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.

Микроскопия продолжала путь через XVIII в., но микроскоп достиг лимита своей эффективности. Лишь в 1773 г., спустя почти сотню лет после открытий ван Левенгука, датский микробиолог Отто Фридрих Мюллер (1730 — 1784) увидел и подробно описал различные по форме бактерии.

Одним из недостатков ранних микроскопов было расщепление в них белого света на разные составляющие. Малые объекты были окружены цветными кругами (явление хроматической аберрации), которые затрудняли рассмотрение деталей. Около 1820 г. были изобретены «ахроматические микроскопы», которые не давали цветных колец. На протяжении XIX в. микроскоп проложил дорогу новым и удивительным областям науки.

Глава 4

КЛАССИФИКАЦИЯ ЖИЗНИ