Взламывая биологию

Кровоснабжение

В 1628 г. Уильям Гарвей опубликовал одну из наиболее важных работ в истории науки. В ней описывалась циркуляция крови по организму и была исправлена ошибка древности.

Гален, влиятельный древнеримский врач, живший во II в., был убежден, что кровь образуется в печени из пищи. Затем кровь поступает в вены, распространяется по всем частям тела и трансформируется в новые ткани или обеспечивает питанием уже существующие. Врач полагал, что запас крови постоянно восполняется, так как тело потребляет ее. Такое ви́дение сохранялось в течение последующих 1500 лет. Гарвей нашел подобный подход несостоятельным, особенно когда подсчитал, что в этом случае человек должен был бы производить 250 литров крови в час! В 1628 г. он опубликовал «Анатомическое исследование о движении сердца и крови у животных», описывавшее циркуляцию крови по организму.

У млекопитающих и людей сложная система кровообращения. Первый круг кровообращения несет кровь от сердца по артериям (обозначены серым) и затем обратно по венам (показаны черным). По второму, малому кругу кровь проходит через легкие. Так происходит обмен газами – кислород поступает в кровь, а углекислый газ покидает ее.

Гален учил о пневме как о фундаментальном элементе жизни. «Физическая пневма» располагается в мозге и связана с чувствами и движениями; «жизненная пневма» содержится в сердце, регулируя температуру тела; еще одна «физическая пневма» находится в печени и контролирует питание и обмен веществ.

Согласно ранним представлениям о неврологии, дух течет через пустоты в мозге.

Путь к открытию

До XVII в. считалось, что в организме существуют две отдельные системы для транспортировки крови. Первая состоит из вен, распространяющих насыщенную питательными веществами пурпурную кровь от печени по всему телу. Вторая система несет алую кровь по артериям и распределяет жизненную пневму, которая, как говорили, была дыханием жизни, входящим в тело через легкие.

Уильям Гарвей изучал медицину в Падуанском университете в Италии и занимался у ученого и хирурга Иеронима Фабриция. Фабриций обнаружил, что вены в теле человека имеют одноходовые клапаны, но не мог понять, почему это так. Ученым, объяснившим роль клапанов в движении крови по организму, стал Гарвей.

Получив медицинскую степень, в 1602 г. Гарвей вернулся в Англию. Он имел большой успех и впоследствии стал придворным врачом сначала Якова I, а затем и Карла I. Наряду с медицинской практикой Гарвей продолжал свои исследования. Он был убежденным и увлеченным экспериментатором – проводил вскрытия животных различных видов ради изучения их сердца и кровеносных сосудов.

Джованни Альфонсо Борелли преподавал в частной анатомической лаборатории на дому, и в числе прочих студентов ее посещал Марчелло Мальпиги. Борелли особенно интересовался структурой и функциями мышц и стал одним из основателей ятромеханики, объяснявшей физиологию на основе математики и физики. Его книга «О движении животных» стала одним из первых исследований по физиологии мышц.

Одноходовые клапаны в венах, рассуждал Гарвей, означают, что кровь по этим сосудам может течь только к сердцу, а не от него. Это был важный шаг к пониманию кровоснабжения. Врач показал, что если перекрыть артерию, ее часть, ближайшая к сердцу, заполнится кровью и начнет расширяться. Если сделать то же самое с веной, набухнет часть, расположенная дальше от сердца.

Кроме того, Гарвей вычислил, что объем крови, проходящей через сердце в течение дня, превышает по весу объем пищи, ежедневно потребляемый организмом. По его оценкам, объем крови, который сердце перекачивает за час, в три раза больше веса человека. Гарвею казалось невероятным, чтобы запас крови восполнялся. Вероятно, кровь одна и та же и идет непрекращающимся потоком через весь организм, от сердца по артериям, затем по венам и обратно к сердцу.

Когда Гарвей опубликовал результаты исследований, он столкнулся с насмешками и издевками, потому что осмелился подвергнуть сомнению учение великого Галена, которому врачи следовали веками. Но к концу жизни Гарвея его идеи получили широкое признание. Единственным пробелом в его аргументации было то, что он не смог объяснить, как кровь попадает из артерий в вены. Гарвей верно предположил, что для этого существуют сосуды, которые слишком мелки, невидимы невооруженным глазом. Всего через четыре года после смерти ученого его правоту подтвердил Марчелло Мальпиги, обнаруживший капилляры при помощи нового изобретения – микроскопа.

Открытие Гарвея основывалось на аккуратных и продуманных экспериментах и вскрытиях животных и людей. Здесь ученый исследует тело Томаса Парра – мужчины, который заявлял перед смертью, что ему 152 года. В результате Гарвей заключил, что Парру не более 70 лет.

Метаболизм

Метаболизм – это сумма всех химических реакций, необходимых для поддержания жизни. Термин происходит от греческого слова μεταβολή, означающего «превращение». Изучение метаболизма началось 400 лет назад с долгого и зловонного опыта Санторио Санторио.

Санторио Санторио, которого запомнили только по первому его имени (хотя разницы и нет), стал врачом в 21 год. Он практиковал в Венеции, где общался с великим физиком Галилео Галилеем. Самый знаменитый опыт Санторио был посвящен весу тела. Врач спроектировал передвижную платформу, подвешенную к рычагу для больших весов. Сидя на платформе, Санторио принимал пищу и записывал изменения своего веса. Если он оставался на платформе, он видел, как его вес постепенно вновь снижался. Врач взвешивал свои твердые и жидкие отходы и выяснил, что на потерю веса они вовсе не влияют. После 30 лет непрерывных опытов Санторио подтвердил, что общий вес его видимых испражнений меньше объема вещества, которое он поглотил. Он пришел к выводу, что различия возникают из-за «невидимого испарения».

Санторио садится на стул для взвешивания, чтобы с наслаждением поесть. Он прославился, сделав 32 000 замеров – по три в день в течение 30 лет.

Санторио считается изобретателем термоскопа, хотя некоторые утверждают, что придумал его Галилео Галилей. Термоскоп – это простое устройство, показывающее изменение температуры. Вода помещалась в стеклянную трубку и, расширяясь или сжимаясь при перепадах температуры, поднималась или опускалась. Мы знаем, что Санторио первым дополнил термоскоп шкалой с цифрами, сделав из него более полезный инструмент.

Построить и сломать

Изначально о неощутимом, или невыявляемом, испарении говорил Гален, но Санторио первым попытался измерить его. Его книга по данному предмету, «О медицине равновесия», принесла ему славу и стала первым системным исследованием метаболизма. Эксперимент Санторио доказывает, что пища обеспечивает тело энергией, хотя врач не обладал современными знаниями. Энергия превращает содержимое пищи в новые ткани и поддерживает жизненные процессы. В ХХ в. биохимики показали, что метаболизм – это последовательность реакций, и в каждой клетке под чутким контролем течет несколько тысяч таких реакций. Итогом, говоря общо, являются два процесса. Катаболизм расщепляет вещество, возможно, чтобы высвободить накопленную энергию или забрать ее из клетки. Анаболизм выстраивает новый материал и нужен для роста и поддержания жизнедеятельности.