Текст книги "Краткая история биологии. От алхимии до генетики"

Автор книги: Айзек Азимов

сообщить о нарушении

Текущая страница: 8 (всего у книги 10 страниц)

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.

Вирусные заболевания

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.

Аллергия

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.

Глава 12 Метаболизм

Химиотерапия

Борьба с бактериальными заболеваниями во многом проще, чем с вирусными. Как уже было показано, бактерии проще размножаются в культуре. Бактерии более уязвимы. Живя вне клетки, они производят ущерб организму, отнимая у него питание либо высвобождая токсины. Однако их метаболизм (химический механизм) отличается от метаболизма клеток хозяина в нескольких аспектах. Поэтому всегда есть шанс, что они будут уязвимы к фармацевтическим средствам, разрушающим их метаболизм без серьезного повреждения клеток хозяина.

Начало использования химических средств против заболевания относится к далеким временам в истории человечества. С давних времен были известны лекари-травники. Их искусство передавалось из поколения в поколение. Использование хинина против малярии – самый известный пример «народного средства», которое со временем было принято на вооружение официальной медициной.

С приходом синтетических химических средств возможность их использования расширилась: теперь против каждой болезни можно было использовать свое лекарство.

Знаменитый бактериолог Эрлих работал в свое время над красками, окрашивающими бактерии, и, поскольку эти краски смешивались с некоторыми компонентами бактериальной клетки, они повреждали рабочий механизм клетки. Эрлих, понимая это, надеялся выявить краситель, достаточно сильно повреждающий клетки бактерий. И он его открыл: это был трипановый красный, уничтожающий трипаносом (простейших, вызывавших многие болезни, в том числе сонную болезнь).

Эрлих продолжал свой исследования, предположив, что способность повреждать клетки возбудителя связана с атомом азота в составе молекулы химиката. По химическим свойствам атомы мышьяка схожи с атомами азота, однако дают более сильный токсический эффект. Он экспериментировал с мышьяксодержащими органическими веществами, опробуя их один за другим.

В 1909 г. один из его помощников обнаружил, что вещество с номером 606 очень эффективно против сифилиса. Это вещество было названо сальварсаном (в наши дни чаще именуется арсфенамином).

Трипановый красный и сальварсан положили начало химиотерапии (излечению при помощи химических средств). Были надежды, что вскоре после этого будут обнаружены аналогичные средства практически против всех болезней. К сожалению, по прошествии нескольких десятилетий список применяемых в химиотерапии средств не пополнился.

Лишь в 1932 г. немецкий врач и биохимик Герхард Домагк (1895—1964), работая над красителями, обнаружил, что инъекции красителя с коммерческим названием пронтозил убивают стрептококки.

Он попытался поставить опыт с использованием пронтозила для людей. Его собственная дочь вскоре заразилась стрептококком после неудачной инъекции. Не помогало ничего, пока Домагк в отчаянии не опробовал свое средство на ребенке. Дочь быстро выздоровела. К 1935 г. мир узнал о новом лекарстве.

Вскоре группа французских бактериологов обнаружила, что действующее вещество в пронтозиле – сульфаниламид. Лекарство было названо чудом. Оно побеждало ряд смертельно опасных заболеваний, в частности пневмонию.

Антибиотики и пестициды

Наибольший успех ждал химиотерапию не в отношении синтетических веществ вроде арсфенамина и сульфаниламида, но в отношении натуральных продуктов. Американский микробиолог Рене-Жюль Дюбуа (род. 1901) работал над почвенными микроорганизмами. Почва принимала на себя сотни и тысячи трупов естественно умерших животных со всеми заболеваниями – и все же не была резервуаром инфекции. Очевидно, она обладает некими антибактериальными агентами. (Такие агенты позже были названы антибиотиками.)

В 1939 г. Дюбуа выделил первый антибиотик – тиротрицин – из почвенной бактерии. Антибиотик не был очень эффективен, однако вызвал живой интерес ученых. Десятилетие до того шотландский бактериолог Александер Флеминг написал интересный обзор, который теперь был вновь актуален.

В 1928 г. Флеминг на некоторое время оставил непокрытой крышкой культуру стафилококка. Вернувшись к работе, он уже готов был выбросить чашку с культурой, когда заметил, что на колонии бактерий, попала плесень и что в этих местах пятна колоний, растворились.

Флеминг выделил плесень и идентифицировал ее: это был грибок Penicillium notatum, обычная плесень, часто встречающаяся на хлебе. Флеминг решил, что плесневый грибок выделяет какой-либо компонент, останавливающий рост бактерий. Он назвал это вещество пенициллином. Он доказал, что вещество не вредит белым кровяным тельцам и другим клеткам человеческого организма.

В 1939 г., благодаря работам Дюбуа, интерес к пенициллину вновь возродился. Разразившаяся Вторая мировая война подстегнула разработку лекарства против бактериологического инфицирования ран. Австралийский патолог Хувард Уолтер Флори (1898—1968) вместе с биохимиком Эрнстом Борисом Чейном (1906—1979) выделили пенициллин, определили его структуру и поставили его производство на промышленную основу. К концу войны они работали во главе большой англо-американской совместной лаборатории. Успех пришел незамедлительно. Пенициллин был и остается основным оружием против инфекции.

После войны были обнаружены и разработаны для производства другие антибиотики. Американский бактериолог Сельман Абрахам Уоксман (род. 1888) систематизировал почвенные микроорганизмы.

В 1943 г. он выделил эффективный антибиотик против бактерий, не повреждаемых пенициллином. В 1945 г. он вышел на мировой рынок под названием стрептомицин.

В 1950-х годах были обнаружены так называемые антибиотики широкого спектра действия. Это – тетрациклины, выступавшие под торговыми марками «ахромицин» и «ареомицин».

Бактериальные инфекции были взяты под контроль, причем в таком масштабе, о котором люди и не мечтали поколение назад. Тем не менее, будущее не представлялось в розовом цвете. Естественный отбор работает таким образом, что выживают штаммы бактерий, устойчивые к антибиотикам. Поэтому со временем антибиотики становятся менее устойчивыми. Конечно, разрабатываются новые эффективные антибиотики. Однако эта битва с бактериями и не проиграна ~– но не будет выиграна, вероятно, никогда.

Различные химиотерапевтические агенты не поражают вирусы. Вирусы размножаются внутри живых клеток и могут быть уничтожены химической атакой только при уничтожении самой клетки. Однако можно направить атаку против многоклеточного существа – носителя вируса.

Например, вирус тифа переносит человеческая вошь, избавиться от которой тяжелее, чем от москита. Поэтому в Первую мировую войну тиф унес больше жизней, чем артиллерия с обеих сторон.

В 1935 г. швейцарский химик Пауль Мюллер (1899 – 1965) начал осуществлять исследование по обнаружению органического вещества, убивавшего насекомых и не вредящего теплокровным организмам. В сентябре 1939 г. он обнаружил вещество дихлордифенилтрихлорэтан (ДДТ).

В 1942 г. приступили к коммерческому производству ДДТ. Препарат применялся против тифозной вши во время войны, и впервые в истории человечества была остановлена зимняя эпидемия тифа. Это произошло в Японии в 1945 г., после применения в войсках ДДТ.

После войны ДДТ использовали против насекомых не только с целью предотвращения эпидемий, но и для спасения урожая. Позже на смену ему пришли менее токсичные и более эффективные препараты. Были также изобретены так называемые пестициды – химические средства борьбы с сорняками.

Но насекомые развивают природные штаммы, устойчивые против химикатов. Есть также доказательства того, что применение их нарушает экологический баланс. Это серьезная проблема. Изучение взаимосвязей в природе (наука экология) еще только на заре развития. Человечество изменяет природу в угоду своим сиюминутным интересам, но никогда нельзя быть уверенным, что эти изменения не обернутся ущербом для самого человечества.

Метаболизм клетки

Эффект от влияния химиотерапевтических агентов сводится к нарушению естественного метаболизма клетки. Поиск таких агентов рационализируется, если изучены все детали метаболизма.

Английский биохимик Артур Хэрден (1865 – 1940) был первооткрывателем процессов метаболизма. Он изучал энзимы дрожжевой вытяжки и в 1905 г. отметил, что эта иытяжка разлагала сахар и быстро вырабатывала двуокись углерода – однако со временем скорость процесса замедлялась. Ученый предположил, что содержание энзимов падает, однако опыт показал, что это не так. При добавлении простого неорганического вещества – фосфата натрия – энзимы начинали свою работу вновь.

По мере работы энзимов содержание фосфата натрия падало. Хэрден выяснял, не образуется ли при этом какой-либо органический фосфат. Он обнаружил фосфат в виде молекулы сахара, к которой присоединились две фосфатгруппы. Это положило начало химии промежуточных продуктов метаболизма,

Немецкий биохимик Отто Фритц Мейергоф (1884 – 1951) показал, что при мускульном сокращении исчезает гликоген (крахмал), а в соответствующих количествах появляется молочная кислота. Энергия реакции появлялалась без участия кислорода. Когда же мышца отдыхала, некоторое количество молочной кислоты окислялось. Энергия, развивающаяся таким образом, позволяла большой части молочной кислоты реконвертироваться в гликоген.

Английский физиолог Арчибалд Вивиен Хилл (1886—1977) пришел к тому же заключению путем измерения количества тела, выделяемого сокращающейся мышцей.

Детали превращения гликогена в молочную кислоту были разработаны в 1930-х годах американскими биохимиками Карлом Фердинандом Кори (1896 – 1984) и Герти Терезой Kopи (1896– 1957). Ученые выделили из мышечной ткани неизвестный компонент и показали, что это – первый продукт распада гликогена в мышцах. Они профильтровали каждый компонент на каждом этапе. Один из промежуточных продуктов был фосфат сахара, обнаруженный Хэрденом гораздо ранее.

Этот факт оказался знаменателен: в XX в. было выяснено, что фосфатгруппа играет важную роль в биохимии. Американский биохимик Фриц Альберт Липман (1899 – 1986) показал, что фосфатгруппа встречается в молекулах в одном-двух типах размещения: низкоэнергетическом и высокоэнергетическом. Когда молекулы крахмала либо жира разлагаются, высвобождаемая энергия используется для конвертации низкоэнергетических фосфатов в высокоэнергетические. Таким образом, энергия запасается в организме в удобной химической форме. Разложение одного высокоэнергетического фосфата освобождает столько энергии, чтобы привнести различные энергопотребляющие химические изменения в организме.

Этапы в разложении гликогена, требующие присутствия кислорода, стало возможно изучить при помощи новой методики, разработанной немецким биохимиком Отто Генрихом Варбургом (1883-1970). В 1923 г. он изобрел метод изготовления тонких срезов тканей (живых, абсорбирующих кислород) и сумел измерить расход ими кислорода.

В малой колбе с тонкостенной U-образной трубкой он наливал на дно трубки окрашенный раствор. Углекислый газ, выработанный тканью, абсорбировался спиртовым раствором в колбе. Кислород не замещался углекислым газом, и поэтому в колбе образовывался частичный вакуум и окрашенная жидкость в трубке поднималась в колбу. По изменению уровня окрашенной жидкости, тщательно измеренному, можно было подсчитать расход кислорода.

Влияние различных компонентов по расходу ими кислорода оценивалось как участие в промежуточных продуктах метаболизма. Английский биохимик Ханс Адольф Кребс (1900—1981) известен своими работами в данной области. К 1940 г. Кребс разработал основные этапы разложения молочной кислоты до двуокиси углерода и воды, и последовательность реакций часто называют циклом Кребса. Кребс также установил этапы образования мочи из аминокислот.

Наравне с этими знаниями по метаболизму клетки накапливались знания о тонкой структуре клетки. Были разработаны новые методики исследований. В 1930-х годах был сконструирован первый электронный микроскоп. Он давал несравнимо большую разрешающую способность, чем самые мощные обычные микроскопы.

Американский ученый Владимир Зворыкин (1888 – 1982) приспособил электронный микроскоп к исследованиям цитологии. Можно было рассматривать частицы размером с большую молекулу; в протоплазме клетки был найден комплекс малых, но высокоорганизованных структур, названных органеллами.

В 1940-х годах были разработаны методики выделения органелл разного размера. Среди крупных – митохондрии. Типичная клетка печени содержит около тысячи митохондрий, каждая около пятитысячной миллиметра длиной. Их детально исследовал американский биохимик Дэвид Эзра Грин.

Он выяснил, что именно в них идут реакции цикла Кребса.

Итак, крошечные митохондрии и есть «электрические станции клетки».

Радиоактивные изотопы

Методы исследования метаболизма клетки облегчаются использованием атомов-изотопов. В первую треть XX в. физики выяснили, что большинство элементов состоит из нескольких изотопов.

Американский биохимик Рудольф Щенхаймер (1898—1941) первым осуществил крупномасштабные исследования в биохимии. К 1935 г. был выделен редкий изотоп водорода – дейтерий. Он вдвое тяжелее обычного водорода и используется для синтеза молекул жира. Будучи внедрен в ткани лабораторных животных, он дает освещение метаболизму клетки.

К тому времени считалось, что запасы жира в организме в целом неизменны, но было известно, что они мобилизуются в периоды голода. Однако Щенхаймер обнаружил, что к концу четвертого дня– ткани подопытных крыс, которым скармливали насыщенный дейтерием корм, содержали лишь его половину. Другими словами, потребленный жир запасался, а запасенный расходовался. Итак, составляющие тела претерпевают постоянное изменение.

Щенхаймер перешел к опытам с азотом-15. Им метили аминокислоты. Молекулы аминокислот в организме крыс, как выяснилось, постоянно проходили взаимообмен.

Радиоактивные изотопы позволили американскому биохимику Мелвину Калвину детально разработать последовательность реакций фотосинтеза, при котором зеленые растения превращают солнечный свет в химическую энергию и снабжают животный мир пищей и кислородом.