30 Нобелевских премий: Открытия, изменившие медицину

Научный редактор Александр Минич, канд. мед. наук

Редактор Елена Аверина

Руководитель проекта А. Тарасова

Художественное оформление и макет Ю. Буга

Корректор О. Петрова

Компьютерная верстка М. Поташкин

Иллюстратор И. Горев / www.bangbangstudio.ru

Иллюстрация на обложке Shutterstock.com

© Ольга Шестова, Лев Иноземцев, 2019

© ООО «Альпина нон-фикшн», 2020

Все права защищены. Данная электронная книга предназначена исключительно для частного использования в личных (некоммерческих) целях. Электронная книга, ее части, фрагменты и элементы, включая текст, изображения и иное, не подлежат копированию и любому другому использованию без разрешения правообладателя. В частности, запрещено такое использование, в результате которого электронная книга, ее часть, фрагмент или элемент станут доступными ограниченному или неопределенному кругу лиц, в том числе посредством сети интернет, независимо от того, будет предоставляться доступ за плату или безвозмездно.

Копирование, воспроизведение и иное использование электронной книги, ее частей, фрагментов и элементов, выходящее за пределы частного использования в личных (некоммерческих) целях, без согласия правообладателя является незаконным и влечет уголовную, административную и гражданскую ответственность.

Предисловие

Нобелевская премия: как получить главную научную награду

Базовые знания о медицине нужны любому человеку, который вынужден обращаться к врачам и принимать лекарства, то есть практически каждому из нас. И лучше эти знания получить из источника более надежного, чем интернет, и более увлекательно, чем медицинские справочники. Однако до последнего времени не существовало книги, рассказывающей о том, как в ХХ и ХХI веках совершались важнейшие открытия в области медицины и физиологии и какое влияние эти открытия оказали на жизнь всего человечества.

Самая известная и почетная в мире премия – Нобелевская – ежегодно присуждается за выдающиеся научные исследования, революционные изобретения, крупный вклад в культуру или развитие общества. Однажды одного из авторов этой книги, Ольгу Шестову, награждали за лучший проект года в крупнейшем российском издательстве, где она работала редактором. Во время церемонии директор издательства сравнил ту награду с премией «Оскар». Кандидату медицинских наук Ольге, которая пришла в книгоиздание после того, как долгое время занималась физиологией, пришлось поправить руководство: для нее престижная награда была сравнима в первую очередь с Нобелевской премией.

Нобелевская премия была учреждена в соответствие с завещанием Альфреда Нобеля на его деньги. Шведский ученый, изобретатель, предприниматель и филантроп Альфред Нобель родился в Стокгольме в 1833 году в семье промышленника Эммануила Нобеля младшим из четырех детей. Фамилия Нобель была очень известна в промышленных кругах XIX века. Несколько крупных фирм, созданных братьями Нобель и их отцом, занимались производством взрывчатых веществ и машиностроением. Им принадлежало также нефтеперерабатывающее предприятие в Баку, и в этом городе до сих пор сохранилось много памятных мест, связанных со знаменитыми промышленниками. Семья Нобель много средств отдавала на благотворительность: учреждала стипендии, финансировала научные исследования, а также работу медицинских и культурно-просветительских учреждений.

Альфред Нобель не заканчивал высших учебных заведений, но получил прекрасное домашнее образование. В юности он увлекся химией и техникой, а начиная с 17 лет работал в европейских и американских лабораториях, где изучал химию уже на практике. Нобель был многогранной личностью: знал шесть языков, в том числе и русский, был хорошо знаком с философией, историей и литературой. Ему принадлежат открытия в биологии, химии, оптике, медицине, металлургии – всего более 300 изобретений. Самое известное из них – динамит. Причем Нобель был уверен, что его будут применять исключительно в мирных целях: при строительных работах и в горнодобывающей промышленности.

Изобретения приносили Нобелю приличный доход. Его компании располагались в двух десятках стран, а различные взрывчатые вещества по его патентам производились на сотне фабрик по всему миру. Нобель вел здоровый образ жизни, отказался от курения и алкоголя, азартные игры его никогда не интересовали. Официально женат он не был и детей не имел, так что за свою жизнь предприниматель накопил внушительное состояние. Он владел особняком в Ницце и домом в Париже, большим количеством акций мастерских, фабрик и лабораторий в Финляндии, России, Германии, Италии, Англии. На его счетах лежали огромные суммы денег.

Умер он в 63 года. Это случилось в 1896 году в итальянском Сан-Ремо. А в 1897-м было опубликовано знаменитое завещание Альфреда Нобеля, согласно которому и появилась премия его имени. В завещании инженер Нобель педантично перечислил представителей всех наук и видов деятельности, подлежащих награждению. Упомянул он и то, каких масштабов должны быть их заслуги перед человечеством. Наконец, он назвал источники финансирования, расписал периодичность присуждения премий, в какой пропорции следует распределять вознаграждение, кто выполняет организационные функции, и отдельно указал, что присуждение наград не должно зависеть от национальности лауреатов.

По завещанию Нобеля основная часть его состояния используется для ежегодных наград за открытия и деятельность, принесшие наибольшую пользу человечеству. Премии присуждаются в следующих областях: физика, химия, физиология или медицина, литература, борьба за мир. Все это входило в сферу интересов Нобеля. Физика и химия были близки ему как инженеру и изобретателю. Он уделял внимание медицине, потому что был болен. Он любил читать книги, писал стихи и сочинил пьесу. Нобель был убежденным пацифистом, мечтал об изобретении оружия, настолько мощного, чтобы никто на Земле не решился начать войну из-за опасности уничтожения цивилизации. Похоже, именно эта его мечта сбывается.

Среди нобелевских номинаций нет такой базовой науки, как математика, что, конечно, вызывает удивление. Популярный миф о том, что в молодости Альфред потерпел поражение на любовном фронте из-за соперника-математика, ничем не подтвержден. Возможно, Нобель считал, что ни одно из направлений этой науки не может напрямую применяться на практике – как, например, химия или физиология. Прикладная математика – это вспомогательный инструмент для физики и химии, а «чистая» не приносит конкретной пользы человечеству. Но не будем переживать за математиков: без наград они не остаются и получают вместо Нобелевской другие премии, самая престижная из которых – Филдсовская премия по математике.

По инициативе Банка Швеции с 1969 года присуждается премия по экономическим наукам памяти Альфреда Нобеля. Формально она не относится к Нобелевской премии, потому что выплачивается не из средств, завещанных предпринимателем. Однако организационно она все же связана со знаменитой премией, и ее лауреаты именуются «нобелевскими». В 1900 году для финансирования и организации премий был создан Фонд Нобеля – он и разработал основные правила определения нобелевских лауреатов. Вот они. Премия мира может присуждаться как отдельным лицам, так и организациям, а в остальных номинациях лауреатами могут быть только конкретные люди. За открытия в каждой области выдается только одна награда, но могут поощряться одна или две работы, при этом общее число награжденных должно быть не больше трех. То есть один лауреат может получить от одной трети до целой премии.

В 1974 году было введено правило, по которому Нобелевскую премию нельзя присуждать посмертно. Исключение сделали лишь раз, когда лауреат скончался за несколько часов до церемонии, а Фонд Нобеля не был извещен о происшествии своевременно. Допускались и некоторые другие отступления от «нобелевских» правил. Например, Александр Флеминг открыл пенициллин в 1928 году, а премия ему и его соавторам была присуждена только в 1945 году, после того полученный ими антибиотик спас во время войны десятки тысяч жизней. В наши дни премия все чаще присуждается с задержкой на несколько десятилетий – после того, как жизнь доказывает, а научное сообщество подтверждает практическую значимость открытия.

Организации, которые присуждают награды: Шведская королевская академия наук (премии по физике, химии и экономике), Королевский Каролинский медико-хирургический институт (премия по физиологии или медицине) и Норвежский Нобелевский комитет, назначаемый парламентом Норвегии (премия мира).

При академиях и институте работают нобелевские комитеты, которые играют решающую роль в отборе кандидатов в лауреаты. Каждый комитет состоит из пяти человек, это специалисты из различных областей. Нобелевские комитеты предоставляют право отдельным лицам, среди которых много лауреатов прошлых лет, выдвигать претендентов. Комитеты ежегодно определяют этих «судей».

В каждой номинации может выдвигаться до 300 кандидатов. После тщательной подготовительной работы, в которой участвуют тысячи специалистов, нобелевские комитеты передают свои рекомендации в организации, которые присуждают награды на ассамблеях. Исключение – лауреаты премии мира, которых определяет сам Норвежский Нобелевский комитет. Часто кандидаты получают премию после нескольких выдвижений.

Нобелевская премия состоит из золотой медали, диплома и значительного денежного вознаграждения. На лицевой стороне медали изображен портрет Нобеля, на обратной – композиция, символизирующая ту или иную номинацию, здесь же выгравировано имя лауреата. На медали нобелевскому лауреату в области физиологии или медицины изображена женщина с раскрытой книгой на коленях, которая придерживает больную девочку и собирает для нее льющуюся из камня воду.

Первое вручение Нобелевской премии состоялось в 1901 году. С 1901 по 2019 год во всех номинациях было вручено 597 премий. Всего в мире 943 нобелевских лауреатов, в том числе 24 организации. В области физиологии или медицины этой чести удостоились 219 ученых, общее число наград – 110. Самый пожилой нобелевский лауреат – Артур Эшкин: в 2018 году он получил премию за открытие в физике в возрасте 96 лет. Самый молодой в мире лауреат Малала Юсуфзай: на момент награждения премией мира в 2014 году ей было всего 17 лет.

То, какой стране «принадлежит» награда, определяется официальными документами учредителей премии. Например, российскими нобелевскими лауреатами считают граждан, имевших на момент вручения премии подданство Российской империи, гражданство СССР или Российской Федерации. Так что россияне могут гордиться 16 нобелевскими наградами, которые получил 21 лауреат. В их числе двое ученых с мировым именем в области физиологии и медицины – Иван Петрович Павлов (1904 год) и Илья Ильич Мечников (1908 год).

Существует немало наук, «обделенных» Нобелевской премией: например, география, геофизика, океанология. Возникают новые отрасли науки, которые тоже заслуживают признания и поощрения. Бурное развитие науки привело к тому, что число открытий и достижений «нобелевского уровня» существенно выросло. Поэтому Нобелевская премия приобретает еще большее значение, ведь она формирует научные эталоны, задает ориентиры как прагматического, так и морально-этического характера.

По физиологии или медицине, а именно так звучит точный перевод нобелевской номинации, о которой идет речь в этой книге, вручено на момент ее написания 210 премий 219 лауреатам. Из них мы отобрали 30 – те, которые широко используются, значение которых известно каждому, а суть понятна человеку без специального образования – просто небезразличному к медицине и собственному здоровью. Логику открытий легче проследить, если рассказывать о работах нобелевских лауреатов не в строго хронологическом порядке, а объединив их по темам. Так мы и сделали, распределив открытия по разным главам, посвященным физиологии, генетике, патогенам, медицинским методам, фармакологии… А вот уже внутри глав мы соблюдали хронологию. Поэтому чтение нашей книги можно начать с любой главы – с той темы, которая вам кажется самой интересной.

Ученые, получившие мировое признание, по-разному пришли к своим открытиям. Например, путь Роберта Коха, основоположника немецкой школы бактериологии, начался с того, что жена подарила ему на 28-летие хороший микроскоп. После этого Роберт оставил не очень удачную карьеру врача и разработал три революционных метода исследования микробов. Эти методы принесли ему славу. Микрофотографии, которые Кох делал во время работы, не только произвели неизгладимое впечатление на его современников, они позволили ученому описать возбудителей сибирской язвы, туберкулеза и холеры.

Фундаментальное открытие XX века произошло, по признанию его автора Александра Флеминга, благодаря удаче, случайному наблюдению и некоторой неопрятности. Уезжая на месяц в отпуск, британский бактериолог Флеминг забыл убрать в холодильник несколько чашек Петри с посевами стафилококка. Вернувшись, ученый хотел вымыть лабораторную посуду, но залюбовался ее содержимым: многослойная роскошная пленка из миллиардов бактериальных клеток стафилококка, заполнившая всю чашку Петри, в одном месте отсутствовала – как будто ей что-то мешало расти там. Мертвая зона возникла вокруг грибка Penicillium, то есть обычной хлебной плесени: питавшийся агар-агаром грибок выработал некое вещество, убившее стафилококк. Флеминг назвал это вещество пенициллином – так началась эра антибиотиков, спасших миллионы жизней. Они продолжат с успехом делать это, если не применять их бездумно.

Впрочем, открытие, совершенное Флемингом в 1928 году, сразу не оценили. Оно было забыто до начала Второй мировой войны. Тогда срочно потребовались эффективные антибактериальные средства, в противном случае десятки тысяч солдат могли погибнуть от боевых ран, осложнений от пневмонии, инфекций брюшной полости, мочевых путей и кожи. Поэтому в 1940 году команда, собравшаяся на факультете патологии Оксфордского университета под руководством Хоуарда Флори и Эрнста Чейна, начала искать способы выделения и концентрации для производства пенициллина в больших количествах. Вскоре были найден штамм, который производил пенициллин в достаточных количествах. Медицина получила мощное лекарство, а Флеминг, Флори и Чейн Нобелевскую премию.

Примеров совместного научного сотворчества в истории Нобелевской премии по физиологии или медицине с каждым десятилетием становится все больше. Все чаще премию получает не исследователь-одиночка, а команда единомышленников. Правда, по завещанию Нобеля их количество ограничено тремя.

Иногда для того, чтобы произошло новое открытие, объединялись не люди, а методы. Например, биологи начали пристально изучать клетку еще в середине XIX века. Но до середины XX века, пока самым точным инструментом в их работе был обычный световой микроскоп, они при всем желании не могли изучить ее морфологию и химический состав. Перелом наступил в середине 1940-х годов с появлением двух новых технологий. Во-первых, был изобретен электронный микроскоп, его возможности значительно превосходили то, что мог дать световой микроскоп. Это позволило изучить клеточные структуры. Во-вторых, была разработана методика химического анализа тех веществ, которые можно было увидеть под электронным микроскопом. Это происходило так. Гомогенизированные ткани или клетки разделяли в центрифуге на компоненты, сходные по размеру и весу. Центрифугирование ускоряло осаждение клеточных органелл с разным весом: на дне пробирки оказывались ядра, над ними все остальные органеллы, каждая – в своей фракции, которую можно было выделить и изучить. Эта процедура, названная дифференциальным центрифугированием, дополнила структурные исследования с помощью электронного микроскопа. В результате Кристиан де Дюв подробно изучил клетку и составил ее схему, которую до сих пор можно увидеть во всех учебниках по биологии.

Когда знакомишься с историями нобелевских лауреатов, поражает то, с какой самоотверженностью врачи и физиологи готовы были поручиться за верность своих идей собственным здоровьем и даже жизнью. Следуя примеру Вернера Форсмана, который в начале XX века бесстрашно ввел катетер в собственное сердце, чтобы доказать безопасность подобных операций, уже в наше время молодой ученый Барри Маршалл стал добровольцем для собственных исследований. Чтобы опровергнуть широко распространенный миф о том, что гастрит возникает от стресса и неправильного питания, Барри выпил содержимое чашки Петри с культурой бактерии Хеликобактер пилори (Helicobacter pylori). После этого у него развился гастрит, а бактерия была обнаружена в слизистой его желудка. Барри не остановился на полпути и дважды подверг себя малоприятной процедуре эндоскопии. Но и на этом он не закончил эксперимент на самом себе. Маршалл прошел двухнедельный курс терапии и вылечился, доказав тем самым, что антибиотики эффективны в лечении многих, если не большинства, случаев гастрита, язв желудка и двенадцатиперстной кишки.

Просмотрев список нобелевских лауреатов, можно сделать однозначный вывод: чтобы стать одним из них, надо нести в своем геноме половые хромосомы ХY, то есть быть мужчиной. Вы можете проповедовать идею гендерного равенства, но хладнокровная статистика легко опрокинет ваши доводы, потому что мужчин, среди получивших Нобелевскую премию, – абсолютное большинство. Это связано с особенностями отбора лауреатов и вручения премии. Нобелевский комитет отмечает работы, совершенные некоторое время назад: ведь сначала должен завершиться период проверки и подтверждения открытий. А ведь еще 30 и даже 20 лет назад в научной среде подавляющего числа стран было намного меньше женщин, чем сейчас, а предубеждений против них, наоборот, было не в пример больше.

За год до присуждения премии Нобелевский комитет рассылает тысячам экспертов со всего мира запросы на номинирование в каждой области. На основании их ответов отбирают около 300 возможных лауреатов. Таким образом, Нобелевский комитет ограничен в своем выборе мнением экспертов, а те в основном рекомендуют к награде открытия, совершенные мужчинами. Длительным периодом проверки и подтверждения открытий можно объяснить и то, почему номинируют в основном ученых весьма солидного возраста.

Однако гендерные предрассудки в скором времени, скорее всего, уйдут в прошлое, и среди портретов нобелевских лауреатов появится больше симпатичных женских лиц. В этом отношении область физиологии и медицины всегда была чуть впереди других номинаций: мы можем гордиться двенадцатью женщинами-лауреатами.

После прочтения этой книги вам откроется стройная и логичная картина преемственности научной мысли, где в результате нелепых случайностей могут пропасть гениальные прозрения. Вы сможете сделать собственные маленькие открытия: например, поймете, как появилась кардиография и что видит врач, рассматривая вашу ЭКГ. Мы расскажем, почему не надо лечиться, если обнаружен вирус папилломы человека, и вообще попробуем объяснить, что представляют собой практически все медицинские обследования и распространенные тактики лечения. А вы, узнав о фундаментальных научных открытиях, наверняка овладеете основами знаний о физиологии человека и медицине. Надеемся, что вы извлечете из этой книги пользу.

ГЛАВА 1. Столетний путь физиологии: от фагоцитоза до аутофагии

Условно и безусловно: это рефлексы

Иван Петрович Павлов

Первым российским ученым, который получил Нобелевскую премию за открытие в области физиологии и медицины, был Иван Петрович Павлов. Надо сказать, что таких людей, как он, рождается очень мало. Павлов был настоящим ученым и гуманистом – активным, ищущим, честным. Что мы знаем о нем? По открытому самим Павловым принципу условного рефлекса наш мозг рефлекторно реагирует на это имя подсказкой: собака Павлова.

Уже во время проведения самых ранних физиологических исследований Ивана Петровича волновали две принципиальные вещи: чистота эксперимента (что позволяло ему получать обоснованные и воспроизводимые данные) и гуманное отношение к животным. В своей нобелевской лекции на получении премии в 1904 году, он так описывал свою работу с собаками: «…мы должны были точно придерживаться всех предписаний, которые хирурги устанавливают в отношении своих пациентов. Здесь также должны были применяться подходящий наркоз, тщательная чистота при операции, чистые помещения после операции и заботливый уход за раной… Только при этих условиях наши результаты могли считаться абсолютно доказательными и могли разъяснить нормальный ход явлений. Это нам удалось благодаря правильной оценке вызванных в организме изменений и целесообразно принятым мерам; наши здоровые и весело выглядевшие животные выполняли свою лабораторную службу с истинной радостью, постоянно стремились из своих клеток в лабораторию, вскакивали сами на стол, на котором ставились все опыты и наблюдения над ними. Прошу мне поверить, что я ничуть не преувеличиваю. Благодаря нашей хирургической методике в физиологии мы сейчас можем в любое время продемонстрировать относящиеся к пищеварению методики без пролития хотя бы единой капли крови и без единого крика подопытного животного».

Несмотря на то что имя Ивана Петровича Павлова широко известно, а собаке Павлова поставлен памятник и даже есть одноименное сообщество в фейсбуке, в школе изучают только небольшую часть работ этого ученого – и, собственно, не совсем ту, за которую ему была вручена Нобелевская премия. Мы не зря начали эту главу с большой цитаты академика Павлова. Человеку, далекому от науки, эксперименты над животными могут показаться жестокими. Поэтому о них не напишут ничего хорошего журналисты и умолчат школьные учебники. Один из авторов этой книги несколько лет работал с экспериментальными моделями – мышами и крысами, помогая врачам найти способ оптимального лечения лимфобластных лейкозов у детей и взрослых. Эксперименты не обходились без забоя животных и последующего изучения их внутренних органов. Только осознание того, что все это делается ради продления жизни больных с тяжелыми заболеваниями крови, позволяло работать без постоянного тяжелого раскаяния. Возможно, академик Павлов испытывал похожие чувства, естественные для любого нормального человека, поэтому он уделял особое внимание гуманному обращению с животными.

В ходе экспериментов по изучению пищеварения он открыл особенности высшей нервной деятельности, известные как условные рефлексы. В 20–30-х годах прошлого века он был неоднократно повторно номинирован на Нобелевскую премию, но вручена она была только один раз «за исследование функций главных пищеварительных желез». Экспериментальной моделью для ученого служили собаки с разобщенными отделами пищеварительной системы. Их Павлов оперировал сам и в процессе виртуозно овладел оперативной техникой.

Классический павловский эксперимент был проведен на собаке, пищевод которой был разобщен, а оба его конца вшиты в кожу шеи. Пища не могла естественным путем продвигаться по пищеварительному тракту и выпадала наружу. Одновременно из желудка через металлическую трубку вытекал выделявшийся желудочный сок. То есть при кормлении пища не попадала в желудок собаки, но тем не менее желудочный сок вырабатывался. Эксперимент ясно доказал, что процесс пищеварения регулируется центральной нервной системой.

Позже Иван Петрович усовершенствовал этот эксперимент: сформировал в желудке собаки особый карман, названный позднее «павловским желудочком», чтобы изучать состав выделяющегося секрета при кормлении разной пищей. Выведя наружу слюнные железы, он изучал состав и консистенцию слюны при попадании в пищеварительный канал различных веществ: съедобных и несъедобных, сухих и жидких. Он заметил, что слюнные железы при этом работали по-разному. Они производили больше или меньше слюны, вязкой или жидкой, и ее состав также был каждый раз особым. Так же ведут себя и железы, вырабатывающие желудочный сок. Например, когда мы едим хлеб, наш желудочный сок богат ферментами и наименее кислый. В ответ на молоко вырабатывается сок с наименьшей концентрацией ферментов, а на мясо – наиболее кислый желудочный сок. Причем в первом случае концентрация ферментов будет в два-четыре раза больше, чем во втором и третьем. Фистула, вживленная в желудок собаки и в просвет слюнной железы, позволяла измерить количество и состав желудочного сока и слюны, выделяемых в ответ на разные виды пищи. Прооперированная собака, чучело которой хранится в музее-усадьбе ученого, прожила несколько лет и умерла от старости.