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.



Электрофорез и рентгеновская дифракция



Развитие новых химических и физических инструментов биологических исследований в первой половине XX в. сделало возможным выявление тонких деталей больших протеиновых молекул, которые являются сущностью жизни.

По сути, возникла новая наука на грани физики, химии и биологии, которая исследовала механизм функционирования органических молекул.

Эта наука — молекулярная биология — стала особо важной после Второй мировой войны.

В 1923 г. шведский химик Теодор Сведберг (1884 — 1971) представил новый метод определения размера протеиновых молекул. Этот метод назывался ультрацентрифугированием. Термическое движение молекул воды поддерживает молекулы протеина в суспензии: на них не действует сила гравитации; однако при центростремительных силах, создаваемых в центрифуге, молекулы протеина оседают. По скорости оседания можно определить молекулярный вес протеина.

Протеин средней массы, например, гемоглобин, имеет молекулярную массу 67 000. Другие протеиновые молекулы еще тяжелее.

Размеры и сложность протеиновых молекул определяют их электрический заряд. Каждый протеин имеет свой положительный или отрицательный заряд, который меняется в зависимости от изменения кислотности среды.

Если протеиновый раствор поместить в электрическое поле, индивидуальные молекулы протеина движутся либо к положительному, либо к отрицательному электроду с определенной скоростью, заданной силой тока, размерами и формой молекулы и т. д. Скорость у каждого протеина строго своя.

В 1937 г. шведский биохимик Арне Вильгельм Каурин Тиселиус (1902 — 1971) изобрел метод электрофоретического и хроматографического анализа. Поскольку каждый компонент раствора движется строго со своей скоростью, их можно разделить. Более того, определенные цилиндрические линзы позволяют видеть изменения дифрагируемого света при прохождении его через раствор. Изменения в рефракции раствора можно сфотографировать. По интенсивности волны света можно подсчитать количество протеина каждого вида в данной смеси.

Были подвергнуты электрофорезу и сфотографированы протеины плазмы крови. Их разделили на фракции, включая альбумин, три группы глобулинов. Оказалось, что фракция гаммаглобулина содержит антитела.

Ультрацентрифугирование и электрофорез зависят от свойств протеиновой молекулы. Но наиболее эффективен способ рентгеновской дифракции. Когда рентгеновский луч проходит через вещество, создается определенное распределение частиц. Х-луч фиксируется на фотопленке, и по рассеянию луча можно идентифицировать протеин.

В 1951 г. американский химик Лайнус Полинг (1901—-1994) показал, что цепь аминокислот в белке имеет форму спирали.

По виду рентгеновской дифракции можно делать математические просчеты. В помощь биохимикам как раз в эти годы были разработаны компьютеры. Первой была обсчитана молекула не протеина, но витамина.

С использованием рентгеновской дифракции и компьютерной обработки впервые в 1960 г. английские ученые Макс Фердинанд Перутц и Джон Коудери Кендрю показали миру трехмерную молекулу миоглобина со всеми наличествующими аминокислотами в ее составе.

Хроматография

Использование физических методов исследования, например дифракции рентгеновских лучей, очень помогает в работе химикам, если предварительно исследована химическая природа составляющих молекулы и получена ее цельная картина. В таком случае физический метод будет направлен на практическое измерение и уточнение.

В случае с протеинами химический прогресс был неспешен. В XIX в. было лишь показано, что молекула протеина состоит из аминокислот. В начале XX в. немецкий химик Эмиль Херманн Фишер (1852 — 1919) определил, как именно аминокислоты соединены между собой в молекуле протеина. В 1907 г. он собрал вместе 15 молекул аминокислот и 3 других в весьма простую молекулу протеиновой субстанции из 18 звеньев.

Но какова структура гораздо более сложных молекул, встречающихся в природе? Какова точная численность каждого типа аминокислот в- данной протеиновой молекуле? Прямого ответа на этот вопрос не последовало, поскольку для него предстояло разбить молекулу протеина на смесь индивидуальных аминокислот и определить относительные количества каждого компонента методами химического анализа.

Для времени, в котором жил Фишер, это было невыполнимо. Некоторые из аминокислот достаточно схожи по структуре между собой, а методы не были столь тонкими, чтобы определить их избирательно.

Ответ на проблему пришел с методикой, впервые увидевшей свет в 1906 г. и основанной на трудах русского ботаника Михаила Цвета (1872 — 1919). Он работал с растительными пигментами и нашел способ отделять один от другого нехимически. Ему пришло в голову дать смеси стекать по трубке, опудренной окисью алюминия. Разные субстанции в смеси пигментов прилипали к частицам порошка с различной силой. По мере промывания смеси свежим растворителем компоненты разделялись, осаждаясь; те, которые притягивались с меньшей силой, промылись вниз первыми; в конце концов смесь была разделена на компоненты, каждый со своим оттенком. Ответ был как бы «написан цветом», поэтому автор назвал методику греческим термином «хроматография» (буквально: «написано цветом»),

Работа Цвета в то время не вызвала интереса, но в 1920-х годах Вилштеер сделал методику популярной. Хроматография стала широко использоваться для разделения смесей.

Необходимая модификация к методике Цвета пришла в 1944 г. и совершила буквально революцию в биохимии. Английские биохимики Арчер Джон Портер Мартин (род. 1910) и Ричард Лоуренс Миллингтон Синг (1914—1994) разработали методику хроматографии на простой фильтровальной бумаге.

Капля смеси аминокислот стекала до конца бумажной полоски, а затем по полоске способом капилляров поднимался специальный растворитель. По мере того как растворитель смачивал высохшие следы смеси, аминокислоты по очереди «поднимались» по бумажной полоске, каждая со своей скоростью. Их положение на полоске определялось наиболее подходящим химическим или физическим методом. Количественный анализ содержания аминокислот можно было провести без особого труда.

Бумажная хроматография завоевала немедленную популярность. Без дорогостоящего оборудования, просто и быстро она позволяла точно разделять сложнейшие смеси. Методика стала приложимой к любой ветви биохимии: в частности, к фотосинтезу по Калвину.

В особенности хроматография позволила определять точные количества аминокислот в молекуле данного протеина, будто то была простая молекула обычного вещества.



Пространственная структура протеина

Но этого было недостаточно. Химиков интересовало не просто число аминокислот в молекуле протеина, но их последовательность. Число вероятных последовательностей — астрономическое; а, например, в средней по сложности молекуле гемоглобина число разных аминокислот — 500. Число вероятностей положения здесь выражается шестизначной цифрой.

Но и тут пришла на помощь бумажная хроматография. Работая с инсулином, состоящим из 50 аминокислот, английский биохимик Фредерик Сенгер (род. 1918) восемь лет разрабатывал специфичный метод. Он разбил молекулу инсулина, оставив нетронутыми короткие цепочки аминокислот. Их он разделил хроматографически и идентифицировал как их состав, так и порядок соединения. Медленно, но верно Сенгер соединял короткие цепи в более длинные. К 1953 г. был установлен точный порядок аминокислот в молекуле инсулина.

Ценность методики продемонстрировал американский биохимик Винсент дю Виньо (род. 1901). Он применил методику к простой молекуле окситоцина, гормону с восемью аминокислотами в составе. Это было проделано в 1954 г., и полученный синтетический окситоцин по свойствам в точности повторял натуральный.

В 1960 г. была разработана молекула рибонуклеазы с точной последовательностью аминокислот в этом энзиме. На этот раз молекула состояла из 124 аминокислот. Более того, фрагменты молекулы рибонуклеазы могли быть синтезированы отдельно и показали энзиматическую активность. К 1963 г. было обнаружено, что аминокислоты под номерами 12 и 13 (гистидин и метионин) были существенны для энзиматической активности. Это был шаг навстречу точному анализу функций компонентов сложных молекул.

Так была «приручена» молекула протеина.















Глава 14

 Молекулярная биология. нуклеиновые кислоты

Вирусы и гены



Как только молекулы протеина вошли под контроль науки, неожиданно обнаружилось, что на роль первородных кирпичиков жизни претендуют совсем иные, нежели предполагали ученые, структуры. Эти структуры вышли на авансцену при исследовании вопроса фильтрующихся вирусов.

Природа вирусов оставалась загадкой для многих поколений. Известно, что они вызывают заболевания, поэтому были разработаны методы противостояния вирусам; однако сам факт, а не его эффекты оставался неизвестным. Как только были разработаны достаточно тонкие фильтры для удержания вирусов, удалось оценить частицы вирусов: чем бы они ни были, даже принимая во внимание тот факт, что они мельче, чем самые мелкие из известных в природе клеток, они все равно больше, чем самые крупные из молекул протеинов. Итак, было решено, что вирусы — это структуры, промежуточные между клетками и молекулами.

Электронный микроскоп открыл их для нас как объекты, которые можно рассмотреть и оценить. Они бывают самых разных размеров: от крошечных точек не более чем большая молекула протеина до структур с регулярными геометрическими формами и очевидной внутренней организацией. Бактериофаги занимают нишу среди самых крупных вирусов. Микроорганизмы, именуемые рикеттсиями (по имени исследователя Рикеттса), крупнее вирусов размером и все же меньше самых малых бактерий.

В свое время стоял вопрос о том, являются ли эти организмы, заполняющие нишу между самыми мелкими из клеточных структур и самыми крупными из молекулярных, живой частью природы или неживой. В 1935 г. была выдвинута потрясающая гипотеза. Американскому биохимику Уэнделлу Мередиту Стенли при работе с экстрактом вируса табачной мозаики удалось получить крошечные игольчатые кристаллы. Они, будучи изолированными, обладали всеми инфекционными свойствами вируса, только в более высокой концентрации. Другими словами, был получен вирусный кристалл — либо кристаллический вирус, — что одинаково трудно было принять.

Вирус, гораздо более мелкий, чем клетки, не обладал способностью к независимой жизни. Однако вирус может проникать внутрь клетки и воспроизводить самого себя как живое существо.

Не существует ли в самой клетке некоего субклеточного компонента, который составил бы сущность жизни? Быть может, вирус гораздо более мелок, чем клетка, ввиду того, что когда-то он составлял часть клетки?

Если так оно и есть, то, какие субклеточные компоненты должны быть локализованы в нормальных клетках? На эту роль претендуют хромосомы. В первые годы XX в. стало очевидным, что хромосомы несут факторы, отвечающие за физические характеристики. Однако хромосомы гораздо больше по размерам, нежели вирусы.

Хромосом численно меньше, чем наследуемых характеристик; таким образом, следует сделать заключение, что каждая хромосома составлена из неделимых блоков, которых очень много. Их может быть тысячи — и каждый из них контролирует какую-то характеристику. Эти индивидуальные блоки в 1909 г. датский ботаник Вильгельм Людвиг Иогансен назвал генами — от греческого слова, означающего «дающий жизнь кому-то».

В первых десятилетиях XX в. индивидуальный ген, как индивидуальный вирус, не мог быть увиден и зафиксирован; однако уже тогда ученые работали с ним. Фундаментальные исследования принадлежат американскому генетику Томасу Ханту Моргану (1866 — 1945), который в 1907 г. предложил новый биологический инструмент — а именно крошечную плодовую мушку дрозофилу. Это малое насекомое поддается разведению в больших количествах практически без всяких затрат. В ее клетках находится по четыре пары хромосом.

Прослеживая за генерациями плодовой мушки, Морган открыл бесчисленное множество мутаций, которые ведут к столь же поразительному разнообразию в животном мире, к какому приводило открытие де Ри в мире растений.

Моргану удалось также доказать, что многие характеристики взаимосвязаны, то есть наследуются совместно. Это означало, что гены, отвечающие за эти характеристики, обнаруживаются на одной и той же хромосоме и эта хромосома наследуется как единый блок. Однако характеристики не связаны друг с другом вечно. Одна наследуется без другой. Определенные пары хромосом случайно перекрещивались в ином месте; таким образом, целостность их оказывалась нарушенной.

Подобные эксперименты давали возможность пометить место на хромосоме, где должен был локализоваться определенный ген. Чем больше длина хромосомы, разделяющей два гена, тем больше вероятность того, что при случайном перекрещивании эти гены разделятся. К 1911 г. были разработаны первые хромосомные схемы для дрозофилы.

Один из учеников Моргана, американский генетик Герман Джозеф Мюллер, выработал метод увеличения частоты мутаций. В 1919 г. он обнаружил, что частота мутаций повышается с повышением температуры. Более того, это не было результатом общего перемешивания генов. Всегда обнаруживалось, что один из генов задействован, в то время как его дубликат на другой хромосоме данной пары не затронут. Мюллер склонялся к мнению, что в этом играют роль изменения на молекулярном уровне. Поэтому он решил использовать рентгеновские лучи. Они более энергетичны, чем мягкое нагревание, а также действуют более локализованно. К 1926 г. Мюллер уже мог ясно доказать, что рентгеновские лучи многократно увеличивают мутации. Американский ботаник Альберт Франсис Блейксли в 1937 г. показал, что степень мутаций возрастает под действием специфических химических агентов (мутагенов). Лучшим примером такого мутагена явился колхицин — алкалоид, получаемый из крокуса осеннего (безвременника).

Таким образом, к середине 1930-х годов и вирусы, и гены уже не являлись тайной. И те и другие являли собой молекулы одного и того же размера и приблизительно одного и того же химического состава. Может быть, гены — это «прирученные» вирусы клетки? Может быть, вирус — это «одичавший» ген?



Значение ДНК



Как только были выделены кристаллические вирусы, появилась возможность анализировать их химически. Конечно, они являют собой протеин, однако особую разновидность протеина. Разработка методов меченых атомов сделала возможным исследование химической природы индивидуальных субклеточных структур. Выяснилось, что хромосомы, а, следовательно, и гены, представляют собой нуклеопротеин.

Молекула нуклеопротеина состоит из протеина, связанного с несущим фосфорную составляющую веществом, известным как нуклеиновая кислота. Нуклеиновые кислоты были открыты в 1869 г, швейцарским биохимиком Фридрихом Майшером (1844 — 1895). Впервые эти кислоты были обнаружены в ядре клетки. Позже, когда их обнаружили и вовне ядра, было поздно переименовывать — и они сохранили свое название.

Нуклеиновые кислоты были впервые в деталях исследованы германским биохимиком Альбрехтом Кесселем (1853 — 1927), который в 1880-х годах и позже выделил из нуклеиновых кислот составляющие их блоки. Блоки включали в себя фосфорную кислоту и сахара, которые Кесселю не удалось идентифицировать. Два идентифицированных вещества с молекулами, состоящими из двойных спиралей атомов, Кессель назвал аденином и гуанином (иногда они просто именуются А и Г). Еще их называют пуринами. Кессель также открыл три разновидности пиримидинов (с одиночным кольцом атомов, включая два атома азота), которые называются цитозин, тимин, урацил.

Русский ученый, работавший в Америке, Фабус Арон Теодор Левин (1869 — 1940) продолжил разработки в 1920—1930-х годах. Он показал, что в молекуле нуклеиновой кислоты молекула фосфорной кислоты, молекула сахара и один из пуринов или пиримидинов формируют трехчленный блок, названный им нуклеотидом. Молекула нуклеиновой кислоты состоит из цепочек этих нуклеотидов, как протеины состоят из цепочек аминокислот. Нуклеотидная цепочка составлена из фосфорной кислоты одного из нуклеотидов, присоединенной к сахарной группе другого нуклеотида. Таким образом, строится «сахарофосфатный позвоночник», от которого отходят индивидуальные группы пуринов и пиримидинов.

Далее Левин показал, что молекулы Сахаров, находящиеся в нуклеиновых кислотах, бывают двух типов: рибоза (содержащие только пять атомов углерода вместо шести, как у общеизвестных Сахаров) и деоксирибоза (как рибоза, только в молекуле на один атом меньше кислорода). Каждая молекула нуклеиновой кислоты содержит только один тип Сахаров — но не оба вместе. Таким образом, различаются два типа нуклеиновых кислот: рибоксинуклеиновая кислота (РНК) и деоксирибонуклеиновая кислота (ДНК). Каждая содержит пурины и пиримидины только четырех разновидностей. У ДНК в составе нет урацила и имеется А (аденин), Г (гуанин), С (цитозин) и Т (тимин). У РНК в составе нет тимина, но есть А, Г, У.

Шотландский химик Александер Робертус Тодд (190-7 — 1997) подтвердил сделанные Левиным выводы в 1940-х годах синтезом различных нуклеотидов.

Поначалу биохимики не придали должного значения нуклеиновым кислотам. В каждом отдельном случае открытия ассоциаций протеина с непротеиновыми составляющими протеин считался основной частью молекулы, а непротеиновая составляющая — подчиненной. Нуклеопротеины находили в хромосомах и вирусах, однако считалось само собой разумеющимся, что нуклеино-кислотная часть является подчиненной, а протеин — самостоятельная составляющая,

В 1890-х годах Кессель сделал несколько немаловажных выводов. Клетки спермы почти полностью состоят из плотно упакованных хромосом и несут химическую субстанцию, включающую полный набор «инструкций», по которым родительские характеристики передаются следующему поколению. Однако он обнаружил, что клетки спермы содержат очень простые протеины, гораздо более простые, чем те, что находятся в тканях, в то время как содержимое нулеиновых кислот кажется аналогичным содержимому тканей. Ввиду этого более вероятно, что инструкции по наследованию заключены в неизмененных молекулах нуклеиновых кислот спермы, нежели в упрощенных протеинах, содержащихся в ней. Нуклеиновые молекулы гораздо мельче (состоят всего из четырех нуклеотидов), поэтому им гораздо проще нести генетические инструкции.

Поворотный момент наступил в 1944 г., когда группа ученых под руководством американского бактериолога Освальда Теодора Звери (1877 — 1955) вела исследования со штаммами пневмококков (бактерий, вызывающих пневмонию). Некоторые из штаммов были «гладкими» (вокруг клетки у них наличествовала капсула) — с индексом S, некоторые — «шероховатыми» (без капсулы), им присваивался индекс R.

Далее эксперимент пошел по следующему пути: к штамму без капсул прибавляли экстракт штамма S. Бескаисульные бактерии (R), которые, предположительно, не могли сами ранее вырабатывать капсулу, начинали самостоятельно выполнять эту задачу. Самый ошеломляющий вывод последовал при анализе ориентирующей на изменение физических свойств вытяжки (S): она содержала только нуклеиновые кислоты. Протеин не присутствовал в ней вообще.

В данном случае именно нуклеиновая кислота, а не протеин была генетической субстанцией. С этого момента признано, что нуклеиновая кислота является первоочередным и ключевым веществом жизни.

Начиная с 1944 г_., полностью подтвержден новый взгляд на природу нуклеиновых кислот, и ярчайшим подтверждением явилось исследование природы вирусов. Было выявлено, что наружной оболочкой вируса является протеин, а внутренним содержимым — молекула нуклеиновой кислоты. Биохимику Хайнцу Франкел-Конрату удалось расчленить эти две составляющие. При этом оказалось, что протеиновая составляющая абсолютно неинфекционна — она мертва. Нуклеиновая составляющая проявила небольшую инфекционность, однако ей не хватало для проявления своих свойств протеиновой составляющей.

Работа с радиоизотопами показала, что когда бактериофаг внедряется в бактериальную клетку, то проникает сквозь клеточную оболочку лишь нуклеиновая составляющая. Протеиновая составляющая остается снаружи. Внутри клетки нуклеиновая кислота не только привносит выработку все большего количества нуклеиновых молекул, но и протеиновых молекул для формирования оболочки, причем своего характерного протеина, а не протеина бактериальной клетки. В дальнейшем не было сомнений, что именно молекула нуклеиновой кислоты, а не протеина несет генетическую информацию.

Молекулы вирусов содержат либо только ДНК, либо только РНК, либо и то и другое. Внутри клетки ДНК находится только в генах. Поскольку гены — это блоки, несущие наследственность, значение нуклеиновых кислот сводится к значению ДНК.



Структура нуклеиновых кислот



После работы Звери нуклеиновые кислоты начали пристально изучать. Обнаружилось, что они представляют собой огромные молекулы. После того как выяснилось, что предыдущие методы экстракции были слишком грубыми для расщепления молекул на фрагменты, были разработаны более тонкие методики. Они показали, что молекулы нуклеиновых кислот так же велики или даже больше, чем протеиновые молекулы.

Биохимик Эрвин Шаргафф расчленил молекулы нуклеиновых кислот и подверг фрагменты сепарации методом хроматографии. Он доказал, что в молекуле ДНК число пу-риновых групп равно числу пиримидиновых групп. Число же адениновых групп (пурин) обычно равно числу тиминовых групп (пиримидин), в то время как число гуаниновых групп (пурин) равно числу цитозиновых (пиримидин). Графически можно это выразить как А=Т и Г=Ц.

Британский физиолог Морис Хью Фредерик Уилкинс применил методику рентгеновской дифракции к структуре ДНК еще в 1950-х годах, и его коллеги биохимики Фрэнсис Комптон Крик и Джеймс Деви Уот-сон разработали молекулярную структуру, полученную экспериментально Уилкинсом.

Полинг как раз разработал теорию спиральной структуры протеинов, и Крик с Уотсоном взяли ее на вооружение в отношении данных, полученных Уйлкинсом. Однако в данном случае спираль должна была получиться двойная. Ученые предположили, что «остов» спирали составляют двойные сахаро-фосфатные цепочки, закручивающиеся вокруг общей оси и формирующие цилиндрическую молекулу. Пурины и ииримидины направлены внутрь, приближаясь к центру цилиндра. Чтобы сохранить диаметр цилиндра однородным, пурин (крупная составляющая) должен прилегать к пиримидину (малая составляющая). Специфически: А прилегает к Т, а Г прилегает к Ц. Именно таким образом объясняются наблюдения и выводы Шаргаффа.

Более того, в качестве ключевого шага в митозе можно теперь было взять удвоение хромосом (в качестве следствия этого факта — воспроизведение молекул вируса внутри клетки).

Каждая молекула ДНК производит свой собственный репликах: две сахаро-фосфат-ные нити раскручиваются и каждая служит моделью для нового «комплекта». Где бы ни находился аденин на данной нити, молекула тимина избирается из запаса, всегда наличествующего в клетке, и наоборот. Где бы ни находилась молекула гуанина, молекула цитозина избирается в пару ей, и наоборот. Вскоре после этих перестроений там, где была недавно двойная спираль, находятся уже две подобные ей двойные спирали.









Две правозакрученныс вокруг общей оси спиральные полинуклеотидные цепи.

А — аденин; Г — гуанин; Т — тимин; Ц — цитозин;