Текст книги "Краткая история биологии"

Автор книги: Айзек Азимов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 7 (всего у книги 13 страниц)

Калориметрия

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

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

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

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

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

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

Брожение

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Ферменты

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Материалистическая точка зрения стала господствующей.

Глава IX
Борьба с болезнями

Вакцинация

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

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

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

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

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

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

Микробная теория болезней

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

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

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

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

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

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