Влияние биологии на развитие медицины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Влияние биологии на развитие медицины

ген наследственный молекулярный кибернетика

В 20 в. наиболее существенно влияние биологии на развитие М. выразилось в следующих направлениях: 1) в познании реакций и процессов, протекающих на молекулярном уровне, в норме и при патологии; 2) во все более глубоком проникновении в закономерности развития и функционирования клетки и целого организма; 3) в изучении физиол, основ высших форм отражения внешнего мира, включая мышление; 4) во все более глубоком исследовании закономерностей взаимодействия живых организмов и окружающей среды.

В 1865 г. Г. Мендель открыл и сформулировал основные законы наследственности, которые раскрыли в то же время и один из важных механизмов изменчивости, а именно механизм сохранения приспособительных признаков вида в ряде поколений (см. Менделя законы).

В 1900 г. голл. ботаник X. de Фрис и почти одновременно с ним нем. ботаник Корренс (G.E. Correns) и австр. ученый Чермак (E. Tschermak) вторично открыли законы Менделя. В 1900 г. австр. иммунолог К. Ландштейнер открыл группы крови и описал первый дискретный признак человека, ныне рассматриваемый как пример наследственного полиморфизма и применимости законов Менделя к человеку. В 1901 г. X. де Фрис ввел термин «мутация», хотя само явление внезапного возникновения наследственных изменений было известно еще Ч. Дарвину. Основные положения этого явления были изложены X. де Фрисом в книге «Мутационная теория». В 1906 г. на III Международном конгрессе по гибридизации по предложению Бейтсона (W. Bateson) наука, изучающая наследственность и изменчивость, была названа генетикой (см.).

В 1909 г. дат. биолог Иогансен (W. Iohannsen) назвал предложенный Менделем фактор наследственности геном. Совокупность всех генов организма он предложил называть генотипом, а совокупность всех признаков и свойств организма -- фенотипом. В 1902--1903 гг. амер. цитолог Сеттон (W. S. Sutton) и нем. биолог Бовери (Th. Boveri) представили цитол, доказательства, что менделевскую передачу и расщепление признаков можно объяснить перекомбинированием материнских и отцовских хромосом при скрещивании. Амер. ученый Т. Морган и его сотр. в 1911 г. экспериментально доказали, что основными носителями генов являются хромосомы.

В начале 20 в. получил развитие новый раздел генетики -- генетика человека (см.). Изучая алкаптонурию и некоторые другие наследственные болезни, Гаррод (A.E. Garrod) в 1908 г. сформулировал положение о «врожденных дефектах обмена». В том же 1908 г. англ. ученый Харди (G. Н. Hardy) и нем. ученый Вейнберг (W. Weinberg) независимо друг от друга сформулировали основные положения популяционной генетики. Они показали, что в отсутствие факторов, нарушающих равновесие, частота генов (и признаков, контролируемых этими генами) остается неизменной из поколения в поколение и установили соотношение между частотами генов и генотипов в популяции со свободным скрещиванием. В 20--30-х гг. 20 в. Фишер (R. Fisher) и Холдейн (J.В.S. Haldane), Райт (S. Wright, США) и Дальберг (G. Dahlberg, Швеция) разработали статистические методы изучения генетики человека, что явилось большим вкладом в теорию популяционной генетики и эволюции. Нем. биолог Гольдшмидт (R. Goldschmidt) в своих исследованиях (1912--1935) заложил основы того раздела генетики, который занимается изучением путей контроля и управления генами развития от оплодотворенного яйца до взрослой особи.

В то же время в методологическом плане изучение расположения генов в хромосомах, проводившееся школой Т. Моргана, и анализ комбинирования генов при скрещивании различных организмов велись раздельно. Генетики на первых порах не видели четких связей между этими двумя направлениями генетических исследований. Не способствовало их объединению и изучение мутаций и частоты встречаемости их в естественных условиях. Более того, оба основателя мутационной теории (X. де Фрис и С.И. Коржинский) противопоставляли процесс возникновения мутаций эволюционному учению Ч. Дарвина. Несколько различно в генетическом смысле, но фактически одинаково в методологическом плане С.И. Коржинский и X. де Фрис даже пытались заменить дарвинизм мутационной теорией, считая, что основным фактором эволюции живой природы является не процесс естественного отбора, а самопроизвольное возникновение мутантных форм организма. Их взгляды были подхвачены рядом апологетов их теории, и пропасть, разверзшаяся между учением Г. Менделя и положениями Т. Моргана, с одной стороны, и дарвинизмом с другой, углублялась все больше. В этой связи значительным вкладом в развитие генетики с позиций эволюционного учения стала теоретическая работа сов. генетика С.С. Четверикова, доказавшего в 1926 г., что именно мутации, возникающие в естественных условиях, служат основным материалом для естественного отбора. С.С. Четвериков математически рассчитал скорость отбора и распределение мутантных генов в ряду поколений организмов в популяциях. Большую роль для понимания возможностей мутационного процесса и типов возникающих мутаций сыграл сформулированный сов. генетиком Н. PI. Вавиловым закон гомологических рядов наследственной изменчивости.

В генетических исследованиях до 1925 г. использовались мутанты, встречающиеся в естественных условиях. Хотя Т. Морган, Н.К. Кольцов и некоторые другие генетики понимали, что мутации можно вызвать искусственно, многочисленные попытки осуществить это экспериментально долгое время оказывались безуспешными. Лишь в 1925 г. сов. ученые Г.А. Надсон и Г.С. Филиппов, а в 1927 г. амер. генетик Меллер (Н.J. Muller) доказали возможность искусственного получения мутантных форм путем рентгеновского облучения. В 1928 г. сов. генетик М.Н. Мейсель показал способность химических агентов вызывать мутации у дрожжей. В 1932 г. явления химического мутагенеза у дрозофилы наблюдал сов. генетик В.В. Сахаров, а начиная с 1939 г. сов. генетик И.А. Рапопорт начал широкое изучение мутагенной активности различных химических соединений.

В результате многочисленных генетических исследований уже в конце 20-х гг. особенно остро встал вопрос о том, что же представляет собой ген как структурная единица наследственности и какова его химическая природа.

Попытки найти ответ на первый вопрос были предприняты Т. Морганом, а также сов. учеными А.С. Серебровским, Н.В. Тимофеевым-Ресовским, А.А. Прокофьевой-Бельговской в соавторстве с амер. генетиком Г. Меллером, несколько лет работавшим в СССР. Было установлено, что каждый ген определяет развитие определенного признака и является минимальной частью хромосомы, к-рая может быть передана в другую хромосому в процессе кроссинговера. Считалось также доказанным, что ген изменяется целиком, не дробясь. Лишь экспериментальные исследования, проведенные в 1929-- 1934 гг. сов. генетиками А.С. Серебровским и Н.П. Дубининым, показали, что геи может быть разделен на отдельные участки (центры), мутирующие раздельно. В середине 30-х гг. Н.П. Дубининым была сформулирована так наз. центровая теория гена, согласно к-рой ген состоит из отдельных, расположенных в линейном порядке частей, что отдельные части гена могут независимо друг от друга изменяться (мутировать) и обмениваться при кроссинговере и что функциональные возможности гена в целом обусловлены согласованной суммой функций отдельных его частей.

Сложнее обстоял вопрос с изучением химической природы гена. Еще во второй половине 19 в. Мишер (F. Miescher) и братья Гертвиги (O. Hertwig, R. Hertwig) связывали хранение и передачу наследственных признаков с нуклеиновыми к-тами (см. выше -- Медицина в 19 веке). Однако вплоть до 30--40-х гг. 20 в. большинство биологов и генетиков связывали генетические функции с белком. Даже Н.К. Кольцов, выдвинувший в 1928 г. гипотезу о гигантских «наследственных молекулах», к-рая предвосхитила основные положения молекулярной генетики, считал носителем наследственных признаков белок. Лишь в середине 40-х гг. появились первые экспериментальные исследования, расшифровавшие природу «наследственных молекул».

В 1944 г. Эйвери (О.Т. Avery), Мак-Лауд (С.М. MacLeod) и МакКарти (М. McCarty) пришли к выводу, что материальную основу наследственности для Diplococcus pneumoniae составляют молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты. Позднее было установлено, что ДНК (а для некоторых вирусов и РНК) составляют материальную природу наследственности всех организмов.

Значительный прогресс в понимании функции гена был достигнут благодаря исследованиям амер. генетиков и биохимиков Дж. Бидла, Тейтема (E.L. Tatum) и Ледерберга (J. Lederberg) в области генетического контроля метаболизма, физических и химических основ наследственности. Эти исследователи в 1941 --1947 гг. показали, что большинство генов контролирует синтез ферментов: мутации генов выражаются в изменении или потере активности контролируемых ими ферментов. Дж. Бидл и Тейтем выдвинули положение «один ген -- один фермент» (для каждого белка существует ген, контролирующий его структуру и активность) и заложили основы биохимической генетики (см.). Однако в конце 70-х гг. 20 в. были получены данные, ставящие под сомнение это утверждение амер. ученых, к-рое в течение почти 30 лет казалось бесспорным.

Франсуа Жакоб

Качественно новый этап в изучении физ.-хим. основ жизнедеятельности наступил в 40--50-х гг. 20 в. в связи с разработкой новых методов исследования биол, объектов на молекулярном уровне и возникновением молекулярной генетики и молекулярной биологии. Наряду с развитием электронной микроскопии большую роль в развитии этих наук сыграли методы выделения и фракционирования субклеточных структур и отдельных клеточных элементов, основанные на усовершенствованных методах дифференциального центрифугирования, фракционирования белков при помощи электрофореза в полиакриламидном геле и других носителях, создающих условия для выделения и очистки нуклеиновых кислот, дальнейшей разработки хроматографического анализа. Особенно большую роль в развитии молекулярной генетики сыграл метод рентгеноструктурного анализа (см.), основные принципы к-рого были сформулированы под руководством Брэгга (W. Bragg) группой исследователей, в к-рую входили Дж. Бернал и Астбери (W.Т. Astbury).

Термин «молекулярная биология» впервые применил для названия новой науки англ. кристаллограф Астбери в начале 40-х гг. Для становления молекулярной биологии наибольшее значение имели следующие открытия. Формальной датой возникновения молекулярной биологии считают 1953 г., когда Дж. Уотсон и Ф. Крик установили структуру ДНК и высказали подтвердившееся позже предположение о механизме ее репликации, лежащей в основе наследственности. Особое значение в установлении генетической роли нуклеиновых к-т имело изучение различных вирусов и бактериофагов.

Л. Полинг с моделью ДНК

В 1954 г. амер. физик Гамов (G. Gamov) сформулировал проблему генетического кода в ее современном виде. В 1957 г. Ф. Крик высказал гипотезу, почти тут же подтвержденную экспериментально, о взаимодействии рибосомы (специфической органеллы клетки, на к-рой синтезируется белок) не непосредственно с матричной нуклеиновой к-той, а через особые виды нуклеиновых к-т, позже названные транспортными рибонуклеиновыми к-тами. В 1957 г. советские ученые А. Н. Белозерский и А. С. Спирин открыли информационные рибонуклеиновые к-ты.

В 1961 г. франц. ученые Ф. Жакоб и Ж. Моно обнаружили, что у микроорганизмов наряду с генами, определяющими синтез ферментов (структурные гены), имеются участки ДНК, управляющие активностью этих структурных генов. Было выяснено, что имеются гены-регуляторы, кодирующие белки-репрессоры, которые «закрывают» или «открывают» операторные участки, после чего становится возможным соединение ферментов, ведущих синтез копий генов в виде и-РНК и молекул ДНК. Продвигаясь по гену, РНК-полимераза осуществляет считывание генетической информации. В 1967--1970 гг. Г. Коране удалось в лабораторных условиях синтезировать ген, кодирующий аланил-тРНК пекарских дрожжей. В 1972 г. сразу в трех лабораториях США были синтезированы гены, кодирующие структуру гемоглобина животных и человека.

Большое значение для развития молекулярной биологии и медицины имело открытие амер. физиком и химиком Л. Полингом в 1949 г. аномального гемоглобина, выделенного из эритроцитов людей с тяжелой наследственной болезнью -- серповидно-клеточной анемией. Эллисон (A. Allison) установил (1954) связь между заболеванием малярией и частотой гена серповидноклеточности, доказав предположение Форда (E. Ford) и Холдейна о роли инф. болезней в формировании генофонда человека.

Исключительно большую роль в раскрытии молекулярных основ патол. явлений сыграли работы по структуре белка, начатые в 30-х гг. 20 в. англ. ученым Дж. Берналом. К 1957 г. исследователи Кендрю (J. С. Kendrew) и Перутц (М. F. Perutz) нашли метод расчета пространственного расположения атомов в молекуле белка. Это позволило рассчитать структуру миоглобина и гемоглобина, что помогло вскрыть механизм возникновения гемоглобина серповидно-клеточной анемии (HbS). В 1957 г. Ингрем (V. М. Ingram), изучая разницу между нормальным Hb и HbS у человека, установил роль гена в определении последовательности аминокислот в белковой молекуле. Ингрем в 1961 г. установил, что в молекуле нормального Hb находится остаток глутаминовой к-ты, а в молекуле HbS на ее месте -- остаток валина. Тем самым полностью подтвердилось предположение Л. Полинга, что серповидно-клеточная анемия является болезнью молекулярной природы.

Изучение гемоглобина больных позволило установить, что большая часть анемий, распространенных в Центральной и Западной Африке, странах Средиземноморья и некоторых других р-нах, обусловлена изменением свойств гемоглобина в связи с заменой какой-либо аминокислоты в его молекуле на другую аминокислоту. Всего выявлено ок. 100 таких мутантных гемоглобинов.

В 1956 г. впервые удалось определить истинное диплоидное число хромосом у человека (46). В 1959 г. впервые было показано, что причина одной из врожденных аномалий человека -- болезни Дауна -- появление в кариотипе одной лишней хромосомы. В дальнейшем выяснилось, что ряд других заболеваний и расстройств неизвестной этиологии связан с аномалиями структуры генов, хромосомными аберрациями или количественными изменениями в кариотипе. Успехи генетики помогли понять взаимодействие факторов наследственности и окружающей среды, установить, что условия окружающей среды могут способствовать развитию или подавлению наследственного предрасположения. Были разработаны методы экспресс-диагностики, предупреждения и лечения ряда наследственных заболеваний, организованы медико-генетические консультации (см.).

Широкое использование достижений молекулярной биологии и генетики в целях диагностики, раскрытия патогенеза, лечения и предупреждения болезней человека привело к формированию таких важных разделов мед. науки, как генетика человека (см.), медицинская генетика (см.), иммуногенетика (см.), фармакогенетика (см.) и др.

Молекулярная биология и генетика связаны почти со всеми разделами современной М.; их идеи и методы используются не только для изучения наследственных болезней, но и для исследований в области общей патологии, благодаря чему уточняются значение наследственности, роль наследственной предрасположенности при возникновении и развитии различных заболеваний и патол, состояний. Биохимическое и молекулярно-генетическое понимание сущности наследственных болезней привело к разработке ранних и точных методов их диагностики. Для многих наследственных заболеваний стала возможна пре- и антенатальная диагностика либо на уровне первичного дефекта, либо на начальных этапах нарушения обмена веществ.

Норберт Винер

Цитогенетические методы, позволяющие изучать тонкие наследственные структуры, значительно расширили возможности практической М. в диагностике хромосомных болезней и в дифференциальной диагностике ряда других заболеваний.

Наибольшие успехи в лечении наследственных болезней достигнуты на основе знания механизмов их патогенеза. Существует несколько методов для патогенетического лечения. Первый метод -- ограничение поступления с пищей вещества, обмен к-рого в результате наследственной недостаточности фермента приводит к аномальному накоплению токсических для организма продуктов. Второй метод -- добавление к рациону вещества, к-рого в результате наследственной аномалии требуется больше, чем в норме. Третий метод -- возмещение несинтезируемых в организме в результате генетической аномалии веществ (напр., антигемофильного глобулина при гемофилии, некоторых гормонов при наследственных эндокринных заболеваниях, гамма-глобулина при агаммаглобулинемии и т. д.). Четвертый метод -- удаление токсических продуктов обмена из организма, выведение которых нарушено в результате наследственного генетического блока. Напр., выведение избыточного количества железа при первичном гемохроматозе, меди -- при гепатоцеребральной дистрофии. Пятый метод -- исключение из употребления некоторых лекарств, напр, барбитуратов при порфирии. Применяют также оперативные методы лечения, напр, пересадку вилочковой железы при иммунодефицитных состояниях, пересадку почки при врожденном кистозном перерождении ее и т. д.

Более радикальные подходы к восстановлению наследственных нарушений, чем симптоматические и патогенетические, предполагает этиологическое лечение, под к-рым понимается введение в организм нормального гена вместо мутантного. Это молекулярно-генетическое направление получило название генная инженерия. Исследования в этой области интенсивно проводятся на микроорганизмах, клетках растений, животных и человека.

Число унаследованных патол, мутаций может быть уменьшено с помощью расширенного внедрения медико-генетического консультирования. До начала 60-х гг. 20 в. диагностика скрытого носительства патологически рецессивного гена была возможна не более чем при 15 наследственных заболеваниях. В 70-х гг. число таких болезней возросло в десятки раз.

В конце 19 -- начале 20 в. большое развитие получила теория динамических систем, возникшая на основе теории дифференциальных уравнений. Одним из фундаментальных положений этой теории явилось понятие «обратная связь» и формулирование принципа управления по отклонению фактического состояния управляемого объекта от заданного. В физиологии и медицине значение обратной связи для управления функциями организма животных и человека впервые в мире было исследовано ii описано в трудах русских физиологов Н.А. Белова (1911), А.Ф. Самойлова (1930), Н.А. Бернштейна (1934), П.К. Анохина (1935) и др. Развитие теории информации и статистических методов исследования управляющих систем позволило установить наличие и большое значение обратной связи в биологических и технических системах, а также информационный характер процессов регулирования и управления в биологии. Совместными усилиями представителей таких на первый взгляд далеких друг от друга отраслей знания, как физиология и математика, автоматика и психология, в середине 20 в. была создана кибернетика (см.) -- наука об общих закономерностях управления и связи, лежащих в основе деятельности самых разнообразных управляющих систем. В становлении кибернетики как науки большую роль сыграли такие научно-технические достижения, как успехи нейрофизиологии и особенно физиологии в. н. д., создание первых автоматических регуляторов, развитие теории и практики дискретных преобразователей информации. Решающее значение для становления кибернетики имело создание в 40-х гг. 20 в. электронно-вычислительных машин. В 1948 г. амер. математик Винер (N. Wiener, 1894-1964) опубликовал книгу «Кибернетика», в которой он на основе обобщения исследований своих предшественников сформулировал предмет, объект и основные понятия новой науки.

Теоретическое ядро кибернетики составляют теория информации, теория кодирования, теория алгоритмов и автоматов, общая теория систем, теория оптимальных процессов, методы исследования операций, теория распознавания образов, теория формальных языков. Основной задачей кибернетики считают создание сложных систем управления и различных систем для автоматизации умственного труда, а в перспективе -- моделирование мозга и его различных функций.

Основным техническим средством для решения задач кибернетики являются электронные вычислительные машины (ЭВМ), поэтому развитие кибернетики тесно связано с развитием электронной вычислительной техники. ЭВМ -- качественно новый вид машин, заменяющих и облегчающих не физический, а умственный труд человека.

Роль и значение кибернетики для современной научно-технической революции настолько велики, что саму революцию нередко называют кибернетической. Кибернетика открыла для изучения области процессов, происходящих в системах управления различной природы, особенно процессов хранения, переработки, передачи и восприятия информации (информационные процессы), вызвала существенные сдвиги в методах научного исследования и способствовала проникновению в познание приемов моделирования, формализации, алгоритмизации и связанных с ними понятий. Она способствовала выяснению основных характеристик регуляторных биол, систем, раскрытию конкретных структурных основ реализации обратных связей и обеспечению надежности передачи информации. Биокибернетический подход оказался плодотворным для исследования процессов, протекающих на всех уровнях организации: с его помощью успешно изучают процессы жизнедеятельности клеток, морфогенез, работу мозга и органов чувств, регуляцию функц, процессов и т. д. Универсальное значение для биологии и медицины приобрел метод математического моделирования жизненных процессов и экспериментальной физической проверки предположений о механизмах физиол, реакций. Применение математических методов в М. связано с использованием ЭВМ, позволяющих благодаря быстроте совершаемых ими операций не только анализировать результаты эксперимента, но и изменять его направление согласно заданной программе. Явления обратной связи в регуляции дыхания, уровня сахара в крови, любого безусловного или условного рефлекса и многих других процессов в животном организме легли в основу кибернетических расчетов, схем и конструкций. Особое значение приобрела проблема программирования дифференциальных признаков болезней и привлечения счетно-решающих машин для постановки диагноза. Использование принципов кибернетики в М. привело к созданию ряда сложных автоматических систем, предназначенных для быстрой переработки большой по объему информации и для практических мед. целей. Созданы диагностические машины, автоматические системы для регулирования наркоза, дыхания и высоты АД во время операций, автоматические стимуляторы сердечной деятельности, активные управляемые протезы и др.

Размещено на Allbest.ru