Здоровье по Дарвину: Почему мы болеем и как это связано с эволюцией Тейлор Джереми

Обратная сторона прямохождения

Как хождение на двух ногах связано с ортопедическими проблемами

Позвольте мне рассказать вам одну старую историю о легендарном конгрессмене от штата Массачусетс и бывшем спикере палаты представителей ныне покойном Типе О'Ниле. Будучи очень коммуникабельным человеком, О'Нил любил обмениваться рукопожатиями со своими избирателями. Но, несмотря на свою прекрасную зрительную память, он был попросту не в состоянии запомнить многие тысячи людей, с которыми ему приходилось встречаться во время предвыборных поездок. Поэтому он использовал хитрый прием. Он пожимал человеку руку и тихо спрашивал: «Как ваша спина?» Поскольку почти 80 процентов присутствующих в аудитории страдали теми или иными проблемами со спиной, такой «личный вопрос» практически гарантировал ему вздох изумления и восторга: «Поразительно – он меня вспомнил!»

Без сомнения, одна из главных особенностей современных людей – это наша способность к прямохождению. Вертикальное положение тела освободило наши руки, сделало нас более эффективными охотниками и собирателями и дало нашему мозгу возможность расти. Прямохождение быстро распространилось среди наших далеких предков и изменило их – хотя и е всегда к лучшему – во многих отношениях. Во всем животном мире только люди и птицы являются облигатно двуногими, хотя некоторые приматы, например гиббоны, предпочитают становиться на две ноги, когда передвигаются по земле. Большинство птиц перемещаются прыжками, хотя некоторые, такие как страус и его родственники, являются превосходными ходоками и бегунами. Но только у людей обязательная двуногость (бипедия) сочетается с абсолютно вертикальным положением позвоночника, при котором весь вес тела давит непосредственно вниз, на таз и ноги. Некоторые эволюционные антропологи считают, что эксперимент, который осуществили над нами природа и эволюция, неслучайно остался единственным в своем роде, так как у этих горе-экспериментаторов есть весьма весомые причины не повторять его на других представителях животного царства. Достаточно посмотреть на печальные последствия этого эксперимента – а именно на широчайший спектр проблем и заболеваний, которые угрожают нашему опорно-двигательному аппарату в результате того, что мы повернули наши позвоночники на девяносто градусов относительно земли.

Возьмем, например, грустную историю Розалинды Мичел. В 1951 году, когда Розалинде было одиннадцать лет, она почувствовала, что с ее позвоночником что-то неладно. У нее начала болеть поясница и ноги, и, к своему огорчению, она обнаружила, что стала терять силу в ногах, которые раньше легко вносили ее с остановки школьного автобуса на вершину крутого холма, где стоял ее дом. Осмотрев ее, семейный врач списал все проблемы на «болезни роста» и не назначил никакого лечения, сказав, что она их перерастет. Но состояние Розалинды только ухудшалось. Подъем от автобусной остановки до дома давался ей все труднее, а боль стала настолько сильной, что, добравшись до дома, она немедленно ложилась, чтобы дать боли утихнуть.

Наконец ее мать не выдержала и отвела девочку к специалисту. «Он посмотрел на мою спину и сказал: "Наклонись и коснись руками пальцев ног". Моя мать ахнула, потому что я не смогла опустить руки ниже колен! – рассказывает Розалинда. – Врач сказал, что, по его мнению, у меня в позвоночнике что-то сместилось, и мне может потребоваться операция». На самом деле самый нижний, пятый позвонок поясничного отдела (L5), вместо того чтобы надежно опираться на основание крестца, соскользнул вперед относительного него и потянул за собой весь позвоночник. Это состояние известно как спондилоптоз. Никто точно не знает, почему происходит такое катастрофическое смещение, хотя предположительно тут замешана генетика. Розалинда считает, что причиной этого были чересчур активные игры: «Я была очень подвижным ребенком, и мне нравилось прыгать с высоты. По дороге в школу было много отличных построек, и мы с друзьями соревновались, кто спрыгнет с самой высокой. Так что это могло произойти по моей вине!»

Первые девять дней в больнице ей пришлось выдержать процедуру вытяжения позвоночника. Эта процедура состоит в том, что к телу пациента прикрепляются различные ремешки или грузы, которые мягко растягивают позвоночник в вертикальном направлении, чтобы поставить сместившийся позвонок на место. Но Розалинде это не помогло, и ей сделали операцию. Поскольку в те времена еще не было титановых стержней и болтов, врачи взяли костные трансплантаты из подвздошных костей таза и жестко соединили основание позвонка L5 с основанием крестца – в надежде на то, что это позволит предотвратить его соскальзывание в дальнейшем. Следующие три месяца Розалинда провела в больнице, лежа на спине, замурованная в гипсе, чтобы дать возможность срастись костным трансплантатам. Когда ее выписали, она продолжила учебу, затем поступила в медицинский институт и стала анестезиологом. Со временем такой хирургический «ремонт» позвоночника привел к тому, что ее поясничный отдел, который в норме должен выгибаться вперед, образуя физиологический лордоз, выгнулся в обратную сторону – состояние, которое называется поясничным кифозом.

Так Розалинда Мичел присоединилась к многомиллионной армии людей, жизнь которых сопровождают боли в спине, смещения позвонков, чрезмерные изгибы позвоночника и множество других проблем, затрагивающих наше тело от шеи до самых пят. Многие специалисты по физической антропологии и эволюционной биологии объясняют этот внушительный перечень недугов одной фундаментальной причиной – прямохождением. Это та цена, которую мы платим за возможность передвигаться на двух ногах с гордо поднятой головой – при этом сгибаясь под бременем огромных издержек, которые повлекла за собой подобная фундаментальная перестройка всей нашей системы опорно-двигательного аппарата. Первым такую идею высказал Уилтон Крогман, специалист по судебно-медицинской антропологии из Пенсильванского университета, которого за его энциклопедические знания человеческого скелета филадельфийские полицейские прозвали «костный детектив». В том же 1951 году, когда Розалинда лежала в больнице в гипсе, он опубликовал новаторскую работу под названием «Шрамы человеческой эволюции», в которой написал следующее: «Мы, люди, имеем чудовищно непродуманную, кустарно состряпанную конструкцию, так что это вообще чудо, что мы можем двигаться – причем довольно ловко».

Крогман сравнивает четвероногих животных с «ходячими мостами», потому что их позвоночник работает как арка, опирающаяся на четыре ноги, с подвешенными под ней грудью и животом. Начав опираться на две ноги, говорит Крогман, мы потеряли все преимущества этой надежной конструкции, и нашему позвоночнику пришлось приспосабливаться к вертикальной нагрузке путем формирования трех арок. При рождении наш позвоночник имеет форму простой дуги, но как только мы начинаем поднимать голову, у нас начинает развиваться изгиб, обращенный выпуклостью вперед, который называется шейным лордозом, а когда начинаем ходить, такой же изгиб, называемый поясничным лордозом, формируется в нижней части туловища. Образующийся между ними изгиб с выпуклостью назад называется грудным кифозом. Эти нормальные физиологические изгибы придают человеческому позвоночнику характерную S-образную форму. Чтобы позволить всевозможные скручивания и наклоны, которые приходится делать двуногим человеческим существам, отдельные позвонки приобрели немного клиновидную форму с более узкой задней частью, как сегменты у игрушечной змейки. Такая конструктивная подвижность несет с собой определенные недостатки, особенно в нижней части спины, на которую приходятся максимальные нагрузки, поскольку позвонки могут легко соскальзывать вперед или назад по наклонным поверхностям своих соседей.

Самые пагубные последствия прямохождения мы пожинаем в том месте, где нижняя часть позвоночника соединяется с крестцом и тазом, говорит Крогман. Наш таз расположен под углом к позвоночнику, а не на одной линии с ним. Подвздошные кости таза стали короче и шире, чтобы помочь мышцам поддерживать наши провисающие внутренности. Максимальное напряжение, вызванное весовой нагрузкой, сосредоточено в месте сочленения подвздошных костей и клиновидного крестца. У людей это крестцово-подвздошное сочленение удлинилось по сравнению с четвероногими, так что в некоторых случаях крестец может доходить до родового канала и сужать его, затрудняя процесс деторождения. Именно эта область, по словам Крогмана, является наиболее нестабильной в силу своих конструктивных особенностей и служит главным источником болей в пояснице.

Значительный вес органов брюшной полости, давящих вниз под действием силы тяжести, создает риск образования грыж. Расположение сердца высоко над землей означает, что венозной крови приходится больше метра преодолевать земную гравитацию, поднимаясь от ног к грудной клетке, что создает угрозу варикозного расширения вен. А предрасположенность вен толстой кишки к застою крови в прямом смысле обеспечивает нас геморроем.

Далее Крогман спускается вниз, к нашим ногам. За очень короткий эволюционный период они трансформировались из цепких и хватких конечностей в основной несущий нагрузку механизм передвижения. «Мы переместили ранее противопоставленный большой палец параллельно другим пальцам ноги и удлинили комбинацию костей предплюсны, образующих пятку, голеностопного сустава и подъема ноги, до половины всей длины нашей ступни по сравнению с одной пятой у шимпанзе. Кроме того, мы сформировали жесткую арку и две поперечные оси, одна из которых проходит через предплюсну, а другая через основания пальцев». Такая конструкция не совсем удачна, утверждает Крогман и делает вывод: «Все эти шишки на ногах и мозоли, плоскостопие, вывихи и другие многочисленные недуги ступней говорят о том, что эволюция и адаптация не сумели превратить их в эффективные устройства, идеально приспособленные для выполнения их новой функции».

В феврале 2013 года группа последователей Крогмана выступила на заседании Американской ассоциации содействия развитию науки с докладом, который в знак признания заслуг выдающегося антрополога также озаглавила «Шрамы человеческой эволюции». Энн Гиббонс, ветеран научной журналистики, корреспондент журнала Science, вспоминает, как Брюс Латимер из Университета Кейс Вестерн Резерв, который в свое время перенес серьезную операцию на спине, «хромая, поднялся на сцену; в руках он нес искривленный человеческий позвоночник, на который и смотреть-то было больно». Латимер начал с заявления о том, что прямохождение есть корень всех зол, поскольку именно оно является причиной целого ряда травм и заболеваний, уникальных для человека. С возрастом наш S-образный позвоночник накапливает стресс, что приводит к патологическому усилению его физиологических изгибов, сгорбленной спине и сколиозу (боковому искривлению). Особую проблему, по словам Латимера, представляет собой большой поясничный изгиб, который необходим для предотвращения обструкции родового канала и уравновешивания верхней части тела на ногах и ступнях. Эта конструкция чрезвычайно подвержена изнашиванию и травмам. «Если вы заботитесь о своем позвоночнике, он может худо-бедно прослужить вам лет до сорока – пятидесяти, – говорит он. – Но потом будьте готовы к проблемам». Постоянное скручивание, которое возникает при ходьбе вследствие того, что мы ставим одну ногу впереди другой, да еще и размахиваем при этом руками в противоположном направлении, со временем истирает и выдавливает наши межпозвоночные диски. Из всего животного царства только люди, подчеркивает Латимер, страдают от переломов шейки бедра, шишек на ступнях, плоскостопия, порванных менисков, межпозвонковых грыж, синдрома расколотой голени, спондилолиза (повреждения в месте сращения дуги позвонка с его телом в результате чрезмерного растяжения или выгибания спины назад), сколиоза и кифоза.

Когда мы ходим и бегаем, говорит Латимер, нагрузка, которую испытывают наши суставы, в несколько раз превышает вес нашего тела. При ходьбе это не создает большой проблемы, поскольку естественное сгибание коленей на пятнадцать градусов позволяет амортизировать значительную часть этой нагрузки. Если бы при ходьбе мы сгибали колени еще больше, амортизация была бы еще эффективнее, но если вы попробуете это сделать, то увидите, что такой способ ходьбы довольно утомителен. К сожалению, когда мы бежим, наши нижние конечности полностью выпрямляются – причем именно в тот момент, когда на них приходится максимальная нагрузка. У шимпанзе бедренная кость свисает из тазобедренного сустава прямо вниз, и кости голени продолжают эту прямую линию ниже колена, что обеспечивает симметричную нагрузку на коленный сустав. Однако у людей из-за расположения ног непосредственно под центром тяжести тела коленный сустав сгибается немного под углом внутрь, что приводит к неравномерному изнашиванию хряща.

Джереми Десильва из Бостонского университета согласен с утверждением Крогмана, что у эволюции не было достаточно времени, чтобы создать идеальную человеческую ногу. Если бы у наших ног была совершенная конструкция, говорит он, разве подиатрия превратилась бы в индустрию стоимостью миллиарды долларов? Ноги страуса гораздо лучше приспособлены для бега. Его лодыжка слита с костями стопы в одну жесткую кость, напоминая специальные устройства, которые используют для бега современные паралимпийцы, а его длинные и толстые сухожилия гораздо лучше сохраняют энергию упругой деформации при перемещении на двух ногах. Страусы и их предки совершенствовали конструкцию своих ног на протяжении 250 миллионов лет; мы, люди, – на протяжении всего лишь 5 миллионов лет. В нашей стопе до сих пор имеется двадцать шесть костей, потому что мы произошли от живших на деревьях приматов, которые использовали все эти кости в очень гибких, мускулистых стопах, идеально приспособленных для хватания веток. Конечно, говорит Десильва, эволюция не так уж плохо поработала, приспосабливая обезьянью стопу к выполнению новых функций, таких как ходьба и бег: «Человеческая стопа довольно хорошо выполняет свою работу, и естественный отбор способствовал интенсивной перестройке стопы в функциональную структуру, которая эффективно амортизирует удар о землю, делается жесткой во время отталкивания и даже снабжена такими упругими компонентами, как свод стопы и ахиллово сухожилие».

Тем не менее, отмечает Десильва, вряд ли можно назвать человеческую стопу продуктом «интеллектуального проектирования», поскольку никакого «проектирования» не было и в помине – наша стопа представляет собой результат огромного количества небольших, случайных, сделанных наспех модификаций уже существующей структуры. Эти модификации являют собой биологический эквивалент скотча и скрепок. В отличие от инженеров, разрабатывавших современные беговые протезы для паралимпийцев (помните злополучного Оскара Писториуса?), эволюция не может вернуться к чертежной доске и разработать новую конструкцию с чистого листа. Ей приходится иметь дело с тем, что есть, – в данном случае с очень гибкой и абсолютно плоской обезьяньей стопой с длинным противопоставленным большим пальцем, идеально подходящим для захвата веток. «Естественно, – объясняет Десильва, – эта наспех переделанная система оказалась не совершенной: растяжение связок голеностопного сустава, подошвенный фасциит, плоскостопие…» К этому можно добавить пяточные шпоры, воспаление подошвенного апоневроза (длинной сухожильной пластинки, соединяющей пятку с основанием пальцев) и болезненный бурсит большого пальца стопы («шишка»), который может развиваться при постоянном отклонении большого пальца от физиологически правильной осевой линии.

Боли в спине стали эпидемией мирового масштаба. В одних только Соединенных Штатах 20 миллионов человек ежегодно обращаются к врачам с жалобами на боль в спине, а ежегодные расходы на лечение позвоночника превышают 85 миллиардов долларов. В Великобритании из-за болей в спине теряется свыше 81 миллион рабочих дней в год, а ежегодные расходы только Национальной службы здравоохранения на лечение заболеваний спины превышают 350 миллионов фунтов стерлингов. Столь высокая заболеваемость породила гигантскую индустрию, ориентированную на диагностику и облегчение болей в спине и ногах. В июле 2014 года эта индустрия продемонстрировала свои достижения на специализированной выставке «Боли в спине», организованной в Выставочном зале Лондонского олимпийского центра. Чего там только не было: вертикальные аппараты МРТ для сканирования спины, массажеры и тренажеры, стулья, кровати и подушки, кинезиология, йога, индуцирующая мозговые альфа-волны музыка, микротоковая терапия, ортопедическое оборудование для вытяжения позвоночника, магнитотерапия, альтернативное питание для облегчения болей в спине и капсулы с экстрактом бамбука для восстановления поврежденных позвоночных дисков.

Пит Мей – типичный представитель этого миллионного сообщества несчастных страдальцев. По иронии судьбы, он работает спортивным журналистом, но для него самого двери в спорт навсегда закрыты. Сейчас ему пятьдесят лет, и последние тридцать лет он страдает болями в спине. В молодости он увлекался мини-футболом и впервые почувствовал проблемы во время игры. «Я помню, как однажды пытался добраться до своего остеопата, который живет на холме в северной части Лондона. Мне пришлось взять такси, чтобы подняться на холм, а потом моему врачу пришлось отвезти меня вниз! Я едва переставлял ноги! В последний раз моя спина дала серьезный сбой, когда я гулял по побережью в Корнуолле. Там было очень грязно, я поскользнулся и приземлился прямо на задницу. На следующий день я мог передвигаться только скрючившись». Остеопат заботится о его спине, как автомеханик о старом изношенном двигателе на винтажном автомобиле. Как правило, диагнозы при болях в спине довольно расплывчаты: вроде бы ни переломов, ни повреждений нет, но болит. Питу говорят, что его боли вызваны механическим фактором, таким как раздражение деликатных фасеточных суставов в задней части позвонков. И его состояние вряд ли когда-нибудь улучшится.

Да, люди платят высокую цену за свою горделивую осанку. И хотя замечание Брюса Латимера о том, что чем дольше мы живем, тем меньше у нас шансов иметь здоровую спину и нижние конечности, совершенно справедливо, существует также широкий спектр серьезных медицинских проблем, связанных с опорно-двигательным аппаратом, которые никак не связаны со старением. Но если прямохождение действительно достается нам такой дорогой ценой, логично будет предположить, что оно несет с собой ощутимые преимущества, с лихвой компенсирующие эти издержки. Научный мир предложил нам множество возможных объяснений того, как и почему наши далекие предки перешли к прямохождению; и большинство этих теорий предполагает, что ареной для эволюции прямохождения стала жаркая африканская саванна с ее открытыми пространствами, которая в определенный момент нашей истории начала вытеснять тропические леса. К сожалению, ни одна из этих теорий не представляется в полной мере убедительной.

Первой ласточкой стала гипотеза об «ориентировочно-исследовательском поведении», которая предполагает, что стойка на двух ногах позволяла нашим предкам смотреть поверх высокой травы, чтобы лучше наблюдать за происходящим и ориентироваться на местности. Однако полевые исследования шимпанзе и гелад показали, что они очень редко, если вообще когда-либо, встают на задние лапы, чтобы провести осмотр местности. Известный палеоантрополог Дон Джохансон, чья экспедиция обнаружила скелет Люси, также однозначно указывает на то, что для ранних гоминидов, таких как афарские австралопитеки, которые были всего около метра ростом, весили 25–30 кг и имели абсолютно плоские стопы, выдавать свое присутствие вертикальной стойкой в окружении множества быстрых и сильных хищников было очень плохой идеей!

Гипотеза об «освобождении верхних конечностей» казалась неопровержимой на протяжении многих лет, и в качестве главных причин назывались такие факторы, как использование орудий труда, обращение с оружием, собирательство и самозащита. Однако, как замечает Джохансон, между появлением первых двух видов деятельности и развитием бипедии прошло более миллиона лет, а шимпанзе и другие человекообразные обезьяны успешно собирают пищу и защищают себя без облигатного прямохождения. Также было выдвинуто предположение, что встать на ноги гоминидов заставила необходимость носить на руках детенышей, поскольку из-за потери волосяного покрова те больше не моги цепляться за шерсть, как это делают детеныши обезьян. Чтобы проверить эту гипотезу, двое исследователей из Манчестерского университета попросили здоровых молодых женщин носить десятикилограммовый груз, который был либо симметрично распределен в жилете или в двух гантелях, либо смещен на одну сторону, как это происходит при ношении ребенка на руках или на бедре, и сравнили их энергозатраты. При асимметричной нагрузке энергозатраты были настолько выше, что исследователи сочли маловероятным, чтобы ношение детенышей на руках могло послужить толчком к прямохождению.

Джохансон также категорически отвергает гипотезу о «терморегуляции», которая предполагает, что наши далекие предки встали на две ноги, чтобы уменьшить количество тепловой энергии, получаемой от прямых солнечных лучей. «Почему бы просто не спрятаться в тени деревьев в жаркий полдень?» – спрашивает он. Наконец, «акватическая» гипотеза утверждает, что отсутствие волосяного покрова, эффективное потоотделение и толстый слой подкожного жира свидетельствуют о том, что важную роль в эволюции человека сыграла вовсе не саванна, а водная среда. Эта теория также была опровергнута, включая и вполне разумную версию немецкого антрополога Карстена Нимица, который предположил, что мелководная среда глубиной до середины бедра не только вынуждала, но и помогала нашим предкам овладеть навыком прямохождения, обеспечивая им дополнительную поддержку. Но насколько хорошей «тренировочной площадкой» для наших безоружных предков с их неумелой, шаткой походкой могло быть теплое мелководье, кишащее крокодилами, бегемотами, змеями и гигантскими выдрами?

Джохансон считает, что вопрос поставлен неправильно. Не существует одного-единственного правильного ответа на вопрос: «Почему наши предки стали ходить на двух ногах?» Вместо этого мы должны спрашивать: «Где, когда и какие именно преимущества подтолкнули ранних гоминидов к такому фундаментальному изменению поведения, как переход от передвижения на четырех конечностях к прямохождению?» Некоторое время назад ответ на этот вопрос казался недостижимым из-за малого количества ископаемых останков наших предков и – до появления относительно современных методов изотопных исследований – трудностей, связанных с воссозданием их среды обитания. Между тем сейчас картина постепенно проясняется и новые открытия преподносят один сюрприз за другим.

Все ранние виды рода Homo – такие как человек прямоходящий (Homo erectus), человек умелый (Homo habilis) и гейдельбергский человек (Homo heidelbergensis) – уже были полноценными двуногими. Но когда наши предки начали вставать на две ноги? Знаменитая «дорожка» из отпечатков ног афарских австралопитеков, найденная в танзанийской местности Лаэтоли, однозначно доказывает, что уже 3,5 миллиона лет назад наши предки уверенно передвигались на своих двоих. Эти следы очень похожи на следы современного человека: наличие свода стопы, правильное расположение большого пальца стопы и гораздо бльшая по размеру пяточная кость по сравнению с шимпанзе. Брюс Латимер шутит, что, если бы один из таких парней сегодня прогулялся по пляжу во Флориде, никто бы не обратил на него внимания! Робин Кромптон и его коллеги из Ливерпульского университета при помощи средств функциональной МРТ создали трехмерное изображение всех лаэтольских следов. Затем при помощи компьютерного моделирования они определили распределение давления на стопу во время ходьбы и смоделировали примерную походку. Раньше считалось, что афарские австралопитеки ходили сильно согнувшись и отталкиваясь от земли средней частью стопы, как сегодня перемещаются человекообразные обезьяны. Однако исследователи установили, что они ходили с полностью выпрямленной спиной, опираясь в основном на переднюю часть стопы, в частности на большие пальцы ног, что больше напоминает манеру ходьбы сегодняшних людей.

Но могли ли они по-прежнему лазить по деревьям? Проанализировав найденные фрагменты ног австралопитеков, Джереми Десильва пришел к выводу, что у большинства представителей этого рода голеностопный сустав был очень похож на человеческий, т. е. был расположен под прямым углом, тогда как у шимпанзе этот сустав имеет трапециевидную форму, благодаря чему может сгибаться под гораздо бльшим углом. Когда шимпанзе взбираются на деревья, они сгибают ноги в лодыжке так сильно, что их голень почти касается подъема стопы. Австралопитеки уже не могли этого делать, поэтому были довольно неуклюжими лазальщиками. Таким образом, хотя австралопитеки продолжали забираться на деревья, чтобы добраться до фруктов, спастись от хищников или свить гнездо для ночевки, их основной дом был на земле. Но, разумеется, и здесь не обошлось без исключений. В 2012 году Йоханнес Хайле-Селассие, Брюс Латимер и их коллеги представили фрагменты ног австралопитека, датирующиеся примерно 3,4 миллиона лет назад. Хотя эти останки пока не идентифицированы, не исключено, что они могут принадлежать к одному из ранних видов – австралопитеку рамидус (Australopithecus ramidus), который существовал одновременно с австралопитеком афарским. Фрагменты стопы четко показывают наличие противопоставленного большого пальца. Исследователи пришли к выводу, что этот вид, получивший временное кодовое название BRT-VP-2/73, более ловко ередвигался по деревьям, чем по земле. Эта находка предполагает, что переход к прямохождению не был прямолинейным процессом и первые двуногие гоминиды существовали одновременно с «древесными» представителям того же рода.

Ученые также отметили, что у этих ископаемых останков есть много общего с еще более древним видом гоминидов – ардипитеком рамидус (Ardipithecus ramidus), который существовал на Земле не менее 4,4 миллиона лет назад, т. е. почти в то самое время, когда предположительно началось расхождение эволюционных линий человека и шимпанзе. Найденные останки женщины-ардипитека, которую окрестили Арди, заставили нас серьезно пересмотреть наши представления о возникновении прямохождения. Мы все знакомы с изображением «парада» человеческой эволюции из школьных учебников, где за стоящей на четырех лапах шимпанзе следует сутулый австралопитек, затем человек прямоходящий и, наконец, самый высокий и грациозный человек разумный (Homo sapiens). Но сегодня все больше палеоантропологов сходятся во мнении, что эту красивую картинку можно выбросить в мусорную корзину. Дело в том, что таз Арди гораздо больше напоминает широкий и плоский таз австралопитеков и современных людей, что вместе с характерными особенностями бедренной кости, ребер и задней части грудного позвонка однозначно свидетельствует о том, что Арди передвигалась на двух ногах с вертикальной спиной. И при этом она имела длинную, узкую стопу с противопоставленным большим пальцем!

Оуэн Лавджой, Тим Уайт и их коллеги пришли к выводу, что Арди была двуногим, хорошо приспособленным для жизни на деревьях, поскольку такое строение стопы с оттопыренным большим пальцем позволяло ей ловко хвататься даже за тонкие ветки. Она также была способна передвигаться на двух ногах по земле, хотя и не так грациозно, как более поздние австралопитеки. «Таким образом, Ardipithecus ramidus с его промежуточной конструкцией опорно-двигательного аппарата оказался тем самым недостающим звеном в процессе перехода от древесного образа жизни к наземному, сопровождавшегося развитием бипедии, – утверждают они, и едко добавляют: – Следовательно, все теории возникновения прямохождения, основанные на наблюдениях за локомоцией человекообразных африканских обезьян, больше не являются полезной парадигмой».

Некоторые антропологи утверждают, что, поскольку люди и их прямые предки имеют такое же строение запястья и пальцев, как шимпанзе и гориллы, они произошли от общего предка, для которого был характерен способ перемещения с опорой на костяшки пальцев. Однако Трейси Кивелл и Дэн Шмитт показали, что шимпанзе и гориллы используют для такой «кулачной ходьбы» разные части кисти и запястья, а также указали на то, что многие виды обезьян, у которых запястья и пальцы устроены как у шимпанзе, не используют способ перемещения с опорой на костяшки пальцев, и наоборот, многие виды обезьян с другой морфологией запястий и пальцев перемещаются так же, как шимпанзе.

Обнаружение ардипитека усилило интерес к другим странным гоминидам, выбивающимся из общей картины. Ситуация начинает выглядеть так, будто вскоре нам придется переместить этих маргинальных персонажей с задворок человеческой эволюции в самый ее центр, поскольку они могут представлять собой самые первые попытки наших предков экспериментировать с прямохождением, датирующиеся примерно 9 миллионов лет назад! Возьмите, например, ореопитека. Этот примат, чей скелет, несмотря на отсутствие родства, имеет сильное сходство со скелетом ардипитека, обитал на островах Сицилия и Сардиния. Он имел широкую грудную клетку, длинные и тонкие пальцы рук и ног, очень гибкие суставы и физиологический поясничный лордоз – признак того, что он мог стоять в вертикальном положении. Он ловко передвигался по деревьям и был способен худо-бедно ковылять на двух ногах. Его большой палец был расположен под углом 100 градусов к остальной части стопы, так что его нога действовала подобно треножному штативу. На островах у него не было естественных врагов, но примерно 6,5 миллиона лет назад между островами и Африканским континентом образовались сухопутные перемычки. Среду обитания ореопитеков наводнили жестокие хищники, и в скором времени ореопитеки были полностью уничтожены.

В 2001 году французский палеоантрополог Мишель Брюне обнаружил в Чаде расколотый череп гоминида, которому он дал имя Тумай (на чадском наречии это означает «надежда на жизнь»). На его основе он описал новый, самый древний из известных видов гоминидов, названный им сахелантропами (Sahelanthropus). Череп представляет собой смесь из человеческих и обезьяньих черт, но Брюне убежден, что его владелец был двуногим, из-за сдвинутого вперед положения большого затылочного отверстия – места, где спинной мозг выходит из черепа. В 2000 году в местности Туген-Хиллс в Кении были обнаружены ископаемые останки одного из первых гоминидов, названного оррорином. У него были маленькие зубы по сравнению с австралопитеками и ардипитеками, а вертел бедра – место, где бедренная кость переходит в шейку бедра и присоединяется к тазобедренному суставу, – очень похож на человеческий. Это наводит на мысль о том, что, хотя оррорины обитали на деревьях, они также были двуногими.

Ученые пока не решили, был ли кто-то из этих ранних двуногих нашим прямым предком, однако становится очевидно, что эксперименты с прямохождением были отнюдь не редкостью среди гоминоидов (группы, включающей больших человекообразных обезьян, наших прямых предков и нас самих). Тем самым, согласно Робину Кромптону, весьма маловероятно, что человеческое прямохождение развилось из способа перемещения шимпанзе – с опорой на костяшки пальцев. В этом случае наши предки должны были бы эволюционировать из более ранних четвероногих приматов в так называемых коронных гоминоидов (таких как сахелантропы, оррорины и др.), которые были двуногими, затем обратно – в четвероногих обезьян, таких как шимпанзе и гориллы, и, наконец, – в австралопитеков и род Homo, которые уже однозначно были прямоходящими двуногими! Тут Кромптону и его единомышленникам понадобилась бритва Оккама. Они предпочли бы более простой сценарий, предполагающий, что мы произошли от некоего раннего вида гоминоидов со сформировавшимся навыком прямохождения, который был общим предком для наших предков и предков шимпанзе. Затем наша линия продолжила идти по пути развития прямохождения, а линия шимпанзе и горилл пошла в другую сторону – по пути развития своеобразной формы четвероногости со случайным использованием прямохождения или даже передвижения на трех конечностях для таких целей, как добывание пищи, защита и нападение, сексуальное демонстрационное поведение и перемещение под пологом леса.

На первый взгляд теория Кромптона кажется парадоксальной, но вот как он ее объясняет:

После изучения ископаемых останков, поведения обезьян и результатов экспериментов нами был сделан логический вывод, что прямохождение первоначально развилось как адаптация к жизни на деревьях. Но каким образом? Дело в том, что почти все обезьяны усиливают сгибание суставов верхних и нижних конечностей при перемещении по тонким, гибким ветвям. Это позволяет им сместить центр тяжести своего тела вниз и таким образом уменьшить вероятность падения и раскачивание ветвей. Наша гипотеза состоит в том, что перемещение на двух ногах по деревьям дает большим древесным обезьянам преимущество, поскольку позволяет им держаться за тонкие ветки с помощью длинных и цепких пальцев ног, увеличивая их устойчивость, и при этом освобождает одну или обе руки для поддержания равновесия, кормления и переноса веса с ветки на ветку. Мы обнаружили, что орангутанги передвигаются на четырех конечностях по одиночным толстым и устойчивым ветвям; на менее толстых ветвях они используют брахиацию (перемещение при помощи рук); но, попадая на тонкие и гибкие боковые ветки, они тут же встают на задние конечности и выпрямляют их почти так же, как люди.

Наши предки выпрямились гораздо раньше, чем мы думали. Около 4 миллионов лет назад большинство австралопитеков были двуногими с хорошо сформировавшимся навыком прямохождения. Их поясничные позвонки по количеству и форме были очень похожи на наши. Они не сутулились, не наклонялись вперед и не переваливались неуклюже при ходьбе. Их грудная клетка, как и наша, была более бочкообразной, чем у шимпанзе (у тех грудная клетка имеет конусообразную форму), чтобы вместить их большие внутренности внизу и занимать меньше места наверху, где находится мощная мускулатура плечевого пояса, позволяющая им легко передвигаться по ветвям на руках. Шимпанзе также имеют меньше поясничных позвонков, чем мы, поэтому они не могут принять полностью вертикальное положение.

Эта революционная гипотеза о происхождении бипедии у человека в последнее время приобретает все бльшую поддержку в результате кардинального пересмотра вероятного времени эволюционного расхождения человека и шимпанзе. До 2013 года считалось, что это произошло около 4–6 миллионов лет назад, что, принимая во внимание открытие Арди, означает, что гоминины (подсемейство приматов, к которому относятся предшественники человека) должны были перейти к прямохождению с молниеносной скоростью. Теперь ученые рекалибруют молекулярные часы, по которым они датируют эволюционные события. Опираясь на новые предположения о продолжительности жизни одного поколения наших далеких предков и о количестве новых мутаций, которые могут быть привнесены с каждым поколением, исследователи отодвинули дату расхождения человека и шимпанзе примерно до 7,5 миллиона лет назад – и это по самым консервативным оценкам. Эта новая дата немедленно включила древних двуногих, таких как сахелантропы и оррорины, в человеческое семейное древо, а шимпанзе и горилл лишило статуса наших прямых предков, сделав их боковой ветвью, которая пошла по собственному пути развития намного раньше, чем мы считали.

Хотя локомоция австралопитеков не была такой же энергетически экономичной, как наша, при ходьбе на двух ногах они тратили гораздо меньше энергии, чем шимпанзе. Майкл Сокол, Дэвид Рейчлен и Герман Понтцер провели расчеты и показали, что из-за коротких задних конечностей при передвижении на двух ногах шимпанзе вынуждены тратить гораздо больше сил на отталкивание от земли. Это приводит к высоким энергетическим затратам. Кроме того, из-за согнутых тазобедренных и коленных суставов центр тяжести их тела находится впереди тазобедренных суставов, что требует значительных усилий мышц-разгибателей для поддержания равновесия. Такое согнутое положение также означает, что они используют гораздо больше мышечной силы в области колена. Все это делает любой способ передвижения для шимпанзе, будь то на двух или четырех конечностях, гораздо более энергозатратным, чем для людей – общие затраты на локомоцию у современного человека на 75 процентов ниже, чем у шимпанзе. Этот вывод предполагает, что ранние гоминины могли получать выигрыш в энергии благодаря небольшому увеличению длины ноги или разгибания бедра, что обеспечивало им преимущество в процессе естественного отбора. Возможно, это позволяло им лучше находить пищу в условиях ее нехватки.

Дон Джохансон считает, что это заложило основу для постепенного перемещения наших предков с деревьев на землю:

Я считаю, что наши предки, еще до Люси, начали осваивать прямохождение под покровом леса, в привычной для них среде, где они сталкивались с меньшим числом опасностей. Приобретенный навык прямохождения преадаптировал их для жизни в саванне, куда они и принялись постепенно переселяться, расширяя свою территорию обитания. На открытых пространствах саванны бипедия обеспечила нам множество важных для выживания преимуществ: руки были свободны, чтобы изготавливать и использовать орудия труда, они могли проходить пешком большие расстояния, собирать и переносить еду, осматривать окрестности, возвышаясь над травой, и т. д. Прямохождение было ключевой поведенческой инновацией, которая открыла путь для дальнейшей эволюции, даже несмотря на то, что этот навык далек от совершенства. Современные люди по-прежнему страдают от плоскостопия, грыж, болей в спине и других негативных побочных эффектов прямохождения. Но именно этот шаг в далеком прошлом поставил нас на путь, который впоследствии привел к появлению и развитию орудий труда, увеличению размеров головного мозга и развитию интеллекта – всему тому, что сделало нас доминирующим видом на нашей планете.

Так что же представляет собой наш позвоночник? Действительно ли это, как утверждают некоторые эволюционисты, переделанная наспех, несовершенная конструкция, предназначенная служить главной цели – освободить наши руки? Обсуждение этого вопроса со многими хирургами-ортопедами и специалистами по сравнительной анатомии убедило меня в том, что здесь требуется более тонкий подход и что человеческий позвоночник был (во многом беспочвенно) оклеветан антропологами-эволюционистами. Возьмем, например, боли в пояснице. Джон О'Дауд, консультирующий хирург-ортопед в Лондонской больнице святого Томаса и всемирно известный эксперт в области заболеваний позвоночника, не оспаривает тот факт, что боли в пояснице являются поистине эпидемией мирового масштаба, но объясняет, в чем заключается сложность ситуации с медицинской точки зрения. Проблема в том, что повреждения позвоночника могут не сопровождаться болями в пояснице, и наоборот, боли в пояснице могут не сопровождаться явными признаками патологии. Многие исследования показывают, что боли в пояснице одинаково часто встречаются у людей как с нормальным, так и с больным позвоночником. Источник боли может находиться в какой-нибудь мышце или связке, которую трудно увидеть при помощи МРТ или других методов диагностики, или, как отмечает О'Дауд, за боль может нести ответственность не столько спина, сколько мозг. Хотя настоящие психосоматические боли в спине – явление редкое, психологический фактор тоже может играть свою роль. Представьте, что вы живете с партнером, который вынужден заботиться о вас из года в год, потому что у вас больная спина. Однажды вы идете к врачу, и он говорит вам, у вас нет никаких патологий в спине. Ваши отношения с партнером будут поставлены под угрозу. Точно так же люди «знают», что покажет сканирование их позвоночника еще до того, как они его сделают, потому что им известно, что они должны увидеть, чтобы обосновать свои боли в спине. Худшая вещь для этих людей – увидеть, что их спина совершенно нормальна!

Возможно, вы думаете, что Розалинда Мичел, чей позвоночник полностью соскользнул с крестца в возрасте двенадцати лет, прожила короткую и полную физических страданий жизнь после примитивной, по современным меркам, операции, намертво прикрепившей ее нижний поясничный позвонок к основанию крестца? Вовсе нет. Этот хирургический «ремонт» продлил ей жизнь более чем на полвека, никак не повлияв ни на ее профессиональную карьеру, ни на ее способность иметь детей. Наличие у людей крестца с вентрально направленной верхушкой всегда создавало проблемы для женщин, поскольку это сужает родовые пути. Сращенный с позвонком крестец Розалинды сделал ее родовые пути еще более извилистыми и узкими. «Тем не менее я родила двоих детей, – говорит она. – В обоих случаях мне говорили, что требуется кесарево сечение, но они оба как-то сумели пройти этот крутой поворот!»

Проблемы начались, когда Розалинде было уже далеко за шестьдесят. Поскольку в результате операции вместо поясничного лордоза у нее образовался поясничный кифоз, постепенно она стала все сильнее наклоняться, сгибаясь в пояснице, из-за чего ей приходилось вытягивать шею, как черепахе, чтобы посмотреть вперед. Отсутствие нормального S-образного изгиба позвоночника привело к проблемам с равновесием, что сделало самую обычную ходьбу трудной и утомительной. В конце концов, она решилась на операцию по остеотомии позвоночника, в ходе которой ей вырезали V-образный клин из задней части второго поясничного позвонка, чтобы добиться его выпрямления. Последствия операции оказались чрезвычайно болезненными, поскольку всем мышцам, связкам и сухожилиям ее спины, живота и ног пришлось приспосабливаться к новому положению позвоночника. Через пять лет после операции она почувствовала некоторое ухудшение самочувствия – на этот раз по ее собственным строгим меркам. Недавно она прошла всю Велкобританию пешком от побережья до побережья, начав свое путешествие в Камбрии на берегу Северного моря и преодолев в общей сложности сто миль и несколько горных хребтов. Она до сих пор устраивает себе пешие каникулы, проходя по десять миль в день в течение недели. Она надеется, что последнего «ремонта» позвоночника ей хватит до конца жизни!

О'Дауд считает, что позвоночник человека прекрасно подходит для вертикальной нагрузки. У большинства людей он отлично выполняет свои функции на протяжении восьмидесяти лет и дольше и сохраняет свою силу, гибкость и упругость даже при значительных повреждениях. По мнению О'Дауда, позвоночник – настоящее чудо природной инженерной мысли. Специалисты по сравнительной анатомии склонны с ним согласиться и, что примечательно, утверждают, что в вертикальном человеческом позвоночнике нет ничего особенного и многие проблемы, с которыми мы сталкиваемся, точно так же характерны для четвероногих животных.

Одно из главных эволюционных новшеств в человеческом позвоночнике – его S-образная форма с физиологическими лордозами в шейном и поясничном отделах и физиологическим кифозом в грудном отделе. Большинство гипотез объясняют этот изгиб тем, что он необходим для удержания вертикального положения. Но если подумать, жесткий вертикальный стержень позволил бы сделать это гораздо лучше. Майк Адамс, профессор сравнительной анатомии из Бристольского университета, считает, что секрет S-образной кривой – в ее способности амортизировать ударные нагрузки. S-изгибы отлично противостоят сжатию, которое в очень жесткой, прямолинейной структуре создало бы громадные нагрузки. При каждом нашем шаге эти изгибы действуют как пружина. Они постоянно находятся в состоянии упругого напряжения и легко поглощают ударную энергию. Но такая пружиноподобная деформация позвоночника возможна лишь в ограниченных пределах: мощные, идущие вдоль всего позвоночника мышцы – выпрямители спины (параспинальные мышцы) не позволяют этим изгибам сжиматься и растягиваться слишком сильно.

Разумеется, S-образная форма может приводить к проблемам. Людей с «круглыми» и горбатыми спинами – легион. Еще чаще проблемы возникают в нижней части спины – в области поясницы. Как правило, это связано со сжимающей нагрузкой – вертикальной силой, которая действует на позвоночник перпендикулярно межпозвоночным дискам. Эта нагрузка частично создается земной силой тяжести, поэтому в нижней части позвоночника она больше, чем в верхней. Но она также создается усилием параспинальных мышц, которые всегда находятся в напряженном состоянии, чтобы удерживать нас в вертикальном положении. Они генерируют такую же компрессионную нагрузку, как и сила тяжести, особенно когда мы поднимаем значительный груз. Позвоночник человека в определенной степени приспособлен для того, чтобы справляться с этой нагрузкой. Наши нижние позвонки больше и мощнее, чем верхние, и, поскольку нагрузка характеризуется силой, приходящейся на единицу площади, сжимающая нагрузка остается одинаковой в любой точке вдоль позвоночника. Исходя из этого, Майк Адамс утверждает, что чаще всего патологию нижнего отдела позвоночника вызывает не сжатие, а сгибание.

Бывший коллега Адамса Донал Макналли, ныне профессор анатомии в Ноттингемском университете, согласен с этим и добавляет, что мышечное сжатие позвоночника у четвероногих ничуть не меньше, чем у нас, прямоходящих. Представьте себе, говорит он, гепарда, который охотится за газелью. Мгновенное ускорение, высочайшая скорость, резкие повороты и прыжки заставляют параспинальные мышцы работать на пределе возможностей, создавая огромные нагрузки на позвоночник. Спазм этих параспинальных мышц может быть чрезвычайно мощным и разрушительным. Например, свиньи, которых выращивают ради бекона, имеют массивные спинные мышцы. Иногда на бойне из-за неправильного применения электрошока эти мышцы сжимаются в таком сильном смертельном спазме, что даже раздавливают позвонки (их осколки часто встречаются в мясе). Даже у людей эти мышцы настолько сильны, что во время эпилептического припадка их судороги могут приводить к компрессионным переломам позвонков.

Хотя это может показаться удивительным, изменение положения позвоночника с горизонтального на вертикальное фактически не повлияло на те компрессионные нагрузки, которым подвергается позвоночник в результате действия мышц. Например, поясничный отдел мужчины при поднятии груза в среднем испытывает сжимающую нагрузку около двух тысяч ньютонов, из которых всего триста ньютонов приходится на вес головы, плечевого пояса и грудной клетки, давящий вниз. Позвоночник человека нагружен точно так же, как у четвероногих, говорит Макналли, а переход к прямохождению не так уж сильно изменил его первоначальную «конструкцию» и характеристики. На самом деле, замечает Макналли, люди уникально адаптированы для того, чтобы снизить эту мышечную нагрузку на позвоночник благодаря значительному уплощению наших тел в переднезаднем направлении (сравните нашу грудную клетку с круглой бочкообразной грудной клеткой у горилл), что позволяет существенно уменьшить изгибающие моменты.

Ответ на вопрос, почему параспинальные мышцы создают такие большие сжимающие нагрузки, дает биомеханика. В идеале, чтобы уменьшить мышечную нагрузку во время сгибания и скручивания позвоночника, эти мышцы должны были бы работать на расстоянии, оперируя длинным плечом рычага, но это невозможно анатомически. Параспинальные мышцы, как следует из их названия, идут параллельно позвоночнику и, следовательно, оперируют коротким плечом рычага, создавая повышенную компрессионную нагрузку. Представьте себе, что вы наклоняетесь, чтобы поднять груз двадцать килограммов. Эта асимметричная нагрузка на позвоночник должна быть уравновешена параспинальными мышцами. Но ваша рука, поднимающая вес, образует плечо рычага длиной сорок – пятьдесят сантиметров (расстояние от руки до позвоночника), тогда как плечо рычага, образованного мышцами вашей спины, составляет меньше одной десятой от этого. Таким образом, чтобы поднять вес, прилагаемая параспинальными мышцами сила должна быть в десять раз больше поднимаемого вами веса. Самая губительная ситуация для нашего позвоночника – когда при приложении такой чудовищной силы сжатия мы дополнительно его сгибаем. Но именно так мы и поступаем при поднятии тяжестей и работе в саду – мы наклоняемся вперед и манипулируем грузом или садовыми инструментами на большом плече рычага, компенсируя это сокращением параспинальных мышц, которые прилагают колоссальную силу сжатия к нашим позвонкам и межпозвоночным дискам. Больше всего меняется геометрия поясничных дисков. К счастью, в процессе эволюции они приобрели немного клиновидную форму, которая делает возможным наклон под углом двадцать пять градусов, но при таких значительных напряжениях все равно могут возникать проблемы.

Что нам действительно дала эволюция, объясняет Макналли, так это пластичную костно-мышечную систему, которая с течением времени способна меняться – функционально перестраиваться, чтобы справиться с возлагаемыми на нее нагрузками. Наши мышцы, кости и мягкие ткани становятся сильнее, если постоянно заставлять их работать. Это одна из причин того, почему боли в спине не являются особой проблемой для людей, чья работа связана с регулярным переносом тяжестей. Их спина перестраивается, чтобы успешно справляться с такими нагрузками. Гораздо большей опасности в этом отношении подвергаются так называемые «солдаты выходного дня», которые в воскресенье решают перекопать весь сад или совершить другие трудовые подвиги на приусадебном участке.

Как указывает Макналли, многие проблемы с позвоночником, с которыми сталкиваются люди, точно так же встречаются у четвероногих, особенно у таких «спортивных» животных, как лошади и гончие собаки, а также у животных-долгожителей. Благодаря улучшению ветеринарной помощи за последние несколько десятилетий количество животных преклонного возраста существенно увеличилось. У хондродистрофичных пород собак, у которых нарушено формирование хрящевой ткани, – таких как таксы, пекинесы, бигли и пудели – ранняя дегенерация дисков является системным заболеванием и может начинаться уже в полуторагодовалом возрасте, и даже не хондродистрофичные собаки, такие как овчарки, ретриверы, лабрадоры и доберманы, к восьмому году жизни уже часто страдают от дегенерации дисков.

Мы виним эволюцию во всех наших бедах с позвоночником, говорит Майкл Адамс, из-за ее скупости. Она практически не дала нам права на ошибку. Мы развили массивные поясничные позвонки с толстыми амортизирующими межпозвоночными дисками, которые очень эластичны и устойчивы к травмам. На самом деле они гораздо надежнее искусственных протезов, которыми хирурги-ортопеды заменяют поврежденные диски. Проблема в том, что, когда эти диски травмируются, они почти не поддаются восстановлению. Межпозвоночные диски фактически лишены кровоснабжения, поскольку никакие кровеносные сосуды не выдержали бы колоссальных сжимающих нагрузок. Ситуацию усугубляет очень низкая плотность клеток в хрящевой ткани. Из-за отсутствия хорошего кровоснабжения, которое стимулировало бы образование новых клеток на месте травмы, диски почти не способны восстанавливаться, и в них начинаются дегенеративные процессы. Мало того, что эволюция снабдила нас сложнейшим «одноразовым» механизмом, объясняет Адамс, так еще и наша культура не способствует правильному обращению с этим механизмом. В западном обществе мы лишаем себя гибкости в позвоночнике, особенно в его поясничном отделе. Мы целыми днями сидим на стульях и теряем подвижность. Для сравнения Адамс приводит представителей африканских и индейских племен, которые много движутся и часто сидят на корточках. В результате даже во взрослом возрасте у них сохраняется такая же подвижность позвоночника, как в детстве. Когда у вас гибкая поясница, ваши диски остаются упругими и эластичными и их гораздо труднее повредить при сгибании и скручивании. Но, если вы теряете эту подвижность, любое сгибание создает значительные нагрузки на позвоночник, приводя к синдрому «солдата выходного дня».

Поведение дисков при травмировании позволяет объяснить глобальную эпидемию болей в спине. Здоровые диски просто не могут чувствовать боль. Поскольку они являются амортизирующими подушками, принимающими на себя всю сжимающую нагрузку на позвоночник, то не снабжены ни кровеносными сосудами, ни нервами. Но при соскальзывании позвонков или грыже в диске могут образоваться радиальные трещины, через которые внутрь него начинают прорастать кровеносные сосуды и нервы. В результате может начаться вымывание жизненно важных молекул, отвечающих за гидратацию диска, а также приток в диск иммунологических факторов, вызывающих местное воспаление. Именно это воспаление и вызывает боль.

Кроме того, мы не предназначены для того, чтобы очень долго и неподвижно находиться в вертикальном положении, как это часто происходит сегодня. Дело в том, что в таком положении нагрузка концентрируется на задней части межпозвоночного диска и дуге позвонка. Когда мы стоим прямо, значительная часть нагрузки передается через маленькие хрупкие апофизарные суставы на задней части позвонков. Известно, что старые люди становятся заметно меньше ростом. Во многом это вызвано тем, что дегенерация дисков приводит к сокращению расстояния между позвонками и увеличивает нагрузку на апофизы позвонков. У молодых людей на эти апофизарные суставы приходится менее 10 процентов всей сжимающей нагрузки на позвоночник, но к 50 годам эта нагрузка увеличивается до 20–30 процентов, особенно при лордотической осанке. При уплощении межпозвоночных дисков через эти очень деликатные суставы может передаваться до 90 процентов всей сжимающей нагрузки. Это приводит к значительному ремоделированию костной ткани, избыточному росту костных образований (остеофитов) и остеоартриту.

Но эволюция постаралась компенсировать эти недостатки весомым преимуществом. Она наделила наш скелет способностью к быстрому и значительному адаптивному ремоделированию. С одной стороны, в ударной руке Энди Маррея или Роджера Федерера имеется на 35 процентов больше костной массы, чем в вашей или моей; с другой стороны, если вы проведете шесть месяцев в постели, ваша костная масса уменьшится на 15 процентов. Адаптивное ремоделирование позволяет нашим телам увеличивать костную массу, когда это необходимо, и экономить ценные ресурсы путем ее сокращения, когда она не нужна. Именно способность к такой перестройке мышц и костей является одной из причин того, почему суперспортсмены, такие как Усэйн Болт, сегодня могут устанавливать новые мировые рекорды, намного превосходящие рекорды их предшественников, – человеческое тело еще не достигло пределов своих возможностей.

Хотя я считаю, что мы должны с достаточным скептицизмом отнестись к мрачному взгляду Брюса Латимера на здоровье человеческого позвоночника, существует три серьезные проблемы, присущие лишь человеку и его предкам, в которых во многом повинно наше вертикальное положение. Это остеопороз, беременность и роды и сколиоз.

Остеопороз представляет собой сложное метаболическое и гормональное заболевание, но в нем замешан и биомеханический фактор. Кости состоят из двух типов тканей: кортикальной ткани (твердой и плотной), которая образует внешнюю часть скелетных структур, и губчатой, или трабекулярной, ткани, которая образует внутреннюю часть кости и представляет собой сеть из множества тонких костных перегородок, называемых трабекулами. У людей размер позвонков увеличивается по мере продвижения от шеи к тазу, у нас также очень большая пяточная кость. Но, несмотря на больший размер нижних позвонков, они отличаются меньшей плотностью и имеют намного больше губчатой ткани и намного меньше кортикальной, чем аналогичные позвонки у четвероногих. Шейки наших длинных костей – узкие перешейки между костным телом и суставной частью, которой кость сочленяется с другими структурами, – имеют аналогичное строение. При приложении силы к губчатой кости она изгибается, что делает ее эффективным амортизатором.

Но те же самые особенности губчатой кости, которые позволяют ей хорошо амортизировать ударные нагрузки, повышают вероятность развития остеопороза. Тонкие, длинные и редко расположенные трабекулы делают кость упругой и гибкой, но в то же время создают другие проблемы. Губчатые кости – это живые, динамически меняющиеся структуры, поскольку специальные подвижные клетки, называемые остеокластами, постоянно поглощают (резорбируют) костную ткань, истончая трабекулярные перегородки и сокращая их число. Таким образом, гигантские внутренние поверхности больших трабекулярных костей обладают значительным потенциалом для ремоделирования – изменения плотности – в ответ на сигналы, поступающие от остальной части тела. Один из таких сигналов – количество нагрузки, которую кость регулярно получает. Хотя, как отмечает Майк Адамс, сегодня этот вопрос разделил ученых на воюющие лагеря, ключевая идея состоит в том, что ослабление и ограниченное использование мышц по мере старения снижает нагрузки на наши кости. В отсутствие привычных нагрузок кости начинают избавляться от лишней плотности, чтобы стать легче. Здесь действует один из ключевых принципов эволюции – «что не используется, то теряется». В конце концов, кости могут стать настолько хрупкими, что пожилому человеку достаточно поскользнуться на банановой кожуре и упасть с высоты своего роста, чтобы получить тяжелый, потенциально опасный для жизни перелом.

На заседании памяти Уилтона Крогмана, проведенном Американской ассоциацией содействия развитию науки в феврале 2013 года, антрополог Карен Розенберг указала на то, что название его знаменитой статьи «Шрамы человеческой эволюции» болезненно резонирует с сегодняшней ситуацией в области деторождения, поскольку широкое распространение хирургических родов оставляет огромное количество современных матерей в буквальном смысле слова со шрамами на всю жизнь. Хотя столь большой процент кесаревых сечений может отражать сегодняшнюю тенденцию к чрезмерной медикализации родов, исследовательница отмечает, что это также свидетельствует о том, насколько трудным и болезненным в принципе является процесс родов для женщин. Причина этого кроется в строении женского таза, формирование которого в ходе человеческой эволюции происходило под действием противоположных факторов естественного отбора. Сначала женский таз адаптировался для прямохождения посредством сужения, но потом ему пришлось адаптироваться к другому обстоятельству – к тому, что с появлением человека прямоходящего (Homo erectus) младенцы начали рождаться все более крупными и со все более крупным головным мозгом, что потребовало расширения родовых путей. Например, вес детеныша гориллы при рождении составляет всего 2,7 процента веса его матери, тогда как вес человеческого ребенка – более 6 процентов веса матери.

Поскольку вход в родовые пути женщин имеет форму овала, расположенного большим диаметром слева направо и меньшим диаметром спереди назад, голова ребенка, чтобы протиснуться в этот канал, должна быть повернута боком. Однако дальнейшее продвижение головы затруднено седалищными костями таза, особенно седалищными остями, и передненаправленной верхушкой крестца. Чтобы продвинуться дальше, ребенку нужно повернуть голову на девяносто градусов. Это также позволяет войти в родовые пути его плечам. Далее, уже на выходе, ребенку нужно снова повернуться, чтобы его затылок был обращен к лобковой кости. Ребенок рождается лицом вниз, что означает, что для безопасных родов – чтобы предотвратить случайное обвитие ребенка пуповиной или повреждение его нежного позвоночника в результате слишком интенсивного проталкивания через родовой канал – женщине требуется посторонняя помощь (в прошлом эту функцию выполняли повитухи, сегодня – акушеры). Но даже при наличии профессиональной помощи роды остаются очень опасным делом и являются основной причиной женской и детской смертности.

В 2007 году в интервью журналу National Geographic Карен Розенберг назвала это очередным классическим примером кустарной работы эволюции и дала ему весьма негативную оценку: «В результате давления различных эволюционных факторов сегодня мы имеем совершенно непродуманную конструкцию, в которой, кажется, есть одни только недостатки. Она работает, но кое-как. Никакому нормальному инженеру и в голову бы не пришло изобрести столь чудовищные родовые пути. Но эволюция – это ремесленник, а не инженер. Она не изобретает заново, а наспех переделывает то, что есть». Сегодня отношение Розенберг к этому вопросу стало не столь однозначным. Как и я, она начала видеть в результатах эволюционного труда крупицы гениальности. Вместо того чтобы рассматривать роды как шрам, оставленный несовершенством эволюционного процесса, говорит исследовательница, лучше рассматривать их как гениальный компромисс между двумя практически несовместимыми требованиями.

Что касается беременности, то тут эволюция тоже немного подправила человеческое тело. Кэтрин Уитком, Лайза Шапиро и Дэн Либерман показали наличие уникальных адаптационных модификаций поясничных позвонков у женщин и их женских предков. Во время беременности женское тело меняет форму, поскольку весь вес развивающегося ребенка (3–4 килограмма) плюс вес околоплодных вод и т. п. сосредоточивается спереди и смещает центр тяжести тела вперед относительно бедер. Это затрудняет ходьбу и приводит к хорошо известной «утиной» походке на поздних сроках беременности. Женщины могут частично противодействовать такому смещению центра тяжести за счет мышечных усилий, но это утомительно. Эволюция постаралась помочь им в этом. Наши поясничные позвонки имеют клиновидную форму, что позволяет поясничному отделу сформировать изгиб вперед (естественный лордоз), необходимый для удержания вертикального положения. У мужчин клиновидную форму имеют два нижних поясничных позвонка – L4 и L5, тогда как у женщин такую форму имеет еще и третий позвонок – L3. Это позволяет беременной женщине увеличивать изгиб поясницы почти на двадцать восемь градусов к концу беременности, тем самым сдвигая центр тяжести назад относительно бедер. Это также позволяет значительно уменьшить сдвигающие силы, действующие на позвонки, которые в ином случае могли бы возникнуть в результате такого увеличения изгиба. Выше мы говорили о том, что выраженный лордоз влияет на тонкие апофизарные костистые отростки на задней части позвонков, поскольку в этом случае через них передается больше сжимающей нагрузки, чем при нормальном вертикальном положении. У женщин развились более широкие апофизарные поверхности, чтобы они могли справиться с этой возрастающей нагрузкой во время беременности. Ни одна из вышеописанных адаптационных модификаций позвоночника не обнаружена у шимпанзе. Но у австралопитека афарского найден точно такой же половой диморфизм в клиновидной форме поясничных позвонков, как у людей. Уитком предполагает, что древние женщины-гоминины (как и наши современницы) страдали от усталости и болей в спине во время беременности, что серьезно ограничивало их способность искать пищу и спасаться от хищников. Это и обусловило сильное давление отбора в отношении поясничного лордоза, который мы видим у беременных женщин сегодня.

Кифотические и лордотические изгибы нашего позвоночника, если они не чрезмерно выражены по причине старения или каких-либо патологий, являются совершенно нормальными и полезными адаптационными модификациями, помогающими нам ходить на двух ногах и амортизировать ударные нагрузки. Но вот боковое искривление позвоночника, сколиоз, – это патология, которая встречается с удивительной частотой и является уникальной для человека и наших ближайших предков (у четвероногих ее можно добиться только при помощи ужасной хирургической операции). Сколиоз, кажется, преследует человеческий позвоночник с тех пор, как мы стали настоящими двуногими. Антропологи, которые изучали мальчика из Нариокотоме (его называют также Турканский мальчик) – представителя вида человека прямоходящего (Homo erectus), жившего около 1,5 миллиона лет назад, – обнаружили у него боковое искривление позвоночника. Когда я писал эту главу, поступила сенсационная новость о находке скелета короля Ричарда III при раскопках под автостоянкой в английском городе Лестер. Ричарда III всегда изображали как уродливого горбуна, но теперь мы смогли узнать правду о его фигуре – у него был сильно выраженный правосторонний сколиоз.

Розалинда Джана – начинающая писательница и блогер, выиграла конкурс писательских талантов журнала Vogue в 2011 году, когда ей было всего пятнадцать лет. Ее подростковые годы были полны физических и душевных страданий из-за развития тяжелой формы сколиоза. Все началось с того, что однажды она заметила «бугор» в левой нижней части грудной клетки. Ее мать тоже обратила на это внимание. «Сначала мы подумали, что этот бугор образовался из-за складок на одежде, но, присмотревшись, поняли, что проблема была в моей фигуре». Остеопат сказал, что у нее легкая форма сколиоза, но что волноваться тут не о чем. У ее отца и двоюродной сестры тоже был небольшой сколиоз, и это нисколько им не мешало. Между тем у Розалинды кривизна увеличивалась все сильнее, и она начала испытывать дискомфорт. «Мое туловище сжалось и стало короче, а поскольку я довольно высокая и у меня очень длинные ноги, диспропорция между длиной туловища и ног бросалась в глаза. Грудная клетка заметно сместилась влево, так что казалось, что сбоку у меня выпирает горб, а правая лопатка начала выпячиваться наружу, так что в конце концов стала торчать почти под прямым углом, как крыло. Я думаю, что мой позвоночник так быстро деформировался отчасти из-за быстрого роста – летом я очень много ела и быстро росла, но в результате стала короче!»

Всего за шесть месяцев угол искривления ее позвоночника увеличился с пятидесяти шести до восьмидесяти градусов. Она начала испытывать боль. О занятиях спортом не могло быть и речи, а после экзамена по рисованию ей пришлось долго лежать, потому что провести два часа в согнутом положении за столом было для нее настоящим мучением. У нее появилась одышка, поэтому ей трудно было подниматься в гору. Наконец она поняла, что больше не может откладывать визит к хирургу-ортопеду, о котором старалась не думать весь год. «Он посмотрел рентгеновские снимки, измерил меня и сказал: "Твой угол искривления – угол по Коббу – составляет восемьдесят градусов. Обычно мы оперируем начиная с сорока пяти". Тогда моя мама спросила: «Если она решится на операцию, когда можно будет ее сделать?" Мы думали, что речь пойдет о нескольких неделях или месяце, но он ответил: "Как насчет следующей среды?"» Во время операции врачи обнажили ее позвоночник и урезали некоторые мышцы. Также они установили титановые транспедикулярные винты в тела позвонков и соединили винты титановыми стержнями. Позвоночник Розалинды, поддерживаемый титановой конструкцией из болтов и стержней, заметно выпрямился.

Подавляющее число случаев сколиоза относится к разряду идиопатических, что в переводе с медицинского языка означает «Мы не знаем, чем это вызвано». До сих пор эта серьезная патология не получала должного внимания со стороны исследователей. Тем не менее кое-что мы о ней знаем. Идиопатический сколиоз обычно развивается у детей при вступлении в подростковый возраст, с началом периода быстрого роста, так что, по сути, сколиоз является болезнью роста, а не дегенерации. Легкая форма сколиоза встречается на удивление часто: так, исследование ALSPAC (Эйвонское лонгитюдное исследование родителей и детей), проведенное Бристольским университетом, в ходе которого велось наблюдение за 14 тысяч детей с рождения до подросткового возраста, показало, что легкая форма сколиоза обнаруживается у 5 процентов детей, хотя сколиоз с кривизной более десяти градусов встречается намного реже. Это преимущественно болезнь девочек – соотношение частоты заболевания у девочек и мальчиков составляет 9 к 1. Но что именно происходит в растущем позвоночнике, что делает его подверженным боковому искривлению и почему позвоночник всегда начинает искривляться в правую сторону? Возможно, это как-то связано с поясничным лордозом, поскольку многие девочки со сколиозом имеют выраженный поясничный лордоз. Одни гипотезы называют причиной сколиоза нарушения в мышцах, другие ссылаются на дефекты соединительной ткани, связанной с позвоночником, третьи утверждают, что это является следствием так называемого дезорганизованного роста скелета. Но почему эти факторы проявляются только на одной стороне позвоночника, остается неясным. Некоторые исследователи предполагают, что тут замешаны асимметричные механические силы, которые индуцируют боковую клиновидную деформацию тел позвонков.

Все эти предполагаемые механизмы, нарушающие состояние позвоночника и связанных с ним структур, действуют на локальном уровне. Но не может ли здесь крыться более фундаментальная причина? Недавно проведенные исследования выявили участки хромосом, которые могут быть связаны с идиопатическим сколиозом, и, в частности, установили взаимосвязь между сколиозом и дефектом в гене CHD7, который играет важную роль во многих базовых процессах в клетках. Исследователи сосредоточились на гене CHD7 после того, как обнаружили, что этот ген отсутствует или поврежден у детей, рожденных с синдромом CHARGE. Дети с этим синдромом часто умирают в раннем возрасте, а те, кому удается выжить, подвержены таким заболеваниям, как пороки сердца, умственная отсталость, глухота, нарушение развития мочеполовой системы – и сколиоз. Исследователи предположили, что CHD7 взаимодействует с рядом сигнальных молекул эмбриональных клеток, которые управляют симметричным развитием эмбриона.

Заинтересовавшись идеей симметрии, французские исследователи Доминик Рузье и Ален Бертоз сделали одно интересное открытие – а именно, они обнаружили у детей со сколиозом проблемы с внутренним ухом и сопряженные с этим вестибулярные нарушения. Эти дети испытывают трудности с равновесием, и им требуется больше времени, чтобы научиться ходить и ездить на велосипеде. Поскольку человеческая ходьба и бег представляют собой процессы постоянного «управляемого» падения с балансированием на одной ноге, они требуют хорошего чувства равновесия. Неудивительно, что Рузье и Бертоз также обнаружили нарушения в мозолистом теле, сплетении нервных волокон, соединяющем левое и правое полушария головного мозга. У детей со сколиозом, которых они протестировали, эта аномалия приводила к нарушению подаваемых головным мозгом команд «право/лево». Другие исследователи обнаружили у людей, страдающих сколиозом, асимметрию в размере других областей мозга.

Используя магнитно-резонансную томографию, Рузье и Бертоз измерили черепные и лицевые кости у детей со сколиозом и обнаружили значительную асимметрию в расположении левой и правой глазниц, а также в развитии носовой перегородки, челюстей и скул. В свою очередь, челюсти и скулы связаны с базикраниумом, нижней частью черепа, где находятся мозжечок (который также оказался асимметричным) и костные лабиринты внутреннего уха. Когда последние деформируются, объясняют исследователи, это может привести к асимметрии в передаче информации от отолитов (крошечных твердых образований, которые находятся в заполненном жидкостью внутреннем ухе и воздействуют на сенсорные клетки, реагирующие на силу тяжести и ускорение) в систему, отвечающую за положение тела, – что также негативно отражается на равновесии. В частности, они предполагают, что такие аномалии полукружных каналов костного лабиринта приводят к искажению сигналов, поступающих в вестибулоспинальный тракт (часть моторной нервной системы, отвечающая за координацию движений). Вестибулоспинальный тракт соединяет ствол мозга через спинной мозг с мышцами конечностей и туловища. Например, его повреждение вызывает нарушения походки, что также часто встречается у людей со сколиозом. Эти асимметричные аномалии, проявляясь в период быстрого роста, когда позвоночник становится очень пластичным, легко могут запустить процесс образования бокового изгиба.

Кэролайн Голдберг, в прошлом работавшая в ортопедическом отделении Детской больницы пресвятой Богородицы в Дублине, провела собственные измерения у детей, страдающих сколиозом. Опираясь на ряд параметров, она сравнила их левые и правые ладони (этот метод называется дерматоглификой ладоней) и обнаружила значительные различия. Феномен, измеряемый этим методом, называется флуктуирующей асимметрией. Под флуктуирующей асимметрией понимают, как правило, незначительные отклонения морфологических признаков организма от идеальной билатеральной симметрии, являющейся фундаментальным свойством стабильного эмбрионального развития. Некоторые организмы, или люди, в процессе своего развития более чувствительны к факторам внешней среды, которые могут нарушить этот процесс и привести к отклонению различных анатомических параметров от билатеральной симметрии. Голдберг ссылается на исследование, проведенное немецкими учеными в начале 1990-х годов, которое показало, что девочки имеют более высокую степень флуктуирующей асимметрии, чем мальчики. Как замечает Голдберг: «Мои слова о том, что девочки менее стабильны, чем мальчики, всегда вызывают смех!» Голдберг сопоставила графики нестабильности развития у девочек и мальчиков с их скоростью роста и обнаружила, что девочки подвергаются вдвое большему риску, поскольку они начинают интенсивно расти как раз в тот период (в возрасте двенадцати-тринадцати лет), на который приходится пик нестабильного развития. У мальчиков интенсивный рост начинается позже. Хотя другие исследователи подвергли ее идеи критике, Голдберг утверждает, что это позволяет объяснить значительно более высокую распространенность сколиоза у девочек по сравнению с мальчиками. Девочки-подростки также имеют незрелый скелет и обычно бывают очень высокими для своего возраста – как Розалинда Джана.

Майк Адамс согласен с тем, что интенсивный рост девочек-подростков играет важную роль в развитии сколиоза. Мы знаем, говорит он, что деминерализованные кости – которые мы видим у страдающих остеопорозом пожилых женщин – деформируются под воздействием нагрузок. Такие же недостаточно минерализованные кости мы видим и у девочек-подростков. Бурный рост в этом возрасте опережает способность их организма снабжать кости достаточным количеством минералов. В таком состоянии позвонки могут деформироваться со скоростью в долю градуса каждые несколько часов.

Хотя для дальнейшего прояснения этого вопроса требуется больше исследований, очевидно, что в основе сколиоза лежат гены и асимметрия. Местные факторы, такие как неравномерные центры роста в позвонках, нарушения нервной системы вдоль позвоночного столба, слабые мышцы, неэластичные связки, – по отдельности или в любой комбинации могут усиливать эти фундаментальные асимметрии, приводя к развитию полномасштабного сколиоза.

Почему у животных не бывает сколиоза? Возможно, здесь замешана сила тяжести. При вертикальном положении позвоночника сила тяжести усиливает любую асимметричность в структуре позвонков, дисков и мускулатуры. Или причина может быть в том, замечает Голдберг, что естественный отбор гораздо менее снисходителен к сколиозу у четвероногих. «Только представьте себе гепарда со сколиозом сорок градусов, который пытается преследовать газель!» – шутит она. У человека даже при искривлении тридцать градусов спина остается такой же сильной, как нормальная прямая спина, и у женщин совершенно не препятствует родам. Такая спина не мешает даже устанавливать мировые рекорды в спорте – Усэйн Болт имеет врожденный сильный сколиоз. Ричард III, несмотря на свой искривленный на семьдесят градусов позвоночник, славился воинской доблестью и мастерством, пока в сражении на Босвортском поле ему не раскололи мечом череп. Был ли его разум столь же искорежен, как и его спина, остается предметом жарких академических споров. Как поэтически выразилась Розалинда Джана, которая в буквальном смысле перенесла на своей спине все трудности подросткового возраста: «Главное, что у меня есть хребет. Пусть он неровный, но он очень сильный».

Внимательный взгляд на эволюцию нашего скелета позволяет нам увидеть различие между реальными издержками эволюции прямохождения и гениальными компромиссами, найденными эволюцией в попытке совместить несовместимые требования. Но есть одна область, где эволюционная биология стала мощным инструментом для исследования проблемы, с которой сталкиваются все больше людей в современном мире, – это беговые травмы.

Дэн Либерман, профессор в области эволюционной биологии человека в Гарвардском университете, очень любит бегать. Он никогда не был выдающимся бегуном, но начиная со студенческих лет регулярно, три раза в неделю, пробегает по несколько миль вдоль берега реки Чарльз и по окраине городка Кембридж, штат Массачусетс, находящегося рядом с кампусом Гарвардского университета. Дэн бегает босиком, будучи апологетом моды на «естественный бег», возникшей под непосредственным воздействием эволюционных представлений. В какой-то момент Либерман заинтересовался вопросом, когда именно наши предки превратились в умелых бегунов и какие особенности скелета и мускулатуры позволили им развить эту способность. Вместе с коллегами Дэннисом Брамблом, Дэвидом Рейчленом и др. он установил, что человек прямоходящий (Homo erectus), который первым переселился в африканские саванны около 2 миллионов лет назад, был первым гоминином, овладевшим навыком эффективного бега.

Биомеханика говорит, что способность тела сохранять устойчивое положение – равновесие – имеет при беге первостепенное значение. Вот почему у нас такие массивные ягодицы – стабилизация туловища обеспечивается за счет сокращения больших ягодичных мышц, которые впервые значительно увеличились в размере у человека прямоходящего. Есть свидетельства того, что полукружные каналы внутреннего уха, играющие важнейшую роль для поддержания равновесия и определения ускорения и угла наклона вперед, также появились в развитой форме у человека прямоходящего. Однако, говорит Либерман, во время бега пятка сообщает голове такой быстрый и сильный импульс наклона вперед, что это могло бы легко перегрузить вестибулярный аппарат, если бы не еще одно гениальное решение – уникальная система демпфирования, которую эволюция создала путем разделения нашей головы и плеч таким образом, чтобы они могли действовать как связанные массы. У шимпанзе голова и плечи жестко соединены друг с другом мощными трапециевидными мышцами, приспособленными для лазания по деревьям, но у человека прямоходящего и у современных людей трапециевидные мышцы существенно уменьшились в объеме и стали присоединяться к выйной связке – идущей от затылочной кости к шейным позвонкам, – которая также впервые появилась у человека прямоходящего. Либерман объясняет: «Когда вы бежите, вы машете руками в направлении, противоположном ногам; при этом масса вашей руки сопоставима с массой головы. Та же инерциальная сила, которая заставляет вашу голову наклоняться вперед, одновременно заставляет вашу руку, которая в этот момент находится сзади, падать вниз. Наши эластичные трапециевидные мышцы вместе с выйной связкой создают механическую тягу между падающей вниз рукой и головой, которая стремится упасть вперед, благодаря чему рука тянет голову назад, не давая ей падать вперед. Это гениально!»

Либерман утверждает, что существует более десятка других адаптационных модификаций опорно-двигательного аппарата, которые могли улучшить способность к ходьбе и бегу у человека прямоходящего. Однако установление того факта, что человек прямоходящий был первым эффективным бегуном, поднимает еще один важный вопрос: какой экологический контекст сделал бег важным для выживания? Мы, люди, считаем себя превосходными бегунами, но даже великие Усэйн Болт и Мохаммед Фарах не смогли бы обогнать крошечного кролика и даже неуклюжую шимпанзе! Разъяренная шимпанзе способна преодолеть дистанцию сто метров с замечательной спринтерской скоростью. Что уж говорить о гепарде… Проблема в том, что шимпанзе очень быстро выдыхаются, да и гепарды вырабатывают столько тепла, что могут пробежать на максимальной скорости не больше километра. Значит, при определенных условиях черепаха может обогнать зайца? Проанализировав все обстоятельства, Либерман пришел к выводу, что человеческий организм сконструирован не для скорости, а для выносливости.

В то время как человек прямоходящий и его потомки не могли обогнать хищников, они были способны в буквальном смысле слова загнать добычу до смерти. Любой здоровый человек, находящийся в нормальной физической форме, может пробежать много миль со скоростью 5 метров в секунду, говорит Либерман. Эта скорость намного выше той, при которой собака вынуждена переходить с рыси на галоп, иными словами, на расстоянии более одного километра человек способен обогнать собаку. И хотя лошадь может развивать максимальную скорость около 9 метров в секунду, на больших расстояниях она в состоянии поддерживать скорость всего 5,8 метра в секунду. Теоретически это значит, что на марафонских дистанциях люди могут опережать даже лошадей. Причем эта теория подтверждается практикой! Каждый год в июне, начиная с 1980 года, в горной местности рядом с живописным валлийским городком Лланвртид-Уэллс проводится кросс по пересеченной местности для мужчин и лошадей на дистанции двадцать две мили. Несмотря на то, что обычно побеждает лошадь, мужчины отстают совсем ненамного, и первый из них пересекает финишную черту всего на несколько секунд позже. В 2005 году Хью Лобб одержал долгожданную победу – пробежав дистанцию со временем два часа пять минут, он опередил самую быструю лошадь на две минуты. Два года спустя двое бегунов обогнали лошадей на целых одиннадцать минут!

Все покрытые шерстью животные, у которых охлаждение происходит за счет учащенного дыхания (тепловой одышки), находятся в невыгодном положении по сравнению с человеком, потому что они не способны охлаждаться и одновременно бежать галопом. Тепловая одышка представляет собой последовательность частых и поверхностных дыхательных движений, поэтому она не может удовлетворить потребность в кислороде. Таким образом, животные могут либо охлаждаться за счет тепловой одышки, либо бежать галопом – но не могут делать то и другое одновременно. У людей дыхание не зависит от типа шага, и у них нет шерсти, но есть потовые железы. Один миллилитр воды при потоотделении обеспечивает отдачу 580 калорий тепла. Если у человека есть возможность выпивать один-два литра воды в час, он единственный среди всех животных может выдержать бег на большие расстояния в жаркую погоду. Мы действительно странные существа, говорит Либерман, потому что природа обычно отдает предпочтение скорости перед выносливостью из-за динамики взаимодействия хищника и жертвы (представьте себе гепардов, охотящихся на газелей). Состав мышечных волокон также важен. Животные, предназначенные для скорости, имеют преимущественно волокна типа 2В (быстрые гликолитические) и 2А (быстрые окислительные) и относительно мало волокон типа 1 (медленных окислительных). Быстро сокращающиеся волокна генерируют больше силы, но используют анаэробный метаболизм и легко устают. Медленно сокращающиеся волокна могут получать энергию аэробным способом, но генерируют меньше силы. Мышцы ног человека состоят на 50 процентов из быстрых и медленных волокон, но тренировки на выносливость благодаря механизму адаптивного ремоделирования позволяют увеличивать долю медленных волокон в мышцах ног до 80 процентов.

Такая высокая выносливость позволяла нашим предкам бежать за крупными млекопитающими до тех пор, пока с теми не случался тепловой удар и их можно было добить даже самым примитивным копьем или дубинкой. Это был довольно безопасный и эффективный способ охоты. В переводе на современный язык, говорит Либерман, забег на пятнадцать километров в погоне за большой антилопой требовал меньше калорий, чем содержится в бигмаке и средней порции картошки фри из McDonald's (энергетическая ценность такого обеда – 1040 килокалорий)! Поскольку крупная антилопа весит больше двухсот килограммов и содержит на несколько порядков больше калорий, чем McDonald's может вместить в любой из своих комплексных обедов, выигрыш с лихвой окупал все усилия, даже если шансы на успех составляли всего 50 процентов.

Гипотеза Либермана об экологической нише, где бег на выносливость мог иметь большое значение для выживания наших предков, неожиданно оказалась полезной в современном мире. В своем интервью научному интернет-изданию EDGE в 2005 году исследователь рассказал следующую историю. Однажды он выступал в Гарварде с публичной лекцией на тему эволюции бега и был очень смущен видом одного человека, сидевшего в первом ряду. Это был крупный мужчина с большой бородой, в подтяжках, у которого на ногах не было ботинок, а только носки, обернутые скотчем! «Помнится, я подумал, что какой-то бездомный зашел на лекцию, чтобы укрыться от дождя. Но оказалось, что это был выпускник Гарвардского университета, который жил в близлежащем городке Джамайка-Плейн и держал магазин велосипедов. После лекции он подошел ко мне и сказал: "Знаете, я очень люблю бегать, но ненавижу обувь, поэтому я бегаю босиком. В конце концов, наши предки тоже бегали с голыми ногами. Как вы думаете, я сумасшедший или нормальный?" Я подумал, что это отличный вопрос!»

В то время Либерман страдал от плантарного (подошвенного) фасциита – болезненного воспаления соединительной ткани в своде стопы. Не могло ли это эксцентричное знакомство натолкнуть его на новые идеи о том, как научиться бегать без травм? «Мы привезли Джеффри в лабораторию и попросили его пробежать по динамометрической платформе. Его манера бега была невероятно красивой, легкой и мощной. Большинство людей при беге приземляются на пятки – мы надеваем большие кроссовки с амортизирующими подошвами и поддержкой стопы и врезаемся пятками в землю. Но Джеффри бежал совсем не так. Он приземлялся на подушку стопы, а затем мягко касался пяткой земли. Там не было никакого удара пяткой о землю. Когда я наблюдал за тем, как босые ноги Джеффри опираются о нашу платформу, я подумал, что из нас двоих нормальным является он, а я – сумасшедший, раз сам себе травмирую ноги в этих ужасных кроссовках».

На исследователя снизошло озарение: Джеффри бежал именно так, как бегали наши предки – либо босиком, либо в очень простых мокасинах. Среди современных бегунов медицинские проблемы, к сожалению, стали нормой. Несмотря на все попытки усовершенствовать спортивную обувь – за последние тридцать лет фирмы наподобие Nike и Adidas предложили нам и амортизирующие подушки под пятки, и поддержку голеностопа, и твердые вставки под своды стопы, – от 30 до 70 процентов бегунов каждый год получают травмы от повторяющихся нагрузок (repetitive stress injury). Проблема в том, что на данный момент главный виновный так и не установлен. Возможно, эволюционная биология поможет разрешить этот спор между лагерем сторонников высоких технологией и лагерем любителей «естественного бега»?

Представители первого направления утверждают, что бег по определению травмоопасен и вероятность травм возрастает вследствие биомеханических нарушений, сидячего образа жизни, неправильных тренировок или просто не подходящих для бега современных поверхностей, таких как дорожки с твердым асфальтом. Сторонники бега босиком заявляют, что всему виной неправильный способ бега, поскольку современная амортизирующая обувь притупляет проприоцептивную обратную связь, которую наш мозг получает через нервную систему от подошв и которая в ином случае заставила бы нас скорректировать наши движения. Как замечает Либерман: «Тело человека приспособлено для бега босиком, который в силу своих кинематических характеристик обеспечивает менее сильное ударное воздействие на пятку, более активно задействует проприоцепцию и укрепляет ноги. Я считаю, что эти факторы могут помочь бегунам избежать травм независимо от того, используют они обувь или нет. Проще говоря, правильная манера бега не зависит от того, что надето у человека на ногах; но то, что надето у человека на ногах, может повлиять на его манеру бега».

Согласно Либерману, корень всех зол может крыться в фундаментальном несоответствии между человеческим телом, предназначенным для бега босиком, и тем, как мы бегаем сегодня. Бег босиком обеспечивает эффективную сенсорную обратную связь от подошв наших ног, которые сигнализируют центральной нервной системе о твердости, шероховатости и неровности беговой поверхности и снабжают ее необходимой информацией, позволяющей принимать мгновенные решения для избежания травм. Современная спортивная обувь амортизирует повторяющиеся ударные нагрузки, позволяя нашему мозгу пребывать в блаженном неведении об опасности, которой подвергаются наши ноги, пока в один прекрасный день их не пронзит резкая боль. Кроме того, Либерман замечает: «Есть все основания предполагать, что постоянное ношение обуви может способствовать формированию слабых и негибких стоп и голеностопных суставов, особенно в детском возрасте, когда нога растет». Обувь с жесткой подошвой, супинаторами, контролем пронации, системами стабилизации и «управления движением» не дает мышцам и костям адаптироваться к нормальным, абсолютно естественным нагрузкам. Так же как обработка пищи позволяет нам прилагать меньше сил при жевании и приводит к ослаблению жевательных мышц, люди, которые с детства носят высокую поддерживающую обувь, могут иметь ненормально слабые ноги, особенно мышцы продольного свода стопы. Такая слабость мышц может ограничивать способность стопы поддерживать равновесие и выполнять другие ключевые функции. «Эта гипотеза не была протестирована, однако исследования показывают, что в популяциях, где принято ходить босиком, обнаруживается меньшая вариативность в форме свода стопы, в том числе более низкий процент плоскостопия и меньшее распространение других нарушений стопы».

Либерман считает Ли Саксби одним из лучших в мире тренеров, специализирующихся на естественном беге. Его система основана на прикладной эволюционной биологии Либермана – и дабы познакомиться с тем и другим непосредственно на практике, я посетил однодневный семинар Саксби в его уютном спортзале, находящемся в историческом районе Кларкенэулл в центре Лондона. В одном углу спортзала висела картонная фигура Чарльза Дарвина в натуральную величину – ученый как бы задумчиво взирал на происходящее. Напротив него располагался человеческий скелет. В другом углу человек в спортивной форме ритмично перебирал ногами по беговой дорожке, в то время как видеокамера фиксировала каждое его движение. В спортзале Саксби собралась целая толпа: тренеры и инструкторы всех мастей – по бегу, фитнесу, пилатесу и т. п., а также специалисты по биомеханике и самые обычные люди. Все они много занимались бегом, и большинство из них страдали привычным набором беговых травм, в том числе подошвенным фасциитом, невромой Мортона, «коленом бегуна» и тендинитом. Например, Доминик страдал рецидивирующим тендинитом ахиллова сухожилия и пользовался кроссовками со специальными ортопедическими стельками, а у Луизы были проблемы с тазобедренными и коленными суставами, и она хотела избежать операции на больном колене. Короче говоря, все собравшиеся в зале были остро заинтересованы в том, чтобы гуру здорового бега поделился с ними своими секретами.

Семинар начался с просмотра видеоролика, снятого Ли Саксби во время Нью-Йоркского марафона. Почти все бегуны были в массивных кроссовках с толстыми подошвами и при каждом шаге буквально впечатывали пятку в землю. Было видно, что чем толще «подушка» в районе пятке, тем сильнее бегун обрушивался на нее своим весом. Далее участникам семинара было предложено оценить их собственную технику бега. Им показывали видеозаписи с каждым из присутствующих, и они ставили ему оценку от одного до трех баллов. Оценка один балл означала неправильную осанку и выраженный удар пяткой; при этом тазобедренные суставы, как правило, были подсогнуты, что означало, что все 100 процентов ударного воздействия от столкновения с землей передаются через пятку на колени и тазобедренные суставы. Два балла ставились за бег с приземлением на всю стопу вкупе с неправильной осанкой – подсогнутые ноги, небольшой наклон вперед или оттопыренные ягодицы. При такой манере бега ударное воздействие также является довольно значительным и передается на тазобедренные суставы. Оценка три балла означала отличную технику босого бега: короткие, быстрые шаги, с приземлением на подушку стопы, и расслабленное тело, находящееся в вертикальном положении, так что ноги от щиколоток до бедер образуют прямую вертикальную линию. Саксби напомнил всем о результатах исследования Дэна Либермана, наблюдавшего на протяжении долгого времени за пятьюдесятью бегунами из легкоатлетической команды Гарвардского университета, которое показало, что при технике бега с приземлением на пятку частота травм была в два раза выше. На графике, показывающем силу реакции опоры (измеренную в весе человеческого тела) при разных техниках бега, виден резкий пик силового воздействия более чем в три человеческих веса при приземлении на пятку; чуть меньший пик при приземлении ближе к передней части стопы; и две низкие вершины, характерные для бега босиком.

Правильный бег, объяснил Саксби, основан на естественных движениях. Он учитывает все – силу тяжести, силу реакции опоры, упругую отдачу и сохранение энергии. Его советы противоречат рекомендациям традиционной фитнес-индустрии. Как правило, при подготовке спортсменов большое внимание уделяется развитию мышечной массы, хотя она бесполезна для бегунов. Для бега первостепенное значение имеет упругая отдача сухожилий. Стопа, особенно свод стопы и ахиллово сухожилие, – превосходные амортизаторы, способные поглощать ударную энергию, как пружина, а затем отдавать ее в следующий шаг. Свод стопы и ахиллово сухожилие могут аккумулировать и возвращать до 50 процентов всей ударной энергии, таким образом позволяя снизить энергозатраты при беге почти вдвое. Но все это происходит, только если вы приземляетесь на переднюю часть стопы. При приземлении на пятку вы нарушаете эту отлаженную систему: вместо того чтобы аккумулироваться и использоваться повторно, вся ударная энергия передается на коленные и тазобедренные суставы, что в конечном итоге приводит к накопительным травмам. Если вы хотите почувствовать всю прелесть упругой отдачи, попробуйте следующее упражнение: возьмите метроном и установите его на ритм 180 ударов в минуту. Затем начните прыгать на месте с той же частотой, приземляясь на подушки стоп и затем слегка касаясь пятками земли. Приспособившись, вы обнаружите, что эти прыжки почти не требуют усилий. Теперь замедлите метроном до шестидесяти ударов в минуту – частота шага, с которой бегает большинство бегунов. Вы сразу же почувствуете, насколько больше вы стали задействовать мышцы ног – особенно икроножные мышцы, – чтобы совершать такие же небольшие прыжки. Сто восемьдесят шагов в минуту – это именно та частота, которую используют все элитные бегуны, а также бегуны на длинные дистанции из традиционных сообществ.

Но суть здорового бега босиком состоит не только в том, чтобы всегда приземляться на переднюю часть стопы и делать более частые шаги. При низкой скорости бега или при беге трусцой тело может подсказать вам, что ему удобнее бежать с приземлением на пятку, а при увеличении скорости потребует перейти к приземлению на переднюю часть стопы. Более тяжелым людям этот переход нужно совершать раньше, чем более легким бегунам. Но такая естественная корректировка может происходить только в том случае, если ваш мозг получает адекватную проприоцептивную сенсорную обратную связь от стоп. Толстые амортизирующие подошвы кроссовок вводят мозг в заблуждение относительно реальной силы реакции опоры. Как говорят программисты, мусор на входе – мусор на выходе. Если вы позволите ногам почувствовать землю, они позаботятся о себе сами.

Худшее, что может сделать бегун, – это научиться неправильной технике босого бега, которую участники семинара оценили в два балла. Если практиковать такую манеру бега, тендинит и фасциит вам гарантированы. Все дело в неправильном положении тела: при правильном положении тела ваш центр тяжести должен находиться непосредственно над поддерживающей конструкцией таза и ног. Подобно детям, которые сначала учатся стоять, затем ходить и, наконец, бегать, взрослые бегуны должны заново пройти по пути онтогенеза.

Простой тест, который нам предложили проделать на семинаре, стал для меня отрезвляющим опытом. Я должен был встать босиком на динамометрическую платформу лицом к телеэкрану, на котором отображалось, с какой силой разные части моей стопы давят на землю. К моему ужасу, платформа показала, что я не умею даже правильно стоять! Одна нога распределяла давление совершенно иначе, чем другая, и обе ноги концентрировали давление на пятках. Я обнаружил, что даже с визуальной обратной связью очень сложно исправить свою неправильную стойку – так, чтобы давление равномерно распределялось на пятку и подушку стопы, а максимум давления приходился на большой палец. К моему удивлению, я был не одинок. Никто из присутствовавших на семинаре профессиональных тренеров и спортсменов не мог продемонстрировать идеальную позу в положении стоя, и всем пришлось потрудиться, чтобы поправить дело. Всем понадобилось заново учиться основам – правильному вертикальному положению тела, прежде чем перейти к освоению техники босого бега.

Успешный опыт применения эволюционных знаний, позволивших пролить свет на целый ряд распространенных ортопедических заболеваний, превратил Дэна Либермана и его коллег в убежденных приверженцев эволюционной медицины. «То, что я делаю, является частью медленно развивающейся, пока едва заметной тенденции в эволюционной биологии, которая, как мы надеемся, перерастет в широкое научное движение, – говорит Либерман. – Суть этого движения – использовать эволюцию для того, чтобы разобраться, что, почему и как происходит в нашем теле и почему иногда оно дает сбой. Изучая эволюцию человеческого тела, мы можем решить проблемы, которые раньше казались неразрешимыми. Бег босиком – прекрасный пример того, каким образом применение эволюционного подхода позволяет нам понять, как правильно использовать наше собственное тело».

Глаз, который делает себя сам

Как эволюционная биология лечит слепоту и опровергает креационизм

Эволюция глаза представляет собой одну из самых щекотливых проблем в биологии. Из-за сложности своего устройства глаз является излюбленным аргументом последователей идей креационизма и разумного замысла. Они утверждают, что глаз со всеми его многочисленными взаимосвязанными компонентами – прекрасный пример не поддающейся упрощению сложности, и крайне маловероятно, чтобы такая уникальная система могла образоваться в результате пресловутых дарвиновских процессов ступенчатой мутации и отбора. В то же время удовлетворительное объяснение столь сложного органа с позиций дарвиновской теории способствует более широкому принятию эволюционного подхода в целом. В этой главе я хочу рассказать о том, как накопленные на сегодняшний день знания однозначно разрешают вышеуказанный спор в пользу эволюции и как последние открытия в области биологии развития помогают специалистам-офтальмологам разрабатывать новые медицинские технологии для лечения болезней глаз и восстановления зрения.

Лето 1992 года стало для Тима Реддиша самым запоминающимся в его жизни: он впервые участвовал в Паралимпийских играх в Барселоне и завоевал серебряную медаль в плавании на сто метров баттерфляем и бронзовую медаль на дистанции сто метров вольным стилем. На тот момент ему исполнилось тридцать пять лет и он был официально признан слепым. Это стало началом блестящей спортивной карьеры: в последующие годы Тим завоевал сорок три медали на международных и паралимпийских соревнованиях, был избран председателем Британской паралимпийской ассоциации и входил в состав оргкомитета Олимпийских игр 2012 года в Лондоне.

Тим страдает пигментным ретинитом – наследственным дегенеративным заболеванием глаз, которое характеризуется прогрессирующей потерей фоторецепторов в сетчатке глаза вплоть до полной потери периферического зрения. В результате у больного остается только туннельное зрение с углом обзора один-два градуса. У Тима Реддиша дегенеративный процесс начался еще в школьные годы, но прошло много лет, прежде чем он узнал о своем заболевании. Он просто считал себя неуклюжим. В школе он носил очки и постоянно на все натыкался. «Я думал, что я невнимательный – не смотрю, куда иду, вот и налетаю на все подряд». В 1980-е годы в Великобритании врачи-оптометристы не проверяли своих пациентов на ретинит, поэтому Тиму просто выписывали все более сильные очки. Он не подозревал, что его глаза чем-то отличаются от глаз других людей, пока у него не начала развиваться ночная слепота. Это был явный намек на то, что с его глазами что-то неладно. «Я пошел к своему оптометристу и сказал: "Я не знаю, в чем дело, но я стал плохо видеть ночью. К тому же меня сильно слепят встречные фары – мне это мешает, потому что я езжу на мотоцикле"». Оптометрист предложил ему попробовать тонированные очки – но это «решение» не помогло, а только ухудшило ситуацию.

Наконец, в 1988 году ему был поставлен диагноз ретинит. Его глаза продолжали деградировать – туннельное зрение сужалось все больше, и, кроме того, начала ухудшаться резкость. Несмотря на это (или скорее назло этому), вдохновленный примером пловчихи, которую он тренировал, Тим решил начать собственную спортивную карьеру: «Моя подопечная участвовала в Олимпиаде в Сеуле в 1988 году и, вернувшись, рассказала мне о Паралимпийских играх. Она подарила мне памятную медаль сеульской Олимпиады и сказала, что хочет получить от меня памятную медаль со следующих Олимпийских игр в Барселоне. Я засмеялся и сказал: "Я слишком старый и слишком медленный", на что она ответила: "Ты всего на год старше меня, и еще не известно, насколько ты медленный!" Так я принял решение – а когда я принимаю решение, то выкладываюсь на все 100 процентов».

В 2011 году сын Тима узнал, что в Больнице Джона Рэдклиффа в Оксфорде проводится испытание нового метода восстановления зрения с помощью имплантации электронного протеза в сетчатку глаза. Роберт Макларен набирал пациентов с терминальной стадией ретинита с полной ночной слепотой. Поначалу Тим не заинтересовался этой идеей, потому что считал, что лучший выход для таких, как он, – научиться жить и добиться успеха в мире людей с ограниченными возможностями; проще говоря, смириться со своей судьбой. Кроме того, он не думал, что искусственная сетчатка позволит значительно улучшить его зрение. «Я сказал сыну: "Мне это не нужно. Я счастлив и без этого. К тому же мне это вряд ли поможет – не думаю, чтобы какое-нибудь искусственное устройство могло улучшить то ужасное состояние, в котором находятся мои глаза. Это должно быть что-то поистине уникальное». Но спустя какое-то время любознательность взяла верх, и он принялся с интересом изучать технические подробности операции. Не может ли он со своим аналитическим умом помочь исследователям усовершенствовать этот электронный протез сетчатки – привнести какие-нибудь полезные идеи, до которых могут не додуматься другие пациенты? Он подал заявление на участие в эксперименте. Команда Макларена открыто предупредила его, что в худшем случае он может лишиться остатков светочувствительности, а в лучшем – лишь немного повысить свою светочувствительную способность, что позволит ему самостоятельно ориентироваться в пространстве. На большее рассчитывать не стоило.

В октябре 2012 году Тиму была проведена операция по имплантации искусственной сетчатки, которая длилась почти десять часов. Сначала хирурги сделали небольшое углубление в его черепе за ухом и разместили под кожей блок усилителя. От усилителя они проложили тонкий кабель вдоль височной кости, под слоем мышц, и вывели его через отверстие в глазнице. Затем они аккуратно вживили электронный чип в центральную часть сетчатки, где он должен был заменить утраченные фоторецепторы. «Когда они впервые включили его, это был невероятный момент – я увидел яркий свет! Это было похоже на то, как если бы в темной комнате вдруг зажгли спичку!» Тестирование в лаборатории показало, что Тим может различать белые стрелки на черном циферблате часов и девять раз из десяти правильно называть время. В повседневной жизни он научился определять, движутся объекты или стоят на месте, и стал довольно хорошо ориентироваться в пространстве. Он может сказать, включен или выключен компьютерный монитор, хотя и не в состоянии разглядеть, что на нем изображено. В темноте он видит уличные фонари и освещенные островки безопасности на пешеходном переходе, хотя при ярком дневном свете это по-прежнему дается ему с трудом.

Тим надеется, что искусственная сетчатка прослужит ему до конца жизни при условии, что она не выйдет из строя и не будет отторгаться тканями глаза. Но важность этого новаторского эксперимента заключается не только и не столько в том, что он открывает возможности высокотехнологичного «ремонта» нашего зрения. Благодаря этому эксперименту оксфордские ученые узнали главное – клетки сетчатки способны формировать новые связи между фоторецепторами и зрительным нервом, идущим в головной мозг. Известно, что в случае тяжелого повреждения, например при травме спинного или головного мозга, нервная система не восстанавливается. Но какова судьба нейронов сетчатки – биполярных и ганглиозных клеток, передающих визуальную информацию от фоторецепторов в мозг? Если фоторецепторы глаза погибают, не отмирают ли вслед за ними и эти нейроны, раз они перестают получать входящие сигналы? К счастью, эксперимент показал, что выходные нейроны зрительного нерва быстро образовали новые связи с имплантированной сетчаткой, обеспечив некоторую степень восстановления зрения. Это убедительно доказало, что популяция нейронов зрительного аппарата остается незатронутой дегенеративным процессом: 1500 миниатюрных сенсоров на чипе у Тима Реддиша успешно стимулируют эти нейроны и позволяют мозгу формировать пиксельное (мозаичное) изображение. Это открытие убедило оксфордских ученых в возможности создания биологического эквивалента электронной сетчатки. Если бы они могли вырастить тысячи фоторецепторов – палочек и колбочек – и имплантировать их в правильный слой с правильной ориентацией в сетчатке, эти новые фоторецепторы могли бы заменить погибшие и вернуть человеку зрение. Оксфордское исследование стало одной из множества инициатив, реализуемых в настоящее время по всему миру, цель которых – научиться выращивать и имплантировать в сетчатку различные виды клеток-предшественников. Все достижения в этой сфере базируются на исследованиях глаза позвоночных, полученных в рамках эволюционного подхода, – а именно при изучении того, как из набора недифференцированных клеток в эмбрионе формируется этот удивительный и сложнейший орган зрения.

Все начинается с глазного бокала, чашеобразной камеры глаза, стенка которой состоит из нескольких слоев тканей. Ее внешняя сторона образована плотной фиброзной оболочкой, называемой склерой; сразу за ней находится сосудистая оболочка или хориоидея. Далее идет пигментный эпителий сетчатки – слой, который снабжает питательными веществами расположенные над ним фоторецепторы и выводит продукты их метаболизма. У человека фотосенсорный слой состоит из более чем 120 миллионов палочек, которые особенно чувствительны к слабому свету и отвечают за ночное зрение, и 6–7 миллионов колбочек, которые реагируют на более яркий свет и позволяют нам различать цвета. Палочки сосредоточены в основном в периферической части сетчатки, а колбочки – на крошечном участке диаметром всего полтора миллиметра в самом центре сетчатки, называемом желтым пятном или макулой. Причем наивысшая концентрация колбочек приходится на центральную ямку макулы, которая по-научному называется фовея и имеет диаметр всего 0,3 миллиметра. Фовея отвечает за наше острое центральное зрение – и именно этот узкий зрительный туннель остался у Тима Реддиша после того, как пигментный ретинит уничтожил его периферическое зрение.

В сетчатке позвоночных фоторецепторы протягивают свои нервные отростки по направлению к центру глаза, где находится слой биполярных клеток, которые в свою очередь соединены с внутренним слоем ганглиозных клеток. Именно аксоны ганглиозных клеток образуют пучок нервных волокон, который носит название зрительного нерва. Эти внутренние слои сетчатки также заполнены клетками Мюллера, амакринными клетками (разновидностью нейронов) и горизонтальными клетками, которые все вместе помогают передавать сигналы от фоторецепторов к зрительному нерву. Таким образом, фоточувствительные клетки, которые поглощают фотоны, лежат внизу этого многослойного пирога – и свету, чтобы добраться до них, необходимо пройти через все эти слои клеток и переплетений их нервных отростков. Кроме того, поскольку аксоны ганглиозных клеток сходятся по внутренней поверхности сетчатки к ее центру, где они соединяются в единый пучок и проходят через отверстие в ней в виде зрительного нерва, в центре нашей сетчатки имеется слепое пятно, в котором вообще нет фоторецепторов. Вы можете легко найти у себя это слепое пятно: закройте, например, правый глаз, а левым смотрите прямо перед собой. Затем начните двигать карандаш в горизонтальном положении слева направо. Через несколько сантиметров он на мгновение станет невидимым, а потом появится снова, как только вы сместите его чуть дальше вправо.

И словно бы всей этой сложности было недостаточно, еще у нас есть хрусталик (который состоит из нескольких видов белков кристаллинов, обеспечивающих его рефракционную способность, и который должен постоянно менять свою форму, чтобы фокусировать свет на сетчатке), радужная оболочка (регулирует размер зрачка и контролирует количество падающего на сетчатку света) и, разумеется, мышцы, управляющие движением глаз.

Этого весьма поверхностного описания структурной сложности глаза, я думаю, достаточно, чтобы понять, почему из всех органов нашего тела именно глаз стал предметом жарких баталий между непримиримыми армиями креационистов и эволюционистов с начала XIX века. И почему, несмотря на полтора века развития дарвиновской теории эволюции, сегодня креационисты отвергают ее с тем же пылом, что и в прошлом.

Самым известным в истории апологетом теории разумного замысла, пожалуй, был преподобный Уильям Пейли, английский философ-моралист, который жил во второй половине XVIII века и к концу жизни стал старшим архидиаконом города Карлайл на севере Англии. В своем знаменитом трактате «Естественная теология» он изложил свои аргументы в пользу существования Бога и Божьего замысла в дизайне природы. Его самый известный аргумент состоит в следующем: если во время прогулки по сельской местности вы споткнетесь о камень и вам скажут, что этот камень лежит здесь давным-давно, с незапамятных времен, вы не удивитесь и легко поверите сказанному. У камня нет предназначения, поэтому он не нуждается в дальнейших объяснениях. Но если рядом с камнем вы увидите часы, то ни за что не поверите, если вам скажут, что они здесь были всегда. Их сложное устройство, разумная целесообразность, согласованность различных частей натолкнет вас на мысль о том, что у часов есть предназначение. В них есть разумный замысел. Часы созданы часовщиком, чтобы показывать время. Достаточно взглянуть на строение различных животных, чтобы сделать вывод о том, что их сложность также подчиняется некоему разумному замыслу. Но поскольку ни одно животное не в состоянии осознать, почему оно имеет такое строение и каково предназначение того или иного дизайна, автором этого целенаправленного дизайна является Бог. Бог – это «часовщик» всех живых существ.

Полвека спустя Чарльз Дарвин заявил совершенно обратное – а именно, что все живые существа со всеми их органами, даже такими невероятно сложными, как глаз позвоночных, появились путем естественного отбора. Все, что требуется, писал он, это доказать существование многочисленных ступенчатых градаций от простого и несовершенного глаза к сложному и совершенному, где каждая из ступеней повышает шансы его обладателя на выживание в такой мере, что одобряется естественным отбором. Однако в 1859 году, когда Дарвин опубликовал свой труд «О происхождении видов», у него не было возможности привести такую цепочку промежуточных форм в качестве доказательства своей теории. Неудивительно, что креационисты очень любят цитировать его фразу «В высшей степени абсурдным, откровенно говоря, может показаться предположение, что путем естественного отбора мог образоваться глаз со всеми его неподражаемыми изобретениями…». Гораздо меньше их интересует продолжение его рассуждений, где он излагает свой аргумент: «Разум мне говорит: если можно показать существование многочисленных градаций от простого и несовершенного глаза к глазу сложному и совершенному, причем каждая ступень полезна для ее обладателя, а это не подлежит сомнению; если, далее, глаз когда-либо варьировал и вариации наследовались, а это также несомненно; если, наконец, подобные вариации могли оказаться полезными животному при переменах в условиях его жизни – в таком случае затруднение, возникающее при мысли об образовании сложного и совершенного глаза путем естественного отбора, хотя и непреодолимое для нашего воображения, не может быть признано опровергающим всю теорию».

Дарвин пошел еще дальше и предложил весьма правдоподобный путь, который проделала эволюция: от одной примитивной светочувствительной клетки на внешней поверхности организма – к глазу позвоночных в его сегодняшнем виде. Это развитие происходило через незначительные и градуальные модификации: превращение одной светочувствительной клетки в скопление таких клеток; появление слоя пигментных клеток с образованием углубления на поверхности кожи; формирование зрительного нерва, соединившегося с пигментными клетками, и разрастание поверх этих клеток прозрачного слоя оболочки; формирование из этого прозрачного слоя хрусталика и т. д.

Но сторонники креационизма категорически отказываются от такого «упрощенческого» взгляда на глаз. Не впечатленные градуализмом Дарвина, они в первую очередь подчеркивают нередуцируемую сложность глаза, который представляет собой совокупность множества чрезвычайно сложных компонентов, отсутствие любого из которых делает бесполезным весь механизм. Вот цитата из вышедшей в 1982 году книги Фрэнсиса Хитчинга «Шея жирафа», где автор излагает типичные аргументы креационистов о происхождении глаза:

Для того чтобы глаз работал… он должен быть чистым и влажным, в коем состоянии он поддерживается благодаря взаимодействию слезной железы и подвижных век. Свет проходит через небольшую прозрачную часть защитной наружной оболочки, роговицу, и через хрусталик, который фокусирует его на задней поверхности сетчатки. Здесь 130 миллионов светочувствительных палочек и колбочек осуществляют фотохимические реакции, преобразуя свет в электрические импульсы, которые передаются в головной мозг для дальнейшей обработки. Если же в этом устройстве случается малейшее нарушение: теряет прозрачность роговица, перестают расширяться зрачки, хрусталик становится мутным или перестает правильно преломлять свет – формирования узнаваемого изображения не происходит. Глаз функционирует либо как единое целое, либо не функционирует вообще.

Современный бульдог Дарвина Ричард Докинз резко критикует этот аргумент в своей книге 1986 года «Слепой часовщик». Как указывает Докинз (и что подтвердят вам миллионы людей, страдающих различными заболеваниями глаз, включая Тима Реддиша), иметь даже остаточное зрение или серьезные нарушения зрения в результате заболевания – это все же намного лучше, чем не иметь зрения вообще. В «Слепом часовщике» Докинз дает убедительный ответ Пейли, Хитчингу и всем остальным идеологам концепции нередуцируемой сложности. В 1987 году на основе этой книги мы вместе с Докинзом сняли документальный фильм для телекомпании BBC. Используя анимированную графику, мы показали ступенчатую эволюцию глаза из простого скопления светочувствительных клеток на поверхности организма, способных реагировать на наличие или отсутствие света. Мы показали, как на поверхности начала формироваться ямка, которая постепенно углублялась, пока не образовалась «камера-обскура», способная различать объекты благодаря тому, что свет от них падал на дискретные части «сетчатки». Мы предположили, что эти клетки выделяли слизь, которая со временем собралась в шар и перекрыла вход в камеру-обскуру, создав примитивный хрусталик. Этот новый компонент значительно улучшил способность различать объекты благодаря фокусировке поступающего света на фоторецепторной поверхности. Мы с Докинзом сочли эту последовательность очень убедительной, но каково же было мое удивление, когда большинство моих коллег восприняли наше творение всего-навсего как обычный мультфильм для детей. Мы никому ничего не «доказали». Разумеется, это не было научным доказательством дарвиновского процесса в строгом смысле слова – всего лишь его вероятным сценарием, но двое ученых из Швеции разработали продвинутую математическую модель эволюции глаза, которая показала, что глаз позвоночных мог развиться именно так, как предполагал Дарвин и вслед за ним Докинз, причем за удивительно короткий период времени.

В 1994 году Дан-Эрик Нильссон и Сюзанна Пелгер из Лундского университета в Швеции опубликовали то, что они назвали «пессимистической оценкой временнго периода, требуемого для эволюции глаза». В их модели эволюционный отбор происходил на основе всего одного параметра – пространственного разрешения, иначе известного как острота зрения. Любая небольшая модификация структуры глаза, увеличившая количество пространственной информации, которую мог получить глаз, закреплялась в последующем поколении. Важно подчеркнуть, что это была математическая модель с реальными, консервативными значениями по таким параметрам, как морфологическое варьирование, интенсивность отбора и наследуемость.

В качестве отправной точки они взяли круглое скопление светочувствительных клеток, находящееся на поверхности кожи между прозрачным защитным слоем и непрозрачным слоем темного пигмента. Затем они подвергли эту структуру давлению отбора, благоприятствующему улучшению способности к различению мелких деталей. На первом этапе фоточувствительный слой и пигментный слой начали прогибаться внутрь, формируя ямку, в то время как прозрачный слой стал утолщаться и образовал студенистое стекловидное тело, что придало протоглазу форму полусферы. Острота зрения улучшалась до тех пор, пока глубина ямки не сравнялась с ее диаметром, после чего дальнейшее улучшение стало возможным только в том случае, если кольцевые мышечные края ямки сжимались, сужая ее апертуру до узкого зрачка. На этой стадии глаз представлял собой полый шар с узким круглым отверстием в верхней части – как у круглой вазы. Но когда апертура сузилась и изображение стало более резким, оно также стало более «зашумленным», поскольку часть улавливаемых фотонов отклонялась в результате случайных событий, что искажало изображение. С этого момента дальнейшее улучшение зрения стало невозможным без появления хрусталика. Продолжающееся давление отбора привело к тому, что в центре гелеобразного тела сформировалась эллиптическая линза, которая сначала закрывала собой зрачок, а затем немного переместилась вглубь глаза, уменьшившись в диаметре и став более круглой, что улучшило ее способность преломлять лучи света (показатель рефракции). Затем сформировалась плоская радужная оболочка, чтобы закрывать зрачок и хрусталик.

Конечной точкой модели был глаз водных животных, очень похожий на глаз кальмара или осьминога. Исследователи подсчитали, сколько этапов развития, каждый из которых приводил к однопроцентному улучшению пространственного разрешения, вмещается между начальной и конечной точкой, и установили, что общее количество таких этапов составляет всего 1829. Сколько времени могло потребоваться эволюции, чтобы пройти эти 1829 этапов в реальности? Исследователи заложили в модель самые консервативные параметры наследования, интенсивности отбора и морфологической вариабельности каждого компонента глаза и предположили, что время жизни поколения составляет один год (средний показатель для водных животных малой и средней величины). Модель показала, что для развития глаза камерного типа из плоского пятна светочувствительных клеток понадобилось всего 360 тысяч лет – сущий миг для планеты. Самые древние из найденных на сегодняшний день ископаемых останков глаза датируются началом кембрийского периода. С тех пор прошло 550 миллионов лет – т. е. времени было достаточно, чтобы глаз успел совершить вышеописанный эволюционный процесс более 1500 раз!

Разумеется, это вовсе не означает, что за время эволюции жизни на Земле глаз заново изобретался 1500 раз. Но это показывает, что оптически совершенный глаз мог развиться путем естественного отбора за удивительно короткий период по сравнению с тем гигантским интервалом геологического времени, на протяжении которого существуют органы зрения. Более того, модель Нильссона и Пелгер хорошо объясняет огромное разнообразие структур глаза, обнаруживаемое в природе: «У существующих ныне животных можно найти структуры глаза, соответствующие каждому из этапов в смоделированной нами последовательности. Например, сравнительная анатомия показывает нам, что моллюски и кольчатые черви демонстрируют всю серию конструкций глаза – от простых эпидермальных скоплений фоторецепторов до крупных и хорошо развитых глаз камерного типа».

Так сколько же раз органы зрения могли проходить независимый эволюционный процесс за весь период существования жизни на Земле? Никто точно не знает. Великий биолог-эволюционист Эрнст Майр вместе с Лютфридом фон Сальвини-Плавеном предположили, что, учитывая огромное анатомическое разнообразие органов зрения и находящихся в них фоторецепторов, они могли эволюционировать независимо друг от друга от сорока до шестидесяти пяти раз. Однако Вальтер Геринг из Базельского университета в Швейцарии, изучая эволюционную историю генов, отвечающих за формирование глаз у разных животных, пришел к совершенно другому выводу.

Геринг сосредоточился на одном древнем гене под названием Рах6, который предположительно находится на вершине всей иерархии генов, участвующих в формировании органов зрения, начиная со времен древнейших предков всех позвоночных и беспозвоночных животных, которые все вместе называются билатериями. Билатерии – это первые примитивные животные, имевшие двустороннюю симметрию. На самом деле близкородственные варианты гена Рах6 были найдены даже у видов, предшествующих билатериям, таких как кубовые медузы, губки и полипы гидра, которых школьники обычно рассматривают под микроскопом на уроках биологии.

Геринг предположил, что дарвиновский прототип глаза, состоящий всего из одной светочувствительной и одной пигментной клетки, мог контролироваться геном Рах6 и что все органы зрения в животном мире развивались путем постепенного ступенчатого добавления к нему вспомогательных генов, в результате чего образовалась сложная иерархия с Рах6 на ее вершине. Из модели Геринга следует неизбежный и ошеломляющий вывод: органы зрения в животном мире эволюционировали лишь единожды, начав этот процесс примерно 700 миллионов лет назад, и все глаза, которые мы видим сегодня или которые когда-либо существовали, представляют собой результат ступенчатого эволюционного увеличения сложности путем последовательного добавления генов, приведшего к тому, что сегодня сложный человеческий глаз или глаз насекомого контролируется семейством из примерно двух тысяч генов.

На мысль о том, то ген Рах6 может играть главенствующую роль в развитии органов зрения, Геринга навели работы ученых, которые показали, что различные дефекты этого гена приводят к появлению «безглазых» мутаций у плодовых мушек дрозофил, формированию «маленьких глаз» у мышей и наследственному заболеванию, известному как аниридия, у человеческих эмбрионов (в этом случае обычно происходит самопроизвольный выкидыш, поскольку у эмбрионов с дефектным геном Pax6 не только не формируются глаза и уши, но и серьезно нарушается развитие головного мозга). Исследователи осуществили ряд оригинальных экспериментов: например, когда зародышам дрозофил вводился мышиный вариант гена Pax6, у них формировались дополнительные эктопические (неправильно расположенные) фасеточные глаза в самых разных местах, включая ноги, усики и крылья. Это доказало, что Рах6 отвечает за формирование органов зрения, но не за их тип и расположение. Эксперименты показали, что Рах6 не только запускает процесс формирования органов зрения, но и инициирует дальнейшую дифференциацию типов клеток в глазу. Как указывает Геринг: «Эти эксперименты позволяют сделать вывод, что Рах6 является главным контролирующим геном – геном-господином – находящимся на вершине каскада генов, отвечающих за морфогенез глаз, и что он может играть роль главного контролера как у насекомых, так и у млекопитающих».

Дарвиновский прототип глаза на самом деле существует в виде рудиментарных множественных глаз у плоских червей планарий, которые состоят всего из одного фоторецептора и одной пигментной клетки. Поскольку варианты гена Рах6, практически идентичные человеческому гену Pax6, имеются и у планарий, и у всех остальных представителей животного мира с промежуточными формами глаз, Геринг заключает: «Все билатеральные типы глаз восходят к единому корню, дарвиновскому прототипу, который мы видим у планарий. Начиная с этого прототипа, естественный отбор работал над созданием все более эффективного глаза, и все эти различные типы глаз возникли в результате дивергентных, параллельных и конвергентных эволюционных процессов».

Большинство эволюционных биологов сегодня считают, что в своем глобальном сценарии Геринг чересчур драматизировал ситуацию. Ген Рах6, хотя и играет важную роль, не является «главным рубильником», запускающим процесс формирования глаз, как предполагает Геринг. Во многих случаях у позвоночных животных и даже плодовых мушек первые этапы формирования глаз успешно проходят даже при выключенном гене Рах6. А у плоских червей глаза могут полностью сформироваться и в отсутствие этого гена. Таким образом, Рах6 является всего лишь одним из целого оркестра генов, которые управляют развитием органов зрения. Присутствие предка семейства генов Pax у древнего животного вовсе не является гарантией того, что он непременно был связан с глазами.

В то же время все эволюционисты согласны с тем, что основная эволюционная работа по созданию всего того богатого разнообразия органов зрения, которое мы видим сегодня, была проделана, как метко заметил зоолог Эндрю Паркер, буквально «в мгновение ока» – во время кембрийского взрыва, примерно 530 миллионов лет назад. За этот период, буквально за несколько миллионов лет, появились ранние представители всех основных таксономических групп животных (типов), существующих сегодня на Земле. В этот же период трилобиты – предки членистоногих (тип животных, включающий ныне живущих насекомых, паукообразных и ракообразных) – быстро развили фасеточные глаза, а примитивные позвоночные, такие как хайкуихтис (Haikouichthys) – крошечное водное животное длиной менее 2,5 сантиметра и весом меньше 30 граммов, считающееся предком современных рыб, – сформировали два сложных глаза камерного типа, снабженных хрусталиком. Другими словами, почти все типы существующих сегодня органов зрения – от простых пятен светочувствительных клеток до фасеточных глаз насекомых и сложных глаз камерного типа, характерных для позвоночных и некоторых моллюсков, – появились именно в период кембрийского взрыва. Считается, что главной движущей силой такого стремительного эволюционного спринта было взаимодействие между хищниками и жертвами. Хорошо видящие хищники обеспечивали сильнейшее давление отбора, так как их жертвам, дабы не быть съеденными, нужно было быстро развивать острое зрение, что, в свою очередь, способствовало развитию более острого зрения у хищников и т. д.

Но что было до кембрийского взрыва: существовали ли глаза у еще более древних видов животных? На этот вопрос трудно ответить, поскольку крошечные, мягкотелые животные практически не оставили после себя палеонтологической летописи. Однако мы знаем, что предки всех животных – те самые билатерии – существовали за 100–300 миллионов лет до начала кембрийского периода и уже имели в своем распоряжении основные элементы для развития зрения – специализированные клетки-фоторецепторы и специальные светочувствительные молекулы. Как указывает Нильссон, фоторецепторные клетки не являются исключительной принадлежностью глаза – они имеются у растений, грибов и многих одноклеточных организмов, где выполняют более широкие сенсорные функции. Таким образом, говорит Нильссон, древнейшие животные просто умело воспользовались тем, что у них было, – они заставили фоторецепторы превратиться в глаза и тем самым создали огромный потенциал для дальнейшего развития подвижных организмов. Другими словами, фоторецепторы появились задолго до появления глаз. У многоклеточных животных существует два главных типа фоторецепторов: рабдомерные и цилиарные. В рабдомерных фоторецепторах молекулы светочувствительного пигмента находятся в специальных выростах на поверхности клеток, называемых микроворсинками; в цилиарных фоторецепторах эти молекулы расположены в складках мембран длинных и тонких, похожих на жгутики органелл, называемых цилиями. Эти два типа фоторецепторов используют разные зрительные пигменты, а также разные ключевые молекулы в каскаде реакций, преобразующих свет в нервные импульсы. Сегодня большинство беспозвоночных имеют рабдомерные фоторецепторы, а большинство позвоночных – цилиарные. Согласно Нильссону, различия между этими двумя типами фоторецепторов настолько глубоки, что указывают на раздельное эволюционное происхождение. Возможно, объясняет Нильссон, общий предок всех билатеральных животных имел оба типа фоторецепторов независимо от того, использовал он их для зрения или нет. Когда предки беспозвоночных отделились от общей билатеральной линии, они забрали с собой рабдомерные фоторецепторы, а предки позвоночных начали выстраивать свою зрительную систему на основе цилиарных. Таким образом, хотя органы зрения могли независимо развиваться несколько раз за всю историю существования жизни на Земле, из различных эмбриональных субстратов и в широком диапазоне сложности, они всегда начинали с одного древнего «набора для строительства глаз» – фоторецепторов и их пигментов.

Специалист в такой замечательной области науки, как молекулярная палеоархеология, Давиде Пизани из Ирландского национального университета вместе с коллегами из Бристольского университета сосредоточился на семействе светочувствительных пигментов, находящихся в клетках фоторецепторов и превращающих фотоны света в электрохимические сигналы. Все вместе они известны как опсины. В поисках предка всех существующих ныне опсинов Пизани и его коллеги использовали всю доступную геномную информацию по соответствующим группам животных и построили таксономическое дерево опсинов, которое сначала привело их к общему монофилетическому таксону Neuralia, включающему стрекающих кишечнополостных (губок и медуз), гребневиков (гребневиков, морских крыжовников, морские орехи и венерин пояс) и билатерий (предков всех остальных животных на Земле), а затем к странной группе самых примитивных многоклеточных животных, называемых пластинчатыми (Placozoa). Именно здесь, как предположили исследователи, молекула-предшественник всех опсинов прошла дупликацию генов, дав рождение древнему гену опсина и его близкому родственнику гену мелатонина, вещества, которое в настоящее время участвует в регулировании циркадных ритмов. Далее этот опсин, который предположительно был «слепым», за короткий период времени, всего 11 миллионов лет, претерпел молниеносную эволюцию, превратившись в опсины, которые могли реагировать на свет. Работа Пизани и его коллег датирует происхождение гена опсина примерно 700 миллионами лет назад и закладывает фундамент для дальнейшего углубления наших знаний об эволюции семейства генов опсина вплоть до позвоночных, а также об эволюции цветового зрения.

Когда окружающая среда предоставляет сходные условия отбора в отношении остроты зрения – например, повышая шансы на успех для хищников или, наоборот, для их жертв, – органы зрения животных, имеющие разное эволюционное происхождение, могут развиваться в одном направлении и приобретать значительное сходство. Глаза позвоночных и головоногих (кальмаров и осьминогов) – классический пример того, как конвергентная эволюция привела к развитию у них чрезвычайно похожих глаз камерного типа. Глаза обоих типов имеют чашеподобную камеру, сложную сетчатку с высокой плотностью фоторецепторов и хрусталик. Между тем с точки зрения эволюции головоногие очень далеки от позвоночных.

Парадоксально, но этот уникальный пример конвергентной эволюции стал очередным поводом для яростных баталий между воюющими армиями креационистов и эволюционистов. Креационисты, как мы уже говорили, опираются на все тот же аргумент, впервые выдвинутый Уильямом Пейли, что глаз со всеми его сложными, взаимосвязанными составляющими не мог возникнуть в результате ступенчатой эволюции. Эволюционисты пытаются опровергнуть этот аргумент, используя обидное сравнение между эстетически совершенным дизайном глаза кальмара и довольно нелепой конструкцией глаза позвоночных, а значит, и человеческого глаза.

Главное отличие, на котором акцентируют внимание эволюционисты, касается ориентации фоторецепторов в сетчатке, что является неизбежным следствием различного эмбриологического происхождения глаз у позвоночных и головоногих моллюсков. У позвоночных сетчатка развивается из центральной нервной системы – из выпячиваний, или пузырьков, на поверхности нервной трубки, из которой в дальнейшем образуется передний отдел головного мозга. Эти глазные пузырьки выпячиваются и прикасаются к наружной стенке эмбриона, стимулируя формирование хрусталика. Затем они «складываются внутрь» вместе с частью наружной стенки, образуя глазной бокал. Этот процесс приводит к образованию так называемой инвертированной или перевернутой сетчатки, где фоторецепторы повернуты в обратную сторону от входящего света, а их синаптические окончания, идущие к зрительному нерву, направлены внутрь глаза, в сторону хрусталика. У беспозвоночных весь глазной аппарат развивается из кожи посредством образования серии сложных складок тканей, в результате чего фоторецепторы оказываются обращенными к свету, а их отростки, идущие к зрительному нерву и головному мозгу, – обращены назад, к задней части глаза. Таким образом входящему свету не приходится преодолевать препятствия в виде вышележащих клеточных слоев и переплетений нервных волокон, ведущих в головной мозг. Более того, поскольку у осьминогов и кальмаров нейроны идут от задней части фоторецепторов к зрительному нерву, они не пролегают по внутренней поверхности сетчатки, прежде чем пройти через оболочку глаза и погрузиться в головной мозг. Это означает, что в глазах осьминогов и кальмаров нет слепого пятна. Такая сетчатка называется неинвертированной или нормальной, и на первый взгляд может показаться, что кальмаров и осьминогов эволюция одарила более совершенной и продуманной конструкцией глаза, чем позвоночных с их «вывернутой наизнанку» сетчаткой со слепым пятном в нагрузку.

Таким образом, в споре с креационистами даже самые уважаемые профессора эволюционной биологии зачастую попадают в ловушку. Чтобы убедить нас в том, что «дизайн» человеческого тела – дело рук эволюции, а не Бога, они часто прибегают к так называемому аргументу о «плохом дизайне». Этот аргумент традиционно используется для доказательства эволюционного, а не божественного происхождения человеческого глаза, и в качестве главного «дефекта дизайна» неизменно указывается перевернутая сетчатка. Вот что пишет об этом инженерном фиаско Ричард Докинз в своей книге «Слепой часовщик»:

Любой инженер естественно решил бы, что фотоэлементы нужно располагать на стороне падающего света, а провода от них отводить с обратной стороны, обращенной к мозгу. Он посмеялся бы над предложением сделать наоборот – чтобы фотоэлементы располагались ниже слоя проводов, которые бы их заслоняли. Но именно так сделано в сетчатках всех позвоночных! Каждая светочувствительная клетка располагается в глубине сетчатки, а выходящий из нее отросток идет туда, откуда падает свет. Проводу приходится путешествовать по поверхности сетчатки к некоей точке, где он проникает через отверстие в ней (называемое «слепым пятном»), чтобы присоединиться к зрительному нерву. Это означает, что свет, вместо того чтобы свободно проходить к светочувствительным клеткам, должен продираться сквозь лес проводов, страдая по крайней мере от какого-то ослабления и искажения (фактически искажения невелики, но тем не менее это в принципе нечто, что оскорбило бы любого аккуратного инженера!).

Один из отцов эволюционной медицины Рэндольф Несс использует очень похожий аргумент. В своей беседе с Докинзом, видеозапись которой можно увидеть на YouTube, он восклицает: «Только представьте себе, что разработчик камеры Nikon или Pentax проложил провода между объективом и пленкой – т. е. так, как они расположены в нашем глазу. И мало того, сделал бы в центре слепое пятно, где вообще отсутствует всякое изображение!» Именно такое перевернутое строение, утверждает Несс, делает нас подверженными отслоению сетчатки. На что Докинз ему отвечает: «Известный немецкий ученый Герман фон Гельмгольц как-то сказал, что, если бы к нему пришел инженер и предложил оптическое устройство с конструкцией как у человеческого глаза, он бы прогнал его прочь!»

Согласно Нессу, человеческий глаз значительно уступает глазу кальмара или осьминога: «Все головоногие моллюски имеют глаза с правильной конструкцией. Благодаря тому, что все сосуды и нервы пролегают по задней стороне глаза, у них не бывает отслоения сетчатки. У них нет проблемы со слепым пятном, поэтому им не нужно так сильно двигать глазами, как нам, чтобы охватить взглядом все поле зрения. Этот дизайн по всем параметрам превосходит наш!»

В описании Докинза и Несса глаз позвоночных предстает перед нами устройством с прямо-таки абсурдными конструктивными недостатками. По сути они говорят: «Такого рода нелепости доказывают, что это дело рук эволюции. Бог, как и любой компетентный инженер, никогда бы не сделал подобных ошибок!» Откровенно говоря, мне не нравится аргумент о «плохом дизайне», поскольку тем самым эволюционисты предлагают нам рассматривать эволюцию как безнадежного растяпу, у которого (едва ли не буквально) руки растут не из того места. Я же придерживаюсь гораздо более высокого мнения об эволюции и считаю, что Докинз и Несс упускают главное, не исследуя этот вопрос дальше, чтобы обнаружить положительные, или адаптивные, аспекты инвертированного строения сетчатки позвоночных. В конце концов, позвоночные с их перевернутой сетчаткой стали чрезвычайно успешными видами в животном царстве. Так действительно ли их глаза настолько хуже глаз головоногих?

Некоторые исследователи решили найти положительные стороны такого строения сетчатки у позвоночных, и их теории вывернули наизнанку излюбленные аргументы Несса и Докинза. Вот что говорит Рональд Крёгер, профессор Лундского университета: «Главный вопрос состоит в том, почему животные с перевернутой сетчаткой были успешны и превратились в группу позвоночных с самой развитой зрительной системой». Крёгер считает, что причина успеха животных с перевернутой сетчаткой проста и очевидна: такая сетчатка является наилучшим конструктивным решением. «У нее так много преимуществ, что вообще удивительно, почему другие группы животных, такие как головоногие, развили похожие глаза с неинвертированной сетчаткой!»

Главное преимущество такой сетчатки, считают Крёгер и его коллега Оливер Бильмайер, заключается в экономии пространства. Крёгер указывает на глаза небольших рыб, которые нуждаются в остром зрении, но имеют маленькое тело. В их глазах пространство между хрусталиком и сетчаткой, которое у других позвоночных заполнено стекловидным телом, почти полностью занято клетками сетчатки, обрабатывающими зрительную информацию, поступающую к ним от фоторецепторов. Если бы все эти клетки были расположены позади фоторецепторного слоя, как при неинвертированной конструкции, глаз должен был бы значительно увеличиться в размере, чтобы вместить их. Так, Крёгер и Бильмайер рассчитали, что самый маленький глаз, который может вместить инвертированную сетчатку толщиной 100 микрометров (мкм), должен иметь диаметр 330 мкм и хрусталик диаметром 130 мкм. При том же размере и фокусном расстоянии хрусталика глаз с неинвертированной сетчаткой должен иметь наружный диаметр 420 мкм и быть в два раза большего объема. Таким образом, если вы хотите иметь острое зрение, но выпученные глаза вам не по вкусу, используйте перевернутую сетчатку. Поскольку предки большинства групп животных были очень небольшого размера, инвертированная сетчатка давала им решающее преимущество. Личинки многих современных животных также крайне малы, но нуждаются в хорошем зрении, чтобы выжить. Разумеется, по мере увеличения размера животных компактность перевернутой сетчатки перестает играть столь важную роль. Смоделировав упрощенный глаз того же размера, что и человеческий, Крёгер и Бильмайер рассчитали, что инвертированная сетчатка позволяет уменьшить размер глаза на 11,3 процента по сравнению с неинвертированной, и, по их оценке, реальная экономия пространства для человеческого глаза составила всего 5 процентов – не такая уж впечатляющая, но все же значительная цифра с точки зрения эволюции. Еще одним преимуществом такой конструкции является то, что она размещает внешние сегменты фоторецепторов в непосредственной близости к пигментному эпителию сетчатки, что способствует регенерации их зрительного пигмента. Наконец, такая конструкция позволяет хорошо снабжать питательными веществами фоторецепторы с их интенсивным метаболизмом через насыщенную кровеносными сосудами хориоидею, при этом не давая поглощающему свет гемоглобину вставать на пути у входящего света.

Но, пожалуй, наиболее важным свойством перевернутой сетчатки является ее увеличившаяся толщина, что создает возможности для значительного повышения вычислительной мощности. Это означает, что глаз может производить гораздо более сложную обработку визуальной информации, прежде чем сигналы отправляются дальше – через зрительный нерв в головной мозг. Неврологи Тим Голлиш и Маркус Мейстер указывают, что сетчатка позвоночных в действительности содержит пятьдесят различных типов клеток – гораздо больше, чем требуется для выполнения основных зрительных задач, таких как световая адаптация или обеспечение резкости зрения. Многослойную сетчатку позвоночных можно сравнить с продвинутым ноутбуком, подключенным через высокоскоростное соединение Ethernet к мощнейшему центральному мейнфрейму. Существенная часть обработки информации, связанной с обнаружением быстрого движения и осмыслением огромного количества фрагментов поля зрения, полученных в результате скачкообразных движений глаз (саккад), производится именно в сетчатке, а не в мозге позвоночных. Все эти локальные вычисления требуют эффективной коммуникации между нейронами сетчатки и носят скорее аналоговый, чем цифровой характер, – т. е. используют ступенчатый потенциал, а не цифровые сигналы включить/выключить. По словам Крёгера, это обеспечивает фантастическую информационную плотность, о которой разработчики компьютеров могут только мечтать. Окончательный результат, передаваемый от ганглиозных клеток в мозг, преобразуется в цифровую форму, поскольку в ином случае из-за относительно большого расстояния до мозга эти сигналы подвергались бы более сильному искажению.

Хотя в человеческой сетчатке более 100 миллионов фоторецепторов, зрительный нерв состоит всего из 1 миллиона аксонов. Если бы каждый фоторецептор был соединен с головным мозгом отдельным «проводом», зрительный нерв был бы толще, чем диаметр глаза. Но «умная» сетчатка позвоночных, осуществляющая значительную часть предварительной обработки зрительной информации на месте, позволяет избежать этого явного адаптивного недостатка. Это особенно важно для низших позвоночных, которые имеют головной мозг намного меньшего размера, чем млекопитающие, но тем не менее нуждаются в остром зрении, чтобы выжить. Например, Крёгер вовсе бы не удивился, если бы было установлено, что количество нейронов в глазу у крокодила превышает их количество в головном мозге! Птицы особенно наглядно демонстрируют нам преимущества «умной» сетчатки. Чтобы обеспечить маневренность и выносливость при полете, им нужно экономить место и вес везде, где только можно. При этом большинство видов птиц обладает чрезвычайно острым зрением. Их толстая сетчатка позволяет производить еще больше обработки визуальной информации непосредственно на месте, прежде чем передавать ее в относительно небольшой мозг.

Да, с точки зрения собственно оптического устройства, такого как видеокамера, глаз осьминога действительно превосходит глаз позвоночных с его нагромождением клеток на пути света к фоторецепторам и прочими особенностями. Но осьминоги могут видеть только в черно-белом цвете – у них нет цветового зрения. Кроме того, как было показано, сетчатка у позвоночных – это не просто устройство для захвата фотонов, а мощный процессор обработки сигналов. У головоногих нет такой сложной многослойной структуры, типичной для инвертированной сетчатки позвоночных. Они вынуждены отправлять всю сырую визуальную информацию для дальнейшей обработки в две структуры, называемые зрительными долями (выросты головного мозга, расположенные позади глазниц). Поскольку каждый фоторецептор независимо соединен со зрительными долями мозга, это приводит к тому, что большое количество относительно длинных соединений могут подвергать зрительные сигналы искажению на пути к мозгу. Такая неэффективная система передачи сигналов, как указывает Крёгер, также является более медленной и затрудняет мгновенное сравнение информации между соседними фоторецепторами, что необходимо для цветового зрения, обнаружения движения и быстрого распознавания объектов, попавших в поле зрения. Исследователь приходит к выводу: «Позвоночные развились в группу животных, наиболее сильно зависящую от зрения с высоким пространственным разрешением. И инвертированная сетчатка, по всей вероятности, сыграла в этом важную роль, поскольку она позволяет осуществлять значительное количество операций по обработке визуальной информации непосредственно на месте, при этом экономя драгоценное пространство, вес и время».

У дебатов по поводу инвертированной и неинвертированной сетчатки было интересное продолжение. В 2007 году большое волнение в кругах креационистов вызвала публикация статьи Кристиана Франца и его коллег. С тех пор креационистская литература регулярно ссылается на их работу, поскольку та якобы доказывает, что Бог знал, что делал, когда создавал сетчатку позвоночных. Франц исследовал клетки Мюллера – вытянутые, колоннообразные клетки, которые проходят через все слои сетчатки и выходят по обеим ее сторонам в форме раструбов. Раньше считалось, что эти клетки принадлежат к числу клеток, которые выполняют в сетчатке опорную функцию – т. е. создают ее каркас. Но Франц заявил, что, поскольку эти клетки расположены вдоль линий распространения света, они, как показывают современные методы микроскопических исследований, могут заниматься гораздо более ответственной работой – обеспечивать прохождение света от поверхности сетчатки к фоторецепторным клеткам с минимальным рассеянием. Используя лазеры, исследователи обнаружили, что клетки Мюллера функционируют так же, как оптические волокна – световоды, по которым передаются широкополосные и телевизионные сигналы в наши дома. Другими словами, клетки Мюллера – это натуральный оптоволоконный кабель, который позволяет световым сигналам проходить от внутренней поверхности сетчатки к слою палочек и колбочек с минимальным уровнем искажения, избавляя их от необходимости продираться сквозь мешанину кровеносных сосудов, клеток сетчатки и аксонов, находящихся на пути света к фоторецепторному слою. Это открытие Франца было с особым восторгом встречено креационистами, поскольку, по их мнению, оно в очередной раз подтверждает, что наш глаз является продуманным, совершенным устройством, сотворенным гениальным небесным инженером, а вовсе не продуктом слепой эволюции. Эволюционисты были застигнуты врасплох. Им пришлось поспешно заявить о том, что клетки Мюллера представляют собой результат типичного эволюционного подхода – приспособить то, что есть, для выполнения новой функции. Но, судя по всему, им не стоило хвататься за оружие.

Похоже, что значительная часть офтальмологического научного сообщества не разделяет энтузиазма креационистов по поводу волоконной оптики Франца. Работа Франца была подвергнута фундаментальной и сокрушительной критике, которой по каким-то причинам не было уделено должного внимания. Дэвид Уильямс, директор Центра офтальмологии Рочестерского университета и ведущий мировой эксперт по человеческому зрению, говорит, что существуют неоспоримые доказательства того, что клетки Мюллера не являются волноводами ни в каком сколько-нибудь значимом смысле этого слова. Внимательное изучение анатомии сетчатки показывает, что эти клетки вовсе не расположены вдоль линий светового потока, идущего из зрачка к фоторецепторам. В центральной ямке макулы – небольшом участке сетчатки, отвечающем за зрение высокой остроты, – клетки Мюллера расположены под углом, а на периферии сетчатки и вовсе имеют радиальную ориентацию, т. е. направлены к центру глаза, а не к зрачку. В периферической части сетчатки функцию световодов выполняют колбочки, которые как раз и расположены в направлении падающего света. Как указывает Уильямс, мы можем видеть палочки и колбочки при помощи адаптивной оптики именно благодаря тому, что они являются световодами. Они проводят световые волны от своей задней части, куда те попадают от источника света через зрачок, к своему светочувствительному элементу, и поэтому имеют вид ярких светящихся пятен. Клетки Мюллера никогда не светятся подобным образом.

В апреле 2011 года журнал Nature опубликовал статью, содержащую ссылку на замечательный фильм, показывающий постепенное формирование глазоподобной структуры из стволовых клеток. В фильме показан не процесс формирования глаз у живого эмбриона, а то, как глаз – в буквальном смысле слова на наших глазах – вырастает вне живого организма, в пробирке. Значение этого захватывающего эксперимента трудно переоценить, поскольку он приоткрыл завесу тайны над тем, как происходит развитие глаза, и показал, что строительные инструкции содержатся внутри самих дифференцирующихся клеток: другими словами, глаз является самоорганизующейся структурой – он способен построить сам себя самостоятельно, без какого-либо вмешательства извне. Этот эксперимент воодушевил мировое сообщество исследователей-офтальмологов, которые пытаются использовать принципы биологии развития для регенерации больных глаз, поскольку показал, что они идут по правильному пути.

Мотоцугу Эираку, ныне покойный Ёсики Сасаи и их коллеги из научно-исследовательского института RIKEN в Японии поместили эмбриональные стволовые клетки мышей в пробирку с питательной средой и некоторым количеством гелеобразного субстрата под названием матригель, способного играть роль каркаса для растущей ткани. Также они ввели несколько доз белка Nodal, который, как известно, запускает дифференциацию стволовых клеток. Через шесть дней после начала эксперимента сформировалось несколько полых сфер, быстро превратившихся в полусферические мешочки или пузырьки. Чтобы наблюдать за происходящим, ученые предварительно ввели в стволовые клетки ген зеленого флуоресцентного белка (ЗФБ). Изначально ген ЗФБ был выделен у медуз и в настоящее время широко используется в качестве маркера для визуализации развития тканей. Когда стволовые клетки в пробирке начали дифференцироваться, они включили ген ЗФБ, благодаря чему развивающаяся структура светилась призрачным зеленым светом. Другими словами, исследователи создали свою собственную натуральную видеографику! Без ЗФБ пузырьки развивались бы незаметно, пока вокруг них не образовалось бы тканевая оболочка.

Между восьмым и десятым днем пузырьки резко изменили форму – они сложились внутрь, сформировав чаши точно такого же размера, как глазной бокал у зародышей мышей. Клетки наружной стенки глазного бокала начали продуцировать белковые маркеры, которые обычно можно увидеть в развивающемся пигментном эпителии сетчатки, а клетки внутреннего слоя начали экспрессировать маркеры, характерные для нейронов сетчатки. Раньше считалось, что для того, чтобы запустить процесс формирования глазного бокала, сначала из ткани эктодермы должен образоваться хрусталик, однако в эксперименте Эираку и Сасаи глазной бокал сформировался совершенно самостоятельно, без какого-либо влияния извне. Следующим шагом исследователи осторожно вырезали несколько таких пузырьков и вырастили их отдельно от первоначального агрегата стволовых клеток. Удивительно, но через четырнадцать дней эта «эмбриональная сетчатка» принялась дифференцировать все известные типы клеток: фоторецепторы, ганглиозные клетки, биполярные клетки, горизонтальные клетки, амакринные клетки и глиальные клетки Мюллера. Кроме того, эти различные типы клеток размещались в правильном анатомическом порядке, как это происходит в развивающемся глазе нормального зародыша: биполярные клетки располагались поверх фоторецепторных, а над ними, во внутреннем слое, – ганглиозные и амакринные клетки. Таким образом, исследователям удалось вырастить глазной бокал и сетчатку, или, точнее говоря, эти структуры вырастили сами себя – это был глаз «сделай себя сам». «Программа этого сложного морфогенеза, – заключают Эираку и Сасаи, – имманентно заложена в клетках и запускает процесс динамического самоформирования и самоинформирования под влиянием последовательной комбинации локальных правил и внутренних сил в эпителии». Таким образом, японские ученые заглянули в ближайшее будущее офтальмологии, когда регенеративная технология «сделай себя сам» позволит выращивать настоящие многослойные трехмерные нейронные сетчатки на заказ, в виде целых листов.

Разумеется, как справедливо может заметить скептически настроенный читатель, японские ученые вырастили не полноценный глаз, а всего лишь глазной бокал и сетчатку. А как насчет, скажем, хрусталика? К счастью, Андреа Стрейт из Королевского колледжа в Лондоне показала, каким образом развивающийся глазной бокал индуцирует образование хрусталика в нужном месте. Наружный слой клеток любого эмбриона – эктодерма – обладает имманентной способностью формировать хрусталик в любой части своей поверхности. Например, в ходе экспериментов исследователям удалось стимулировать образование хрусталиков по всей поверхности тела зародышей лягушки и насекомых. Стрейт показала, что в норме мигрирующая популяция клеток нервного гребня, которая находится между развивающейся центральной нервной системой и эктодермой, не дает эктодерме формировать хрусталики. Эти клетки активируют клеточные сигнальные пути, которые подавляют экспрессию ключевого гена Pax6, отвечающего за развитие глаз. Однако, когда глазной бокал формируется и поднимается вверх, прикасаясь к эктодерме, он образует санитарный кордон, изолирующий локальный участок эктодермы от клеток нервного гребня. Ген Рах6 перестает ингибироваться, и на этом месте – именно там, где нужно, – формируется хрусталик.

Робин Али из Института офтальмологии в Лондоне воодушевлен экспериментом своих японских коллег. Он начал заниматься проблемами регенерации глаза из стволовых клеток в 2003 году и за последние десять лет вплотную подошел к испытаниям регенеративных технологий на людях. Десять лет назад вокруг стволовых клеток было много ажиотажа, но очень мало качественных данных. Потребовались годы кропотливых исследований на животных моделях, чтобы узнать, что можно делать со стволовыми клетками, а что нет. Робин Али использует в своей работе мышей, поскольку их сетчатка продолжает формироваться и после рождения. «Я хотел узнать, – поясняет Робин Али, – можно ли в принципе пересадить фоторецепторные клетки, т. е. возможно ли это технически? Приживутся ли они на чужой сетчатке?» Для начала он взял фоторецепторные клетки у трехдневной мыши и трансплантировал их в сетчатку другой мыши того же возраста. И действительно, эти фоторецепторы отлично прижились. «Благодаря этому мы узнали, – говорит исследователь, – как должны выглядеть трансплантированные фоторецепторы и как они должны правильно интегрироваться, чтобы не создавать никакой путаницы и беспорядка».

Затем команда Али сравнила успешность трансплантации стволовых клеток сетчатки возрастом от трех дней до трех недель, чтобы найти оптимальный момент для пересадки. «Мы посмотрели на эффективность интеграции этих клеток. Она соответствовала гауссовой кривой. Если мы брали совершенно незрелые стволовые клетки сетчатки, они не интегрировались, а просто превращались в крошечные сетчатки в том месте под сетчаткой, куда мы их вводили. Они формировали хорошую сетчатку, но проблема была в том, что они знать не желали своих соседей. Если же мы пересаживали полностью зрелые фоторецепторные клетки, те вообще ничего не делали. Таким образом, на вершине гауссова колокола мы нашли окно, когда фактически происходит рождение фоторецепторных клеток, пик которого приходится на возраст около пяти дней после рождения мыши. Это оптимальный возраст для донорской клетки. «Наиболее успешные результаты дает трансплантация фоторецепторных клеток, которые уже не являются стволовыми клетками и находятся на стадии клеток-предшественников, которые перестали делиться, но еще не начали дифференцироваться».

Команде Али потребовалось еще пять лет упорной работы, чтобы доказать, что они могут ввести сорок тысяч клеток – предшественников палочек в сетчатку слепых мышей таким образом, чтобы они там успешно интегрировались – сформировали функциональные связи внутри сетчатки, присоединились синапсами к биполярным клеткам и начали передавать информацию в головной мозг. Эксперименты, в ходе которых мыши с имплантированными фоторецепторами должны были найти путь в лабиринте, показали, что их зрение действительно улучшилось. На этом этапе исследований команда Али позаимствовала метод, разработанный одним из японских коллег Мотоцугу Эираку, который позволяет превращать эмбриональные стволовые клетки в предшественников различных клеток сетчатки. «Мы адаптировали японский протокол, – объясняет Али, – и научились продуцировать самоорганизующиеся сетчатки из эмбриональных стволовых клеток. Вот почему я считаю работу Эираку важной вехой для регенеративной офтальмологии. Выращивать сетчатку в пробирке эквивалентно тому, чтобы использовать в качестве источника сетчатку новорожденной мыши». По мнению Али, истинная красота эксперимента Эираку состоит в том, что он устраняет потребность в сложной клеточной культуре и избавляет исследователей от головной боли по синхронизации развития предшественников фоторецепторных клеток для того, чтобы получить гомогенную суспензию клеток одинакового, оптимального для имплантации возраста. Сетчатка Эираку делает все это сама. Таким образом, команда Али получила отличный эквивалент донорской сетчатки и в настоящее время уже трансплантирует его мышам.

Возрастная макулярная дегенерация – заболевание, при котором разрушаются фоторецепторы в макуле, центральной части сетчатки, отвечающей за острое зрение. Это приводит к постепенной потере центрального зрения, которое сначала становится расплывчатым, а по мере прогрессирования болезни полностью пропадает. Джен Провис, профессор анатомии в Австралийском национальном университете и специалист по сетчатке, выдвинула гипотезу, объясняющую причину макулярной дегенерации на основе идеи эволюционного компромисса – который в данном случае состоит в обмене острого зрения в молодости на нарушение зрения в более позднем возрасте. Это классический пример ситуации «живи сейчас, плати потом». Макула, напоминает Провис, занимает менее 4 процентов от всей поверхности сетчатки, но несет основную ответственность за наше зрение при ярком свете. Она состоит из трех концентрических колец – фовеи, парафовеи и перифовеи. Крошечная центральная область, фовея, содержит самую высокую концентрацию колбочек во всей сетчатке вместе с некоторым количеством палочек. По оценкам, даже крошечное повреждение фовеи выводит из строя 225 тысяч колбочек, что снижает поступление зрительной информации в мозг от ганглиозных клеток на 25 процентов, после чего человека официально признают слепым.

Эволюция плотно упаковала фовею колбочками, чтобы дать нам острое зрение, но очень высокая плотность колбочек достигается за счет хорошего кровоснабжения, хотя фоторецепторы обладают интенсивным метаболизмом и потребляют больше кислорода, чем любые другие типы клеток в нашем организме. За их кровоснабжение отвечают кровеносные сосуды сетчатки и капиллярное ложе хориоидеи, т. е. хориокапилляры, расположенные между пигментным эпителием сетчатки и склерой. В большинстве других частей нашего тела кровоснабжение органов регулируется вегетативной нервной системой, которая может увеличивать приток крови к трудолюбивым тканям. Но в сетчатке нет такого автономного контроля для увеличения кровоснабжения по требованию. Что еще хуже, в фовеоле, точечном центре фовеи, где плотность колбочек достигает пика, вообще нет кровеносных сосудов сетчатки! Адекватное кровоснабжение было принесено в жертву ради высокой плотности фоторецепторов. Если хориоидальное кровоснабжение по каким-либо причинам ухудшается, это обрекает всю центральную сетчатку на кислородное голодание. «Зону фовеи, – говорит Провис, – следует рассматривать как среду, где нейроны балансируют на грани выживания, причем этот хрупкий баланс легко нарушается при малейшем изменении кровотока и поступления кислорода и питательных веществ».

В таком критическом режиме кровоснабжения центральная сетчатка находится с самого начала эмбриогенеза глаза и на протяжении всей жизни человека, поскольку колбочки дифференцируются в эмбриональную сетчатку еще до того, как сформируется система капилляров сетчатки. Эволюция постаралась улучшить ситуацию путем уменьшения толщины сетчатки в области фовеи с образованием так называемой фовеальной депрессии. Кроме того, она расширила просветы капилляров и утончила мембрану Бруха, которая отделяет хориоидею от пигментного эпителия сетчатки. У молодых здоровых людей, говорит Провис, все эти ухищрения немного увеличивают приток кислорода и питательных веществ к фоторецепторам, но, по иронии судьбы, создают условия для макулярной дегенерации, когда мы стареем, поскольку со временем переносимые кровью метаболические отходы все легче выдавливаются из хориокапилляров под действием гидростатического давления и накапливаются в мембране Бруха и пространстве непосредственно под пигментным эпителием сетчатки. Эти отложения содержат нерастворимые липиды и называются друзами. Постепенно они нарушают кровоснабжение сетчатки, вызывают локальную сосудистую патологию и воспаление. Содержание жиров в мембране Бруха в районе макулы в семь раз выше, чем на периферии сетчатки. По мере того как стрессовое состояние макулы усугубляется, она начинает секретировать сигнальный белок под названием сосудистый эндотелиальный фактор роста, который стимулирует рост новых кровеносных сосудов. Однако эти вновь выросшие сосуды бывают очень слабыми и имеют неполноценные, тонкие стенки, подверженные утечке. Постоянная утечка вызывает повреждение фоторецепторных клеток сетчатки – что является конечной стадией влажной формы макулодистрофии. В настоящее время офтальмологи не умеют останавливать этот дегенеративный процесс, и единственным средством борьбы с ним является лазерное прижигание патологических сосудов.

Дэвид Ли страдает ювенильной формой макулярной дегенерации, также известной как болезнь Штаргардта. Проблемы со зрением начались у него в 1988 году, когда ему было всего двадцать два года: «Моя жена училась водить машину, и однажды, когда мы гуляли с ней по улице, она стала читать номерные знаки, чтобы потренировать внимание. Она читала их с легкостью, а я понял, что совершенно их не вижу! Я решил, что мне нужны очки, и записался на прием к оптометристу. Тот меня обследовал и сказал, что я немедленно должен ехать в больницу. Он сказал: «У вас на глазном дне какое-то затемнение». Через две недели у меня диагностировали болезнь Штаргардта, и врачи сказали, что ничем не могут мне помочь».

В то время Дэвид был оператором кирпичного цеха, и ему требовалось постоянно контролировать температурный режим печей и показания множества других цифровых датчиков. Но постепенно он совсем перестал различать цифры и был вынужден уйти с работы. Они с женой открыли небольшой магазинчик, специализирующийся на сэндвичах и пирогах, которым Дэвид управляет по сей день, несмотря на серьезное ухудшение зрения. Пока продавщицы обслуживают покупателей, он печет пироги и готовит завтраки на кухне. Он может приготовить даже сэндвичи при условии, что все ингредиенты находятся у него под рукой и стоят в правильном порядке. В ночное время свет автомобильных фар болезненно его ослепляет. Чтобы облегчить себе жизнь, Дэвид старается придерживаться знакомых мест. Он научился ходить по улицам с предельной осторожностью и не натыкаться на людей и столики, когда посещает незнакомые бары. «Поначалу в любом новом месте мне нужно сориентироваться. После этого я чувствую себя хорошо, – рассказывает Дэвид. – Труднее всего бывает найти мужской туалет, потому что эти крошечные фигурки мужчин или буквы "М", которые рисуют на дверях, – не для моих глаз! Но я нашел решение: обычно я стою и жду, чтобы кто-нибудь зашел в туалет. Так я узнаю, в какую дверь мне нужно зайти, чтобы не оказаться среди женщин».

Однажды вечером в 2012 году Дэвид с женой услышали в новостях BBC интервью с Джеймсом Бейнбриджем, который сообщил о том, что они набирают пациентов с болезнью Штаргардта для испытания нового метода лечения стволовыми клетками. В тот же день они отправили электронное письмо в Глазную клинику Мурфилдс, и вскоре Дэвида пригласили приехать в Лондон для прохождения комплекса тестов, чтобы определить, подходит ли он для испытаний. Сам Бейнбридж руководит европейской частью международной программы клинических испытаний, организованной и спонсируемой массачусетской биотехнологической компанией Advanced Cell Technology. Исследователи из этой компании усовершенствовали технику выделения человеческих эмбриональных стволовых клеток из пяти– или шестидневных эмбрионов и научились индуцировать их дифференциацию в клетки – предшественники пигментного эпителия сетчатки (ПЭС), клеточного слоя, который расположен под фоторецепторами и обеспечивает их снабжение питательными веществами и удаление продуктов жизнедеятельности. Эти исследования находятся еще на очень ранних стадиях, и ученые пока не умеют вводить стволовые клетки в глаз и запускать их дифференциацию в клетки – предшественники ПЭС непосредственно на месте. На сегодняшний день установлено, что наилучшие результаты дает введение суспензии клеток ПЭС, которые полностью дифференцированы, но еще не в полной мере пигментированы. Резидентные клетки сетчатки, кажется, могут помочь таким клеткам завершить процесс созревания и успешно интегрироваться в ПЭС с образованием функциональных межклеточных связей. Таким образом, в первой фазе испытаний на людях тестировалась безопасность и эффективность введения 50 тысяч, а затем 100 тысяч донорских клеток в сетчатку добровольцев, страдающих возрастной макулярной дегенерацией и болезнью Штаргардта.

Но почему исследователи вводят клетки пигментного эпителия сетчатки пациентам, чье заболевание связано с потерей фоторецепторов? Бейнбридж объясняет, что болезнь Штаргардта имеет сложный патогенез. В ее возникновении повинен дефектный ген фоторецепторов. Он не мешает их работе, но заставляет фоторецепторы выбрасывать большие количества липофусцина – остатков старых и поврежденных компонентов фоторецепторных клеток – непосредственно в пигментный эпителий сетчатки. Поскольку липофусцин нерастворим в воде и не расщепляется, он накаливается в ПЭС и, будучи к тому же довольно токсичным, вызывает дегенерацию клеток ПЭС. В результате ПЭС начинает все хуже выполнять свою работу по метаболической поддержке фоторецепторов, которые, в свою очередь, также начинают погибать. Так возникает порочный круг: дисфункция – деградация.

В идеале наилучшим решением было бы использовать генную терапию, а именно при помощи вирусных векторов ввести в ядра фоторецепторов нормальный вариант гена ABCA4, другими словами – «заразить» фоторецепторы вирусом, который заменит дефектный ген в его геноме на здоровый. К сожалению, ген ABCA4 является слишком большим для этой технологии, поэтому ученые решили сосредоточить внимание на стволовых клетках. Но на каких клетках? Создавать новые фоторецепторы, не трогая поврежденный слой ПЭС, – напрасный труд, а если пытаться восстановить поврежденный пигментный эпителий за счет поставки свежих клеток-предшественников, не трогая при этом дефектные фоторецепторы, можно получить лишь временный эффект. Поскольку в настоящее время исследователи не могут исправить сразу то и другое, они выбрали второй вариант. Целью первых испытаний было проверить работоспособность этого подхода на практике; однако, вместо того чтобы вводить клетки – предшественники ПЭС в область макулы, где из-за гибели всех фоторецепторов их благотворный эффект был бы не виден, они выбрали участок в периферической части сетчатки, где бльшая часть клеток ПЭС погибла, но популяция фоторецепторов в значительной степени еще сохранилась.

Как сообщает Ханна Уолтерс в журнале The Scientist, первые испытания были проведены под руководством Стивена Шварца в Институте офтальмологии Джулса Стейна Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе. Сначала исследователи индуцировали превращение человеческих эмбриональных стволовых клеток в ранние клетки – предшественники костной и нервной ткани, которые затем дифференцировались в клетки ПЭС с вероятностью более 99 процентов. Примерно 50 тысяч таких клеток были введены под сетчатку двум пациентам: женщине далеко за семьдесят с сухой макулодистрофией и женщине средних лет с болезнью Штаргардта (обе с официально признанной слепотой). Имплантированные клетки прижились, и пациентки сообщили о некотором улучшении зрения, хотя исследователи не могут полностью исключить эффект плацебо. В прессу просочилась информация об этих пациентках. Обе они живут в Южной Калифорнии; одна из них – 51-летняя художница из Лос-Анджелеса, другая – 78-летняя пенсионерка из Лагуна-бич. Согласно статье в Washington Post, опубликованной в январе 2012 года, художница так описала журналисту свое состояние: «Однажды утром я проснулась и открыла сначала один глаз, а потом другой. Разница была удивительной! Напротив моей кровати у противоположной стены стоит деревянный шкаф с резьбой. Я посмотрела на него прооперированным глазом и увидела все мелкие детали! Тогда я принялась рассматривать все вокруг. Это было похоже на то, как если бы мне вставили новый здоровый глаз!» Теперь она может видеть символы на таблице для проверки зрения, вдевать нитку в иголку и различать цвета. Ее зрение начало ухудшаться в возрасте двадцати лет из-за болезни Штаргардта. Она потеряла бльшую часть центрального зрения, перестала узнавать знакомые лица, не могла смотреть телевизор. Теперь ее зрение восстановилось достаточно для того, чтобы она снова смогла кататься на велосипеде.

Вторая женщина, более старшего возраста, представившаяся журналистам как Сью Фриман, страдала от прогрессирующей макулярной дегенерации. В последнее время она перестала различать даже лица членов семьи. «Разумеется, я не могла водить машину. Я перестала ходить в магазины, потому что не видела ни ценники, ни этикетки. Я не могла устроиться на работу, потому что не могла читать. У меня разрушалось не только зрение – рушилась вся моя жизнь». Через шесть недель после операции она начала замечать изменения. «Я сказала мужу: "Все вокруг будто бы стало ярче. Я не знаю, может быть, это мое воображение, но мне кажется, что я стала лучше видеть". В конце концов, она попросила мужа отвезти ее в торговый центр для «испытательного шопинга». «Он очень боялся за меня, но все прошло прекрасно!» – заключает свой рассказ Сью. Она начала читать, готовить еу и даже стала видеть время на своих наручных часах.

Операция по трансплантации Дэвиду Ли была проведена как раз в то время, когда Лондон принимал Олимпийские игры. Придя в сознание, он увидел у кровати всю свою семью и Джеймса Бейнбриджа. Чтобы избежать смещения введенных клеток, ему пришлось неподвижно пролежать на спине девять часов. «Я пришел в себя в час ночи и услышал гром фейерверков с церемонии открытия Олимпийских игр. Весь Лондон гудел, все были счастливы – и я был счастлив тоже», – вспоминает он. Дэвид не питает наивных надежд на чудесное восстановление зрения, хотя, по его субъективной оценке яркости цветных точек во время послеоперационного тестирования, определенные улучшения есть. Будучи увлеченным спортивным фанатом, теперь он может следить за ходом футбольного матча, если садится очень близко к телеэкрану. Вместе с двумя друзьями он занимается бегом – они надевают яркие куртки и бегут впереди него, показывая безопасный путь. Помня о том, что болезнь Штаргардта имеет генетические корни, Дэвид с женой регулярно проверяют своих детей у офтальмолога и очень надеются, что добровольный вклад Дэвида в науку поможет уже в ближайшем будущем разработать эффективный метод лечения с использованием стволовых клеток.

Эксперимент Эираку и Сасаи по выращиванию «глаза в пробирке» открывает захватывающую перспективу: не исключено, что в скором времени исследователи, такие как Бейнбридж, научатся выращивать в пробирках целые листы клеток пигментного эпителия сетчатки, чтобы трансплантировать их своим пациентам. Да, само хирургическое вмешательство при этом станет более сложным, поскольку для введения трансплантата в сетчатке придется делать отверстие большего размера и субстрат, на котором выращиваются клетки, должен быть проницаемым для питательных веществ и метаболитов. Но это обещает обеспечить более полноценное обновление пигментного эпителия сетчатки – благодаря замене всего леса, а не отдельных деревьев. И возможно, это только начало. «Удивительно, что такой сложнейший орган, как глаз, обладает столь уникальными способностями к самоорганизации, – говорит Бейнбридж. – Работа японских исследователей является настоящим прорывом, поскольку она наглядно показала нам имманентную способность недифференцированных клеток самостоятельно организовываться в очень сложные ткани и даже целые органы. Очень вероятно, что в скором времени мы научимся применять протокол Эираку в клинических условиях и начнем выращивать все разнообразие клеток глаза – клетки Мюллера, биполярные и глиальные клетки, фоторецепторы и клетки ПЭС – из единого набора недифференцированных стволовых клеток. Тогда наша конечная цель – полная регенерация сетчатки – станет вполне достижимой».

Между тем в Оксфордском университете Роберт Макларен и его команда пробуют несколько иной подход. Вместо того чтобы восстанавливать пигментный эпителий сетчатки, они используют так называемые плюрипотентные стволовые клетки, полученные из клеток кожи, чтобы попытаться заново «засеять» сетчатку палочками. Идея исследования родилась под воздействием результатов, полученных при имплантации искусственной электронной сетчатки первым пациентам, таким как Тим Реддиш. Эти эксперименты достоверно показали, что даже при серьезном повреждении фоторецепторного слоя биполярные и ганглиозные клетки, обеспечивающие передачу сигналов в зрительный нерв, остаются нетронутыми и способны хорошо выполнять свою работу. Исследователи получили обнадеживающие результаты на мышиных моделях с полной ночной слепотой, когда были потеряны все палочки: введение этим мышам нескольких тысяч клеток – предшественников палочек привело к восстановлению зрения. Исследователи надеются, что в перспективе этот метод терапии позволит регенерировать фоторецепторы у людей на поздних стадиях пигментного ретинита, когда фактически разрушена вся популяция фоторецепторных клеток.

Итак, передовой эксперимент японских исследователей в области биологии развития представил нам глаз в удивительном свете – как уникальный орган, способный «сделать себя сам» благодаря тому, что все инструкции по строительству глаза заложены в самих развивающихся клетках органа. Опровергает ли это открытие все аргументы креационистов против эволюционного происхождения глаз? Разумеется, нет! Будьте уверены: креационисты заявят, что за такой чудесной самоорганизацией глаза, несомненно, скрывается рука Божья. Как бы там ни было, этот эксперимент действительно стал настоящим прорывом, и не только потому, что показал нам важные этапы эмбрионального развития глаза в режиме реального времени, но и потому, что обогатил науку, предоставив убедительные свидетельства роли самоорганизации в этом процессе. Кроме того, он воодушевил ученых-офтальмологов по всему миру и дал им важную точку опоры, отталкиваясь от которой они могут уже в ближайшем будущем научиться восстанавливать больные глаза. Сегодня существует вполне реальная надежда на то, что в скором времени пигментный ретинит, макулярная дегенерация и множество других заболеваний глаз навсегда уйдут в прошлое.

Многообещающие монстры

Почему рак почти невозможно вылечить

В десять тридцать утра в нейрохирургической операционной Адденбрукского госпиталя в Кембридже, Великобритания, 55-летнего Брайана Фернли, пребывающего под общим наркозом, деликатно переложили с каталки на операционный стол и зафиксировали его голову в специальной рамке. Нейрохирург Колин Уоттс выбрил на голове Брайана полосу от левого уха через всю макушку. Затем при помощи компьютерной стереотаксии он очертил на его черепе участок размером с компьютерную мышь. Через несколько минут характерный запах жженой плоти известил о том, что электронож – игольчатый электрод с вольфрамовым наконечником – прорезал кожу до самой кости. Умелыми движениями Уоттс быстро снял лоскут скальпа, обнажил участок черепа и вскрыл его. Когда он прорезал твердую мозговую оболочку – волокнистую прослойку, находящуюся между черепом и мозгом, – взору врачей предстала выпяченная на поверхности мозга шишка размером с небольшое куриное яйцо. Она была ярко-красного цвета и резко контрастировала с окружавшей ее бледной здоровой тканью. Это была глиобластома – самая распространенная форма рака головного мозга, а также самая разрушительная и смертоноснная.

Глиобластомы возникают в нейроглии – вспомогательных глиальных клетках нервной ткани, которые образуют механический каркас мозга и отвечают за питание нейронов. Уоттс и его команда оперируют от восьмидесяти до ста глиобластом в год. Это чрезвычайно агрессивная форма рака с очень плохим прогнозом. Несмотря на комплекс лечебных мероприятий, включающий хирургическое удаление опухоли, лучевую терапию и химиотерапию темозоломидом, средняя выживаемость составляет менее пяти месяцев, и менее четверти пациентов проживают больше двух лет. Отчасти проблема заключается в том, что чрезвычайно сложно полностью удалить раковые ткани, не причинив необратимого вреда мозгу пациента, а также в том, что гематоэнцефалический барьер препятствует эффективной доставке лекарственных препаратов в головной мозг. Таким образом, частота рецидивов – повторного развития опухоли после ее удаления – очень велика. Хотя Уоттсу случалось проводить повторные операции некоторым пациентам, а одного пациента пришлось оперировать целых три раза, он признает, что головной мозг плохо переносит повторное хирургическое вмешательство. Пациенты плохо восстанавливаются после операций, в большинстве случаев страдают нарушением когнитивных функций, впадают в агональное состояние и в конце концов умирают.

На фоне приведенной статистики Питера Фрайатта можно назвать счастливчиком. Ему удалили глиобластому в октябре 2011 года, и он гордостью демонстрирует мне небольшой рубец на черепе – единственный видимый след, оставшийся после операции. Несмотря на все меры предосторожности, этот вид операции носит глубоко инвазивный характер и может приводить к серьезным когнитивным дисфункциям. «Они вырезали столько, сколько было возможно. А вместе с частью моего мозга исчезла и часть меня. Но тут ничего не поделаешь», – говорит Питер. Его речь немного невнятна. Рассказывая мне свою личную историю борьбы с раком, он подчас с трудом подбирает слова, а его память на технические детали далека от блестящей памяти человека, который до начала болезни был менеджером высшего звена в авиационной отрасли.

Его первоначальные симптомы носили на удивление неспецифический характер. Он чувствовал вялость и сонливость, как бывает после перенесенного гриппа, с тем лишь отличием, что эти симптомы никак не проходили. Терапевт удивил его, поставив диагноз сахарный диабет и прописав диабетические препараты. «Я сказал ему, что он ошибается. Что дело в чем-то другом. И попросил направить меня на сканирование мозга». Терапевт уклонился – сканирование дорого обходится Национальной службе здравоохранения – и Питер решил воспользоваться своей личной медицинской страховкой, чтобы пройти обследование в частном порядке, поскольку интуиция подсказывала ему, что тут кроется более серьезная проблема. К сожалению, интуиция его не подвела. Два дня спустя ему позвонили на работу и сказали: «Мы обнаружили у вас опухоль головного мозга». Опухоль была довольно большой – Питер показывает примерно два сустава на своем пальце.

Спустя два года после операции он с трудом делает многие вещи, которые раньше делал не задумываясь. От его прежней силы и энергичности не осталось и следа, а чтение стало требовать таких неимоверных усилий, что он часто сдается и в отчаянии включает телевизор. «Теперь я почти все время смотрю этот чертов ящик! И мне запрещено водить машину, что причиняет массу неудобств!» Что еще хуже, его опухоль снова начала расти. Недавно сканирование показало два новых образования размером с ноготь. Ему провели повторный курс химиотерапии темозоломидом, чтобы затормозить их рост. «Шесть месяцев назад они увидели две небольшие опухоли. Одну им удалось уничтожить, но другая с тех пор немного выросла».

Врачи не могут дать ему четкий ответ на вопрос: «Сколько мне осталось?» Анализируя их уклончивые ответы, Питер приходит к выводу, что это может быть от одного дня до десяти лет. «Я хотел бы избавиться от этой опухоли, чтобы мне больше не пришлось принимать эту чертову кучу таблеток. Я хочу быть здоровым и сильным, как раньше, много ходить пешком, играть в гольф. Но врачи не говорят мне, возможно ли это, – они сами этого не знают».

Между тем в операционной Адденбрукского госпиталя врачи приступили к удалению опухоли из головного мозга Брайана Фернли. За несколько часов до операции Брайану сделали инъекцию 5-аминолевулиновой кислоты, сокращенно 5-АЛК. Раковые клетки с их ускоренным метаболизмом активно абсорбируют это вещество и под ультрафиолетовыми лучами начинают светиться ярко-розовым светом, что помогает хирургам отличить злокачественную опухоль и мертвую некротизированную ткань от здоровых тканей мозга. Но Колину Уоттсу флуоресценция помогала делать и кое-что еще – четко видеть границы опухоли и выборочно вырезать крошечные образцы злокачественной ткани из разных ее частей по мере того, как он аккуратно продвигался вглубь головного мозга. В течение часа Уоттс вырезал шесть таких образцов и отправил их в лабораторию геномики рака для анализа. В конце концов, он вырезал остатки раковой опухоли, полностью очистив от них мозговую ткань.

Многие люди ошибочно полагают, что раковая опухоль – это гомогенное скопление злокачественных клеток, подверженных неконтролируемому росту и делению. Но Уоттс и его коллеги знают, что главной причиной высокой агрессивности глиобластомы и трудности ее эффективного лечения является ее значительная гетерогенность. Опухоль – не единый монолитный блок из одинаковых аномальных клеток, она состоит из множества субпопуляций клеток с разными геномами, разными типами мутаций и разными паттернами генной активности. Однако до настоящего времени эта гетерогенность оставалась практически неизученной по той причине, что стандартная процедура биопсии предполагает изъятие у каждого пациента всего одного образца. Этого явно недостаточно для того, чтобы изучить всю генетическую вариабельность, которая может присутствовать в разных участках опухоли и проявляться на разных стадиях ее развития, и идентифицировать весь набор представленных мутаций. Вот почему кембриджские исследователи воспользовались тем обстоятельством, что хирургическое удаление глиобластомы осуществляется частями, чтобы взять образцы тканей из разных участков опухоли и исследовать каждый из них в мельчайших деталях.

В последние двадцать лет эволюционная биология начала активно проникать в область онкологических исследований. Ученые, изучающие эволюцию рака, рассматривают это заболевание как миниатюрную экосистему, состоящую из мириад генетически изменчивых клеточных организмов, или клонов, распределенных по всему пространству опухолевого образования. Эти клоны борются друг с другом за выживание точно так же, как животные или растения конкурируют друг с другом в обычном мире, где климат, доступность питания и другие факторы создают давление отбора, обуславливающее дифференциальное выживание, и, таким образом, стимулируют эволюцию. Раковые клетки соперничают за пищу и кислород и имеют дифференциальную устойчивость к воздействию нашей иммунной системы и токсичной химиотерапии. В результате выживают самые жизнеспособные клоны, которые и становятся доминирующим «видом» в опухолевой экосистеме. Такая генетическая гетерогенность обуславливает агрессивность опухоли, и чем более гетерогенна опухоль – чем выше генетическая вариабельность среди ее раковых клонов, – тем труднее ее уничтожить. Результаты исследований глиобластомы, ведущихся в Кембридже с позиций эволюционного подхода, перекликаются с результатами исследований всех типов рака, проводимых в лабораториях по всему миру, и позволяют нам приблизиться к ответу на такие животрепещущие вопросы, как: «Почему вообще возникает рак?», «Как рак превращается из относительно безвредного доброкачественного образования в агрессивную злокачественную опухоль?», «Почему опухоль распространяется, или метастазирует, из первичного очага в другие органы и ткани (и почему клетки из некоторых первичных очагов предпочитают для метастазирования определенные органы)?», «Почему метастазы всегда фатальны для пациента?». Давая ответы на эти вопросы, эволюционная медицина уже начинает предлагать и новые подходы к лечению рака.

Мы все являемся мутантами, утверждает Мел Гривз из Центра эволюции рака в Институте онкологических исследований в Великобритании. Если вам больше сорока лет, внимательно посмотрите на свою кожу. Почти наверняка вы увидите на ней массу родинок и пигментных пятен, которые по-научному называются невусами. Хотя большинство из них совершенно безвредны, говорит Гривз, генетический анализ непременно обнаружит во многих из них патологические мутации в типичном онкогене под названием BRAF, который может запускать неконтролируемый рост клеток. Или возьмите образец кожи у любого человека пожилого возраста, усеянный печеночными («старческими») пятнами, и вы найдете там сотни клеточных клонов, содержащих инактивирующие мутации в важнейшем гене p53, который называют «шефом клеточной полиции». Когда этот ген работает нормально, он обеспечивает восстановление поврежденных клеток и заставляет умирать те клетки, которые не подлежат ремонту. Но когда он отключен, он перестает выполнять свою полицейскую функцию и бессилен предотвратить развитие рака. «Если тщательно просканировать тело любого человека, держу пари, вы найдете массу поводов для тревоги, – говорит Гривз. – Лично я никогда бы не согласился на такое сканирование! Это значит, что рак есть у всех людей? Да!»

Если, не дай бог, я внезапно скончаюсь в тот день, когда вы читаете эту главу, и дотошный патологоанатом решит вскрыть мою простату, он почти наверняка обнаружит в ней участки предраковых изменений ткани – так называемый начальный неинвазивный рак или рак in situ, – хотя это и не было причиной моей смерти. Очаги предракового поражения вполне могут быть обнаружены в моей щитовидной железе, легких, почках, толстой кишке и поджелудочной железе. В Дании аутопсическое исследование женщин в возрастной группе с повышенным риском развития рака молочной железы (которые умерли от заболеваний, не связанных с раком) показало, что 39 процентов из них имели начальный неинвазивный рак, который протекал абсолютно бессимптомно. Даже у детей – несмотря на то, что в возрасте от одного года до пятнадцати лет риск развития клинической формы рака является очень низким и составляет примерно 1 на 800, – исследователи обнаружили, что 1 процент новорожденных имеет бессимптомные предраковые мутации, способные дать начало развитию острого лимфобластного лейкоза. Если добавить к этому частоту обнаружения мутаций, ассоциируемых с нейробластомой и раком почек, то окажется, что у каждого пятого новорожденного скрытое предраковое состояние, говорит Гривз.

В какой-то степени, рак – это лотерея. Например, наши эпителиальные клетки и костный мозг производят 1011 клеток в день. Такие высокие темпы деления клеток означают, что даже при низкой частоте мутаций неизбежно происходит их накопление. Ситуация усугубляется современным образом жизни, для которого характерны любовь к солнечным ваннам, потребление чрезмерного количества красного мяса, злоупотребление алкоголем и курением. У женщин ткани груди и яичников подвергаются хроническому воздействию высоких уровней женских половых гормонов из-за отсутствия ранней и регулярной беременности и длительных периодов кормления грудью. Эти культурные тенденции значительно увеличивают имманентные риски, проистекающие из многочисленных погрешностей нашего дизайна, или эволюционных компромиссов, как, например, это происходит в случае комбинации светлой кожи, которой эволюция наделила жителей северных широт, и навязчивой идеи получить красивый загар. Современное увеличение продолжительности жизни также расширяет временной интервал для таких генетических аварий. «На фоне подобного мутагенного беспредела, – замечает Гривз, – настоящим чудом является то, что мы способны дожить до девяноста лет с риском развития рака "всего" один к трем». То, что заболеваемость раком не поднимается выше этого порога, вероятно, связано с тем фактом, что большинство мутаций являются либо нейтральными, либо нефункциональными; это мутации-«пассажиры», а не мутации-«водители», вызывающие развитие опухоли. Даже те мутации, которые затрагивают онкогены или антионкогены, могут приводить к тому, что рак начинает развиваться не в «той» ткани или не в «то» время, чтобы клоны девиантных клеток могли начать свою экспансию. Иногда такие мутации способны немедленно предупредить об опасности другие гены, которые уничтожают мутировавшие клетки; иногда требуют дополнительных мутаций в других генах, без которых не может начаться прогрессия рака.

Поскольку частота таких предраковых поражений существенно превышает частоту развития злокачественных опухолей, может возникнуть соблазн вообще не обращать на них внимания. Проблема в том, что каждый третий из нас, если проживет достаточно долго, в какой-то момент своей жизни заболеет раком. А недавно проведенное исследование дало еще более устрашающую цифру: для людей, рожденных после 1960 года, этот риск составляет один к двум. Нам нужно понять, почему бльшая часть предраковых изменений может смирно сидеть в органах и тканях на протяжении десятилетий и либо регрессировать, либо не причинять никакого вреда, тогда как другие внезапно оживают и стремительно прогрессируют в опасное для жизни заболевание. Понимание динамики эволюции рака может радикально изменить современную онкологию. В настоящее время эффективное лечение рака оказывается между двух огней, поскольку существует постоянный риск, с одной стороны, недостаточной диагностики тех случаев рака, которые развиваются из доброкачественных поражений, а с другой стороны, гипердиагностики, когда врачи проводят хирургическое вмешательство или химиотерапию при предраковых изменениях из опасения, что те могут перерасти в злокачественные.

Мел Гривз специализируется на лейкозах – группе онкологических заболеваний, которые в последнее время научились довольно успешно лечить. Отчасти это обусловлено тем, что лейкозы имеют менее сложный патогенез с точки зрения количества требуемых мутаций, чем большинство форм солидных опухолей, и главная история успеха связана с хроническим миелоидным лейкозом (ХМЛ). Это одна из самых простых форм рака, поскольку она вызывается всего одной мутацией-драйвером. ХМЛ, как и все формы лейкемии, возникает в костном мозге, где происходит образование красных и белых клеток крови из стволовых клеток. Это заболевание влияет на белые кровяные клетки, называемые гранулоцитами. Самые распространенные из гранулоцитов – нейтрофилы, классические фагоциты, которые мигрируют к месту локализации инфекции и поглощают враждебные микроорганизмы. Нейтрофилы не возвращаются в кровь, а погибают на месте «сражения», образуя гной, который мы видим при заживлении порезов, укусов и ссадин.

ХМЛ развивается в результате того, что при делении стволовых клеток ген ABL на длинном плече 9-й хромосомы случайно перемещается в 22-ю хромосому – это событие называется транслокацией. Там он присоединятся к гену BCR и образует гибридный ген BCR-ABL. Этот ген начинает производить мутантную форму фермента тирозинкиназы, которая в норме действует как выключатель, запускающий и останавливающий деление клеток. Гибридный ген приводит к тому, что этот выключатель всегда находится в положении «включено», поэтому клетка оказывается в ситуации, когда она не может полностью дифференцироваться в зрелый гранулоцит, но в то же время не может прекратить делиться. В итоге костный мозг и селезенка оказываются забитыми этими незрелыми клетками и не могут нормально производить другие виды красных и белых кровяных клеток. ХМЛ лечат ингибитором тирозинкиназ (главным образом иматинибом, также известным как «Гливек»), который останавливает это неконтролируемое деление. Если принимать его каждый день – подобно тому, как вы чистите зубы, – болезнь можно держать под контролем в течение многих десятилетий, но вылечить ее полностью невозможно, объясняет Гривз, поскольку под действием лекарства раковые стволовые клетки просто переходят в состояние «дремлющих». Если перестать принимать лекарство, они мгновенно проснутся и примутся за старое. ХМЛ отличается высокой генетической стабильностью: болезнь вызывается всего одной мутацией-драйвером, и все клетки несут ее идентичную копию. Именно благодаря этой простоте таргетная (направленная) терапия дает хорошие результаты, хотя в конечном счете могут возникнуть дополнительные мутации, вызывающие устойчивость.

А вот острый лимфобластный лейкоз (ОЛЛ) гораздо труднее поддается лечению и требует целого коктейля из химиотерапевтических препаратов, хотя в настоящее время показатель успешности лечения обычно превышает 90 процентов в зависимости от мутационной сложности формы заболевания. Наиболее распространенная форма ОЛЛ затрагивает стволовые клетки, из которых образуются В-лимфоциты. Эти белые кровяные клетки являются одним из ключевых компонентов нашей адаптивной иммунной системы, поскольку благодаря их почти бесконечной вариабельности можно быстро произвести целую армию клонов В-клеток, нацеленных на конкретные антигены, представленные на поверхности любого вторгшегося микроорганизма. Как и при ХМЛ, инициирующим событием становится образование гибридного гена из двух генов: ETV6 и RUNX1. Это слияние приводит к тому, что предшественники В-клеток полностью не созревают, т. е. не превращаются в полноценные функциональные клетки, а вместо этого начинают быстро и бесконтрольно делиться. Их накопление в костном мозге нарушает производство нормальных красных и белых клеток крови. Вот почему у страдающих этим заболеванием детей обычно наблюдаются такие симптомы, как хроническая усталость и анемия, вызванные нехваткой красных клеток крови; кровотечения и беспричинное появление гематом из-за низкого содержания тромбоцитов, пониженная сопротивляемость инфекциям в связи с ослабленной иммунной системой.

Этот гибридный ген не наследуется, говорит Гривз, а образуется в результате новых мутаций, которые могут возникнуть в любой момент: с шестой недели развития эмбриона, когда он начинает производить собственную кровь, и до рождения. Поскольку стволовые клетки костного мозга делятся очень быстро и при каждом цикле клеточного дления неизбежно случаются ошибки, около 1 процента детей – т. е. каждый сотый ребенок – рождается с этим мутантным гибридным геном. Однако заболеваемость острым лимфобластным лейкозом намного ниже, всего 1 на 2000, так что подавляющее большинство носителей этой мутации никогда не заболевают лейкемией. Гривз и его коллеги считают, что в настоящее время они приблизились к раскрытию тайны, почему из всех носителей мутированного гена лейкемия поражает лишь некоторых, а большинство обходит стороной. Ответ, по их мнению, кроется в хладнокровном взвешивании дарвиновской эволюцией шансов на выживание и резком сокращении воздействия патогенов на человеческий организм в настоящее время по сравнению с тем, что было сто лет назад и больше.

Как и аутоиммунные заболевания, которые мы обсуждали в главе о наших старых друзьях, острый лимфобластный лейкоз идет вслед за повышением уровня жизни. В западных странах заболеваемость ОЛЛ значительно выросла с середины прошлого века и продолжает расти примерно на 1 процент в год. Гривз считает, что ОЛЛ – болезнь «двойного удара». Первый удар – это образование гибридного гена в период внутриутробного развития. Второй удар – аномальная реакция иммунной системы на ярко выраженную инфекцию, поражающую детей после окончания раннего возраста, во время которого маленькие дети обычно подвергаются наиболее интенсивным инфекционным атакам, помогающим их иммунной системе тренироваться и созревать. Если же иммунная система не натренирована и разрегулирована, как это часто бывает у современных детей, этот второй «отложенный удар» может подвергать пролиферирующие клетки костного мозга чрезмерному стрессу и стимулировать образование критического набора вторичных мутаций. Таким образом, гипотеза Гривза об «отложенном инфекционном факторе» полностью соответствует гигиенической гипотезе, которая объясняет современные эпидемии аллергических и аутоиммунных заболеваний с точки зрения отсутствия раннего воздействия широкого круга паразитических червей, грибов и бактерий, повсеместно распространенных во времена наших предков.

В большинстве случаев лейкемия развивается у детей в возрасте от двух до пяти лет и редко встречается после двенадцати. Предполагается (хотя это и неизвестно наверняка), что клоны предшественников В-клеток с гибридным геном через какое-то время после рождения ребенка вымирают. Но Гривз установил, что клоны с гибридным геном в некоторых случаях могут выживать до тех пор, пока в игру не вступит отложенный инфекционный фактор. Гибридный ген активирует в предшественниках В-лимфоцитов молекулу, называемую рецептором эритропоэтина, которая в норме активна только в предшественниках красных кровяных клеток, где она заставляет их делиться и не дает умирать. Иными словами, гибридный ген использует механизм выживания, предназначенный для другого типа клеток. Когда через несколько лет, рассуждает Гривз, носящий этот ген ребенок подпадает под действие отложенного инфекционного фактора, его иммунная система запускает интенсивную реакцию. В конце концов, его организм начинает производить цитокин, известный как трансформирующий фактор роста бета (TGF-), который снижает чрезмерное воспаление за счет того, что останавливает деление клеток – предшественников лимфоцитов и прекращает мобилизацию иммунных клеток на борьбу с инфекцией. Однако лимфоциты с гибридным геном глухи к TGF-. В то время как образование нормальных лимфоцитов затормаживается, мутантные лимфоциты продолжают активно делиться и оказываются доминирующими в костном мозге. Таким образом, отложенная инфекция способствует быстрому увеличению количества мутантных клонов за счет нормальных клеток, и эта пролиферация становится прелюдией к развитию симптоматической лейкемии. В настоящее время Гривз также установил, как именно лимфоциты с гибридным геном увеличивают количество раковых мутаций. В этом оказался повинен процесс, который эволюция создала исключительно для лимфоидных клеток – и который, как выяснилось, скрывает в себе серьезный дефект.

Ключевую роль в злокачественном развитии, объясняет Гривз, играет механизм, позволяющий нашим B-клеткам производить широкое разнообразие антител, с тем чтобы эффективно распознавать антигены, представленные на поверхности вторгающихся в наш организм микробов, и давать им отпор. Молекулы иммуноглобулина, из которых состоят наши антитела, имеют гипервариабельные участки, способные быстро перестраиваться и создавать почти бесконечное число генных мутаций. Около 500 миллионов лет назад наши первые позвоночные предки обзавелись двумя специальными рекомбинантными ферментами – RAG1 и RAG2. Сегодня эти ферменты целенаправленно воздействуют на гены наших иммуноглобулиновых антител и заставляют их мутировать, создавая бесчисленные рекомбинации. Эти рекомбинантные ферменты активны только в лимфоидных клетках, и в норме, как только они выполняют свою работу и клетка перестает делиться и превращается в зрелый В-лимфоцит, они отключаются. Однако в присутствии гибридного гена, когда клетки продолжают делиться и не достигают полной зрелости, производство рекомбинантых ферментов RAG1 и RAG2 не прекращается. Вскоре их становится так много, что им попросту не хватает генов иммуноглобулина, которые они могут разрзать на куски и перетасовать, поэтому они начинают охоту на другие гены. Так временное и точно нацеленное мутагенное воздействие на молекулы иммуноглобулина перерастает в рекомбинантный хаос. В результате такого побочного действия рекомбинантных ферментов, клетки – предшественники лимфоцитов, пойманные в круговорот клеточного деления без достижения полной дифференциации и зрелости, увеличивают число дополнительных мутаций до десятка и более. «Эволюция не создает идеальные механизмы, как нам бы того хотелось, она просто выбирает оптимальные, – говорит Гривз. – И в данном случае побочным эффектом этого механизма иммунной защиты может быть развитие рака крови в детском возрасте. Это пример не очень умного эволюционного дизайна, когда одно вещество – рекомбинантный фермент – может быть одновременно необходимым и опасным для жизни».

Пока ученым не удается собрать окончательные эпидемиологические доказательства роли инфекции как «второго ключевого фактора» вследствие низкого уровня заболеваемости лейкемией среди населения в целом. Тем не менее исследования, проведенные в Великобритании, странах Скандинавии и в Калифорнии, показали, что посещение разного рода детских центров, где малыши с раннего возраста подвергаются более интенсивному и разнообразному воздействию инфекций, в некоторой степени защищает от развития острого лимфобластного лейкоза. В бывшей Восточной Германии, где государство поощряло матерей как можно быстрее возвращаться к работе, отдавая детей в огромные центры дневного пребывания – детские сады и ясли, уровень заболеваемости лейкемией был в три раза ниже, чем в Западной Германии. После объединения Германии от этого социального института решили отказаться в пользу домашнего воспитания – и уровень заболеваемости быстро сравнялся с западногерманским.

Двадцать лет исследований «кластеров лейкемии» – небольших географических зон с повышенной частотой заболеваемости лейкемией – больше чем что-либо другое убедили исследователей в правильности гипотезы об инфекционном факторе отложенного действия. Один из самых известных кластеров находится в городке Сискейл неподалеку от предприятия по переработке ядерных отходов Селлафилд в графстве Камбрия, Великобритания, где за период с 1955 по 1973 год количество случаев детской лейкемии превысило ожидаемое в десять раз. Поначалу в этом автоматически обвинили радиацию, однако расследование, проведенное на высочайшем научном уровне, показало, что, несмотря на несколько повышенный уровень радиоактивного загрязнения прилегающего участка Ирландского моря, вокруг Сискейла и в самом городке этот уровень не был достаточно высоким для того, чтобы вызвать рак. Тогда эпидемиолог из Оксфордского университета Лео Кинлен указал на одно важное изменение, которое произошло в Сискейле за эти годы, – на большой приток строителей, рабочих и специалистов в связи с открытием ядерного комплекса. В результате такой миграции значительно увеличилось количеств новых инфекций, которым стали подвергаться дети старше двух лет в этой ранее тихой и отдаленной деревушке.

В небольшом городке Фаллон в штате Невада находится ведущий Центр боевой подготовки авиации ВМС США. В период с 1999 по 2003 год здесь было зарегистрировано тринадцать случаев детской лейкемии, тогда как, по статистике, ожидаемый показатель был меньше единицы. Местные жители обвиняют в этом разливы и сбросы топлива JP-8 – канцерогенной смеси керосина и бензола, ссылаясь на тот факт, что в одном только 2000 году воздушные асы потребили 34 миллиона галлонов топлива. Тем не менее официальное расследование показало, что такой рост заболеваемости нельзя связать с конкретным загрязняющим веществом. Что изменилось, так это численность населения. До начала 1990-х годов в Фаллоне проживало 7500 постоянных жителей, в 1990-е годы численность населения колебалась уже в районе 20 тысяч человек, а к 2000 году достигла колоссальной цифры – 55 тысяч человек в результате притока военнослужащих, строителей, логистического и обслуживающего персонала.

В настоящее время Гривз исследует лейкозный кластер в одной начальной школе в Милане. «Там мы имеем целых семь случаев заболевания лейкозом. На первый взгляд кажется, что это не так уж много, но четыре случая произошли в одной школе в течение всего одного месяца, а вскоре за ними последовали еще три случая. А это уже запредельный уровень. В школе такого размера можно было бы ожидать максимум один случай за пятнадцать лет». Тот факт, что дети в возрасте от трех до одиннадцати лет заболели лейкемией практически одновременно, говорит о наличии общего внешнего триггера. Команда Гривза изучила все события, произошедшие за последнее время, и обнаружила, что несколько месяцев назад в школе была эпидемия свиного гриппа. Тогда как в среднем свиным гриппом заразился каждый третий ребенок в школе, им переболели все семеро детей, впоследствии заболевших лейкемией. «Таким образом, из-за небольшого размера выборки статистика не слишком убедительна, но она четко указывает на то, что свиной грипп мог послужить тем самым вторым отложенным фактором», – говорит Гривз. Еще одно подтверждающее доказательство предоставляет Оксфордское эпидемиологическое исследование, в ходе которого были отслежены все случаи заболевания острым лимфобластным лейкозом в Великобритании в течение более чем тридцати последних лет. Было обнаружено два пика, и оба они наступили спустя шесть месяцев после сезонной эпидемии гриппа.

Наша история сосуществования с раком насчитывает более миллиарда лет, с момента появления первых многоклеточных животных. До этого все формы жизни были одноклеточными, и каждая клетка могла свободно размножаться, как ей заблагорассудится. Но в многоклеточном организме клетки были вынуждены научиться жить и функционировать вместе, как единое целое. В результате они больше не могли делиться до бесконечности, и клеточное деление было строго ограничено стволовыми клетками и непосредственно образованными из них клетками-предшественниками, которые имеют меньше возможностей для размножения и дифференциации. Кроме того, у этих клеток-предшественников ограниченный срок жизни, и тем самым возникающие в них онкогенные мутации имеют гораздо меньшую вероятность распространиться в клонах раковых клеток и, как правило, исчезают вместе со смертью клетки-носителя. После того как клетки-предшественники полностью дифференцируются, например в клетки мышц, кожи или печени, они вообще теряют свое бессмертие. Таким образом, бессмертием обладает лишь ограниченное число стволовых клеток, которые необходимы для эмбрионального развития, постоянного обновления красных кровяных клеток и клеток иммунной системы и регенерации тканей и органов, поврежденных вследствие износа или старения. Из этого следует, что для того, чтобы развился рак, мутации должны затронуть либо стволовые клетки, как это происходит при лейкемии, либо дифференцированные или полудифференцированные клетки, которые под влиянием этих специфических мутаций возвращаются в незрелое состояние и возобновляют цикл клеточного деления.

Новая эра сотрудничества и согласованности потребовала от эволюции создания новых генов и химических сигнальных путей внутри клеток и между ними, чтобы обеспечить применение новых правил и строгий контроль за их соблюдением. Были созданы дополнительные механизмы репарации ДНК, призванные вовремя выявлять и нейтрализовывать онкогенные мутации. Отныне, если повреждение ДНК превышало определенный порог, эти новые гены инициировали гибель клетки – поэтому современные ученые и назвали их генами-супрессорами опухолей. Затем появились и другие гены-супрессоры, которые стали предотвращать деление поврежденных клеток путем блокирования митоза – процесса размножения клеток с репликацией их ДНК. Эти гены получили название генов контрольных точек клеточного цикла. Кроме того, позвоночные животные развили сложные адаптивные иммунные системы, способные не только производить специфические лимфоциты для противодействия конкретным антигенам, представленным на поверхности разнообразных бактерий и вирусов, но и атаковать клетки, угрожающие превратиться в раковые.

Исследователи Матиас Касас-Сельвес и Джеймс Дегрегори из Колорадского университета считают, что сама эволюция животных – их тканей, органов и систем – регулируется необходимостью избегать рака, что и объясняет развитие таких мощных механизмов борьбы с опухолевым ростом. Животным организмам нужно ограничить рост клеток-изгоев, которые отказываются подчиняться правилам мирного многоклеточного сосуществования, и создать ряд надежных барьеров на всем пути к развитию рака. В 2000 году американские исследователи рака Дуглас Ханахен и Роберт Вайнберг составили перечень из шести ключевых признаков раковых клеток, но эти признаки также можно рассматривать как шесть барьеров, которые нужно преодолеть клеткам на пути к превращению в злокачественные.

Во-первых, объясняют исследователи, раковым клеткам нужно стать самодостаточными с точки зрения сигналов роста. В норме клетки получают такие сигналы извне – факторы роста прикрепляются к рецепторам на клеточной мембране и через них проникают внутрь клеток. Эти факторы роста пробуждают находящуюся в состоянии покоя клетку и заставляют ее начать деление. Раковые клетки способны производить свои собственные факторы роста, которые имитируют сигналы извне. Два типичных примера – тромбоцитарный фактор роста (PDGF) и трансформирующий фактор роста альфа (TGF-). Кроме того, они могут увеличивать активность рецепторов факторов роста на своих мембранах посредством значительного увеличения количества копий гена любого из этих рецепторов. В результате раковая клетка приобретает повышенную чувствительность к окружающим уровням факторов роста, которые при нормальных условиях могут не запускать деление клеток. Два классических примера – рецептор эпидермального фактора роста (EGFR), очень распространенный при раке мозга, и рецептор эпидермального фактора роста человека 2-го типа (HER2), характерный для рака молочной железы. Также раковые клетки могут производить мутировавшие формы белков RAS (так называемых белков «саркомы крысы»), которые застревают в положении «включено» и стимулируют деление клеток. Во-вторых, потенциальные раковые клетки должны стать глухими к сигналам о прекращении роста. Классическим примером является развитие нечувствительности к трансформирующему фактору роста бета (TGF-), как это происходит при остром детском лейкозе.

В-третьих, раковые клетки должны стать трудно уничтожимыми. В норме, когда возникают мутации или обнаруживается повреждение хромосом, в действие вступают механизмы восстановления клетки. Если повреждение слишком велико, в клетке запускается процесс запрограммированной клеточной гибели, или апоптоза. Ключевую роль здесь играет ген-супрессор опухолевого роста р53, который отвечает за ремонт ДНК и при обнаружении серьезных повреждений запускает механизм апоптоза. Раковые клетки должны отключить такие гены, как р53, или же они будут уничтожены в течение получаса: их клеточная мембрана и внутренняя структура будут разрушены, ядро распадется на мелкие части, а хромосомы дефрагментируются так, чт их дальнейшее использование будет невозможно. Макрофаги и близлежащие клетки поглотят их останки, так что уже через двадцать четыре часа от клетки не останется и следа.

Для того чтобы раковые клетки дали начало колонии, которую мы называем опухолью и которая может содержать свыше 1 триллиона клеток, они должны стать бессмертными благодаря безграничной способности делиться и удваивать свою численность. Некоторые нормальные дифференцированные клетки в организме, например клетки сердца, вообще не могут делиться, но многие типы клеток, такие как фибробласты кожи, сохраняют способность к ограниченному делению, и в клеточной культуре их можно побудить пройти несколько циклов деления, пока не наступит старение и клетка не перейдет в кризисное состояние с таким хромосомным беспорядком, после которого она уже не может восстановиться. Раковые клетки должны задействовать механизм, который позволяет им избежать этой участи и достичь истинного бессмертия. В нормальных клетках на концах хромосом имеются специальные повторяющиеся последовательности ДНК, называемые теломерами. Эти теломерные «наконечники» защищают основную часть ДНК от повреждений. При каждом последующем раунде клеточного деления теломеры постепенно укорачиваются, что в конечном итоге приводит к фатальной деградации хромосом, и клетка погибает. Раковые клетки увеличивают активность фермента теломеразы, выработка которого в нормальных клетках в значительной степени подавляется. Благодаря этому теломеры в раковых клетках восстанавливаются так же быстро, как укорачиваются, что наделяет клетки почти неограниченной способностью к репликации.

Ни одна клетка, будь то раковая или нормальная, не может выжить без снабжения кислородом и питательными веществами. Раковая клетка имеет диаметр около 20 микрон (один микрон – это одна миллионная метра). Если она находится на расстоянии более чем 150 микрон от капилляра, она умирает. Это создает серьезное препятствие для пролиферации раковых клеток в опухоли, поскольку процесс образования новых кровеносных сосудов, называемый ангиогенезом, строго регулируется организмом. Следовательно, раковым клонам нужно приобрести такие мутации, которые дают им возможность стимулировать образование новых кровеносных сосудов. Как правило, они добиваются этого, вызывая увеличение выработки фактора роста сосудистого эндотелия роста (VEGF) либо путем активации онкогена RAS, либо путем отключения гена-супрессора опухолевого роста р53. Вот почему исследователи часто обнаруживают потерю гена р53 при предраковых состояниях, прежде чем те перерастут в полностью развившиеся злокачественные опухоли.

Наконец, еще одним ключом к бессмертию раковых клеток (по крайней мере до тех пор, пока жив сам организм) является их способность отделяться от первоначальной опухолевой массы и перемещаться в другие части организма, где они могут давать начало развитию вторичных опухолей. Этот процесс называется метастазированием, и именно он повинен более чем в 90 процентов всех смертей от рака.

«Каким образом нормальные клетки, – спрашивают Касас-Сельвес и Дегрегори, – которые являются частью строгой тканевой организации с развитой системой клеточного управления, превращаются в социопатов, полностью игнорирующих внутритканевый порядок и клеточную коммуникацию?» Отцом эволюционной теории рака был Питер Ноуэлл, ныне почетный профессор Пенсильванского университета. Еще в 1976 году он детально описал процесс «эволюции» нормальной доброкачественной клетки в злокачественную раковую опухоль. Ноуэлл одним из первых указал на то, что со временем девиантные клетки повышают свою способность к пролиферации путем снижения восприимчивости к механизмам контроля, которым подчиняются нормальные клетки. В результате девиантные клетки начинают ускоренно и бесконтрольно делиться, становятся все более злокачественными и перестают дифференцироваться. Они избавляются от органелл и метаболических функций, которые позволили бы им функционировать в качестве специализированных клеток, и превращаются в более примитивные клетки, вся энергия которых направлена на пролиферацию и инвазивный рост. Согласно Ноуэллу, они делают это путем накопления мутаций, которые позволяют им стать глухими ко всем механизмам клеточного контроля. Так образуется неоплазма или масса мутировавших клеток, занимающих привилегированное положение по отношению к окружающим клеткам. В дальнейшем эти клоны «родительской» раковой клетки могут самостоятельно накапливать дополнительные мутации и давать рождение новым клонам с другими свойствами, другим уровнем злокачественности и устойчивости к лечению.

По мнению Мела Гривза и Карло Мейли (выдающегося исследователя рака из Калифорнийского университета в Сан-Франциско), тридцать лет исследований подтвердили идеи Ноэулла. «Большой массив данных, собранных при помощи анализа срезов тканей, биопсического материала и единичных клеток, доказывает правильность теории Ноуэлла, – говорят они, – поскольку показывает наличие сложных и разветвляющихся траекторий эволюционного развития, поразительно напоминающих знаменитое дарвиновское дерево эволюционного видообразования. Дивергентные раковые клоны в этом контексте проходят процесс, эквивалентный процессу аллопатрического видообразования в разделенных естественных средах обитания – как это произошло с галапагосскими зябликами».

Дарвин сравнивал эволюцию жизни на Земле не с линейным, а с бесконечно ветвящимся процессом, где каждый живущий сегодня вид представляет собой конечную ветвь на невероятно разветвленном дереве. Эволюция раковых клонов внутри одной опухоли – это дарвиновская эволюция в миниатюре. И точно так же, как все виды живых организмов (конечные ветви) произошли от общего предка (основания ствола эволюционного дерева), все раковые клоны происходят от общей «родительской» клетки, даже если они накопили достаточно дополнительных мутаций, чтобы кардинально отличаться друг от друга. Галапагосские острова представляют нам наглядную иллюстрацию того, как происходит образование новых видов от общего вида-основателя при географическом разделении их зон обитания, как это случилось со знаменитыми «дарвиновскими» зябликами. Микросреда внутри опухоли и ее непосредственное окружение обеспечивают аналогичную степень гетерогенности среды обитания вследствие очень разных уровней кровоснабжения, снабжения кислородом и питательными веществами, конкуренции между клонами и интенсивности иммунных атак.

Разные типы рака приходят к злокачественности разными путями. Особенно хорошо это видно в человеческом кишечнике, где существует по меньшей мере четыре основных типа колоректального рака. Джо Вейганд получил прозвище ультрамутатора, поскольку он страдает относительно редкой формой колоректального рака, при которой мутационная активность достигает запредельных уровней. Это заболевание передается по наследству в отличие от большинства видов рака, которые носят спорадический характер и развиваются в результате новых мутаций, возникающих у отдельно взятого человека. Джо знал о том, что он подвергается значительному риску. Его бабушка по отцовской линии умерла от рака толстой кишки, когда ей было сорок с небольшим лет, и в том же возрасте подозрения на рак толстой кишки диагностировали у его отца. Эндоскопическое исследование показало, что в его прямой кишке находятся сотни предраковых полипов. Врачи предложили понаблюдать за ними. Но в то время Джо и его сестра были совсем маленькими, и отец не хотел подвергать свою молодую семью риску остаться без кормильца, дожидаясь, когда в каком-нибудь из этих полипов начнутся тревожные изменения. Он боялся, что врачи могут не заметить начало злокачественного перерождения и у него разовьется полноценная опухоль. Поэтому он согласился на полное удаление толстой кишки и всю оставшуюся жизнь ходил с колостомическим мешком.

Неудивительно, что Джо регулярно проходил колоноскопию, однако многообещающая карьера в финансовом секторе заставила его на четыре года забыть про обследования. Тревожная потеря веса вынудила его вновь обратиться к терапевту. «Я потерял 30–40 процентов своего веса – я выглядел как привидение. И у меня совершенно не было сил». Терапевт проигнорировал их семейную историю рака и прописал ему препараты железа против анемии. «Я жил в Лондоне вместе с братом. Однажды к нам в гости приехал отец. Он посмотрел на меня и сказал: "Этот идиот, твой врач, ни черта не смыслит в медицине. К черту эту национальную службу здравоохранения. Я оплачу тебе обследование в частной клинике!" Вот когда колоноскопия показала, что они у меня есть». Во время хирургической операции четыре недели спустя врачи обнаружили около тридцати мелких полипов и одну огромную опухоль размером с манго. Они удалили их вместе с большей частью толстой кишки. «У меня осталось не больше тридцати – сорока сантиметров, но благодаря им я могу нормально ходить в туалет». Теперь, спустя восемь лет после операции, он ведет нормальный, активный образ жизни, хотя колоноскопия регулярно обнаруживает у него небольшие полипы. «На прошлой неделе они нашли четыре полипа. Каждый раз, когда я к ним прихожу, они находят что-то новое. Они просто отщипывают их щипцами и отправляют на гистологию. Пока они маленькие, они безвредны, но по мере роста они буквально сходят с ума и накапливают огромное количество мутаций».