Текст книги "Вселенная внутри вас"

Ваш личный код

Эти основания играют ту же роль, что единицы и нули в двоичном коде компьютера (разумеется, аналогия с двоичным кодом условна, потому что оснований не два, а четыре). ДНК в каждой из клеток состоит из шести миллиардов таких пар оснований. Этот код используется для хранения информации, необходимой в производстве различных белков, играющих главную роль в биологическом мире, а также других молекул, которые определяют последовательность формирования и развития организма. Вся эта система работает эффективно, потому что в образовании ступенек всегда участвуют строго определенные пары оснований. Аденин соединяется только с тимином, а цитозин – с гуанином.

Именно это попарное соединение является ключом к копированию информации. Новые клетки образуются в процессе деления старых. Каждая новая клетка должна получить свою копию ДНК. Для этого две цепи одной двойной спирали разделяются по линии соединения оснований. Хотя обе половинки не идентичны, они легко воссоздадут недостающую часть ДНК, так как основания всегда соединяются одинаково. В результате в каждой новой клетке, появившейся в процессе деления, окажется полная версия ДНК.

ДНК часто сравнивают с чертежом живого организма. У этой молекулы много дел. Посудите сами: организм начинается с одной-единственной клетки. Она делится на две части, потом на четыре и так далее, пока не достигнет окончательной цифры – 50–70 триллионов. Разумеется, это не просто механическое увеличение количества одинаковых клеток. В противном случае вы превратились бы просто в большой однородный сгусток. Что-то должно давать указания клеткам, чтобы они специализировались и образовывали различные органы и структуры тела. В этом и заключается задача ДНК.

И все же сравнивать ДНК с чертежом неправильно. Чертеж дает точные инструкции по строительству того или иного объекта, а ДНК не содержит всех данных, которые позволили бы в точности определить, что и как должно происходить в организме. Не существует никакой связи между количеством генов (базовых информационных кодов ДНК) и уровнем сложности живого существа. Например, рис имеет вдвое больше генов, чем человек. Конечно, это излишне упрощенный подход, в чем мы еще сможем убедиться, более детально изучая гены.

И все же лучше рассматривать ДНК как контрольную компьютерную программу на полностью автоматизированной фабрике, каковой является живой организм. ДНК не содержит всех деталей. Просто различные внешние факторы взаимодействуют с ней, в определенное время активизируя одни ее части и замедляя другие. Тем не менее, как мы увидим в главе 7, ДНК играет колоссальную роль в формировании организма.

Сорок шесть молекул ДНК в ядре клетки не единственные ДНК в организме. На самом деле есть и другие, которые можно считать своего рода пришельцами. Они родились не в человеческом организме.

Пришельцы в ваших клетках

Во внутриклеточной жидкости вокруг ядра вы можете обнаружить структуры, называемые митохондриями. Эти крошечные образования часто называют электростанциями клеток, так как их функция заключается в усвоении кислорода, получаемого в ходе дыхания (его доставляют красные кровяные клетки), и соединении его с химическими веществами пищи. В результате образуется аденозинтрифосфат (АТФ) – молекула, в которой запасается необходимая для организма энергия. Митохондрии представляют собой биохимические зарядные устройства для электрических батарей. Самое удивительное то, что раньше они, по всей видимости, были бактериями, которые впоследствии, в процессе взаимовыгодного симбиоза, стали частью клеток.

Эта теория происхождения митохондрий возникла уже довольно давно, но ее доказательство появилось лишь в 2011 году, когда в море была открыта бактерия с довольно скучным названием – SAR11, имевшая с нашей митохондрией общего предка. Сравнение генов митохондрии и SAR11 показало, что их общим предком была древняя бактерия.

Это сравнение стало возможным лишь потому, что у митохондрий есть собственная ДНК, содержащая всего 13 генов и не имеющая ничего общего с хромосомами, содержащимися в ядре клетки. В отличие от главной ДНК, которая представляет собой комбинацию генов обоих родителей, ДНК в митохондриях передается только по материнской линии. В бывшей бактерии было около тысячи генов, и раньше все они находились в ее ядре. Но со временем, когда бактерия стала митохондрией, большая часть генов, за исключением тринадцати, перешла в хромосомы.

Количество митохондрий зависит от типа клеток. Наибольшее количество (свыше тысячи) содержится в клетках печени. Хотя у митохондрий есть и другие функции, ее главная задача – накопление энергии в молекулах АТФ, которые представляют собой химический эквивалент заведенной пружины в часовом механизме.

В сжатой до предела пружине содержится большой потенциал энергии, которая при высвобождении способна приводить механизм в движение. Точно так же и митохондрия запасает энергию в АТФ. Это химическое соединение с труднопроизносимым названием содержит пару внутриатомных связей, которые соединяют атомы фосфора с единственным атомом кислорода. Эти связи относительно слабы и легко разрываются, в результате чего высвобождается энергия, приводящая в движение мышцы.

Чужие гены

Митохондрии – это не единственные пришельцы в организме человека. Ваша ДНК содержит гены по меньшей мере восьми ретровирусов. Это разновидность вирусов, использующих клеточные механизмы для кодирования ДНК и за счет этого берущие клетку под свой контроль (один из подобных вирусов, в частности, вызывает СПИД). Гены этих вирусов в ваших хромосомах в настоящее время выполняют важные функции размножения, но они абсолютно чужды человеческой ДНК.

Если когда-то митохондрии были бактериями, то теперь они стали частью клеток организма человека. Хотя они не встречаются в простейших одноклеточных существах, но присутствуют практически во всех организмах, клетки которых имеют ядра.

Похоже, что вторжение митохондрий в чужие организмы состоялось на очень ранних стадиях развития сложных форм жизни на Земле. Однако это не единственные бактерии, живущие в вашем теле.

Триллионы нелегальных мигрантов

Глядя на себя в зеркало, задумайтесь о том, что с чисто математической точки зрения в вас больше бактериальной жизни, чем человеческой. В теле человека в 10 раз больше бактерий, чем собственных клеток.

Многие из бактерий, которые называют тело человека своим домом, настроены дружелюбно, то есть не причиняют никакого вреда. Некоторые даже полезны. Они не являются неотъемлемой составной частью нашего организма, как митохондрии, поэтому можно обойтись и без них, но тогда жизнь существенно осложнится. В конце 1920‑х годов американский инженер Джеймс Рейнерс решил выяснить, могут ли животные жить вообще без бактерий. Он надеялся создать мир без бактерий, в котором будет царить здоровье. Рейнерс посвятил всю жизнь созданию безбактериальной среды, в которой можно было бы с момента рождения выращивать морских свинок и других животных.

Оказалось, что это возможно. После уничтожения всех бактерий животные не умирали. Поскольку мир без бактерий сулил избавление от многих болезней, результаты работ Рейнерса стали толчком для широкого распространения всевозможных антибактериальных средств и антибиотиков.

Никто не сомневается в том, что некоторые бактерии чрезвычайно вредны. Однако исследования Рейнерса зашли в тупик. Да, некоторые морские свинки могли обходиться без бактерий, но многие в таких условиях умирали. А тех, кто оставался в живых, приходилось кормить специальной едой. Дело в том, что бактерии, обитающие в кишечнике, способствуют пищеварению. Это имеет особое значение для животных и насекомых, поедающих растения с богатым содержанием целлюлозы. Такая пища расщепляется только с помощью бактерий.

Вы тоже могли бы жить без бактерий, но в отсутствие ферментов, которые производят кишечные бактерии, вам пришлось бы употреблять в пищу только те продукты, которые богаты питательными веществами. Особенно это касается вегетарианцев, так как волокна растительного происхождения не перевариваются исключительно с помощью собственных ферментов. С ними могут справиться только химические вещества, вырабатываемые бактериями.

Это необходимо учитывать при лечении антибиотиками. Хотя каждый отдельный антибиотик убивает лишь определенные микроорганизмы, он не делает различий между «хорошими» и «плохими» бактериями. Ему это безразлично. С таким же успехом он уничтожит и полезные кишечные бактерии. Это значит, что некоторое время после этого вам придется делать упор на продукты, богатые питательными веществами, и, кроме того, избегать инфекций, так как бороться с ними помогают именно кишечные бактерии. Если антибиотик уменьшит численность этих бактерий, их место с легкостью займут другие, возможно, вредные микроорганизмы.

Как ни прискорбно, но я должен огорчить любителей напитков и других продуктов, содержащих пробиотики и другие якобы полезные бактерии. Нет никаких свидетельств того, что они приносят хоть какую-то пользу. Такие бактерии, попадающие в организм вместе с пищей, не вносят заметного вклада в состав микрофлоры. Возможно, употребляющий их человек получает какие-то психологические преимущества типа эффекта плацебо, но реальной биологической помощи они не оказывают.

Значение аппендикса

Бактерии тесно связаны еще с одним органом тела, в отношении которого царит самое большое непонимание. Это аппендикс. Если он у вас до сих пор есть, вы, возможно, задумывались, зачем он нужен. В конце концов, пользы от аппендикса не видно, а если в нем возникают какие-то сбои, то это может привести к такому угрожающему жизни состоянию, как аппендицит. В этом нет никакого эволюционного смысла. Если человек уже длительное время живет с абсолютно бесполезным придатком, то почему он не исчезает?

Лишь относительно недавно было обнаружено, что аппендикс чрезвычайно важен для бактерий, обитающих в пищеварительной системе. Они используют его как своего рода дом отдыха, где можно немного расслабиться после активной работы в кишечнике и пополнить свое количество за счет размножения. Таким образом, аппендикс не так уж бесполезен, как традиционно было принято считать.

Тем не менее странно, что живущие в нашем организме бактерии, в том числе и обитающие в аппендиксе, почему-то неуязвимы для иммунной системы. Клетки крови непрерывно производят антитела (белки, предназначенные для нападения на чужаков и их уничтожения). Именно из-за них операции по пересадке органов сталкиваются с такими трудностями. Наш организм борется даже с абсолютно безобидными клетками чужого человеческого тела, однако в силу каких-то обстоятельств, которых мы еще не понимаем, бактерии почему-то неуязвимы для антител.

Удивляют и результаты недавних исследований, в ходе которых было установлено, что в аппендиксе содержится колоссальное количество антител. Некоторые из них присоединяются к кишечным бактериям, но не уничтожают их, а, наоборот, оказывают помощь. Самым известным из антител в кишечнике и, в частности, в аппендиксе является иммуноглобулин А. Он присоединяется к бактериям, но вместо того, чтобы их убивать, формирует некую защитную структуру, не только позволяющую им спокойно жить и процветать, но и препятствующую их выведению из организма с отходами пищи. Оказывается, антитела протягивают руку помощи полезным кишечным бактериям.

Бактериям неизвестно правило пяти секунд

Бактерии (и вирусы), разумеется, далеко не всегда идут нам на пользу. Хотя некоторые заболевания обусловлены генетическими причинами или сбоями в каких-то процессах жизнедеятельности, причиной большинства из них являются все-таки эти крошечные агрессоры. Существует одно убеждение, о котором, вам, возможно, приходилось слышать еще от бабушки с дедушкой и которое нуждается в проверке с научной точки зрения. Речь идет о так называемом правиле пяти секунд. Оно гласит, что если вы уронили еду на пол, но подняли ее в течение пяти секунд, то есть ее безопасно для здоровья.

Вероятно, это правило зародилось еще при Чингисхане, хотя в те времена люди были не столь привередливы в вопросах еды и речь тогда шла не о 5 секундах, а скорее о 12 часах. Американская школьница Джиллиан Кларк, проходя летнюю научную практику в университете, решила подойти к этому вопросу с научных позиций и пришла к интересным выводам.

Она взяла мазки с пола во многих университетских помещениях, включая спортивный зал, и обнаружила, что пробы содержат на удивление мало бактерий. Помогавшие ей студенты сумели даже сосчитать их точное количество.

Как и ожидалось, в ходе опросов было установлено, что люди охотнее поднимают с земли и отправляют в рот сладости и кондитерские изделия, чем брокколи и цветную капусту.

Но самым важным результатом работы оказалось то, что если на полу обнаруживались бактерии Е. coli, то для того, чтобы заразить еду, им требовалось значительно меньше, чем пять секунд. Таким образом, это правило в данном случае не срабатывает.

«Ползучее» вторжение

Бактерии, безусловно, представляют собой самую распространенную форму чужеродной жизни как снаружи, так и внутри организма, но они не одиноки. У людей бывают и другие незваные гости – вши, блохи и, конечно, глисты. Мы привыкли думать о глистах как о нежелательных паразитах, но в последнее время получены данные, что некоторые из них иногда могут быть полезны.

Возможно, эта мысль покажется вам странной, но, хотя глисты стали нашими компаньонами значительно позже бактерий, мы живем с ними так долго, что организм уже привык к ним. Хотя экспериментов в этом плане было не так уж много (вероятно, потому, что эти существа многим внушают отвращение), есть достаточные основания полагать, что некоторые глисты оказывают на организм положительное воздействие, так как многие системы нашего организма рассчитывают на их присутствие и чувствуют себя без них неуютно. Высказывается мнение, что с тех пор, как мы объявили глистам войну, некоторые болезни стали возникать чаще и что наличие глистов в разумных пределах было бы полезно для здоровья.

Благородные пиявки

Еще одним паразитом, который проявляет положительные качества, является пиявка. Пиявки используются в медицинских целях на протяжении сотен лет, но первоначально их применение основывалось на ложных предпосылках. Медицина лишь сравнительно недавно стала наукой. На протяжении долгого времени она исходила из идеи, которая напоминает древнегреческую концепцию четырех элементов. В соответствии с ней человеческое тело содержит четыре жидкости – кровь, флегму, черную и желтую желчь.

Эти жидкости должны находиться в определенной пропорции. Если, к примеру, у вас в теле слишком много крови (что характерно для сангвиников), то ее излишек необходимо удалить при помощи кровопускания. Такая процедура была широко распространена, но после нее организм пациента нередко ослабевал и справлялся с инфекциями хуже, чем обычно. В связи с этим кровопускание посредством надрезов на коже часто заменяли более щадящим способом – прикладыванием пиявок.

Хотя современная медицина, к счастью, доказала неэффективность кровопускания, пиявки по-прежнему остались в ее арсенале для оказания помощи при возникновении некоторых послеоперационных проблем. Это кровососущее существо нуждается в том, чтобы кровь текла свободно и не свертывалась, для чего, присасываясь к телу жертвы, использует естественные антикоагулянты. В ходе хирургических операций порой возникают состояния, когда образуются сгустки крови, затрудняющие поступление свежей крови в некоторые части тела. Разумное использование пиявок помогает избежать свертывания крови и улучшает кровоток.

Пришельцы на ресницах

В зависимости от вашего возраста можно с достаточной долей уверенности утверждать, что у вас имеются и другие пришельцы. Оказывается, на отмерших клетках у волосяных фолликулов живут крохотные существа – ресничные клещи (демодексы). В отличие от вшей, они питаются только поверхностными выделениями сальных желез и не причиняют человеку вреда, хотя в редких случаях могут вызывать аллергическую реакцию. Они очень малы (длина взрослой особи составляет около 1/3 миллиметра) и почти прозрачны, поэтому разглядеть их невооруженным глазом крайне трудно.

Однако если вы положите ресницу или волос из брови под микроскоп, то обнаружите это крошечное существо, которое большую часть времени проводит на коже непосредственно у корней волос. Они имеются примерно у половины населения (у детей меньше, у взрослых больше). Ресничные клещи не обладают никакими полезными свойствами, как, например, некоторые бактерии, но и беспокоиться по поводу их присутствия не стоит. Они совершенно безобидны.

Увидеть малое

Упомянутые выше миниатюрные пришельцы по-настоящему стали частью нашего сознательного восприятия собственного тела, когда появились микроскопы. Развитие этой технологии привело нас к пониманию процессов, происходящих в клетках. Первые наблюдения объектов под увеличением, проведенные Гуком, осуществлялись с помощью сильной одиночной линзы на массивной подставке, которая уменьшала вибрации. Примерно такой же техникой пользовался и Антони ван Левенгук, первым сообщивший о существовании бактерий (1674). Но подлинный прогресс начался лишь с появлением составного микроскопа.

Оказалось, достаточно вставить в круглый корпус две линзы, чтобы кардинально расширить наши познания о микроскопической жизни. Одна линза (объектив) размещалась близко к изучаемому объекту и создавала с обратной стороны его увеличенное изображение. Эта «виртуальная» картинка, которую нельзя было увидеть, находилась как бы в пространстве. Другая линза (окуляр), в свою очередь, еще больше увеличивала это изображение.

Данным изобретением мы обязаны отцу и сыну Хансу и Захарию Янсенам из Голландии. Они были мастерами по изготовлению очков и в 1590 году создали первый составной микроскоп. В то время Ханс был еще мальчиком. Впоследствии он приобрел даже большую известность, чем отец, так как всю свою карьеру посвятил изготовлению оптических инструментов, однако основная заслуга в создании микроскопа принадлежит все же Захарию.

Современные знания о строении тела стали еще шире с появлением других технологий, которые позволили увидеть невидимое. Первым настоящим прорывом в данной области стала в свое время аутопсия (вскрытие трупа), которая в течение долгого времени была запрещена. Эта процедура позволила понять многое из того, что происходит внутри организма, но она имела свои ограничения, так как не могла проводиться на теле живого человека. Современная техника предлагает для этого несколько возможностей.

Всепроникающие лучи

Настоящая революция произошла в 1895 году, когда немецкий ученый Вильгельм Рентген, экспериментируя с трубкой Крукса, случайно совершил открытие. Это был прообраз катодной трубки, которая впоследствии широко использовалась в телевизорах и мониторах компьютеров до изобретения жидкокристаллических и плазменных экранов. Испускавшиеся этим устройством «катодные лучи» представляли собой поток электронов, которыми можно было управлять с помощью электрического и магнитного полей. Попадая на фосфоресцирующий экран, электроны вызывали свечение.

В телевизорах такие экраны устанавливались в передней части, но у Рентгена он случайно оказался слева от прибора. Включив трубку, ученый с удивлением заметил, что экран засветился, хотя по бокам трубка была обмотана картоном. Было похоже, что электроны, попадая в металлическую мишень, генерировали какой-то новый вид излучения, которое распространялось во все стороны и было настолько мощным, что проходило сквозь картон.

Рентген назвал этот новый вид излучения икс-лучами. «Икс» в названии символизировал нечто неизвестное и загадочное. Однако научной общественности это не понравилось, и впоследствии они стали называть новое явление рентгеновскими лучами.

В то время, как, впрочем, и сейчас, публикации в научной периодике иногда попадали в поле зрения прессы, и статья Рентгена об открытии икс-лучей произвела фурор среди широкой общественности благодаря одной фотографии. Она изображала руку его жены, сфотографированную в рентгеновских лучах. Лучи прошли сквозь мягкие ткани, но не через кости. Впервые на фотографии можно было увидеть часть человеческого скелета внутри тела. Интересным было и то, что жена не сняла обручальное кольцо (хотя, очевидно, пыталась сделать это, так как оно сдвинуто к суставу фаланги пальца), которое отобразилось на фотографии в виде густого черного пятна.

Возможности медицинского применения нового изобретения были настолько очевидны, что первый в мире рентгеновский аппарат был установлен в больнице города Глазго уже в 1896 году, то есть спустя всего год после открытия. Врачи, работавшие с рентгеновскими лучами, не соблюдали никакой осторожности. Более того, возможность видеть сквозь тело очень увлекала широкую публику. Даже в начале XX века в научно-популярных журналах публиковались инструкции по сооружению собственного рентгеновского аппарата в домашних условиях. В детстве с помощью такого устройства я мог сам наблюдать кости своих стоп, обутых в ботинки.

Лишь намного позже стало понятно, что использование замечательных свойств рентгеновских лучей сопряжено с риском. Рентген с самого начала догадывался, что эти лучи представляют собой разновидность световых. Так оно и оказалось. Рентгеновские лучи – это, по сути, тот же видимый свет, но обладающий куда большей энергией. Мы знаем, что электроны могут перескакивать на более высокий уровень при поглощении фотона – кванта световой энергии. Однако рентгеновские лучи обладали такой энергией, что могли выбивать электроны из атома. Это явление называется ионизирующей радиацией.

Сама по себе ионизация представляет собой довольно обычный процесс. Она происходит, например, при растворении соли в воде. Таким образом, все жидкости в организме человека содержат массу ионов. Однако ионизирующая радиация, проникая в клетки тела, создает свободные радикалы – очень активные молекулы, значительно повышающие риск возникновения рака. Естественной защитой организма от свободных радикалов являются антиоксиданты. В связи с этим в последнее время усиленно рекламируются продукты с антиоксидантами, которые якобы полезны для здоровья. Однако все исследования говорят о том, что антиоксиданты, принимаемые с пищей, не идут ни в какое сравнение с анти-оксидантами, вырабатываемыми самим организмом, поэтому практически бесполезны.

Опасность ионизации, вызванной фотонами высоких энергий, означает, что чрезмерного воздействия рентгеновских лучей на организм следует избегать. Именно поэтому рентгенологи работают за защитными экранами. Однако для пациентов риск весьма невелик, особенно если учесть, что мы непрерывно подвергаемся воздействию естественной радиации. Радиация, исходящая из природных источников, присутствует вокруг нас постоянно. Рентгеноскопия грудной клетки, к примеру, создает такой же уровень облучения, как полет на самолете в течение 10 часов.