Том Джексон
Взламывая биологию

Мифические создания

Кроме нереалистично описанных настоящих животных, бестиарии населяли существа, которые не имели к реальности никакого отношения. Единорог, грифон и василиск изображались рядом со страусом (которому пририсовывали копыта) и китом (большой, покрытой чешуей рыбой). Мы не знаем, действительно ли люди того времени верили в существование подобных созданий, хотя, конечно, этого нельзя исключать. Сомневающиеся же, вероятно, не верили и в гиппопотама.

К XIII и XIV вв. появились энциклопедии, которые, хотя и содержали материалы из бестиариев, были снабжены аллегориями.

Благодаря влиянию таких людей, как Альберт Великий и святой Франциск Ассизский, интерес к изучению природы возрастал. Кроме того, путешественники, например Марко Поло, посещали места, где предположительно водятся экзотические создания, и не находили их. С началом эпохи Возрождения европейцы вернулись к более научному подходу к природе и стали искать факты, а не тешить себя фантазиями.

Самозарождение

В древности люди верили, что живые существа возникают из неживого материала. Самозарождение, как считалось, происходит в основном в «угасающей» материи: так личинки появляются в гниющей пище.

Аристотель объяснял самозарождение «жизненным жаром», который присутствует во всем. Эта теория, как и многие другие его идеи, получила широкую поддержку и считалась достоверной следующие 2000 лет. Средневековая церковь поправила понятие жизненного жара Аристотеля, заявив, что за самозарождение ответственны ангелы, которые действуют посредством солнечного света.

Ян Баптист ван Гельмонт (1580–1644), талантливый химик, одним из первых выделил газы из воздуха. Он был убежден, что природу лучше всего познавать через эксперимент. Однако он же опубликовал рецепт получения мышей! Нужно поместить ветошь и несколько семян пшеницы в открытый горшок и подождать 21 день. По истечении этого срока появятся мыши. Там будут, убеждал ван Гельмонт своих читателей, взрослые самки и самцы, способные размножаться и производить еще больше мышей. Идея о самозарождении была на удивление стойкой; даже такие выдающиеся мыслители, как Рене Декарт и Исаак Ньютон, придерживались этой теории. В 1688 г. итальянский натуралист Франческо Реди показал, что личинки выходят из яиц. Если мух держать подальше от мяса, личинки не появятся. Ничего самопроизвольного.

Ян Баптист ван Гельмонт был основоположником пневматической химии. Он показал, что при горении дерева выделяется отравляющий газ, который он назвал «лесным хаосом». Сегодня он известен как углекислый газ.

Хотите познакомиться с предками? Сторонники самозарождения считали, что простые животные появляются из гниющей материи, а затем постепенно развиваются в более сложные организмы, подобные вам.

ГУСИ И МОРСКИЕ УТОЧКИ

В эпоху Средневековья людей поражал один из видов гусей. Птицы появлялись ранней зимой в Ирландии и Шотландии. Но где они гнездились? Цвет оперения гусей был похож на окрас морских уточек – ракообразных, водившихся у побережья. Наверное в этом все дело: у гусей нет гнезд – они произошли от морских уточек. Это была странная точка зрения – Альберт Великий отмахнулся от нее как от «совершенного абсурда», – но убеждение ходило достаточно долго, и странные названия закрепились за обоими видами. Если вам интересно, гуси-казарки мигрируют весной, а гнезда вьют в Арктике.

Семейное торжество. Гуси и раки – сородичи?

Поиск гомологов

О гомологии сначала заговорили математики, и в рамках этой науки термин обозначал эквивалентность между рядами чисел. Использование его в биологии для описания схожих признаков у живых созданий началось с работы Пьера Белона. Гомологичные черты у животных означают, что виды разделяют общее прошлое.

Пьер Белон (1517–1564) одним из первых натуралистов сравнил анатомию разных форм жизни. Ученый родился в Ле-Мане во Франции и изучал медицину в Париже. Белон, одна из значимых фигур в деле возобновления естественноисторических исследований в XVI в., главным образом известен благодаря своему труду «Естественная история птиц» (L’Histoire de la Nature des Oyseaux). Книга опубликована в 1555 г., описывает 200 видов и указывает на схожесть форм и функций скелетов птиц и людей. Таким образом, труд стал первым шагом к созданию сравнительной анатомии. Белон выдвинул идею, что разные животные и растения развиваются по-разному, используя одни и те же анатомические структуры. Позднее биологи, такие как Чарлз Дарвин, предположили, что организмы, у которых в анатомическом строении имеется множество схожих элементов, близко связаны.

В начале XIX в. Жорж Кювье высказал мысль, что набор гомологичных структур, наблюдаемый у родственных животных, имеет причиной их взаимодействия с окружающей средой. Этьен Жоффруа Сент-Илер выступил с альтернативной точкой зрения: все тела животных видоизменяются в соответствии с единым общим планом. Предваряя теорию эволюции Дарвина, британский анатом Ричард Оуэн предположил в 1849 г., что гомологичные особенности скелета свидетельствуют о том, что четвероногие наземные животные произошли от рыб.

Пьер Белон обнаружил, что скелеты людей и скелеты птиц состоят из одного набора костей, который модифицируется для обеспечения разных функций.

Зоология

«История животных» (Historia Animalium) Конрада Геснера, опубликованная в 1558 г., стала первой попыткой собрать всю информацию, известную тогда о животном мире. Это важный труд, обозначивший очертания современной зоологии.

Геснер родился в Цюрихе в Швейцарии. В 1541 г. он получил степень доктора медицины и до конца жизни практиковал в родном городе. Свободное время он посвящал своему хобби – наблюдал за дикой природой и исследовал анатомию животных. Опираясь на классификацию видов Аристотеля, Геснер разделил царство зверей на четыре категории: четвероногие, земноводные, птицы и рыбы (и другие водные животные), и каждой посвятил один из томов своей «Истории». Пятый том, о змеях и скорпионах (включавший также пауков и насекомых), был опубликован в 1587 г., после смерти Геснера.

Конрад Геснер был настоящим эрудитом и славился не только как натуралист, но и как специалист по классическим языкам, ботаник и врач.

От древности к современности

Не полагаясь на слухи и сомнительные факты из работ более ранних авторов, таких как Плиний и Аристотель, Геснер избрал эмпирический подход. Он построил свое исследование на предельно точных описаниях собственных наблюдений и вскрытий. «Исследователь, – говорил Геснер, – должен <…> наблюдать, буквально разбирать на части, затем описывать животных, делая при этом иллюстрации». Это не означает, что ученый полностью игнорировал старые источники. Он признавал вклад Аристотеля и других и приводил множество цитат из Ветхого Завета и средневековых бестиариев, даже включил в книги мифических существ, таких как единорог, феникс и морской змей. Дополнив имеющиеся знания результатами собственного труда, Геснер сумел объединить хроники древности, средневековый мир и более современный подход к науке.

Иллюстрации деталей

«История» изобиловала иллюстрациями – около 1000 раскрашенных от руки гравюр, (многие были выполнены самим Геснером). Но «История животных» – это не просто описание зверей в их природных условиях. Автор затронул современное ему понимание среды обитания, поведения и физиологии, занялся ролью животных в литературе и искусстве. Он даже нашел место, чтобы обсудить кулинарные рецепты и использование животных в медицине.

Геснер был не только одаренным ученым, но и талантливым художником. Гравюра из «Истории животных» изображает лысого ибиса.

Вода и жизнь

Вода – обязательное условие жизни, и это было абсолютно ясно еще тогда, когда человек начал мыслить. Философы, в том числе древние греки, считали воду одной из четырех стихий, формировавших мир. Остальные три – это огонь, земля и воздух. Простой опыт, проведенный в XVII в., дал этой идее научное обоснование. Но является ли вода источником всей жизни?

Аристотель придерживался той точки зрения, что растения получают пищу из почвы. С этой идеей не пытались спорить до XVII в. Фламандский исследователь и врач Ян Баптист ван Гельмонт учился у Парацельса и разделял мнение алхимика о том, что только воздух и вода являются фундаментальными элементами, а огонь и земля – нет. Ван Гельмонт решил опровергнуть утверждение Аристотеля и провел один из самых известных опытов в ранней биологии.

МОНИЗМ

Монизм – это убеждение в том, что в конечном итоге все во Вселенной происходит из одного фундаментального материала. Такого взгляда в основном придерживались древнегреческие философы. Фалес, основатель западной философии, фундаментальным элементом считал воду. Возможно, его выводу не стоит удивляться, учитывая, что вода – единственная субстанция, которую можно наблюдать в твердом, жидком и газообразном состоянии и которая, очевидно, жизненно необходима.

 

Корни науки

Ван Гельмонт посадил иву весом 2,27 кг в глиняный горшок, где было 90,7 кг почвы. В течение пяти лет он ухаживал за ивой, поливая ее только дождевой или пресной водой. В конце этого периода ученый еще раз взвесил дерево и выяснил, что теперь в нем около 77 кг; он также взвесил почву, обнаружив, что ее масса уменьшилась всего на 56,7 г.

Из этого наблюдения ван Гельмонт заключил, что 74 кг «дерева, коры и корней», даже не считая листьев, которые растение сбрасывало каждую осень, «произошли только от воды». Он списал отрицательную разницу в массе почвы на погрешность эксперимента.

Очевидно, ван Гельмонт не мог знать, что из почвы поступают минеральные вещества для производства растительных белков и других биомолекул. И он ничего не знал о фотосинтезе – процессе, в ходе которого растение накапливает энергию солнечного света, чтобы генерировать новые ткани из углекислого газа и воды, которую берет из почвы. Но он нашел один из фрагментов мозаики. Потребовалось еще 200 лет, чтобы собрать ее целиком.

Ян ван Гельмонт доказал значение воды для жизненных процессов, а кроме того, будучи алхимиком, нашел первое свидетельство существования углекислого газа. Он выделил его из дыма, идущего от горящего дерева, и назвал «лесным хаосом». Но ученый не увидел взаимосвязи между углекислым газом и жизнью.

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.

ДЫХАНИЕ ЖИЗНИ

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.

ИЗУЧЕНИЕ МЫШЦ

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.