении с животными. А уж на молекулярном уровне, где главную роль играют внутриклеточные химические реакции, различия между биологическими родами и видами стираются еще больше. Настолько, что иногда молекулярные процессы, происходящие в клетке человека, вполне можно изучать на примере какой-нибудь бактерии. (Хотя, конечно, нельзя считать, что все молекулы в организмах человека и бактерии идентичны; нет, далеко не все, но многие — схожи.) Выходит поэтому, что не только современная биология является молекулярной, но и современная медицина — тоже.

Пути, ведущие от уровня молекулярных процессов к организму в целом, весьма сложны и неоднозначны. Действительно, благодаря успехам молекулярной биологии сейчас удается более или менее разобраться во взаимоотношениях молекул внутри живой клетки. Но, с другой стороны, тысячелетняя история медицины научила врачей худо-бедно понимать общие принципы устройства организма человека в целом, а история биологии — и устройства организмов вообще. Однако эти идущие друг другу навстречу тоннели еще далеко не сомкнулись.

Затруднения возникают на клеточном уровне: клетка оказывается слишком сложной биохимической системой, и понять ее поведение вплоть до всех деталей пока невозможно. А ведь именно здесь заложены причины многих заболеваний, в том числе раковых. Если высадить, например, здоровые клетки человеческой ткани на питательную среду, покрывающую дно чашки Петри (стеклянное плоское блюдце с невысокими вертикальными стенками), то они начнут размножаться, образуя равномерный тонкий слой на дне сосуда. Но как только слой клеток подойдет вплотную к стенкам, размножение прекратится. Раковые же клетки начинают громоздить новый слой ткани поверх уже существующего и так далее без всяких ограничений. Значит, здоровые клетки обладают каким-то аппаратом, механизмом или веществом, позволяющим «узнавать», что размножение надо остановить, а раковые опухоли такого аппарата лишены. Ответить со стопроцентной уверенностью, что это за механизм или вещество, медицина сегодня не в состоянии, хотя многие факторы роста клеток теперь хорошо изучены.

Еще одна проблема — дифференциация клеток: как именно из клеток зародыша возникают разнообразные клетки тканей, сосудов, костей, крови и так далее. В последние годы в этом направлении достигнут значительный прогресс: обрабатывая клетки зародыша — они называются стволовыми клетками — различными веществами, удалось вырастить из них клетки нужного типа. А из клеток — целые органы и ткани, такие как капиллярные сосуды, клетки головного мозга, клапаны сердца, ткани печени и даже роговицу глаза и целый мочевой пузырь. И все же молекулярный механизм дифференциации клеток пока не вполне ясен.

Разрыв в подходах, методах и задачах молекулярной биологии и практической медицины весьма значителен. Но тем не менее путь от молекулы к организму один раз уже был пройден — это сделал эволюционный процесс. Теперь исследователи стараются проследить все трассы, развилки и тупики этого пути с помощью молекулярной биологии для того, чтобы научиться решать не только чисто научные, но и медицинские проблемы.

Чем отличается доктор от хирурга

Исходя из самых общих соображений, управление любой системой можно осуществлять одним из двух методов. Первый метод заключается в наблюдении результатов воздействия различных факторов на систему в целом и отборе тех из них, которые приводят к желаемому эффекту. Именно этот подход запечатлен, например, в классической формуле кнута и пряника. Таким же образом, по-видимому, была создана шутка о том, что, если лошадь щелкнуть по носу, она махнет хвостом.

Щелкни кобылу в нос — она махнет хвостом. Козьма Прутков

Что при этом происходит внутри лошади, экспериментатора не интересует: ему важна повторяемость наблюдаемого им явления. Точно так же, если охладить льдом лоб пациента с повышенной температурой, его бред прекратится. А если, наоборот, приложить согревающую повязку на ноющую поясницу, она может остановить боль. А от кашля помогают горчичники на спину. А вообще от всех болезней — любые настойки, если только они содержат спирт в достаточном количестве.

Второй метод основывается на предварительном изучении устройства системы и применении не любого фактора, а по возможности того, который нужен, и не вообще к системе, а к нескольким ее частям. Здесь в качестве примера можно привести историю механики, начиная хотя бы с анкерного регулятора часового механизма, усовершенствованного, между прочим, знаменитым французским драматургом Пьером Бомарше. Механика скелета человека намного проще — и вправлять кости, и накладывать шины на переломы медицина научилась уже давно. А когда была открыта система кровообращения, в моду вошло кровопускание как лечебная процедура, причем доверялась она даже не врачам, а цирюльникам. Вся хирургия — это тоже внешнее вмешательство в организм, основанное на знании устройства и функционирования его отдельных органов.

Но медицина не ограничивается внешними воздействиями, будь то примочки, пиявки или даже хирургические инструменты. Недаром в Средние века звание «хирург» считалось рангом ниже звания «доктор», которое можно было получить только после обучения в университете. Предполагалось при этом, что доктора должны понимать, как действуют на организм лекарства.

Сегодня мы знаем, что лекарства работают не «снаружи», а «изнутри», на молекулярном и клеточном уровнях. Однако медики древности этого не знали, а лечить больных надо было уже тогда. И вот наряду с экзотическими лечебными процедурами вроде магических заклинаний или очищения огнем стали применяться лечебные травы, порошки из толченых слоновых бивней, сушеные змеи, да мало ли что еще — и все это для внутреннего употребления. Шаманы, колдуны, дервиши и просто шарлатаны — словом, предшественники врачей — не знали, конечно, что в этих «препаратах» содержатся какие-то особые вещества, приводящие систему взаимоотношений биологических молекул организма к норме. Нет, они просто пользовались опытом проб и ошибок предыдущих поколений, который подсказывал, что человек, пожевавший корень женьшеня, черпает откуда-то новые жизненные силы, а напившийся сока маковых зерен становится менее чувствительным к боли; с другой стороны, попадание в пищу значительного количества, скажем, спорыньи почти всегда заканчивается весьма печально.

Первые шаги к выделению особых лекарственных веществ из природных источников были сделаны, по всей вероятности, еще до появления алхимиков. Всевозможные отвары, вытяжки, настойки, мази и прочие лекарственные средства, приготовленные по рецептам врачей античности, имели уже куда большую концентрацию биологически активных веществ, чем исходные травы, или цветы шиповника, или порошок из рогов носорога. Да и производство ядов начало совершенствоваться — вспомним для примера чашу цикуты, которая была последней чашей в жизни Сократа. Раз начавшись, этот процесс отбрасывания лишних элементов и вычленения агентов, необходимых для действия на организм, уже не останавливался и продолжается, по сути, до сих пор.

Конечно, современные методы выделения биологически активных веществ и не снились даже наиболее передовым греческим фармацевтам или парижским алхимикам. Нынешние «охотники за лекарствами» способны безошибочно найти среди тысяч различных типов химических соединений исходного продукта те единицы, которые отвечают за биологический эффект, и получить их в абсолютно чистом виде.

Драг-дизайн алхимиков

Точнее, наоборот: сначала выделить соединение, а потом убедиться, что именно оно производит данное биологическое действие. При этом в распоряжении современного исследователя находятся электрофорез, масс-спектрометрия, жидкостная хроматография и еще множество других способов извлечения и идентификации химических соединений, о которых алхимики и не слыхивали. Тем не менее сам принцип: взять природное сырье и выяснить, что дает основание считать его лекарством, уцелел со времен седой старины. Более того, среди специалистов в области медицинской химии особым шиком считается ссылка на какую-нибудь Древнюю рукопись, где впервые было описано лечебное действие растения, из которого теперь выделено химически чистое вещество с аналогичным биологическим эффектом.

Тсанта - голова, засушенная индейцами хиваро

Поиск лекарственных веществ описанным способом нельзя назвать настоящим процессом драг-дизайна. Правда, чуть ли не наиболее важное лекарство двадцатого века — первый антибиотик, пенициллин, — был открыт Александром Флемингом примерно так же, по случайности. Истинный же драг-дизайн на случайность не надеется, а использует сведения о молекулах, находящихся в клетке и вокруг нее. А молекул таких очень много.