Материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления пользователям Интернета и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав.
© 2018 - 2024
Теория, необходимость которой давно назрела, родилась у Пастера, чей интерес к микробиологии пришел от проблемы ферментации.
В 1865 г. шелковая индустрия на юге Франции понесла большие потери: некая болезнь убивала шелковичного червя. И вновь пригласили Пастера. При помощи микроскопа он обнаружил, что на черве живет крошечный паразит, заражавший непосредственно листья шелковицы, которыми питались черви. Решение Пастера было, хотя ужасающим для шелководов, но рациональным: уничтожить больные колонии червя. Шелковичная индустрия была спасена.
Пастер предположил, что если одна инфекционная болезнь может быть вызвана микроорганизмами, то это, вполне вероятно, относится и к другим. Заболевание может распространяться через кашель, насморк, поцелуи, испражнения; могут быть заражены вода и пища. В каждом случае микроорганизмы, вызывающие заболевание, переходят от больного организма к здоровому. И сам врач, контактируя с больными, может быть первым разносчиком заболевания.
Последнее заключение сделал венгерский врач Игнас Филипп Цемельвейс (1818 — 1865). Не зная об открытиях Пастера, он отметил, что заболеваемость и смертность среди рожениц в больницах Вены была гораздо выше, чем среди женщин, рожавших дома при помощи неграмотных, как правило, повивальных бабок. Значит, разносчиками заболевания являлись сами врачи. Он настоял на том, чтобы врачи, приближаясь к роженице, дезинфицировали руки. Смертность упала, однако оскорбленные врачи-акушеры «выжили» его из сферы своей деятельности, и смертность рожениц вновь поднялась. Цемельвейс умер побежденным и не увидел торжества своей правоты (примерно в это же время в США врач и поэт Оливер Уэнделл Холмс (1809 — 1894) вел такую же кампанию против грязных рук врачей — и тоже вызвал целый поток оскорблений и выпадов против себя).
Однако наука шла вперед, и условия работы врачей и ученых постепенно менялись. Консервативно настроенные постепенно также сменили позиции. Во время русско-французской войны Пастеру удалось убедить военных врачей в необходимости кипячения инструментов и стерилизации бинтов.
Тем временем в Англии хирург Джозеф Листер (1827-1912) начал реформы в своей области. Он первым ввел анестезию. По его методике пациент дышал смесью воздуха и эфира. Это вызывало столь глубокий сон, что боль не ощущалась. Теперь удаление зубов и выполнение операций, возможно, было без мук. Несколько личностей внесли в эти разработки свой вклад, пожертвовав деньги, но - Львиная доля кредитования пришлась на американского дантиста Уильяма Томаса Грина Нортона (1819—1868), который разработал методику удаления опухоли лицевого нерва в Массачусетском госпитале в октябре 1846 г. После этого анестезию ждал быстрый успех.
Но и тут врачей поджидало разочарование: несмотря на анестезию, а также успешные операции, пациенты могли впоследствии умереть от инфекции. Листер услышал о теории Пастера и пришел к выводу о необходимости стерилизации хирургического инструмента и места операции. Для стерилизации поначалу использовалась карболовая кислота (фенол). Листер ввел в хирургию понятие антисептика.
Постепенно вырабатывались другие, менее раздражающие и более эффективные химические агенты медицинского назначения. Хирурги стали надевать резиновые перчатки и маски на лицо. Наконец-то хирургия стала безопасной для человечества.
Даже если бы теория Пастера послужила только септической безопасности в медицине, она уже стала бы величайшим открытием человечества. Но она сделала для человечества много, много более.
Бактериология
Нельзя постоянно изолировать человека от болезнетворных организмов. Раньше или позже, но болезнь и организм, наконец, встретятся. И что тогда?
У человеческого тела есть свои способы противостояния микроорганизмам, и наш организм обладает особенностью спонтанно выздоравливать. В 1884 г. русско-французский биолог Илья Мечников (1845 — 1916) сообщил о факте и противобактериального противостояния. Он показал, как белые кровяные тельца, выходящие по мере необходимости из сосудов, окружали очаг инфекции. То, что удалось Мечникову наблюдать, выглядело как битва между бактериями и белыми кровяными тельцами, причем последние побеждали не всегда, но если побеждали — наступал благоприятный перелом в болезни.
Однако в случае многих заболеваний имеется и более утонченное антибактериальное оружие: это иммунитет. И ранее уже было известно, что выздоровление после некоторых болезней служит человеку защитой против других болезней — несмотря на то что в организме не видны никакие особенные изменения. Логическое объяснение этому может быть одно: организм сам вырабатывает некоторые молекулы (антитела), которые можно использовать для уничтожения болезнетворных микроорганизмов либо их нейтрализации. Это объясняет эффект вакцинации, когда организм вырабатывает антитела против коровьей оспы и использует их в борьбе против оспы человеческой.
Теперь эта победа могла быть утверждена не только через атаку против болезни, но против микроорганизмов, которые вызывали заболевания. Пастер доказал наличие иммунитета на примере вакцинации скота против сибирской язвы — смертельной болезни, уносившей ежегодно большое поголовье. Пастер выявил возбудителя сибирской язвы. Он достаточно долго нагревал штамм этой бактерии, чтобы убить ее способность заражать. Такие неопасные, уже «мертвые» вакцины просто самим фактом присутствия в организме побудят его вырабатывать антитела, которые могут быть использованы против активных и смертельно опасных бактерий.
В 1881 г. Пастер провел драматический эксперимент. Он инокулировал части поголовья овец «мертвую», неактивную сыворотку язвы, другую же часть поголовья оставил непривитой. Все овцы, которым была сделана вакцинация, выжили, невакцинированные — заболели и погибли.
Такие же результаты были получены Пастером относительно куриной холеры и страшного заболевания бешенства — болезни «бешеных собак».
Теория Пастера и его эксперименты вызвали интенсивный интерес к бактериологии. Немецкий ботаник Фердинанд Юлиус Кон (1828—1898) в юности интересовался микроскопированием растительных клеток. Он, в частности, показал, что протоплазмы растительной и животной клеток идентичны. В 1860-х годах он обратился к бактериям и в 1872 г. опубликовал трехтомные наблюдения над микроорганизмами, которые пытался классифицировать на роды и виды. По этой причине Кона можно считать основоположником науки бактериологии.
Самое важное открытие пришлось на долю немецкого врача Роберта Коха (1843—1910). В 1876 г. Кох выделил бактерию, вызывающую сибирскую язву, и сумел ее культивировать (как и Пастер во Франции). Кох обратил на свои работы внимание Кона, и тот щедро спонсировал его работы.
Кох выращивал бактерию на твердом геле наподобие желатина (для которого позднее стали использовать агар-агар — вещество, выделяемое из водорослей). Это дало эффект: в жидкости бактерии разных видов интенсивно смешиваются, поэтому затруднительно определить, какой именно вид дает заболевание.
Если распределить (размазать) культуру бактерий по твердой поверхности, изолированная культура будет многократно делиться, производя многочисленные новые клетки, которые уже образуют четкие колонии. Хотя культура может быть смесью многих видов бактерий, одна колония будет образовывать чистый штамм. Если именно эта разновидность бактерий в эксперименте даст заболевание, то уже не останется сомнений, что именно она ответственна за него.
Первоначально Кох поместил гель на гладкое стекло, однако его помощник Юлиус Ричард Петри (1852 — 1921) предложил плоскую, круглую в сечении чашку со стеклянной крышкой. С тех пор в бактериологии пользуются этими чашками Петри.
Работая с чистыми штаммами, Кох вывел ряд правил для выявления микроорганизмов, вызывающих конкретное заболевание. Он с помощниками выявил множество возбудителей, и наивысшей точкой в профессиональной деятельности Коха было выделение в 1882 г. возбудителя туберкулеза.
Насекомые
Бактерии — не единственные агенты инфекционных заболеваний, вот отчего открытие Пастера именуется еще теорией микроорганизмов.В 1880 г. французский врач Шарль Луи Альфонс Лаверан (1845 — 1922), работая в Алжире, выявил возбудителя малярии. Малярия — распространенное заболевание во всех тропических и субтропических странах, уносящее ежегодно больше жизней, чем любое другое. Открытие было особенно интересно тем, что возбудителем оказалась не бактерия, а простейшее — одноклеточный микроорганизм.
На самом деле заболевание может и не вызываться этим простейшим. В 1860-х годах немецкий зоолог Карл Георг Фридрих Рудольф Лескарт (1822 —1898), исследуя беспозвоночных, выявил целый ряд паразитов, живущих внутри других животных организмов. Это положило начало науке паразитологии. Он выяснил, что все беспозвоночные имеют своих паразитов. Также паразиты инфицируют и человека, а некоторые из них, такие как ленточные глисты, трематолы и прочие, вызывают серьезные заболевания.
Многоклеточные животные, даже не будучи прямыми агентами заболеваний, могут быть их носителями. Малярия была первым заболеванием, в котором стал рассматриваться этот аспект. Английский врач Роналд Росс (1857 — 1932) исследовал свои предположения, что москиты распространяют малярию от больного человека к здоровому. Он собрал москитов и после тщательных исследований в 1897 г. выявил малярийного паразита в организме комара — анофелес,
В цепи заболевания комар до сих нор представлял слабое звено, поэтому результат исследования был исключительно важен. Можно легко показать, что малярия не распространяется при прямом контакте (паразит Должен пройти через паразитическую жизненную стадию в теле москита, прежде чем проникнет в кровь человека). Так почему же не исключить носителя заболевания — москита? Почему не спать, например, под противомоскитной сеткой? Почему не осушать болота, в которых размножается комар? Там, где применялись такие методы, малярия была побеждена.
Еще одно смертельно опасное заболевание, которое в XVIII —XIX вв. периодически вызывало эпидемии на Восточном побережье США, — желтая лихорадка. Во время испано-американской войны на Кубе от этой болезни погибло солдат больше, чем от испанских ружей. В 1899 г., по окончании войны, американский военный хирург Уолтер Рид (1851 — 1902) был послан на Кубу, чтобы исследовать способы борьбы с заболеванием. Он также обнаружил, что желтая лихорадка не распространяется при прямом контакте, и, опираясь на работы Росса, заподозрил в качестве возбудителя москита — на сей раз иного вида. Врачи, работавшие с Ридом, также заболели желтой лихорадкой, поскольку сами подставляли себя под укус москитов. Один из молодых врачей, Джесс Уильям Лазар (1866— 1900), заболев, умер и тем самым доказал источник заболевания.
Другой американский хирург, Уильям Крауфорд Джоргас (1854—1920), использовал разные способы борьбы с москитами в Гаване, а затем в Панаме. США пытались построить там канал, хотя Франция отказалась от этой идеи, потерпев поражение. Трудности оказались слишком велики, но на самом деле именно высокая смертность строителей стала первопричиной отказа. Джоргас взял численность москитов под контроль, и в 1914 г. канал был, наконец, открыт.
Не только комары различных видов играли роль злодеев, В 1902 г. французский врач Шарль-Жап-Анри Николь (1866—1936) был назначен директором Пастеровского института в Тунисе. Он имел возможность изучать смертельно опасное заболевание — тиф.
Николь заметил, что вне госпитальных условий болезнь была очень контагиозна, а внутри госпиталя — крайне опасна. Пациентов госпиталя проводили через строжайшую дезинфекцию, поэтому Николь предположил, что инфекционный агент должен иметь какое-то отношение к одежде пациентов и может быть смыт с тела водой.
Подозрение пало на человеческую вошь. Экспериментируя на животных, Николь доказал, что болезнь передается через укус вшей.
Аналогично в 1906 г. американский патолог Хауард Тейлор Риккетс (1871 — 1910) доказал, что лихорадка Скалистых гор передается через укус овечьего клеща.
Пищевой фактор
Микробиологическая теория доминировала в сознании большинства врачей в последнюю треть XIX в., однако имелись и противники ее. Наиболее именитым был немецкий патолог Вирхов. Он предпочитал думать, что болезнь вызывает некий болезнетворный агент, находящийся внутри, а не вне организма, Вирхов был также человеком с значительной социальной активностью и принимал участие в Национальном институте юриспруденции и городском управлении Берлина. Он выдвинул несколько предложений об улучшении водоснабжения города и системы канализации. Вирхов может по праву считаться одним из основателей социальной гигиены (основ предотвращения заболеваний в социумах).
Подобные усовершенствования мешали массовому распространению болезней.
Мысль Гиппократа о важности личной гигиены и чистоты в целом вновь возобладала в обществе. Еще более удивительно, что вспомнилась и вторая идея Гиппократа: о необходимости, сбалансированной и разнообразной пищи для предотвращения заболеваний.
В период Великих географических открытий при длительных путешествиях не соблюдалось ни одно из этих правил, тем более что холодильники в ту пору были неизвестны человечеству. Века напролет свирепствовала цинга. Шотландский врач Джеймс Линд (1714 — 1794) отметил тот факт, что цинга возникает на фоне однообразной пищи и не только при морских путешествиях, но и в осажденных городах и тюрьмах.
В 1747 г. Линд экспериментально подтвердил, что соки цитрусовых культур благотворно влияли на состояние больных цингой, и те удивительно быстро выздоравливали. Капитан Джеймс Кук, великий английский первооткрыватель, поил своих моряков соком цитрусовых в морских путешествиях, в результате чего от цинги у него умер всего один моряк. В 1795 г., после неудачной войны с Францией, командование английского флота приняло решение о введении сока цитрусов в рацион моряков, и цинга покинула английские корабли.
В XIX в. основные открытия в питании касались значения протеина и факта, что некоторые протеины полные — в то время как другие, например желатин, неполные — и могут в одиночку поддерживать жизнь.
Однако объяснение этому пришло лишь с более подробным изучением молекулы протеинов. В 1820 г. сложную молекулу желатина удалось расщепить обработкой кислотой и изолировать простую молекулу так называемого глицина. Глицин относился к аминокислотам.
Поначалу предполагали, что глицин — блок, из которых состоит протеин, подобно тому, как простой сахар — глюкоза — строительный материал для сложной молекулы крахмала. Но в XIX в. эта теория уже стала неадекватной. Из разных протеинов удалось выделить другие простые молекулы. Все они были из класса аминокислот, однако разнились в деталях. Протеиновые молекулы оказались составленными из разных аминокислот.
К 1900 г. было уже известно около дюжины разных аминокислот.
Некоторые аминокислоты, оказывается, насущно необходимы для жизни.
Первым это показал английский биохимик Фредерик Гоуленд Хонкинс (1861 — 1947). В 1900 г. он открыл новую аминокислоту, триптофан, и разработал химический тест на ее присутствие. Зеин, протеин, содержащийся в кукурузе, был неполным протеином, поскольку в одиночку не мог поддерживать жизнь. Если к зеину добавить некоторое количество триптофана, жизнь подопытных худо-бедно поддерживалась.
Подобные эксперименты проводили и в первые десятилетия XX в., в результате выявили, какие аминокислоты воспроизводятся материнским организмом и тот факт, что некоторые из них синтезировать невозможно. Именно отсутствие одной или более жизненно важных аминокислот делало протеины неполными, приводило к заболеваниям и смертности.
Таким образом, в число медицинских понятий вошел фактор питания, однако вопрос аминокислот, сколь бы важным он ни был для диеты, не стал существенным для медицины.
Тайну, оказалось, разрешить легче, чем представлялось ранее. После выработки концепции существенных аминокислот были открыты другие вещества, необходимые лишь в следовых (малых) количествах.
Витамины
Голландский врач Христиан Эйкман (1858 — 1930) в 1886 г. был командирован на Яву для изучения болезни бери-бери (авитаминоза). Были причины предположить, что болезнь могла явиться результатом несбалансированной диеты. Японские моряки неимоверно страдали от этой странной болезни. В 1880-х годах, когда по приказу японского адмирала к рациону, составлявшему ранее рыбу и рис, были добавлены молоко и мясо, болезнь почти отступила.
Эйкман, будучи поклонником микробиологической теории, полагал, что возбудитель болезни — бактерия. Он привез с собой на Яву выводок цыплят и вознамерился выявить возбудителя в их организмах. Сделать это ему не удалось, но в 1896 г. подопытные цыплята начали погибать от заболевания, по симптомам очень похожего на бери-бери. Эйкман вновь не сумел выявить причин: болезнь исчезла.
Восстанавливая историю своих подопытных, Эйкман выяснил, что некоторое время их кормили только рисом из госпитальных запасов и именно в это время они заболели. Откормив оставшихся в живых коммерческим кормом, специально разработанным для цыплят, их спасли. Вскоре Эйкман убедился, что болезнь как возникает, так к излечивается при смене рациона.
Поначалу он не оценил по достоинству важность своих наблюдений. Он предполагал наличие в рисе какого-либо токсина. Его дело продолжили Хопкинс и биохимик-поляк Казимир Фанк. Каждый независимо друг от друга предположил, что не только бери-бери, но и такие болезни, как цинга, пеллагрй, рахит, бывают вызваны дефицитом каких-то веществ в следовых количествах в рационе.
Под впечатлением того, что почти все пищевые продукты принадлежат к классу веществ, известных под названием амины, Фанк в 1912 г. предложил назвать эти вещества витаминами («вита» — жизнь).
Витаминная гипотеза Хопкинса — Фанка появилась вовремя: уже в первой трети XX в. удалось победить некоторые заболевания, просто установив разумный рацион, или диету. Австрийско-американский врач Джозеф Голдбергер (1874 — 1929) показал в 1915 г., что эндемическая болезнь пеллагра, характерная для американского Юга, вовсе не бактериального происхождения. Она была преодолена добавлением молока в рацион больных.
Поначалу о витаминах не было известно ничего, помимо их способности преодолевать и излечивать болезни. Американский биохимик Элмер Верной Макколлам в 1913 г. предложил именовать витамины первыми буквами латинского алфавита. Теперь науке известны витамины А, В, С, D, Е, К. Впоследствии выяснилось, что витамин В способен корректировать несколько разных симптомов, поэтому выделили витамины В1, В2 и т. д.
Именно дефицит В1 вызывал болезнь бери-бери, а дефицит В6 — пеллагру. Дефицит витамина С ведет к цинге, а витамина D — к рахиту. Недостаток витамина А становится причиной ухудшения зрения и вызывает ночную слепоту. По мере накопления знаний о витаминах такие заболевания перестали быть серьезной проблемой человечества.
Глава 10 Нервная система
Гипнотизм
Другая разновидность заболеваний, которые не подпадают под теорию Пастера, — это заболевания нервной системы. Такие заболевания смущали и пугали человечество испокон веков. Гиппократ подходил к ним рационалистично, однако большинство подчинялось сверхъестественному объяснению. Несомненно, жестокость обращения с душевнобольными вплоть до XX в. объяснялась тем, что в них видели вселившегося дьявола.
Первая попытка иного подхода была сделана французским врачом Филиппом Пинелем (1745 — 1826). Он рассматривал невменяемость как душевную болезнь, а не как демоническую одержимость и опубликовал свои взгляды по поводу помешательства. В 1793 г., в разгар Французской революции, Пинель был поставлен во главе первого официального сумасшедшего дома. Там он ввел новые порядки: снял с пациентов цепи и впервые стал обращаться с ними как с больными, а не как с дикими животными.
Новые идеи распространялись медленно. Даже когда душевная болезнь не давала повода к принудительной госпитализации, она могла вызвать разнообразные неприятные и очень реальные физические симптомы (истерия или психосоматическая болезнь). Такие симптомы можно было устранить при помощи специального лечения. Особенно необходимо было убедить больного, что лечение ему поможет. В таких случаях полезен был экзорцизм, гипнотическое влияние, подобное воздействию проповедника или шамана.
Экзорцизм был привнесен в практику австрийским врачом Францем Антоном Месмером (1734 — 1815), который поначалу применял магниты. Затем он перешел к пассам руками, используя так называемый животный магнетизм. Несомненно, это помогало лечению.
Месмер обнаружил, что лечение происходит более быстро, если погрузить пациента в транс, фиксируя его внимание на некоем монотонном стимуле. Такая процедура освобождает воображение пациента от множества стимулов, поступающих от окружающей среды, и концентрирует его на терапевте. Иногда эта процедура именуется по имени врача месмеризмом.
Месмер в свое время имел большую популярность, особенно в Париже, куда он переехал в 1778 г. Однако со временем он перегрузил свою методику мистицизмом и к тому же начал лечить болезни, которые не были психосоматическими. Это поставило его практику на грань шарлатанства. На него стали жаловаться как пациенты, так и врачи-конкуренты. Была назначена комиссия по расследованию его деятельности, которая вынесла неблагоприятный приговор. Месмер вынужден был уехать из Парижа, и умер в безвестности.
Однако осталось все ценное от его метода. Полвека спустя шотландский хирург Джеймс Брэйд (1795 — 1860) начал систематическое изучение месмеризма — методики, которую он назвал гипнозом (от греческого слова, означающего «сон»). В 1842 г. он опубликовал совершенно реалистичный доклад, но своим изысканиям, и методика вошла в медицинскую практику. Так родилась новая медицинская специальность — психиатрия.
Эта специальность обрела настоящую популярность с трудами австрийского врача Зигмунда Фрейда (1856 — 1939). Во время учебы в медицинском колледже и позже Фрейд был вовлечен в ортодоксальное исследование нервной системы. Он первым изучил способность кокаина омертвлять нервные окончания. Карл Коллер (1857 — 1944), интерн госпиталя, в котором работал Фрейд, в 1884 г. успешно использовал эту методику для операции на глазах. Это было первое использование в медицине местной анестезии, при которой наступает временное омертвление определенной части тела.
В 1885 г. Фрейд уехал в Париж, где овладел гипнозом и заинтересовался изучением психосоматических болезней. Возвратившись в Вену, Фрейд вновь продолжил развивать свой метод. Он предположил, что мышление имеет как сознательный, так и подсознательный уровень. Болезненные воспоминания, а также желания, которых личность стыдится, могут, как он считал, уйти в подсознание, сублимироваться. Личность не осознает этого, однако этот запас подсознательных желаний и страхов проявляется в физических симптомах того или иного вида.
Под влиянием гипноза подсознательное начинает проявляться. В 1890-х годах Фрейд, однако, забросил гипноз и увлекся свободными ассоциациями, позволяя пациенту свободно излагать свои мысли, иногда совершенно бессвязные. В таких случаях пациент раскрепощается — и открываются тайные стороны его сознания. Преимущество этого метода перед гипнозом заключалось в том, что пациент все время, пока открывал то, чего никогда не сказал бы ранее, был в сознании и понимал, что делает.
В идеале после открытия содержания подсознания реакции пациента не должны были оставаться немотивированными, и он мог сменить их на осознанные мотивы. Именно это замедленное понимание содержимого сознания и было названо психоанализом.
По Фрейду, весьма существенны сны, поскольку, как ему казалось, они выдают содержание подсознания (хотя обычно — в символической форме) настолько полно, насколько это невозможно в сознании. Книга Фрейда «Интерпретация снов» была опубликована в 1900 г. Фрейд полагал также, что сексуальное влечение в своих различных аспектах — самый важный источник мотивации, даже у детей. Это утверждение восстановило против него как общественность, так и медицинские круги.
Начиная с 1902 г. вокруг Фрейда начали объединяться единомышленники, но это не означало, что у самого Фрейда не было с ними разногласий: он стоял на довольно бескомпромиссных позициях. Поэтому некоторые откололись от него и сформулировали собственные теории, например австрийский психиатр Альфред Адлер (1870—1937) и швейцарец Карл Густав Юнг (1875 — 1961).
Нервы И Мышление
Сложность человеческого сознания заключается в том, что доверие к психиатрии остается вопросом личного мнения. Различные школы придерживались собственного суждения. Если и следовало ожидать прогресса, то лишь с развитием науки о нервной системе (неврологии).
Неврология началась с работ швейцарского физиолога Альбрехта фон Халлера (1708 — 1777), который опубликовал восемь томов работ по физиологии человека в 1760-х годах. Перед тем было в целом принято, что нервные клетки пустотелые и выполняют мистическую роль «духовной жидкости», например, подобно венам, несущим кровь. Халлер, однако, реинтериретировал нервные движения на экспериментальной базе.
Например, он признавал, что мускулы раздражимы, то есть что легкие стимулы для мускулатуры производят острые сокращения. Он также показал, что самые малые раздражения производят в мускулатуре сильные сокращения. Нервы наиболее раздражимы, и Халлер сделал вывод, что именно нервная стимуляция, а не прямая мускульная стимуляция контролирует движения мускулатуры.
Халлер также показал, что ткани сами по себе не несут ощущений, только через нервные окончания. Именно через нервные волокна передаются импульсы. Более того, он определил, что нервы ведут к мозгу, головному либо спинному. Именно мозг — центр чувственного восприятия и мускульного движения. Он поставил эксперимент, стимулируя либо повреждая различные части мозга животных и отмечая последующий тип движения или паралича.
Работу Халлера продолжил немецкий врач Франц Йозеф Галль (1758—1828), который в 1796 г. начал читать курс лекций по теме. Он показал, что нервы ведут не просто к мозгу, но к своеобразной корке, серому веществу на поверхности мозга. А белое вещество под поверхностью мозга является связующим веществом.
Как и Халлер, Галль чувствовал, что определенные части мозга контролируют определенные части тела. Эту теорию развили до степени абсурда его последователи, которые считали, что наклонности, за которые отвечают те или иные области мозга, можно определить, но шишковатым наростам на черепе. Так возникла псевдонаука френология.
Абсурдность френологии затмила некоторые сильные стороны теории Галля: у мозга в самом деле имеются специализированные области. Эту идею подхватил французский хирург Поль Брока. В результате выяснилось, что у пациентов, страдающих потерей речи, повреждена специфическая область верхней части мозга — церебрум.
К 1870 г. два немецких невролога, Густав Теодор Фритц (1838 — 1891) и Эдуард Гитциг (1838 — 1907), пошли в своих исследованиях дальше. Они открыли черепную коробку у живой собаки и стимулировали разные области мозга электрической иглой. Обнаружилось, что стимуляция определенной области вызывает четко связанное с нею мускульное сокращение. Таким образом, можно было составить атлас тела по отвечающим за него областям мозга. Они также выяснили, что левое церебральное полушарие контролирует правую часть тела, а правое — левую.
Таким образом, не осталось сомнений, что мозг не просто контролирует тело, но это происходит строго специфическим образом и все душевные движения тоже связаны с физиологией мозга. Это делало мозг продолжением тела — и тем самым угрожало теории наивысшего, божественного потенциала человека.
Наконец к деятельности нервной системы была притянута клеточная теория. Биологи середины XIX в. определили нервные клетки в головном и спинном мозге, но природу нервных волокон выявить не смогли. Только немецкий анатом Вильгельм фон Валдеер (1836 — 1921) приоткрыл завесу тайны. В 1891 г. он декларировал, что нервные волокна представляют собой тонкие, вытянутые отростки нервных клеток и являются их частью. Так было установлено, что нервная система в целом представляет собой систему нейронов и их отростков. Далее Валдеер утверждал, что выросты различных клеток могут приблизиться Друг к другу, но не сливаются. Пустоты между нейронами он назвал синапсами.
Теория нейронов была поставлена на твердую основу в работах итальянского цитолога Камилло Гольджи (1844 — 1926), а также испанца Сантьяго Рамон-и-Кахаля (1852 — 1934). В 1873 г. Гольджи разработал клеточную метку из солей серебра. Пометив нейроны, он обнаружил некие тельца внутри клетки (их называют сейчас тела Гольджи), функции которых до сих пор неизвестны науке.
Гольджи применил свой метод к нервной ткани и выяснил, что он хорошо подходит для этой цели. Ему удалось разглядеть невидимые ранее детали, наблюдать тонкие процессы в нервных клетках в беспрецедентном масштабе и ясно убедиться в наличии синапсов. Тем не менее, узнав о нейронной теории Валдеера, он противостоял ей.
Рамон-и-Кахаль придерживался строго нейронной теории. Усовершенствовав методику серебряно-солевых меток, он продемонстрировал детали, которые обосновали нейронную теорию, и разработал клеточную версию структуры мозга, как головного, так и спинного, а также сетчатки глаза.
Поведение
С позиций нейронной теории можно подходить к проблеме поведения животных. Еще в 1730 г. Стивен Хейлз обнаружил, что обезглавленная лягушка дрыгает лапками, если раздражать ее кожу. Значит, тело механически отзывается на раздражители, без помощи головного мозга. Этот вывод положил начало изучению более или менее автоматических рефлекторных движений, при которых вслед за стимулом следует отклик, причем без волевого вмешательства.
Даже человек подчинен рефлекторным движениям. Удар, нанесенный ниже коленной чашечки, вызывает рефлекторное движение мышц. Если рука касается чего-либо горячего, человек ее моментально отдергивает, даже не успев сообразить, что произошло.
Английский физиолог Чарлз Скотт Шеррингтон (1861 — 1952) изучил рефлекторные движения и основал науку нейрофизиологию, подобно тому, как Гольджи основал нейроанатомию. Шеррингтон продемонстрировал рефлекторную арку, комплекс двух и более нейронов. Некое чувственное восприятие посылает нервный импульс вдоль одного из нейронов, а затем — вдоль синапса; затем, через возвратный нейрон, импульс посылается к другому месту, где стимулирует мускульное движение или, возможно, секрецию железы.
Все это позволило предположить, что один «проводниковый путь» синапса открывает другой; иными словами, одно рефлекторное движение может действовать как стимул для второго, которое производит новое ответное движение, оно становится стимулом для последующего и т. д. Таким образом, задействованной оказывается целая «батарея» рефлексов, которая формирует определенное поведение. Это поведение мы и называем инстинктом.
Относительно малый и простой организм, например насекомое, всецело подчинен инстинктам. Инстинкты наследуются и присутствуют с рождения. Так, паук инстинктивно умеет плести паутину, даже если он никогда не видел, как это делается, причем каждый вид пауков будет плести свой собственный вид паутины.
Млекопитающие (и в особенности, человек) бедны врожденными инстинктами, однако способны к обучению; на основе опыта они усваивают новые особенности поведения. Даже если систематическое изучение такого поведения в терминах нейронной теории затруднено, можно анализировать поведение эмпирически. В человеческой истории всегда изучалась и просчитывалась реакция других людей на определенные обстоятельства; эта способность делала изучавших и просчитывавших лидерами.
Применение количественных измерений к деятельности мозга началось с немецкого физиолога Эрнста Генриха Вебера (1795 — 1878). В 1830-х годах он обнаружил, что разница между двумя ощущениями одного и того же вида зависит от логарифма интенсивности ощущений.
Как и в вопросе освещенности помещения, когда мы освещаем комнату одной лишь свечой, вторая равная свеча ощущается так, как если бы мы подсветили помещение количеством света, равным X. Дальнейшее освещение этой степени достигается не просто дополнительными свечами, но все большими их партиями. Первая дополнительная свеча осветит помещение ярче в X раз, две другие свечи — также в X раз; затем для дополнительной яркости в X раз нужно четыре, затем восемь свечей и т. д. Это правило установил в I860 г. немецкий физик Густав Теодор Фехнер (1801 — 1887), и иногда его называют законом Вебера —Фехнера. Это положило начало науке психофизике.
Изучение поведения в целом (или наука психология) менее подчиняется математическому обсчету, однако его можно проделать экспериментально. Основателем этого подхода был немецкий физиолог Вильгельм Вундт (1832 — 1920), который в 1879 г. впервые основал психологическую лабораторию. Экспериментальная психология оценивает умственное развитие, ставя вопросы и предлагая интеллектуальные задачи. Французский психолог Альфред Бине (1857 —1911) опубликовал свой первый тест на интеллект в 1905 г.
Более фундаментальные исследования, которые более прямо связывают поведение с нервной системой, были выполнены русским психологом Иваном Павловым (1849 — 1936). Павлов начал с неврологического контроля секреции пищеварительных соков, затем перешел к изучению рефлексов.
На примере с собакой Павлов обосновал свой термин «условный рефлекс».
Школа психологов, исповедовавших так называемый бихевиоризм, утверждала, что весь процесс обучения — это развитие условных рефлексов и новых навыков, так сказать нервная сеть. Любой человек, видевший когда-либо стул, как только слышит это слово, сразу представляет данный предмет. Выдающимися деятелями этой школы были американские психологи Джон Бродес Уотсоп (1878—1958) и Беррес Фредерик Скиннер (1904-1990).
Бихевиоризм — крайне механистический взгляд на психологию поведения, эта точка зрения сводит на нет все фазы работы сознания и видит в поведении только физику. Но если к мышлению и подходить механистически, то следует применять более тонкие методы.
Нервный потенциал
Рассматривая нервную инфраструктуру, легко представить себе импульсы, путешествующие по разным путям, — однако из чего состоят эти импульсы в точности? Давнюю доктрину духовной субстанции, идущей по нервным путям, наголову разбили Халлер и Галль, однако после работ итальянского анатома Луиджи Гальвани (1737-1798) она возродилась вновь, хотя и в совершенно новой форме. В 1791 г. Гальвани обнаружил, что мускулы анатомированной лягушки производили механическую работу под электротоком. Он сообщил, что открыл животное электричество, производимое мускулатурой.
Это предположение в своей оригинальной форме было некорректным, однако в форме модифицированной стало верным. Немецкий физиолог Эмиль Дюбуа-Реймон (1818—1896) еще в студенчестве написал работу об электрических рыбах; это возбудило в нем длительный интерес к электрическим явлениям в тканях. С 1840 г. он изобретал все новые методики, при помощи которых мог бы наблюдать небольшие электротоки в нервах и мускулатуре. Ученый показал, что нервные импульсы сопровождаются изменением электрического состояния нервной системы. Нервные импульсы несут электричество, но своей природе; это электричество столь же неуловимо и «эфирно», сколь была, по представлениям ее сторонников, духовная субстанция.
Электрические изменения продвигаются не только по нервам, но и по мускулам. В случае с ритмическими сокращениями мускулов электрические изменения также ритмичны — как в случае сердечных сокращений. В 1903 г. голландский физиолог Вильгельм Айнтховен (1860 — 1927) изобрел очень чувствительный проволочный гальванометр, способный определять слабые токи. Он использовал его для записи ритмично меняющихся электрических потенциалов сердца посредством электродов, наложенных на кожу. К 1906 г. он скоррелировал электрокардиограммы (ЭКГ) с разными типами нарушений деятельности сердца.
В 1929 г. подобный тест был проведен немецким психиатром Хансом Бергером (1873 — 1941), который прикрепил электроды к черепной коробке испытуемого. Они отразили ритмично меняющиеся потенциалы, отражающие мозговую активность. Электроэнцефалограммы (ЭЭГ) крайне сложны; их трудно интерпретировать. Однако имеются легко интерпретируемые изменения в случае серьезных нарушений мозговой активности, например при наличии опухолей. По изменениям ЭЭГ можно диагностировать эпилепсию.
Конечно, электрические потенциалы не могут дать ответы на все медицинские вопросы. Электрический импульс, путешествующий вдоль нерва, не способен сам по себе пересечь синоптический провал между двумя нейронами. Значит, совершить этот прыжок и инициировать электрический импульс в следующем нейроне должно нечто другое. Немецкий физиолог Отто Леви (1873-1961) в 1921 г. продемонстрировал, что нервный импульс сочетает в себе как химические изменения, так и электрические. Химическая субстанция, высвобождаемая простимулированным нервом, и совершает этот прыжок, пересекая синапс. Английский физиолог Генри Халлет Дейл (1875—1968) определил химический состав этого вещества, назвав его ацетилхолином.
Были открыты и другие химические вещества, связанные с нервной деятельностью. Некоторые из них производят симптомы психических нарушений. Пока нейрохимия находится в своей «младенческой» стадии развития, однако есть большие надежды, что со временем станет представлять собой мощный инструмент для изучения человеческого сознания.
Глава 11 Кровь
Гормоны
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.
Серология
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.
Группы крови
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.
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.
Глава 13
Молекулярная биология. протеин
Энзимы и коэнзимЫ
XX в. открывал все новые и новые детали метаболизма клетки. Каждая метаболическая реакция, как выяснилось, катализируется каким-то определенным энзимом. Для того чтобы понять природу метаболизма, нужно исследовать данный энзим. Хэрден в своих исследованиях клеточного метаболизма также приоткрыл завесу тайны над энзимами.
Он и еще несколько ученых пришли к заключению, что энзим — очень большая молекула, включающая еще и маленькую молекулу, способную открепиться от большой и пройти через молекулярную мембрану. Эта малая, свободно связанная с большой, молекула была названа коэнзим.
Структуру коэнзима исследовал в 1920-х годах немецкий химик Ганс Карл фон Элер-Челпин. По мере выяснения молекулярной структуры витаминов стало совершенно очевидным, что многие коэнзимы содержат витаминоподобные структуры.
Было установлено, что витамины представляют собой те части коэнзимов, которые организм сам не вырабатывает и поэтому должен потреблять с пищей. Без витаминов коэнзимы не формируются; без коэнзимов, в свою очередь, энзимы бывают неэффективны, и метаболизм расстраивается. В результате возникают авитаминоз и болезнь дефицита витаминов.
Поскольку энзимы представляют собой катализаторы, необходимые организму лишь в небольших количествах, коэнзимы (и витамины) также нужны в небольших количествах. Вот почему следовые количества витаминов бывают насущно необходимы. Легко было установить, что организму необходимы следовые количества таких элементов, как медь, кобальт, молибден, цинк.
Но что же сам энзим? Ранее, при недостатке методического инструментария, ученым была видна только его работа.
Немецкий ученый Леонор Михаэлис (1875—1949) приложил к изучению энзимов правила химической кинетики и в 1913 г. вывел уравнение, описывающее изменение количества продуктов каталитической реакции в разных условиях, подтвердив, что энзимы подчиняются физико-химическим законам, которым подчинены и другие молекулы.
Но какова молекула энзима? Была известна хрупкость молекулы протеина, а энзимы теряют свою активность уже при осторожном нагревании. Был сделан вывод, что энзим — это протеин.
Доказать обратное взялся авторитетный немецкий химик Ричард Вилстеер (1872 — 1942), и его мнение убедило многих.
В 1926 г. вновь поднялся вопрос о протеиновой природе энзимов. Американский биохимик Джеймс Батчелор Самнер экстрагировал энзимы из бобов и назвал энзим уреазой: он катализировал разложение мочи на аммиак и двуокись углерода.
Выполняя экстракцию, Самнер получил на одном из этапов крошечные кристаллы. Он растворил их и получил раствор с концентрированной уреазной активностью. Эти кристаллы были энзимом и удовлетворяли всем тестам на протеин. Уреаза оказалась первым энзимом, доступным в кристаллической форме.
Американский биохимик Джон Хауарт Нортроп (1891 — 1987) в 1930 г. выделил из желудочного сока кристаллический пепсин, протеинрасщепляющий энзим; в 1932 г. он кристаллизовал трипсин, а в 1935 г. — химотрипсин. Оба энзима — протеинрасщепляющие, из поджелудочной железы. Все энзимы доказали свою протеиновую природу.
Дата: 2018-11-18, просмотров: 229.