Закон «джунглей» - Шон Кэрролл

Медицинские и агротехнические достижения прошлого века оказали колоссальный суммарный эффект на биологию человека. Население планеты стремительно увеличилось с 2 млрд человек в начале прошлого века до сегодняшних более чем 7 млрд. Человечеству понадобилось 200 000 лет, чтобы превысить численность в 1 млрд (это произошло в 1804 г.), а теперь каждые 12–14 лет число людей увеличивается на 1 млрд. Ожидаемая продолжительность жизни американцев, родившихся в 1900 г., составляла 46 лет для мужчин и 48 – для женщин. Для тех, кто родился в 2000 г., эти показатели равны соответственно 74 и 80 годам. По сравнению с темпами изменений в дикой природе такой двукратный прирост за столь краткий период ошеломителен.

Как верно отметил Пол Саймон, «настали времена чудес».

Законы и правила

Нашим господством, нашей властью над растениями, животными и человеческим телом мы обязаны тому, что научились контролировать биологию на молекулярном уровне, и число этих знаний и сегодня растет лавинообразно. Однако самый важный усвоенный нами урок о человеческой жизни на молекулярном уровне таков: все подчинено правилам. Вот что имеется в виду под данным общим тезисом.

• Все молекулы в организме – от ферментов и гормонов до липидов, солей и других соединений – присутствуют в определенной концентрации. Так, некоторые молекулы встречаются в крови в 10 млн раз чаще молекул других веществ.

• Все виды клеток в организме – эритроциты, лейкоциты, клетки кожи, слизистая оболочка кишечника, а также клетки еще более чем 200 других тканей – порождаются и существуют в организме в определенном количестве.

• Все процессы в организме – от деления клеток до расщепления сахара, овуляции и сна – регулируются определенным веществом или набором веществ.

Оказывается, что большинство болезней возникают в результате сбоя этих процессов, когда возникает недостаток или избыток тех или иных веществ. Например, когда поджелудочная железа синтезирует слишком мало инсулина, возникает диабет. А когда в крови накапливается слишком много «вредного» холестерина, может начаться атеросклероз и случиться сердечный приступ. Когда выходит из строя механизм, регулирующий нормальное деление клеток, может развиться рак.

Чтобы бороться с болезнью, мы должны знать, каким законам она подчиняется. Задача молекулярного биолога (этим термином я именую любых ученых, изучающих жизнь на молекулярном уровне) – выяснить, какие «игроки» (молекулы), если выражаться спортивным языком, вовлечены в тот или иной процесс и по каким правилам они «играют». В течение последних пятидесяти с лишним лет мы изучали законы, от которых зависит уровень различных веществ в организме – разнообразных гормонов, сахара в крови, холестерина, нейровеществ, желудочной кислоты, гистаминов, – а также кровяное давление, иммунитет к патогенам, деление клеток в различных тканях и многое другое. Множество Нобелевских премий по физиологии и медицине было вручено за открытие таких «игроков» и «правил», которым они подчиняются.

Сегодня аптечные полки заставлены плодами полученных знаний. Вооружившись информацией о молекулярной природе биологической регуляции, мы разработали массу лекарств, нормализующих уровни критически важных молекул или типов клеток, возвращающих их концентрацию в нормальный, «здоровый» диапазон. Действительно, большинство из 50 важнейших фармацевтических препаратов (суммарная выручка от продажи которых в 2013 г. составила 187 млрд долл.) непосредственно связаны с революцией в молекулярной биологии.

Когорта молекулярных биологов, к которой принадлежу и я, по праву гордится своим общим вкладом в человеческое долголетие и качество жизни. Драматические достижения в расшифровке информации генома человека предвосхищают новую волну прорывных открытий в медицине, поскольку позволяют разрабатывать более избирательные и мощные препараты. Революция в понимании тех правил, которым подчиняется наша биология, будет продолжаться. Одна из целей данной книги – рассмотреть эту революцию в ретроспективе и подумать, куда она нас ведет.

Но жизнь подчиняется законам не только на молекулярном уровне, а молекулярная биология – не единственная биологическая дисциплина, преобразившаяся за последние полвека. Биология стремится понять законы, управляющие жизнью на всех уровнях. Наряду с вышеупомянутой революцией в биологии совершается еще одна революция, правда, менее заметная. За ней стоят биологи, открывающие законы природы в гораздо более крупных масштабах. Эти законы не менее важны для нашего благополучия в будущем, чем любые механизмы молекулярной биологии, которые мы когда-либо можем открыть.

Закон джунглей

Вторая революция началась, когда некоторые биологи задались простыми, казалось бы, даже наивными вопросами: «Почему наша планета зеленая?», «Почему животные едят не всякую пищу?», «Что происходит, когда некоторые животные покидают места обитания?» Поиск ответов на эти вопросы позволил понять, что существуют не только молекулярные законы, регулирующие содержание различных молекул и клеток в организме, но и законы экологические, регулирующие количество и биоразнообразие животных и растений в любом месте.

Я назову эти экологические правила «законом джунглей», поскольку именно в дикой природе их удалось хорошо документировать в ходе героических долгосрочных исследований, а также потому, что эти законы определяют, например, сколько львов или слонов может существовать в африканской саванне, и они же помогают нам понять, что произойдет, если львы покинут свои охотничьи угодья.

По этим законам живут не только в джунглях. Они действуют во всем мире: на суше, в океанах, озерах и т. д. Я с тем же успехом мог назвать их «законом озера Эри», но этот вариант звучит не так пафосно. Эти законы одновременно удивительны и глубоки: удивительны потому, что объясняют неочевидные взаимосвязи между живыми существами, а глубоки потому, что определяют способность природы порождать животных, растений, деревья, давать чистую воду и чистый воздух, которые нам жизненно необходимы.

Однако если молекулярные законы человеческой биологии мы активно используем в медицине, вкладываем в это огромные средства, то закон джунглей практически не учитывается и не применяется в человеческой деятельности. Прежде чем любой препарат будет одобрен для лечения человека, он должен пройти целый ряд строгих клинических испытаний, оценивающих его эффективность и безопасность. Эти исследования проверяют не только потенциал препарата в плане лечения того или иного состояния, но и возможные побочные эффекты, взаимодействие лекарства с иными веществами в организме, участие в других процессах. Критерии допустимости очень строгие: около 85 % тестируемых препаратов не выдерживают клинических испытаний. Такая значительная отбраковка объясняется, в частности, наличием побочных эффектов, часто присущих лекарствам, вызывающим резкую негативную реакцию врачей, пациентов, компаний и регулирующих органов.

Но на протяжении большей части XX века на большей части территории нашей планеты люди хищнически охотились и рыбачили, распахивали и выжигали ландшафты, а также селились, где хотели, почти или совершенно не учитывая побочных эффектов, связанных с изменением численности различных видов или с разрушением экосистем. Когда наша численность превысила 7 млрд человек, эти побочные эффекты стали упоминаться в тревожных заголовках.

Например, еще 50 лет назад в мире обитало 450 000 львов, а сегодня их численность сократилась до 30 000. Царь зверей, некогда рыскавший по всей Африке, а также в Индостане, исчез в 26 странах. Сегодня 40 % африканских львов обитают на территории Танзании, одним из последних убежищ для них стал парк Серенгети.

Аналогичная картина наблюдается и в океанах. Акулы господствовали в морях 400 млн лет, но лишь в последние 50 лет их популяция во всех регионах мира сократилась на 90–99 %. Сегодня 26 % акул, в том числе большая рыба-молот и китовая акула, находятся под угрозой исчезновения.

Кое-кто может сказать: «Ну и что? Мы побеждаем, они проигрывают. Такова природа». Но природа не такова. Человек заболевает, если уровень какого-либо критически важного вещества слишком снижается или повышается. Сегодня мы понимаем, что закон джунглей действует точно так же и целые экосистемы могут «заболеть», если популяции некоторых организмов чрезмерно сократятся или разрастутся.

Накапливаются факты, свидетельствующие, что глобальная экосистема нездорова или по меньшей мере очень истощена. Один из критериев, разработанных учеными, – это общий экологический след человеческой деятельности, складывающийся из выращивания продовольственных и технических культур, выпаса скота, заготовки леса, рыболовства, строительства инфраструктуры для жилья и получения энергии, сжигания топлива. Затем экологический след можно сравнить с общей продуктивностью планеты. В результате получается один из самых простых, но красноречивых графиков, попадавшихся мне в научной литературе (рис. 2).