Краткая история биологии. От алхимии до генетики

Азимов Айзек

XV век выглядел как век расцвета Евро­пы. Европейские суда бороздили побережья Африки, достигали Индии и островов, рас­положенных за нею, открывали Америку. Как никогда прежде, после завоеваний Рима и Македонии, новые и неслыханные виды растений и животных возбуждали интерес ученых. Итальянский ботаник Просперо Альпини (1553 — 1617) служил врачом у ве­нецианского консула в Каире, в Египте. Имея возможность изучать финиковые паль­мы, он понял, что они бывают мужские и женские. Теофраст заметил это почти две тысячи лет тому назад, но факт был забыт, и за основу принята бесполость растений. Альпини был первым европейцем, описав­шим кофейные растения. Естественная исто­рия Ренессанса получила наиболее многопла­новое развитие при шведском натуралисте Конраде фон Геснере. Он был подобен Пли­нию по разносторонности интересов, универсальному любопытству, а также легковерию и убежденности, что простая аккумуляция выдержек из старых книг есть путь к уни­версальным знаниям. Его иногда называли германским Плинием.

Переходный период

В ранние декады 1500-х годов Европа воз­вращалась из темноты и постепенно достигла уровня греческой биологии (и фактически — греческой науки в целом). Прогресс не мог двигаться дальше, пока ученые Европы не ос­воили то, что было в греческих книгах. Рабо­ты Мондино проиллюстрировали, как трудно порвать с античностью. Потребовался полусу­масшедший хвастун, чтобы сделать паузу, а затем совершить прорыв к новым временам. Сделал это швейцарский врач по имени Тео­фраст Бомбаст фон Гогенгейм (1493—1541). Его отец обучил сына, который обладал вос­приимчивым умом, медицине. Во время своих путешествий Гогенгейм собрал большое коли­чество лекарств, которые не были известны его современникам, оставшимся сидеть дома, и таким образом стал авторитетнейшим вра­чом. Он интересовался алхимией, которую европейцы переняли у арабов, в свою очередь воспринявших ее от александрийских греков. Обычный алхимик (если он не отъявленный обманщик) был кем-то вроде современного химика, но две наиболее пугающие цели алхимии никогда не были достигнуты алхимичес­кими методами. Алхимики ^пытались, во-пер­вых, найти метод превращения основных ме­таллов,

таких как свинец, в золото. Во-вторых, они искали, что может быть общего у того, что известно как «философский камень», — су­хой материал, который использовался при превращении металлов в золото, — с «эликси­рами жизни», считавшимися ключом к бес­смертию. Гогенгейм не видел точки зрения, которой можно было бы придерживаться, что­бы получить золото. Он верил, что истинная функция алхимии заключается в том, чтобы помогать врачам в лечении болезней. Из этих соображений он сконцентрировался на фило­софском камне, который, как он заявлял, от­крыл. Он стал утверждать не колеблясь, что будет жить вечно, но умер, не дожив до пяти­десяти, из-за случайного падения. Алхимичес­кое учение Гогенгейма подтолкнуло его к изу­чению минеральных источников для лекарств и заставило отвергнуть ботаническую медици­ну, бывшую в почете у античных ученых. Он поносил античных врачей. Труды Цельса уже были переведены и стали библией евро­пейских врачей. Но Гогенгейм называл себя Парацельсом («лучший, чем Целы»), и под этим тщеславным именем стал известен потом­кам. Парацельс был городским врачом в Базе­ле. В 1527 г., чтобы продемонстрировать пуб­лике свое мнение настолько, насколько это возможно, он сжег копии книг Галена и Ави­ценны в городском сквере. В результате консервативные враги из медицинской среды выпроводили Парацельса из Базеля, но не из­менили его мнения. Парацельс не разрушил греческую науку или даже греческую биоло­гию, но его атаки привлекли внимание уче­ных. Его собственные теории были немногим лучше греческих теорий, против которых он выступал с таким бешенством, но это было время, когда иконоборчество оказалось полез­но само по себе. Его громкая непочтитель­ность по отношению к античности не поддер­живала, а сотрясала столпы ортодоксального мышления, и, хотя греческая наука еще неко­торое время держала мертвой хваткой евро­пейский разум, ее власть ощутимо слабела.

Глава 3

Рождение современной биологии

Новая анатомия

Знаменующим началом научной револю­ции принято считать 1543 г. В этом году польский астроном Николай Коперник опуб­ликовал книгу, где была изложена новая точка зрения на Солнечную систему, цент­ром которой было Солнце, а Земля — пла­нетой, движущейся по орбите подобно любой другой. Это открытие ознаменовало пораже­ние старой греческой точки зрения на Все­ленную, в центре которой была Земля, хотя жесткая борьба в течение столетия, оставше­гося до победы новой точки зрения, была очевидной. В том же самом году была опуб­ликована вторая книга, столь же революци­онная в области биологических наук, как и книга Коперника в области наук физичес­ких. Эта вторая книга была «О структуре че­ловеческого тела» бельгийского анатома по имени Андреас Везалий. Везалий получил образование в Нидерландах в строгих традициях Галена, к которому питал глубочайшее уважение. Однако он путешествовал по Ита­лии, пока не закончил образования, и тут вступил в более либеральную интеллектуаль­ную атмосферу. Он снова ввел практику Мондино де Луцци делать свои собственные анатомические вскрытия и не разрешал себе поддаваться влиянию старой греческой точ­ки зрения, когда его глаза не соглашались с этой точкой зрения. Книга, которую он опуб­ликовал в результате наблюдений, была пер­вым корректным трудом по человеческой анатомии в ряду уже существующих. Она имела большие преимущества перед ранними книгами. Во-первых, вышла, когда уже было открыто книгопечатание, так что тысячи ко­пий могли быть размножены по всей Евро­пе. Во-вторых, имела иллюстрации, причем исключительно хорошего качества; многие были сделаны Яном Стивенсоном Ванкалкаром, учеником Тициана. Человеческое тело было показано в естественных положениях, а иллюстрации мускулов оказались особенно хороши. Жизнь Везалия после появления его книги была несчастливой. Его точка зре­ния казалась еретической в отношении неко­торых авторитетов, и, что особенно важно, определенные рассечения, рекомендованные в его книге, были незаконными. Он был вы­нужден предпринять путешествие в Святую землю и на обратном пути погиб в корабле­крушении. Революция Везалия в биологии была, однако, более эффективна, чем революция Коперника в астрономии. То, что кни­га Везалия поддерживала, не было чем-то таким же неправдоподобным, как огромная Земля, движущаяся вокруг Солнца. Скорее в этой книге представлены форма и устрой­ство ^органов, которые (со ссылками на авторитет античных греков) каждый мо­жет увидеть, если побеспокоится взглянуть. Греческая анатомия устарела, тогда как итальянская анатомия расцвела. Габриэлло Фаллопио, или Габриэль Фаллопиус, один из учеников Безалия, изучал трубы, ведущие от яичников к матке. Они до настоящего времени называются фаллопиевыми труба­ми. Другой итальянский анатом, Бартоломео Еустафио, или Еустафиоус (1500 — 1574), был оппонентом Везалия и сторонником Га-лена, но он также изучал человеческое тело и описывал то, что видел. Он вновь открыл трубы Алкмеона, ведущие от уха к горлу, и теперь они известны как евстафиевы трубы. Освеженный взгляд на анатомию распрост­ранился и на другие ветви биологии. Вера Гиппократа в легкую руку врача в последу­ющие столетия открыла дорогу к действи­тельно жестоким лекарствам. Фактически методы были такими грубыми, что хирургия в ранние современные времена была предос­тавлена не врачам, а парикмахерам, которые режут мясо так же, как волосы. Возможно, потому, что хирурги-парикмахеры были сла­бы в теории, они переходили к решительным мерам: огнестрельные раны дезинфицировали кипящим маслом, а кровотечение останав­ливали прижиганием раскаленным железом. Французский хирург Амбруаз Паре (1517 — 1590) помог изменить это положение вещей. Он начал жизнь подмастерьем парикмахера, присоединился к армии хирургов-парикмахе­ров и ввел испугавшие всех преобразования. Он использовал благородные мази комнат­ной температуры для лечения огнестрельных ран и останавливал кровотечение, зашивая артерии, за что его иногда называют отцом современной хирургии. Паре также изобрел хитроумные искусственные конечности, улуч­шил акушерские методы и написал француз­ские резюме к работам Везалия, так что другие хирурги-парикмахеры, не обученные латыни, могли собрать определенные факты, относящиеся к строению человеческого тела, прежде чем лечить кашель наугад. И еще за­долго до того, как анатомы стали практико­вать и начали делать собственные вскрытия, врачи уже делали хирургические операции.

Циркуляция крови

Скорее, чем тонкости вопроса внешнего вида и устройства частей тела, которые явля­ются предметом анатомии, предметом физио­логии стало нормальное функционирование этих частей. Греки достигли малого прогресса в физиологии, и большинство их заключений было неверно. В частности, они ошибались в отношении функционирования сердца. Серд­це, очевидно, насос: оно качает кровь. Но от­куда берется кровь и куда она уходит? Ранние греческие врачи ошибались, рассуждая, что вены — единственные кровеносные сосуды. В трупах артерии обычно пусты, и греки по­лагали, что артерии есть сосуды для передачи воздуха (слово «артерия» значит на греческом «воздуховод»). Герофил, однако, показал, что как артерии, так и вены проводят кровь. Обе сети кровеносных сосудов соединены сер­дцем, и естественно было предположить, что соответствующие вещества могут растворять­ся, если будут найдены какие-то связи между венами и артериями в окончаниях, уходящих от сердца. Но более тщательное исследование показало, что как вены, так и артерии развет­вляются на все более и более тонкие сосуды, которые, в конечном счете, станут такими, что теряются из виду. Между ними не было най­дено никакой связи. Гален предположил, что кровь движется от одной сети сосудов к дру­гой, проходя от правой стороны к левой. Для того чтобы допустить прохождение крови че­рез сердце, он предположил, что здесь долж­ны быть крохотные отверстия в толстой мяси­стой перегородке, которая разделяет сердце на правую и левую части. Этих отверстий никто никогда не наблюдал, но через семнадцать столетий после Галена врачи и анатомы пред­положили, что они существуют. Итальянские анатомы новой эры стали подозревать, что это, возможно, не так, не набравшись отваги выйти на открытое отрицание. Например, Джероламо Фабриций (1533—1619) открыл, что большие вены имеют клапаны. Он описал их и показал, как они работают. Они устрое­ны так, что кровь может течь через них по направлению к сердцу без проблем, но не спо­собна пройти назад от сердца без того, чтобы быть пойманной в ловушку клапаном. Таким образом, кровь может двигаться только в од­ном направлении — к сердцу. Это, однако, противоречило замечанию Галена о движении назад. Фабриций дерзнул пойти лишь на­столько далеко, чтобы допустить, что клапаны задерживают (скорее, чем останавливают) обратный ток крови. Но у Фабриция был сту­дент, англичанин по имени Уильям Гарвей, за­численный при строгом подборе кадров. Воз­вратившись в Англию, он изучил сердце и заметил, как заметили многие анатомы до него, что в нем есть клапаны одностороннего движения. Кровь может поступать в сердце из вен, но клапаны препятствуют ее обратному Движению. Кровь может покидать сердце че­рез артерии, но не может возвращаться из-за того, что имеется другая сеть клапанов одно­стороннего движения. Когда Гарвей перевязы­вал артерии, сторона, направленная к сердцу, выпячивалась от переполнения кровью. Когда же он перевязывал вену, выпячивалась сторо­на, направленная от сердца. Все сходилось на том, что кровоток не ослабевает и движется в одном направлении. Кровь попадает из вен в сердце, а из сердца — в артерии. Она никогда не возвращается. Гарвей рассчитал, что в течение трех часов сердце прогоняет через организм количество крови, равное троекрат­ной массе человеческого тела. Кажется немыс­лимым, что кровь может быть сформирована и вытолкнута назад в таком темпе, поэтому кровь из артерий должна быть возвращена в вены где-нибудь вне сердца, через соедини­тельные сосуды, слишком тонкие, чтобы их увидеть (такие невидимые сосуды были не больше, чем невидимые поры Галена в сердеч­ной мышце). Предположив существование та­ких сосудов, было легко увидеть, что сердце перекачивает одну и ту же кровь, но многу раз: вены — сердце — артерии — вены — серд­це — артерии... Следовательно, нет ничего неожиданного в том, что насос может в тече­ние часа три раза перекачать через себя массу тела человека. В 1628 г. Гарвей опубликовал это заключение и свидетельства, доказываю­щие его, в маленькой книге, всего из 72 стра­ниц. Она была напечатана в Голландии под названием «О движениях сердца и крови» и полна типографских ошибок. Несмотря на не­приглядный размер и невзрачный вид, эта книга была революционной; она полностью удовлетворяла требованиям времени. Это были годы, когда итальянский ученый Гали-лео Галилей (1564 — 1642) популяризировал экспериментальный метод в науке и, делая это, комплексно разбил Аристотелеву систему физики. Работа Гарвея представляла первое большое приложение новой экспериментальной системы к биологии. Его он разрушил Га­ленову систему физиологии и основал совре­менную физиологию (Гарвеево вычисление количества крови, перекачиваемой сердцем, представляет собой первое важное приложе­ние математики к биологии). Врачи старой школы всячески поносили Гарвея, но ничего не могли поделать против фактов. Со време­нем, когда Гарвей состарился, факт циркуля­ции крови был принят биологами Европы, хотя соединительные сосуды между артерия­ми и венами и остались неоткрытыми. Европа, таким образом, определенно и окончательно выступила за пределы греческой биологии. Новая теория Гарвея открыла сражение меж­ду двумя противоположными точками зрения, начала битву, которая заполнила историю со­временной биологии, и победа в ней полнос­тью не предрешена до сих пор. В соответствии с прежней точкой зрения на жизнь одушевлен­ные предметы рассматривались, по существу, отдельно от неодушевленных, так что человек не мог ожидать, что изучит природу неоду­шевленных объектов. Кратко можно сказать, что существует точка зрения, в соответствии с которой имеется две отдельные сети законов: одна — для одушевленных и одна — для не­одушевленных предметов. Это точка зрения виталистов. Но может существовать точка зрения, в соответствии с которой имеется высоко­специализированная, но не фундаментальная Разница между менее запутанной, более орга­низованной системой неодушевленной Вселенной. При достаточном времени и усилиях изу­чение неодушевленной Вселенной может обес­печить достаточно знаний, чтобы привести к пониманию живого организма, который сам невероятно сложная машина. Это точка зре­ния «механистов». Открытие Гарвея было, ра­зумеется, прорывом в пользу точки зрения ме­ханистов. Сердце могло рассматриваться как насос, а движение жидкости осуществлялось как движение неодушевленной жидкости. Если предположение верно, то где это движе­ние может остановиться? Не может ли остаток живого организма быть просто сетью сложных и переплетенных механических систем? Наи­более важный философ века француз Рене Декарт (1596—1650) был привлечен мнением о теле как о механическом устройстве. Каса­тельно человека, по крайней мере, такая точ­ка зрения была опасно направлена против принятых верований, и Декарт позаботился о том, чтобы уточнить: человек — машина не в отношении разума и души, но только в от­ношении физической структуры, подобной животной. В отношении разума и души он ос­тавался виталистом. Декарт сделал предполо­жение, что взаимодействие между телом и ра­зумом-душой осуществляется через маленький обрывок ткани, дополняющий мозг, — шиш­ковидную железу. Он был соблазнен верова­нием, будто чувствует только человек, облада­ющий шишковидной железой. Вскоре было доказано, что дело обстоит не так. Действительно, у некоторых примитивных рептилий шишковидная железа развита намного лучше, чем у человека. Теории Декарта, хотя, воз­можно, и неправильны в деталях, все же были очень влиятельны, и отсутствовали физиоло­ги, которые пытались разбить механистичес­кую точку зрения на маленькие разработан­ные детали. Поэтому итальянский физиолог Джованни Альфонсо Борелли (1608—1679) в книге, появившейся после его смерти, рас­сматривает мускульное действие из комбина­ции мускулов и костей как систему рычагов. Это доказало свою пользу, и закон рычага вы­полняется для рычагов, сделанных из кости и мускулов. Борелли старался применять по­добные механические принципы для других органов, таких, как легкие и желудок, но здесь успех ему изменил.

Начало биохимии

Естественно, человеческое тело можно рассматривать как машину, без необходимо­сти представлять ее себе как систему рыча­гов и приспособлений. Имеются методы ре­шения таких задач при чисто физическом ^единении компонентов. Например, хими­ческое взаимодействие. Дыра может быть пробита в куске металла при помощи молотка и гвоздя, но ее также можно проделать при помощи кислоты. Первые химические эксперименты на живых организмах провел фламандский алхимик Ян Батист ван Хельмонт (1577 — 1644). Ван Хельмонт выращи­вал деревья во взвешенном количестве по­чвы и показал, что на протяжении пяти лет, в течение которых он добавлял только воду, дерево приобрело 74 килограмма веса, в то время как почва потеряла только 60 грам­мов. Из этого он сделал вывод, что дерево не производит свою субстанцию из почвы (что правильно), а производит эту субстан­цию из воды (что неправильно, по крайней мере, отчасти). Ван Хельмонт не принял в расчет воздух и при этом, по иронии судьбы, был первым, кто начал изучать газооб­разные субстанции. Он изобрел слово «газ» j и открыл газ, который назвал «дух дерева» и который, как выяснилось позже, был ди­оксидом углерода. Именно этот газ, как те­перь известно, и есть главный источник суб­станции в растениях. Ван Хельмонт первым начал изучать химию живых организмов (биохимию, как мы сейчас ее называем). Первым энтузиастом был Франц де ла Бое (1614 — 1672), известный под латинизиро­ванным именем Францискус Сильвиус. Он выносил концепцию тела как химического устройства. Он чувствовал, что пищеваре­ние — химический процесс и подобно процес­сам ферментации. В этом, как выяснилось, он был прав. Ученый предположил, что здо­ровье тела, зависит от соответствующего ба­ланса между его химическими компонентами. В этом также были, элементы правды, хотя состояние знаний во времена Сильвиуса было слишком примитивным, чтобы позволить что-либо большее, чем начало прогресса в этом направлении. Сильвиус только и смог предположить, что болезнь отражает избы­ток или недостаток кислоты в организме.

Микроскоп

Слабость теории Гарвея о циркуляции заключалась в том, что он не был уверен, встречаются ли артерии и вены, а сумел только предположить, что соединения суще­ствуют, но слишком малы, чтобы быть ви­димыми. Ко времени его смерти вопрос был по-прежнему не решен и мог остаться тако­вым навсегда, если бы человечество не пре­кратило пользоваться невооруженным гла­зом. К счастью, этого не произошло. Уже древние знали, что искривленные зеркала и пустотелые стеклянные сферы, заполненные водой, обладают усиливающим эффектом. В начале XVII в. люди начали эксперимен­тировать с линзами, чтобы усилить увели­чение насколько возможно. В этом они вдохновлялись большими успехами других линзовых инструментов, в частности теле­скопа, который использовал в астрономи­ческих целях Галилео в 1609 г. Постепенно Увеличивающие инструменты — микроско­пы (от греческих слов «видеть малое») получили широкое применение. В первый раз наука биология была расширена при помощи прибора, дающего человеческому разуму возможность постигать явления, лежащие за пределами человеческого зрения.

Микроскоп позволил натуралистам опи­сывать маленькие создания в деталях, недо­ступных без него, а анатомам — обнаружить структуры, которые невозможно увидеть другим способом. Датский натуралист Ян Сваммердам (1637 — 1680) провел много вре­мени, наблюдая насекомых под микроскопом и делая прекрасные рисунки крохотных де­талей их анатомии. Он также открыл, что кровь не представляет собой однородной красной жидкости, но содержит множество крохотных частиц, которые и придают ей ее цвет. (Мы теперь называем эти частицы красными кровяными тельцами.) Англий­ский ботаник Неемия Грю (1641-1712) изу­чал под микроскопом растения и, в особен­ности, органы воспроизводства растений. Он описал индивидуальные крупинки пыльцы, которые эти растения производят. Датский анатом Ренье де Грааф (1641 — 1673) выпол­нил аналогичную работу, но предметом его исследований стали животные. Он изучил тонкую структуру семенников и яичников. Особое внимание он уделял определенным малым, но важным структурам, которые те­перь называются фолликулами Граафа. Бо­лее интересным, чем любое из этих откры­тий, было открытие итальянского физиолога Марчелло Мальпиги (1628-1694). Он так­же изучал растения и насекомых, но среди ранних его работ было изучение легких ля­гушки. В них он обнаружил комплексную сеть кровеносных сосудов, слишком малых, чтобы быть видимыми невооруженным гла­зом, которые где-то соединялись. Когда он проследил эти маленькие сосуды до места их соединения в сосуды большие, оказалось, что в одном направлении они являются ве­нами, а в другом — артериями. Артерии и вены, следовательно, действительно соединя­ются в сосуды, слишком малые для того, чтобы быть видимыми человеческим глазом, как предположил Гарвей. Эти микроскопи­ческие сосуды были названы «капиллярами» (от латинского «волосоподобный», хотя фак­тически они много тоньше волоса). Это от­крытие, впервые сделанное в 1660 г., три года спустя после смерти Гарвея, завершило теорию циркуляции крови.

Человеком, реально практиковавшим микро­скопические исследования, был не Мальпиги, который ввел микроскоп в практику, а голланд­ский торговец Антони ван Левенгук (1632 — 1723), для которого микроскопия была просто хобби, но хобби, поглощавшее все его время. Ранние микроскописты, включая Мальпиги, использовали системы линз, которые давали большее увеличение, чем одинарные линзы. Однако линзы, которые они использовали, были несовершенными, обладающими поверх­ностными дефектами и внутренними изъяна­ми- При попытке добиться слишком большого Увеличения детали росли, делаясь нечеткими. Но ван Левенгук использовал одинарные лин­зы, построенные из маленьких кусочков стек­ла, не имеющего изъянов. Линзы в некоторых случаях были не больше булавочной головки, но они, верно, служили научным целям Левенгука. Он смотрел на все через свои линзы и был способен описать корпускулы и капилляры более детально, чем первоначальные исследо­ватели. Ван Левенгук видел кровь, движущу­юся через капилляры в теле головастика, что фактически подтверждает теорию Гарвея в действии. Один из его ассистентов впервые увидел сперматозоиды, крохотные головастикоподобные тельца, в мужском семени.

Самым пугающим из всех прочих было его открытие в застойной воде из канавы, на ко­торую он глядел через свои линзы, крохотных созданий, невидимых невооруженным гла­зом, имеющих все атрибуты жизни. Эти суще­ства подобны животным (теперь они известны как protozoa, или простейшие — от греческо­го слова, означающего «первые животные»). Таким образом, начинает казаться, что не только существуют объекты слишком малые, чтобы быть видимыми невооруженным гла­зом, но есть еще и живые объекты этого сор­та. Широкая новая территория открылась для биологии в целом перед изумленным взглядом человека, и родилась микробиология — изу­чение организмов слишком малых, чтобы быть видимыми.

В 1763 г. ван Левенгук заметил беглые проблески творений еще меньших, чем простейшие. Его описания были неясны, но он был первым в истории, кто увидел объекты, которые позже стали называть бактериями.

Последним значимым открытием эры ван Левенгука стало обнаружение английским ученым Робертом Хуком (1635 — 1703) расти­тельных клеток в пробковой ткани. Роберт Хук был заворожен работой с микроскопом и в 1665 г. опубликовал книгу «Микрогра­фия», в которой сделал замечательные ри­сунки по своим наблюдениям. Термин «клет­ка» был впервые введен именно им.