Николай Горькавый – Драконоборцы. 100 научных сказок (страница 62)

Поиск лекарств, воздействующих на тот или иной процесс в организме человека или бактерии, веками вёлся бессистемно: исследователи просто брали и пробовали в качестве лекарств всё, что попадалось под руку – от плесени до ртути. Если препарат доказывал свою эффективность, то становился общепринятым лекарством. После того как биохимики и биофизики сумели расшифровать структуру многих белков и вирусов, возникла идея: а нельзя ли проектировать лекарства с помощью физических моделей квантовой механики и компьютерных расчетов? Если заранее вычислить строение молекулы лекарства, которая подходит к структуре молекулы-мишени как ключ к замку, то синтезировать такое лекарство будет гораздо проще, чем создавать его наугад. В медицине и биологии появилось целое новое направление: предсказание структуры белков и компьютерный дизайн лекарств.

Список чудо-лекарств, которыми обладает современная наука, велик, но далеко не закончен. Однако рано или поздно их наберётся столько, что возникнет вопрос: а нельзя ли с помощью лекарств избавить человека от всех болезней, в том числе от старости, которая тоже может рассматриваться как болезнь?

– Мама, ты говоришь о бессмертии? – спросила Галатея.

– В общем-то да, – кивнула Дзинтара. – Но бессмертие – это настолько увлекательная штука, что его стоит обсудить отдельно.

Игнац Земмельвейс (1818–1865) – венгерский врач-акушер, профессор, один из основоположников асептики.

Асептика – комплекс мероприятий, предотвращающих попадание микроорганизмов в рану и предупреждающих нагноение. Антисептика – комплекс мероприятий, направленных на уничтожение микроорганизмов в ранах, в больном органе или во всём организме.

Барри Маршалл (р. 1951) – австралийский врач, открывший бактериальную природу язвы желудка. Лауреат Нобелевский премии по медицине за 2005 год.

Робин Уоррен (р. 1937) – австралийский врач, переоткрывший хеликобактерию и установивший вместе с Барри Маршаллом природу язвы желудка. Лауреат Нобелевский премии за 2005 год.

Фредерик Бантинг (1891–1941) – канадский врач и физиолог, один из открывателей инсулина. Лауреат Нобелевский премии за 1923 год.

Чарльз Бест (1899–1978) – канадский врач и физиолог, один из открывателей инсулина.

Сказка о биоматематике и бессмертии

В отличие от остальной природы, живые существа долгое время казались непознаваемыми с точки зрения механики или математики – они слишком сложны и обладают непредсказуемым поведением. Одним из первых учёных, увидевших в живом организме не нечто мистическое, а объект, подчиняющийся законам механики, физики и химии, был французский врач и философ Жюльен Ламетри. Он написал знаменитые произведения «Человек-машина» и «Растение-машина». В XVIII веке его материалистические воззрения были ересью. Труды Ламетри были сожжены инквизицией, а сам он был вынужден бежать из Франции и до конца своих дней скрываться на чужбине. В книге «Человек-машина» Ламетри изложил убедительные доводы в пользу того, что органы человеческого тела подчиняются законам науки так же, как часы или другие механизмы. После чего он заключил: «Итак, мы должны сделать смелый вывод, что человек является машиной…»

Ламетри прекрасно сознавал, насколько живой организм отличается от простого механизма и отмечал: «Человек настолько сложная машина, что совершенно невозможно составить себе о ней ясную идею…» Тем не менее труды Ламетри ознаменовали наступление физики и математики на биологию. Исследователи стали обнаруживать сходство нервных волокон с электрическими проводами, стали понимать биофизику сокращения мышц и механическую целесообразность строения скелета.

С помощью математики начали исследовать не только строение отдельных организмов, но и их сообщества.

В 1931 году в Париже математик Вито Вольтерра опубликовал знаменитую книгу «Математическая теория борьбы за существование». Он написал в предисловии, что «область применения этих исследований включает все проявления борьбы между индивидуумами некоторого сообщества; прирост одних получается благодаря гибели других, причём прирост и гибель могут быть оценены численно». Сложные дифференциальные и интегро-дифференциальные уравнения Вольтерра…

– Что это такое? Интегро и ещё дифференциальные уравнения? – спросила Галатея.

– Это математические уравнения, в которых присутствуют сразу дифференциалы и интегралы неизвестных функций.

– Например?

– Хм… Когда ты собираешь ягоды в большую корзину, то скорость сбора ягод зависит от их количества на поляне и от твоей скорости движения по поляне. Скорость поступления ягод в корзину можно описать дифференциальным уравнением. Зато суммарное количество ягод в твоей корзине описывается интегралом по времени от скорости сбора. Если же учесть в уравнении, что по мере накопления ягод в корзине твоё движение по поляне замедляется из-за тяжёлой корзины и усталости, то окажется, что даже такое простое занятие, как сбор ягод, описывается интегро-дифференциальным уравнением.

– Теперь понятно, – удовлетворённо кивнула Галатея. – Выходит, я давно имею дело с интегры… с интегро-дифференциальными уравнениями.

– Вольтерра показал, что эти уравнения описывают, например, циклические колебания количества хищников и травоядных. Как замечали некоторые учёные, и прекрасно знали все скупщики мехов, бывают времена, когда охотники сдают много заячьих шкурок, но мало рысьего меха – и наоборот. Оказывается, изобилие корма помогало быстрому росту количества рысей, которые сокращали численность зайцев. В такое время охотники добывали много рысьих шкур, зато заячьих сдавалось меньше, чем обычно. Из-за голода поголовье рысей сокращалось – и зайцы снова размножались. Математика оказалась настолько могучим средством познания природы, что смогла точно описать уравнениями борьбу за существование тысяч рысей, замерших в охотничьем ожидании на ветках деревьев, и сотен тысяч зайцев, пугливо пробирающихся по лесным тропинкам. Аналогичные процессы протекали и в других биологических сообществах, например среди хищных рыб и рыб, которые питались водорослями и планктоном. Американский демограф Лотка провёл аналогичный математический анализ для колебания численности людской популяции. Сейчас эти уравнения, описывающие систему «хищник-жертва», называются уравнениями Лотки-Вольтерра.

Вито Вольтерра включил в математические уравнения рыбьи хвосты, волчьи зубы и заячьи лапы. Но биоматематика может включить гораздо больше объектов и феноменов, в том числе и человеческого организма. Но если мы сумеем описать процессы, протекающие в наших организмах, то сделаем огромный шаг к тому, чтобы управлять ими, достигая здоровья и долголетия. В третьей книге трилогии «Астровитянка» описывается математическое «решение бессмертия»:

«Для организма Homo Sapiens была составлена невероятно сложная система дифференциально-интегрально-тензорно-групповых уравнений. Математическое решение этой системы уравнений описывало все жизненные процессы, происходящие внутри человеческого организма. Получение данного „решения жизни“ было задачей исключительной сложности, но ещё более зубодробительной проблемой являлось „решение бессмертия“. Для него нужно было найти и наложить на исходную систему уравнений – то есть на сам организм – такие условия, при которых жизненные процессы в человеке оказывались бы не лимитированы по времени; например, деление клеток не затухало бы по истечении нескольких десятков лет в судорогах апоптоза, а продолжалось бы неограниченно».

– Неужели меня можно описать математическим уравнением? – задумалась Галатея. – Например, когда мне скучно на уроках? Или я не знаю, чем заняться вечером, – это что, какое-то уравнение во мне не может на что-то решиться?

– Вряд ли кто-то сможет описать психологические заскоки – особенно в твоей голове. Но биологические процессы как в больном, так и в здоровом человеческом организме подчиняются законам физики и математики.

Малярийный паразит забирается внутрь эритроцита – клетки крови, – размножается там, выедая питательные вещества эритроцита, а заодно готовя выход наружу всего народившегося потомства. Когда наступает момент «рождения», вступают в дело биомеханические процессы – и эритроцит, превратившийся к данному моменту просто в округлый мешок, в котором бьётся дюжина паразитов, выворачивается наружу, как перчатка, выбрасывая малярийных бандитов на дальнейший разбой. Малярийные паразиты не знают физики и математики, но прекрасно управляют физико-механическими процессами. Эволюция выработала у них особые способности, которые нужны, чтобы проникнуть в прочную клетку, потом подготовить её к выворачиванию, что представляет собой очень непростой процесс, учитывающий упругие свойства двуслойной клеточной мембраны, поверхностное натяжение и много других факторов. Можно победить малярийного паразита, если понять в деталях процесс его размножения и изменить свойства эритроцита так, чтобы тот выполнял свои функции, а паразит не мог больше им командовать.

Вирусы, которые даже не являются живыми организмами, а представляют собой достаточно сложные молекулы, оказываются умелыми механиками, которые «знают», каким способом вскрыть прочную оболочку клетки и проникнуть внутрь – для размножения. Помешать им опять-таки можно, только разобрав в деталях механизм проникновения вируса в клетку…