25. Мы и медицина – эволюция в кабинете врача
Мой отец и его приятель Фил в детстве были образцовыми бойскаутами. Оба они могли разжечь костер в дождь. С завязанными глазами они вязали узлы, о которых большинство из нас даже никогда не слышали. Когда я был еще маленьким, у жены Фила обнаружили рак кожи; ее лицо ужасно опухло. Все его практические таланты были бесполезны в борьбе с этой болезнью. Как и все таланты медицины. Жена Фила была убежденным последователем движения церкви саентологии и считала, что любой недуг можно преодолеть с помощью божественной силы. Она отказалась от лечения, опухоль дала метастазы, и она умерла. Это был огромный удар для всех; ее смерть разбила сердце Филу, моему отцу, моей маме. Все думали о том, что злокачественную опухоль можно было удалить, и тогда жена Фила, возможно, прожила бы еще не одно десятилетие. В последнее время разрыв между тем, что могут врачи, и тем, что могла жена Фила, только увеличился. Медицинские методы лечения значительно улучшились, и одной из основных причин тому являются эволюционные исследования.
Это очень важный аспект эволюции, и многие люди его не ценят. Эволюционная наука – это не только наука об истории жизни. Это исследовательская программа с совершенно конкретными, осязаемыми результатами. Она задает направление развитию современной медицины. Например, мы установили, что рак эволюционирует. Раковые клетки могут мутировать в теле пациента, и в результате злокачественные клетки начинают искать новые способы, чтобы получить доступ к запасам крови и стать устойчивыми к нашим противоопухолевым препаратам. Придя к пониманию нашего общего происхождения, мы стали использовать для лечения людей гормоны других животных – такие как инсулин, полученный от свиней. Ученые-медики каждое лето разрабатывают новые вакцины, предвидя развитие и мутации вируса гриппа, возвращающегося каждую осень. Все эти взаимосвязи продолжают работать дальше и дальше.
На протяжении тысячелетий люди в той или иной форме практиковали медицину. Африканские племена просверливали отверстия в черепе для снижения внутри-мозгового давления. Исконные народности Северной Америки разрабатывали болеутоляющие средства. Люди по всему миру придумывали техники лечения и заживления сломанных костей. Все это – следствие обладания мозгом, достаточным для того, чтобы осознать причины и последствия на примере наших собственных человеческих органов. И все же лекарства, которые мы используем сегодня, фундаментально отличаются от тех способов, которыми люди боролись с заболеваниями и травмами на протяжении большей части нашей истории на Земле.
Разница в том, что сегодняшние врачи могут опираться на предсказания на основе нашего понимания эволюции. Как вам скажет любой биолог, живые организмы на нашей планете обладают огромным количеством схожих особенностей. Мы все состоим из клеток. Для каждого из нас имеется инструкция по сборке, и хранится она практически в каждой из наших клеток – у всех нас есть ДНК. Мы размножаемся по всему миру и среди других живых существ. Во время нашего размножения крошечные изменения переходят в каждое последующее поколение. Современные лекарства и вакцины возможны именно из-за этих знаний.
Недавно эволюционный аспект медицины проявил себя по-новому. Врачи стали смотреть на эволюцию не только как на внешний фактор, влияющий на человеческое здоровье, но также как на внутренний. Каждого человека они теперь рассматривают как ходячую, развивающуюся экосистему. Вы-то наверняка не думаете о себе как об экосистеме. По крайней мере, пока.
Большинство живых существ на этой планете состоят из одной клетки, даже не имеющей ядра. Большая часть землян – микроорганизмы. Скорее всего, вы без труда с этим согласитесь. Теперь представьте себе, что большая часть клеток вашего организма – микроорганизмы. Их количество превышает число клеток вашего тела почти в 10 раз. Эти микробы живут, усваивают химические вещества, производят химические отходы и взаимодействуют друг с другом. Их совокупность называют микробиомом. И вы – его экосистема. С ума сойти!
Когда мы появляемся на свет, у нас на борту нет ни одного из этих микроорганизмов. У детей нет микробиома, поскольку система комплексной биологической активности в их желудочно-кишечном тракте пока отсутствует. Они получают микробиом от своих родителей. Обнимашки, поцелуйчики и грудное вскармливание прокладывают бесчисленным бактериям путь в животик младенца, где те потом живут и размножаются на протяжении всей жизни этого нового человека. Эта экосистема или микробиом сосуществует с нами параллельно в нашем желудочно-кишечном тракте. Мы зависим от него. Большая часть пищи, которую мы едим, перерабатывается этими бактериями. Если с нашим микробиомом что-то не так, то в кишечнике начинаются проблемы.
У меня есть подозрение (не очень хорошее), что все мои читатели в свое время тяжело болели. Продукты жизнедеятельности многих видов бактерий токсичны. Наши тела имеют системы, направленные на выявление и вытеснение отравляющих токсинов: например, когда нас тошнит – это один из этих процессов, который обычно, но не всегда, помогает. Бактерии до сих пор существуют, потому они могли распространяться самостоятельно. Любая извергнутая из организма жидкость, содержащая бактерии, способствует распространению бактериального материала. Сейчас это кажется очевидным, но на самом деле это довольно недавнее открытие. Даже 150 лет назад, во времена Дарвина, люди все еще не верили в то, что микроорганизмы могут вызывать болезни или даже убивать. Биологи открыли микробиом лишь в последние пару десятилетий. Они до сих пор ищут ответ на вопрос, как микробы в нашем теле помогают нам оставаться здоровыми и сытыми. Микробиом человека может быть верным помощником в контролировании веса и борьбе с ожирением.
Открытие иммунных реакций и микробов буквально перевернуло мир. Исследование процесса, с помощью которого все эти микробы появились, позволило нам использовать пользу из хороших микроорганизмов и бороться с плохими. Рассмотрим следующий пример: мы разработали десятки антибактериальных препаратов. Их молекулы ломают или прокалывают стенки клеток и мембраны бактериальных патогенов. Но поскольку бактерии постоянно размножаются, они также постоянно мутируют и развивают новые средства защиты. Пройдя через фильтр выживания наиболее приспособленных, многие бактерии в окружающей нас среде обрели такую устойчивость, что сегодня их невозможно остановить антибиотиками, которые эффективно работали всего несколько лет назад. Если мы хотим продолжать жить здоровой жизнью, нам придется придумывать новые способы борьбы с бактериями. Это потребует глубокого понимания того, что происходит в мире бактерий. Вы, конечно, не удивитесь, узнав, что это напрямую связано с эволюцией. Подробнее об этом я расскажу в следующей главе.
Нашу планету заселяет совершенно невообразимое количество бактерий. По самым разумным подсчетам, их на планете около миллион триллион триллиона, или 1030 (десяти в тридцатой степени). На Земле больше бактерий, чем видимых глазу звезд во Вселенной. Как и любое другое живое существо, бактерии используют для питания те же самые химические вещества. Следовательно, они конкурируют между собой. И делают это, как сумасшедшие. Ради этого они борются друг с другом, но только не копьями и камнями, а ядами. Бактерии производят яды, чтобы убивать или жестко подавлять другие бактерии. По давней словообразовательной традиции эти токсины называются «бактериоцины». Они способны «разрезать» бактерии. Существует бактериоцин, характерный для кишечной палочки (E. coli), который слывет под названием «колицин». Улавливаете? Бактерио-цин, коли-цин. Составление подобных слов – очень популярное занятие у биологов.
В общем, все известные антибиотики – это токсины или химические ингибиторы, производимые другими типами организмов. Пенициллин, например, берет свое начало от гриба, который лишь незначительно отличается от бактерии. Каким-то образом Penicilliumnotatum случайно приобрел комбинации химических веществ, которые способны разрушать клеточные стенки очень многих бактерий, что позволяет грибу продвигать свои гифы (это такие грибные усики), не подвергаясь атаке, ну или, по меньшей мере, успешно отражая ее. Гриб отличается от бактерии и потому может нести в себе антибиотик – в данном случае разрушающие клеточные стенки химикаты. Но если вы – одноклеточная бактерия, вырабатывающая в пределах ваших клеточных мембран и стенок химическое вещество, которое способно бесконтрольно разрушать мембраны и стенки других тесно связанных с вами бактерий, то все несколько сложнее.
Миллиард миллиардов раз бактерии размножались и размножались, пока внезапно не столкнулись с химическими веществами-бактериоцинами, которые нападают на другие бактерии с помощью белков, специально сформированных и нацеленных на разрушение клеточной стенки только одного или нескольких других видов бактерий. Эти белки не нападают на клеточные стенки бактерии, которая их создала… иначе это бы не работало. Белок в данном случае является рабочей лошадкой, создаваемой живыми существами; химические свойства белков отчасти зависят от формы самой молекулы. Дело не только в том, что в молекулах белка может находиться атом азота, который может связываться с атомом кислорода. Дело еще и в том, что белок имеет или несет в себе эти атомы таким образом, что они вступают в реакцию только с теми молекулами, которые сами способны взаимодействовать с ними; эти белки подходят к ним словно ключ к замку.
Говоря о том, что бактерии не могли делать того, а делали что-то другое, следует понимать, что в данном случае выбора как такового у бактерий нет. Бактерия производит белок – всевозможные виды белка. Это те молекулы, которые придают форму и создают структуру таких составляющих вашего организма, как кости, кожа и волосы. Если бактерия случайно выработает белок, который сможет расщепить стенки ее же собственной клетки, тогда этот организм погибнет. Белок, вырабатываемый миллиардами поколений на протяжении миллионов лет, в результате начинает работать как бактериоцин; он разрушает или убивает другие бактерии, правда только бактерии определенного типа.
Узнав об этой замечательной особенности многих бактерий, ученые занялись созданием бактериоциновых препаратов, подобных антибиотикам, которые борются только с одним конкретным типом бактерии. Предположим, что вы заболели и возбудителем вашей болезни стала какая-то несчастная стафилококковая инфекция, при этом конкретный штамм стафилококка был известен уже достаточно долгое время. Его бактериальные предки сталкивались с человеческим антибиотиком на протяжении десятилетий, и в результате этот потомок штамма, с которым борется ваш организм, стал устойчив или практически не восприимчив к действию разрушительного для стенок клетки пенициллина, эритромицина или что там у вас еще есть в аптечке.
Ваше состояние будет ухудшаться. Бактерии будут производить так много токсинов, что вы просто будете не в состоянии их побороть. И тогда ученые возьмут образцы этого штамма стафилококка, например, у вас изо рта. Затем они размножат конкретный тип бактерии, которая в свое время смогла выработать конкретный тип бактериоцина, которому в свое время довелось убить штамм бактерии, в этот раз поразившей вас. Такие организации, как Центры по контролю и профилактике заболеваний США, в свою очередь занимаются размножением групп тесно связанных между собой бактерий, вырабатывающих бактериоцины, либо сами синтезируют бактериоцины, делая их самостоятельным препаратом, который можно принимать так же просто, как стакан апельсинового сока по утрам. Бактериоцины начнут вырабатываться внутри вас либо с помощью специального штамма антистафилококковой бактерии, либо посредством самого бактериоцина, и вы быстро пойдете на поправку.
Такой вид эволюционной атаки звучит весьма увлекательно, но этот вариант работает лишь тогда, когда мы можем определить конкретный тип бактерии и выделить бактериоцин, способный разрушить ее клеточные стенки. Исследователи в южной части России занимались этим в течение многих лет. Наряду с противодействием инфекционным заболеваниям с помощью бактериоцинов, их исследования касались лечения кожных инфекций. Определяя тип бактерии, заразившей пациента, ученые находили подходящую бактерию, способную вырабатывать достаточное количество бактериоцинового белка для уничтожения заразного штамма.
Будущее, которое делает эту технологию доступной для всех нас, будет поистине светлым и безоблачным. Такое достижение могло бы стать жизнеутверждающим результатом нашего понимания эволюции, а также следствием многих исторических шагов, которые привели нас к этому моменту. Первые ученые, среди которых был Антон ван Левенгук, голландский микроскопист XVII века, произвели открытие микромира нашей планеты. Позже другие ученые обнаружили, что нашу иммунную систему можно тренировать или учить бороться с конкретными заболеваниями, которым подвержен наш организм. Затем ученые определили конкретные виды бактерий и конкретные вирусы. Еще позже ученые обнаружили химические вещества или молекулы, которые разрушают стенки клеток и мембраны некоторых бактерий. Потом ученые обратили внимание, что бактерии борются друг с другом. Давайте для примера спустимся в ваш кишечник: здесь три различных типа кишечной палочки Escherichiacoli в постоянном режиме борются друг с другом с помощью специальных бактериоцинов. Наверное, именно это имеют в виду исследователи, когда говорят о «карликах, стоящих на плечах гигантов». Наука – это удивительно кумулятивный процесс.
На протяжении примерно двух сотен лет люди использовали животных, чтобы проверить на них действие лекарств и медицинских процедур. Вы, возможно, слышали о резус-факторе в крови. Термин происходит от макаки-резуса, у которой был обнаружен и исследован этот фактор. Вы можете переживать или, наоборот, быть благодарными за тестирование средств для макияжа глаз на кроликах до появления продукта на рынке. Вы, возможно, знаете о том, что лабораторных мышей накачивают пищевыми добавками или сигаретным дымом для проверки их побочных эффектов. Вы наверняка использовали термин подопытный кролик для описания тех, кто первым отправляется на процедуру, исход которой пока неясен.
Все эти подопытные животные используются для того, чтобы увидеть, что произойдет с нами, если поместить нас в ту же ситуацию; и все потому, что на клеточном уровне люди и обезьяны, свиньи и мыши очень похожи по своей конструкции или структуре. Почти вся биохимия у нас общая. У всех у нас есть ДНК, и она почти одинаковая. Совпадение ДНК с макакой-резусом у нас составляет 93 %. С мышами мы близки на 90 %. Просто задумайтесь о потенциальных последствиях этих цифр. Будь вы зародыш, вы легко могли бы перейти от одного вида к другому. Вот почему мы так переживаем о птичьем или свином гриппе. Либо же, наоборот, 10 % может быть достаточно для того, чтобы снять вопрос об инфекциях, которым мы подвержены. В любом случае наши ученые могут использовать наши знания о мутации и естественном отборе для определения той доли, что является общей для нас и этих животных.
Каждый житель развитых стран получает прямую выгоду от медицинских тестов, проводимых на этих животных. Это еще одно научное достижение, основанное на эволюции.
На самом деле мы только начинаем понимать, как можно бороться против болезней. Просто представьте, как много мы не знаем о бактериях и их взаимодействии. На каждом этапе этого процесса познания мы использовали научные методы: наблюдение. Предположение. Предсказание. Эксперимент. Сравните то, что вы ожидали, с тем, что произошло на самом деле. Такая строгая форма научного метода, где очень точные эксперименты проводятся в тщательно контролируемых условиях, на самом деле заимствована из медицины. Для того чтобы наблюдать и устранять последствия действий микробов, необходимо наблюдать за ними очень внимательно, ибо мы не можем просто отделить их и посмотреть на них в микроскоп. В свое время эволюционная теория пожинала плоды медицины, теперь же сама медицина пожинает плоды эволюционной теории.
Глядя на этот особенный род человеческой деятельности, я искренне поражаюсь тому, как усердно ученые бились над изоляцией оспы, бешенства, эпидемического паротита, кори, коклюша и краснухи. Можно сказать, что мы просто везунчики, которым несмотря ни на что все-таки удалось выжить. Но дело тут не в везении. Дело в стратегии, в науке. Вы сейчас находитесь здесь, потому что большое количество людей по всему миру на протяжении веков изо всех сил работали, пытаясь понять, как на самом деле устроен мир природы.
