Текст книги "100 великих научных открытий"

Пенициллин

Первый антибиотик – пенициллин, действие которого основано на подавлении синтеза внешних оболочек бактериальных клеток, – был открыт совершенно случайно. «Проснувшись на рассвете 28 сентября 1928 года, я, конечно, не планировал революцию в медицине своим открытием первого в мире антибиотика – убийцы бактерий», – эту запись в дневнике сделал Александр Флеминг, человек, который открыл пенициллин.

В начале XX в. человечество уже пользовалось телеграфом, телефоном, радио, автомобилем и самолетом – но вместе с тем такие болезни, как тиф, дизентерия, легочная чума, пневмония и сепсис, оставались для людей смертельной угрозой. Идея борьбы с микробами с помощью самих микробов была выдвинута Луи Пастером, который выяснил, что под воздействием некоторых микроорганизмов бациллы сибирской язвы погибают. А диссертация студента-медика Эрнеста Дучесне свидетельствует о том, что уже в 1897 г. он использовал плесень (точнее, содержащийся там пенициллин) для борьбы с бактериями, вызывающими брюшной тиф у морских свинок. Увы, эпохальное открытие Дучесне так и не совершил, поскольку… скоропостижно скончался.

Официальным же изобретателем первого антибиотика – пенициллина – считается британский бактериолог Александр Флеминг (1881—1955). К тому времени он уже был известен как блестящий исследователь, который занимался изучением стафилококков, но мало кто знал, что его лаборатория стерильной чистотой не отличалась – а ведь именно это и стало залогом нового открытия. В 1928 г. Флеминг проводил рядовой эксперимент в ходе многолетнего исследования, посвященного изучению борьбы человеческого организма с бактериальными инфекциями. Вырастив колонии культуры стафилококков, ученый обнаружил, что отдельные чашки для культивирования заражены обыкновенной плесенью Penicillium – веществом, из-за которого хлеб при долгом хранении становится зеленым. Вокруг каждого пятна плесени Флеминг заметил область, в которой бактерий не было. Из этого он сделал вывод, что плесень вырабатывает вещество, убивающее бактерии.

Выделенное вещество получило название пенициллин. Дальнейшие исследования показали, что принцип его работы состоит в торможении или подавлении химической реакции, необходимой для существования бактерий. Пенициллин блокирует молекулы, участвующие в строительстве новых клеточных оболочек бактерий, подобно тому как налепленная на ключ жевательная резинка мешает открыть замок. Вместе с тем на здоровые клетки пенициллин не влияет, поскольку их наружные оболочки коренным образом отличаются от клеток бактерий.

Вскоре было обнаружено, что, помимо стафилококка, пенициллин убивает возбудителей скарлатины, дифтерии, пневмонии и менингита. А вот против паратифа и брюшного тифа новое средство оказалось бессильно.

В 1929 г. Флеминг опубликовал доклад о своем открытии в английском журнале экспериментальной патологии. Продолжая исследования, он понял, что работать с пенициллином трудно, производство происходит медленно, кроме того, пенициллин не может существовать в теле человека достаточно долго, чтобы убивать бактерии. Также, несмотря на все старания, ученый не мог извлечь и очистить активное вещество. До 1939 г. он совершенствовал новый препарат, однако вывести эффективную культуру ему так и не удалось.

Год спустя биохимик Эрнст Чейн (1906—1979) и бактериолог Уолтер Флори (1898—1968) предприняли новую попытку очистить и выделить пенициллин, и уже к 1941 г. у них накопилось достаточно препарата для эффективной дозы. Первым, кого удалось вылечить благодаря новому антибиотику, стал 15-летний подросток с заражением крови.

После этого Чейн, Флеминг и Флори получили за открытие пенициллина Нобелевскую премию – одну на троих. Впрочем, патентовать изобретение они отказались, посчитав, что средство, способное спасти человечество, не должно стать источником наживы. Это единственный случай в истории, когда на открытие таких масштабов никем и никогда не было предъявлено авторских прав!

В разгар Второй мировой войны американцы поставили производство пенициллина на конвейер, что спасло от гангрены и ампутации десятки тысяч союзнических солдат. Со временем метод производства антибиотика был доведен до совершенства, и с 1952 г. сравнительно дешевый пенициллин стал применяться в мировых масштабах. С его помощью человечество получило возможность бороться с ранее смертельными заболеваниями: остеомиелитом, сифилисом, пневмонией, родильной горячкой, а также инфекциями вследствие ранений и ожогов.

В Советском Союзе огромная заслуга в создании целого ряда антибиотиков принадлежит выдающемуся микробиологу Зинаиде Ермольевой (1898—1974) – первой среди российских ученых, кто исследовал противовирусные свойства интерферона. Первые порции пенициллина Ермольева получила в 1942 г., и вскоре было налажено массовое производство советского антибиотика. По признанию самого профессора Флори, пенициллин, который получила Ермольева, являлся действеннее англо-американского в 1,5 раза.

Впоследствии благодаря пенициллину и другим антибиотикам было спасено бесчисленное множество жизней. Кроме того, пенициллин оказался первым лекарством, на примере которого было замечено возникновение устойчивости микробов к антибиотикам. Еще Флеминг предупреждал, что не стоит использовать пенициллин, пока заболевание не будет диагностировано, и нельзя применять антибиотик в течение короткого времени и в совсем малых количествах, так как при этих условиях у бактерий развивается устойчивость.

В 1948 г. были обнаружены устойчивые к антибиотику штаммы золотистого стафилококка, а в 1967 г. выявлен нечувствительный к пенициллину пневмококк. «Открытие антибиотиков было величайшим благом для человечества, спасением для миллионов людей. Человек создавал все новые и новые антибиотики против разных возбудителей инфекций. Но микромир сопротивляется, мутирует, микробы приспосабливаются. Возникает парадокс – люди разрабатывают новые антибиотики, а микромир вырабатывает свое сопротивление», – сделали вывод ученые.

Группы крови

На рубеже XIX и XX вв. состоялось величайшее событие в биологии и медицине: австрийский иммунолог Карл Ландштейнер (1868—1943) открыл группы крови.

Эксперименты с переливанием крови или ее компонентов проводились в течение многих сотен лет. Началом истории переливания можно считать 1628 г., когда английский врач Уильям Гарвей открыл циркуляцию крови. Если кровь циркулирует, почему бы не попробовать переливать ее тем, кто в ней нуждается? – подумали ученые. И потратили на эксперименты более 30 лет. Только в 1665 г. появилась первая достоверная запись об успешном переливании крови: земляк Гарвея – Ричард Ловер – сумел внедрить кровь от одной живой собаки другой. Медики продолжали эксперименты, но результаты их не радовали. Переливание крови животных человеку вскоре было запрещено законом, а вливание других жидкостей вроде молока приводило к серьезным побочным реакциям.

Полтора века спустя в той же Британии акушер Джеймс Бландел попытался спасти рожениц с послеродовым кровотечением. Выжила только половина его пациенток, но и это был уже отличный результат. В 1840 г. состоялось успешное переливание цельной крови для лечения гемофилии, в 1867 г. зашла речь о применении антисептиков при переливании, а спустя год на свет появился Карл Ландштейнер.

Еще со времен обучения на медицинском факультете Венского университета Карл интересовался механизмами иммунитета и природой антител. После выпуска он устроился на работу в Институт гигиены и буквально за год описал процесс агглютинирования (склеивания) лабораторных культур бактерий, к которым добавляли сыворотку крови.

Зимой 1900 г. Ландштейнер взял образцы крови у себя и пяти своих коллег, отделил с помощью центрифуги сыворотку от эритроцитов и принялся экспериментировать. Выяснилось, что ни один из образцов сыворотки не реагирует на добавление «собственных» эритроцитов. Но почему-то сыворотка крови доктора Плетчинга склеила эритроциты доктора Штурли, и наоборот. Это позволило предположить, что существует как минимум два вида антител – Ландштейнер назвал их А и В. У себя в крови Карл не нашел ни тех, ни других антител, потому предположил, что есть еще и третий вид – С.

Два года спустя Штурли и его коллега Декастелло описали самую редкую – четвертую – группу крови как «не имеющую типа». Однако у других ученых все эти открытия вызвали лишь сочувственную улыбку. Основываясь на результатах своих экспериментов, Карл написал статью в Wiener klinische Wochenschrift, где привел знаменитое «правило Ландштейнера», ставшее впоследствии основой трансфузиологии: «В организме человека антиген группы крови (агглютиноген) и антитела к нему (агглютинины) никогда не сосуществуют». Публикация не впечатлила научное сообщество, и это привело к тому, что группы крови «переоткрылись» еще несколько раз.

В 1907 г. чех Ян Янский присвоил группам крови названия I, II, III и IV ― по уровню частоты, с которой они встречались в популяции. В 1910 г. американец Уильям Мосс описал те же группы в обратном порядке – IV, III, II и I. Номенклатура Мосса широко использовалась, например, в Англии, что приводило к серьезным проблемам.

Вопрос был решен в 1937 г. на съезде Международного общества переливания крови в Париже, где приняли нынешнюю терминологию АВ0: 0(I), A(II), B(III), AB(IV). Собственно, это и есть терминология Ландштейнера, к которой добавилась четвертая группа, а С превратилась в 0.

Благодаря открытию Ландштейнера стали возможны оперативные вмешательства, которые раньше заканчивались фатально из-за кровотечения. Более того, знание групп крови позволяло с некоторой достоверностью определять отцовство. Но это случилось уже в 1930-х, когда ученые наконец приняли факт, что в крови человека может происходить «какая-то борьба». А в начале 1900-х Ландштейнера покинули все коллеги, кроме одного лаборанта, с которым он сделал еще несколько важных открытий: описал свойства агглютинирующих факторов, способность эритроцитов абсорбировать антитела и агглютинацию эритроцитов на холоде.

Приятный сюрприз принес Ландштейнеру 1930 г.: он получил Нобелевскую премию по физиологии и медицине «за открытие групп крови человека» – через три десятилетия после самого открытия. В декабре, читая нобелевскую лекцию «Индивидуальные различия в человеческой крови», ученый рассказал о результатах переливаний крови и значении этого метода для лечения различных заболеваний, а также подчеркнул необходимость в устранении рисков при проведении трансфузии.

В 1939 г., в возрасте 70 лет, он получил звание «Почетный профессор в отставке», а через год вместе с коллегами-учениками Винером и Левиным открыл в крови подопытных обезьян (макак-резус) эритроцитарные антигены, выполняющие в организме защитную функцию. Изучая резус-фактор, Левин доказал, что основной причиной гемолитической болезни новорожденных является иммунологический конфликт, когда кровь матери резус-отрицательная, а кровь ее плода – резус-положительная. Из-за этого в крови плода происходит распад эритроцитов.

Впоследствии ученые выяснили, что чем больше в популяции резус-отрицательных лиц, тем чаще встречаются конфликтные беременности. В Японии гемолитическая болезнь новорожденных – явление довольно редкое, поскольку только 1 % японцев имеет резус-отрицательную группу крови. А вот в Европе резус-отрицательные лица встречаются почти в 15 раз чаще, соответственно, выше частота заболеваний, связанных с несовместимостью.

Современная медицина активно изучает распределение генетических маркеров крови для каждой популяции, в том числе по географическому признаку – на всей территории земного шара. Начало изучению географического распространения групп крови было положено немецкими врачами – супругами Гиршфельд.

Во время Первой мировой войны, работая в Македонии в полевом госпитале, Гиршфельды не только определяли групповую принадлежность при переливании крови раненым, но и вели статистику частоты отдельных групп крови среди представителей разных народов и национальностей. Различия оказались значительными. Позже на основе этих наблюдений английский генетик-гематолог Т. Мурант создал атлас групп крови.

Как оказалось, I группа чаще всего встречается в Европе: Ирландии, Исландии, Англии и Скандинавии. В азиатских странах – Китае, Монголии, Индии, Турции – эта группа наблюдается в два раза реже, зато отмечается увеличение частоты группы В(III). Индейцы Южной и Северной Америки во всех племенах имеют только одну группу крови – I. По этому поводу немецкие ученые Ф. Фогель и Г. Петтенкофер в 1962 г. высказали интересную гипотезу: возможно, закономерности географического распределения групп крови системы АВ0 – это результат обширных эпидемий, бушевавших в прошлом на той или иной территории.

Попадая в организм, вирусы и микробы начинают взаимодействовать с антигенами, прежде всего с антигенами групп крови. Такое родство часто приводит к печальным последствиям: если микроорганизм имеет антигены, схожие с антигенами крови человека, иммунный контроль ослабевает – ведь против собственных антигенов антитела никогда не вырабатываются. «Обманув» таким образом защитные силы организма, инфекция размножается, и человек заболевает. Палочки чумы содержат антиген, который напоминает по своему строению антиген группы 0(I), а вирус оспы имеет общий антиген с группой А(ІІ). Не удивительно, что в тех местах, где когда-то эти заболевания стирали с лица земли целые народы, оказалась самая низкая частота групп крови А(II) и 0(I), зато повышена частота группы В(III). Среди жителей Северной Европы, где оспенные эпидемии не оставили такого разрушительного следа, как на юге, группы А(II) и 0(I) встречаются часто. В Гренландии же, где в XIII в. эпидемия чумы уничтожила почти все население, сейчас почти не встречаются носители группы 0(I).

Гипотеза Фогеля—Петтенкофера подтвердилась, когда в Западной Бенгалии вспыхнула эпидемия оспы. Из 200 больных 106 (более 50 %) имели группу крови А, а среди тех, кому посчастливилось не заболеть, оказалось всего 25 % людей с такой группой.

Помимо системы АВ0, географически изучаются и антигены системы резус. Эти знания очень важны, ведь частота несовместимых в иммунном плане браков зависит от количественного соотношения в популяции резус-положительных и резус-отрицательных индивидов. Например, уже известно, что у азиатов, индейцев, эскимосов и эвенков резус-отрицательная группа крови встречается редко, а у австралийских аборигенов эти гены вообще отсутствуют, потому все перечисленные народы не сталкиваются с гемолитической болезнью новорожденных, вызываемой резус-антителами.

Другие маркеры крови и их географическое распределение изучены пока не в полном объеме. Однако антропологи и историки, исследующие происхождение отдельных народов, степень родства между ними, пути, по которым когда-то шло их переселение, интересуются этим вопросом все больше, ведь эволюция человека невозможна без систематического изменения генов в популяции.

Законы наследственности

Вступление в XX век ознаменовалось бурным развитием экспериментальной генетики, принесшей множество новых данных о наследственности и изменчивости. Отправной точкой в этом процессе стало открытие законов Менделя.

Грегор Мендель (1822—1884) – австрийский ученый-ботаник и послушник Августинского монастыря в городе Брюнн – не только служил Богу, но также работал в госпитале, преподавал математику, изучал физику и цитологию, занимался виноделием, земледелием и садоводством. Во время обучения в Венском университете он увлекся гибридизацией растений и по возвращении в Брюнн принялся экспериментировать в монастырском саду со скрещиванием разных сортов гороха.

Надо заметить, тогда считалось, что при скрещивании родительские признаки либо вовсе не расщепляются («слитная наследственность»), либо наследуются мозаично: одни – от матери, другие – от отца («смешанная наследственность»). В основе этой концепции лежало убеждение, будто в потомстве наследственность родителей смешивается, сливается, растворяется. Однако такие представления не позволяли аргументировать теорию естественного отбора. Ведь если бы при скрещивании наследственные приспособительные признаки в потомстве не сохранялись, а «растворялись», то и отбирать было бы нечего. Дабы избавить свою теорию естественного отбора от неувязок, Ч. Дарвин выдвинул теорию пангенезиса, согласно которой признаки родителей передаются потомству посредством мельчайших частиц геммул, поступающих в половые клетки из всех других клеток организма. Однако и это не могло быть правильным решением вопроса.

Только Менделю в ходе кропотливой работы удалось приоткрыть дверь в тайны генетики.

К проведению своих опытов Грегор готовился два года. Из 34 сортов гороха он выбрал 22, которые четко отличались по каким-либо признакам. Особенно тщательно проверялась чистота сорта: потомки всех поколений должны были иметь сходство между собой и своими родителями.

Растение для эксперимента ученый выбрал не случайно. Сорта гороха различаются целым рядом хорошо заметных признаков (окраска цветков, окраска и форма семян, расположение цветков, длина стебля). Но главный фактор – способность к самоопылению, ведь это позволяет исследователю опылять одно растение пыльцой другого растения.

В 1856 г. ученый приступил к работе. В отличие от предшественников, он не пытался оценить поколения в целом, а изучал наследование отдельных признаков всеми потомками конкретной пары. Это сужало круг вопросов и давало возможность получить наиболее четкие результаты.

Прежде чем опылить цветок гороха одного сорта другим, Мендель еще до созревания пыльцы обрывал с него тычинки. Позднее, когда рыльце было готово к опылению, ученый наносил на него пыльцу, взятую с цветков нужного сорта, а чтобы растения опылялись только отобранным материалом, выращивал их в специальном домике, недоступном для насекомых, или же надевал на цветки мешочки.

Сначала Грегор скрестил между собой растения с желтыми и зелеными семенами. В результате все гибриды первого поколения оказались желтыми и единообразными, независимо от того, из какого именно семени (желтого или зеленого) выросли материнские/отцовские экземпляры. Значит, оба родителя в равной степени способны передавать свои признаки потомству, сделал вывод Мендель. И сформулировал закон единообразия гибридов первого поколения (первый закон): при скрещивании чистых линий, обладающих взаимоисключающими признаками, все гибриды первого поколения будут иметь признак одного из родителей.

Единицу наследственности ученый назвал фактором (спустя десятилетия этот термин получил название «ген»). Признак, проявляющийся у гибридов первого поколения, обозначил доминантным, а тот, что подавляется, – рецессивным. Как оказалось, сочетание этих признаков дает предсказуемые схемы наследственности.

Далее ученый установил, что во втором поколении у 75 % особей проявляется доминантный признак, а у 25 % – рецессивный (расщепление 3:1). Эта закономерность получила название второго закона Менделя, или закона расщепления.

Третий же закон – независимого наследования признаков – был сформулирован в результате скрещивания растений, которые отличались уже и по цвету, и по текстуре семян. Первая чистая линия гороха имела желтые и гладкие семена, а вторая – зеленые и сморщенные. В итоге гибриды первого поколения получились желтыми и гладкими, а во втором, как и полагается, произошло расщепление: помимо желтых гладких и зеленых морщинистых семян образовались желтые сморщенные и зеленые гладкие варианты – произошла перекомбинация признаков. Следовательно, при дигибридном скрещивании расщепление по каждой паре признаков происходит независимо от других свойств. Это и есть третий закон Менделя.

В самом конце эксперимента ученый предположил, что открытые им законы распространяются на все живое, ибо «единство плана развития органической жизни стоит вне сомнения».

За восемь лет Мендель вырастил и скрестил гибриды 30 000 растений, обследовал 20 000 их потомков, проделал 10 000 опытов и рассмотрел в лупу более 7000 горошин. В ходе экспериментов он разработал метод дискретного анализа наследования признаков и заложил научные основы генетики, открыв следующие явления:

1. Каждый наследственный признак определяется отдельным наследственным фактором, задатком, геном.

2. Гены сохраняются в чистом виде в ряде поколений, не утрачивая своей индивидуальности, а значит, ген относительно постоянен.

3. Оба пола в равной мере участвуют в передаче своих наследственных свойств потомству.

4. Гены способны удваиваться. Это наблюдение стало предпосылкой к открытию мейоза – процесса, в результате которого из одной материнской клетки с двойной ДНК образуются четыре одноцепочечные дочерние клетки.

5. Наследственные задатки являются парными: один – материнский, другой – отцовский; один из них может быть доминантным, другой – рецессивным. Это положение соответствует принципу аллелизма: ген представлен минимум двумя аллелями (формами).

Мендель рассказал о своем открытии 8 марта 1865 г., выступив перед Брюннским обществом естествоиспытателей. Первый в истории доклад о генетике был воспринят более чем прохладно – Грегору не задали ни одного вопроса. Через год его статья «Опыты над растительными гибридами» была напечатана и разослана в 120 университетских библиотек. Кроме того, ученый дополнительно заказал 40 оттисков своей работы и отправил известным ботаникам. Откликов не последовало… Такое непонимание ученый прокомментировал смиренно, как и подобает слуге Божьему: «Мое время еще придет».

В течение шести лет он читал лекции о своих исследованиях, но ни один из слушателей не понял смысла его теории. Никто не подозревал, что имеет дело с работой, которая на заре ХХ в. станет основой целой научной отрасли – генетики.

В начале 1880-х немец Вальтер Флемминг с помощью хроматины (окрашивающего состава) обнаружил внутри клеточного ядра нитеобразные хромосомы и пронаблюдал деление клетки (митоз), в процессе которого каждая хромосома производит свою копию. Продолжив эти исследования, бельгиец Эдуард ван Бенеден доказал постоянство набора хромосом у каждого вида животных и растений: 46 (23 пары) у человека, 20 (10 пар) – у кукурузы, 12 (6 пар) – у мухи, 8 (4 пары) – у дрозофилы. Каждая пара хромосом состоит из материнской и отцовской «нити», и при формировании половых клеток – яйцеклетки и сперматозоида – хромосомы разделяются, не удваиваясь (иначе каждый индивид имел бы двойной набор хромосом).

Узнав об этом открытии, американец Уолтер Саттон (1876– 1916) заметил, что хромосомы выглядят как наследственные факторы Менделя. У каждой клетки есть фиксированное число пар хромосом, и каждая хромосома способна передавать наследственные признаки от одной клетки другой. Новый организм образуется от слияния яйцевой материнской клетки и сперматозоида с отцовским набором хромосом. Эти сочетания дают возможность каждому поколению усилить некоторые рецессивные черты и ослабить доминантные. Разные комбинации приводят к изменениям свойств, используемых затем в процессе естественного отбора.

Против хромосомной теории выступил У. Бэтсон, считавший, что эволюция состоит не в изменениях генов под влиянием внешней среды, а лишь в выпадении генов, в накоплении генетических утрат. Однако в 1900 г. законы Менделя были доказаны независимо сразу тремя учеными: Г. де Фризом в Голландии, К. Корренсом в Германии и Э. Чермаком в Австрии. За последующие 30 лет учение о наследственности обогатилось колоссальным экспериментальным и теоретическим материалом.

В ХХ в. законы Менделя стали основой для развития биоинформатики и эволюционной генетики, были сделаны многие новые открытия. А генетика стала самой динамичной отраслью естественных наук. Именно поэтому ХХI столетие называют веком Менделя, что и является наивысшим признанием гения ученого.