Краткая история биологии - Айзек Азимов

Работая с культурой стафилококка, Флеминг случайно оставил ее на несколько дней открытой. Он уже совсем собирался ее выбросить, когда заметил, что туда попали споры плесени и вокруг каждой плесневой колонии стафилококковые бактерии отсутствуют.

Флеминг выделил эту плесень и отнес ее к виду Penicillium notatum, близкому к обычной плесени, которая часто появляется на черством хлебе. Ученый пришел к выводу, что плесень выделяет какое-то вещество, угнетающее рост бактерий, и назвал это вещество пенициллином. На основе тщательного изучения он показал, что пенициллин воздействует на одни бактерии и не влияет на другие, абсолютно безвреден для лейкоцитов и, по-видимому, для других клеток человеческого организма. Дальше этих выводов Флеминг не пошел[6].

Открытие Дюбо возродило интерес к антибиотикам, одним из представителей которых был пенициллин. Кроме того, начавшаяся вторая мировая война настоятельно требовала эффективных средств для борьбы с раневыми инфекциями. Именно поэтому английский патолог Говард Уолтер Флори (род. в 1898 г.) совместно с английским биохимиком Эрнстом Чейном (род. в 1906 г.) пытался разрешить проблему выделения пенициллина, определить его структуру и найти промышленные способы его получения. К концу войны оба эти ученые возглавили большую группу исследователей и добились блестящих успехов. Пенициллин стал и посейчас остается самым популярным лекарством в борьбе с инфекционными заболеваниями.

Послевоенные исследования привели к открытию и других антибиотиков. Так, американский бактериолог Соломон Ваксман (род. в 1888 г.), которому принадлежит термин «антибиотик», столь же систематически исследовал почвенные микробы, как в свое время Эрлих — синтетические вещества. В 1943 г. ему удалось выделить антибиотик, оказавшийся эффективным против тех бактерий, на которые не действовал пенициллин. Через два года этот антибиотик поступил в широкую продажу под названием стрептомицина.

В начале 50-х годов были открыты антибиотики широкого спектра действия (то есть подавляющие развитие многих видов бактерий), группа тетрациклинов — ауреомицин, террамицин, тетрациклин.

С появлением антибиотиков борьба против бактериальных заболеваний достигла таких успехов, которые каких-нибудь два-три десятилетия назад казались невероятными. А между тем будущее не сулит радужных перспектив. В результате естественного отбора выживают только те штаммы бактерий, которые имеют естественную устойчивость к антибиотикам. Поэтому со временем отдельные антибиотики теряют свою эффективность. Несомненно, в дальнейшем будут открыты новые антибиотики, однако о полной победе пока говорить не приходится, да, возможно, ее и не будет.

Химиотерапевтические средства, как правило, не действуют на вирусы. Последние размножаются внутри живой клетки; чтобы уничтожить их химическим воздействием, придется уничтожить саму клетку. Однако успеха можно добиться, уничтожая многоклеточных живых существ — носителей патогенного для человека вируса.

Так, вирус сыпного тифа переносит платяная вошь, от которой гораздо труднее избавиться, чем, скажем, от свободно живущего комара. Тиф — чрезвычайно опасная болезнь: на фронтах первой мировой войны от эпидемии сыпного тифа нередко гибло больше солдат, чем от вражеской артиллерии.

1935 г. швейцарский химик Пауль Мюллер (род. в 1899 г.) приступил к поискам органических соединений, способных быстро уничтожать насекомых, не угрожая жизни других животных. В сентябре 1939 г. он окончательно установил, что для этой цели лучше всего подходит 4,4-дихлордифенилтрихлорэтан (сокращенно ДДТ), впервые синтезированный в 1874 г. В 1942 г. началось промышленное производство ДДТ, а уже через год этот препарат использовали во время эпидемии сыпного тифа в Неаполе (эпидемия вспыхнула вскоре после оккупации города англо-американскими войсками). В результате применения нового препарата насекомые погибли, и впервые в истории эпидемия тифа была быстро ликвидирована. Аналогичная картина наблюдалась в конце 1945 г. в Японии.

После второй мировой войны ДДТ и другие органические инсектициды стали применяться не только с целью предотвращения эпидемий, но и для спасения урожая от насекомых. Вскоре вещества, уничтожающие сорняки и насекомых, были объединены в группу пестицидов. Следует, однако, отметить, что, по мере того как у насекомых вырабатывается устойчивость к химическим препаратам, пестициды теряют свою эффективность. Более того, в результате беспорядочного использования пестицидов уничтожаются огромные количества безвредных для человека организмов и тем самым нарушается равновесие в природе. Следовательно, излишнее увлечение пестицидами может принести больше вреда, чем пользы.

Это весьма серьезная проблема. Учение о взаимосвязи живых организмов с окружающей средой и друг с другом (экология) является областью биологии, где слишком много нерешенных проблем. В погоне за кратковременной выгодой человечество меняет окружающую среду, но кто знает, возможно, даже незначительные на первый взгляд изменения в конечном итоге приведут к необратимым потерям.

Продукты промежуточного обмена

Различные химические агенты, действуя на насекомых, сорняки и микробы, нарушают их обмен веществ, иными словами, осуществляют в организме «диверсию» в отношении его химических механизмов. Поиски таких агентов становятся все более эффективными, по мере того как проясняется вопрос о характере процесса обмена веществ.

В этом отношении нельзя пройти мимо заслуг английского биохимика Артура Хардена (1865–1940), который занимался ферментами дрожжевой вытяжки (напомним: Бухнеру удалось доказать, что эта вытяжка не менее активно расщепляет сахара, чем сами дрожжевые клетки). Еще в начале нынешнего столетия (1905) Харден обратил внимание, что дрожжевой экстракт вызывает бурный распад сахара и выделение углекислоты, причем активность процесса со временем снижается. На первый взгляд могло показаться, что эта реакция связана с истощением ферментов в экстракте, но добавлением в раствор небольшого количества фосфата натрия (простое неорганическое соединение) Хардену удалось активизировать действие фермента.

Концентрация неорганического фосфата в процессе ферментативной реакции падает, поэтому Харден стал искать в растворе какое-нибудь органическое соединение фосфора, возникающее, как он полагал, из неорганического фосфата. Им оказалась молекула сахара с двумя присоединившимися фосфатными группами. Открытие Хардена положило начало изучению промежуточного обмена веществ, поискам многочисленных (иногда очень кратковременных) соединений, которые образуются в процессе химических реакций в тканях организма.

Попробуем вкратце рассказать об основных направлениях этих поисков. Немецкий биохимик Отто Фриц Мейергоф (1884–1951) в опытах, которые он проводил после окончания первой мировой войны, обнаружил, что мышечное сокращение приводит к исчезновению гликогена (разновидность крахмала) и появлению определенного количества молочной кислоты. Характерно, что этот процесс происходит без поглощения кислорода. Во время отдыха мышцы часть молочной кислоты окисляется (при этом для покрытия «кислородной задолженности» поглощается молекулярный кислород), а возникающая таким образом энергия дает возможность большей части молочной кислоты вновь превратиться в гликоген. К аналогичному выводу пришел английский физиолог Арчибалд Вивьен Хилл (род. в 1886 г.), проводя опыты по определению количества тепла, образующегося в момент сокращения мышцы.

В 30-е годы американский биохимик Карл Фердинанд Кори (род. 1896 г.) и его жена Герти Тереза Кори (1896–1957) тщательно изучили детали превращения гликогена в молочную кислоту. Выделив из мышечной ткани неизвестное до того времени соединение — глюкозо-1-фосфат (которое теперь называется эфиром Кори), они показали, что это первый продукт распада гликогена. Супруги Кори проследили превращение глюкозо-1-фосфата в серию промежуточных продуктов и установили место каждого в цепи распада. Оказалось, что одним из промежуточных продуктов и является тот самый фосфат сахара, на который впервые указывал Харден несколько десятилетий назад.

Тот факт, что Харден и Кори в поисках продуктов промежуточного обмена натолкнулись на фосфатсодержащие органические соединения, имеет большое значение. Тем самым была установлена важная роль фосфатной группы во многих механизмах биохимических процессов. Американский биохимик Фриц Альберт Липман (род. в 1899 г.) дал объяснение этому явлению. По его мнению, фосфатная группа может занимать в молекуле одно из двух положений — с низкой энергией и с высокой. Энергия, высвобождаемая при распаде молекул крахмала или жира, используется для превращения низкоэнергетических фосфатов в высокоэнергетические. Так происходит сохранение энергии в удобной организму химической форме. Распад высокоэнергетических фосфатов высвобождает количество энергии, достаточное для осуществления различных химических превращений, идущих с поглощением энергии[7].