Определение биологического вида – новый подход

В сегодняшнем выпуске радиожурнала речь пойдёт о новом подходе к определению биологического вида как основы классификации живых организмов и о новом методе диагностики, позволяющем визуализировать работу лёгких, не подвергая пациента радиоактивному облучению.

Итак, для начала обратимся к современным проблемам систематики – именно так называется раздел биологии, занимающийся описанием и обозначением организмов – как ныне существующих, так и вымерших, – и классификацией их по таксонам, то есть группам различного ранга – царствам, типам, классам, отрядам, семействам, родам и видам. Систематика – на первый взгляд, вещь, казалось бы, сугубо формальная, – на самом деле, служит основой для многих биологических наук и имеет чрезвычайно важное значение, поскольку позволяет ориентироваться во множестве существующих видов организмов. Однако и само понятие вида, как ни странно, вызывает жаркие споры среди учёных – строгое общепринятое определение вида до сих пор не разработано. Чем пристальнее биологи вглядываются в живые организмы, тем более расплывчатым становится понятие вида. А между тем, вид – это основная структурная единица в системе живых организмов, это та самая базовая таксономическая категория, на которой строится вся биологическая систематика. Так что, похоже, без новых подходов тут не обойтись. Сегодня видом принято называть совокупность популяций особей, способных к скрещиванию с образованием плодовитого потомства, населяющих определённый ареал, обладающих рядом общих морфологических и физиологических признаков и отделённых от других таких же групп особей полным отсутствием гибридных форм. Однако из каждого правила, как известно, есть исключения. Хрестоматийными примерами такого исключения – их даже изучают в школе на уроках биологии – служат мул (гибрид кобылы с ослом) и лошак (гибрид ослицы с жеребцом). Лошади и ослы относятся к разным видам и в принципе не должны при скрещивании давать жизнеспособное потомство, однако на практике не всё так просто. Мул не просто жизнеспособен, он обладает такой выносливостью, что используется для работы в упряжи и под вьюком во многих странах Азии, Африки, Северной и Южной Америки и Европы. Правда, мул и лошак сами не способны к размножению, хотя бы отчасти подтверждая этим традиционное определение вида. Однако биологи знают и другие исключения, причём далеко не всегда межвидовые гибриды столь же бесплодны, как мул или лошак. Совсем недавно стал известен особенно разительный пример нарушения общепринятых представлений о биологическом виде. Речь идёт об обитающих в Центральной Африке обезьянах. Колин Гроувз (Colin Groves), сотрудник Австралийского национального университета в Канберре, говорит:

Там имеется весьма впечатляющий пример скрещивания двух видов обезьян, принадлежащих к роду мартышек. У белоносых мартышек и у коронованных мартышек ареалы обитания охватывают значительную часть Центральной Африки и практически совпадают. И почти везде эти два вида размножаются совершенно самостоятельно и автономно, никак не соприкасаясь друг с другом. Однако в нескольких районах на восточной окраине их совместного ареала обитания мы встречаем гибриды этих двух видов. Причём буквально бросается в глаза, что в каждом таком районе доминирует какой-то один из видов, а второй встречается крайне редко. Напрашивается предположение, что обезьяны редкого вида пытаются сперва найти себе пару среди особей собственного вида, и лишь когда это не удаётся, идут на контакт с представителем другого, доминирующего вида, благо они здесь в избытке. Но всё же это, так сказать, вынужденный шаг – за неимением лучшего варианта.

Учёные обнаружили даже несколько районов, в которых гибриды составляют уже большинство. Вполне возможно, что со временем – в ближайшие тысячи лет – здесь сформируется новый вид мартышек. Причём этот процесс никак не повлияет на два исходных вида обезьян: на большей части своей совместной территории обитания они по-прежнему продолжают сосуществовать мирно, но обособленно, не предпринимая попыток межвидового спаривания. И всё же само по себе наличие таких гибридов свидетельствует о несовершенстве современного определения вида. Причины этого, в общем-то, очевидны. Даже если не брать в расчёт первые попытки классификации организмов, которые восходят к античности и связаны с именами Аристотеля и Теофраста, не следует забывать, что основы систематики как науки заложили британец Джон Рей в 17-м веке и швед Карл Линней в 18-м и что эти основы в значительной мере сохранились до наших дней. Самые первые системы растений и животных были искусственными, то есть объединяли организмы в группы по сходным внешним признакам, не учитывая их родственные связи. Учение Дарвина придало развитию систематики эволюционное направление. Правда, в современной систематике существуют и другие направления – прежде всего, кладистическое и нумерическое. Но основным методом систематики остаётся сравнительно-морфологический. В то же время развитие, например, электронной микроскопии и изучение тонкого строения хромосом привело к появлению так называемой кариосистематики, а развитие биохимии – к появлению хемосистематики. В последние годы большое значение обрело изучение нуклеотидного состава ДНК и РНК, породившее так называемую геносистематику. Однако и здесь всё очень непросто, – говорит Колин Гроувз:

Если попытаться положить в основу систематики совокупность генетических различий между отдельными видами, то мы опять столкнёмся с очень сложной проблемой. Дело в том, что уже есть немало примеров, когда речь совершенно бесспорно идёт о разных видах, а генетические различия между ними поистине ничтожны. В качестве иллюстрации тут могут служить три вида рыб рода хромисов семейства цихлидов, обитающие в африканских озёрах Танганьика, Виктория и Малави. Эти виды возникли вследствие географической изоляции на протяжении последних ста лет. Конечно, есть ряд морфологических признаков – например, окраска чешуи или узор рисунка, – которые позволяют определить принадлежность особи к тому или иному виду. Однако обычный генетический анализ никаких различий выявить не может.

Складывается впечатление, что природа то и дело норовит посадить в лужу учёных, придумывающих всё новые и новые подходы к определению вида. Впрочем, один их этих подходов – так называемый филогенетический – до сих пор успешно справляется со своей задачей, а потому представляется наиболее перспективным. Он позволяет сочетать классическую морфологию с данными молекулярной биологии и физиологии и даже учитывать этологические, то есть поведенческие особенности организма, которые в ряде случаев гораздо лучше характеризуют видовые признаки, чем отдельные детали строения организма. Колин Гроувз поясняет:

Использовать в качестве критерия принадлежности к виду можно любой наследуемый признак. Тут главное – чтобы он действительно всегда, в ста процентах случаев, передавался по наследству. Это может быть и какой-то фрагмент ДНК со строго определённой последовательностью нуклеотидных оснований, и окраска шерсти, и форма черепа, и белок крови. Этот признак должен лишь присутствовать у каждой – без исключения – особи данного вида. Если это условие соблюдено, то годится любой наследуемый признак.

Теперь остаётся только ждать, пока либо сама жизнь, либо аргументы Гроувза, заставят весь научный мир дружно принять новый подход к определению вида. Однако рассчитывать на то, что это произойдёт уже сегодня или завтра, нет никаких оснований. Судя по всему, этот процесс займёт не один год.

А теперь – другая тема. Сегодняшнюю медицину невозможно себе представить без использования того или иного метода визуализации внутренних органов и тканей человека в целях диагностики. Классическая рентгенография постепенно уступает место компьютерной томографии. Но какую бы разновидность этой самой томографии мы ни взяли – рентгеновскую, магнитно-резонансную или позитронно-эмиссионную, – все они относятся к методам лучевой диагностики и связаны с радиоактивным облучением пациента, а это, естественно, здоровья ему не прибавляет. И вот теперь учёные из Израиля разработали новый щадящий метод визуализации лёгких. Доктор Йигаль Кушнир (Yigal Kushnir), педиатр с 30-летним стажем практической работы в детской клинике, говорит:

Что меня всегда шокировало, так это та лёгкость, с которой назначаются рентгеновские обследования. Случается, что детям, подверженным частым простудам и, как следствие, заболеваниям дыхательных путей, делают снимок грудной клетки 5 раз в году. Это же катастрофа! И тогда я подумал: за 2 столетия существования стетоскопа он практически не претерпел никаких изменений. Ну да, на смену жёсткой трубки пришёл гибкий шланг, и для усиления звука прибор оборудован мембраной, и называется он теперь фонендоскопом, но в принципе ничего кардинально нового в его конструкцию внесено не было. А ведь это очень странно, учитывая универсальность и важность такого инструмента. И я подумал: для совершенствования стетоскопа нужно использовать возможности современных цифровых компьютерных технологий.

С этой идеей Йигаль Кушнир отправился к Меиру Бутбулю (Meir Butbul), известному в стране математику. Задача состояла в разработке алгоритма, который позволил бы визуализировать возникающие в процессе дыхания и улавливаемые стетоскопом шорохи, преобразовать акустическую картину в зрительную. По словам Бутбуля, он подошёл к проблеме строго математически, и именно это обеспечило успех:

Колебания грудной клетки при дыхании могут быть представлены в виде системы дифференциальных уравнений. В принципе, математический аппарат для решения такого рода уравнений разработан давно и мне хорошо знаком, я лишь выбрал наиболее подходящие методы анализа и несколько модифицировал их в соответствии с данной задачей.

На это ушло три недели. А затем учёные приступили к первым экспериментам: используя разработанный математиком алгоритм, провели визуализацию полученных медиком акустических кривых. Сравнение с классическими снимками лёгких вызвало у исследователей не столько даже восторг, сколько изумление: такого эффекта они и сами не ожидали. Меир Бутбуль вспоминает:

Самым поразительным было то, что на экране монитора мы совершенно отчётливо увидели все пять долей лёгких – словно в университетском учебнике анатомии. И тогда мы поняли, что изобрели что-то действительно новое и ценное.

Это новое и ценное реализовалось в методе акустической диагностики респираторных заболеваний, получившем название «Vibration Response Imaging».

Вся процедура очень проста, –

объясняет Йигаль Кушнир. На спину пациента с обеих сторон накладывается что-то вроде сетки из проводов. Эта сетка крепится с помощью 21 вакуумной присоски. Присоски устанавливаются в строго определённых точках. В этом отношении процедура напоминает классическую электрокардиографию. Пациент свободно дышит на протяжении десяти секунд, врач нажимает кнопку записи, и на экране монитора появляется изображение лёгких… Всё!

На этом процедура завершена, –

произносит Кушнир. Та информация, получение которой прежде требовало применения сложных, дорогих, а главное – отнюдь не безвредных для пациента методов диагностики, сегодня оказывается доступна врачу практически мгновенно. Ключевой элемент разработанного Кушниром и Бутбулем прибора – высокочувствительные и точнейшим образом откалиброванные микрофоны, интегрированные в каждую из вакуумных присосок. Микрофоны регистрируют звуки, возникающие в процессе дыхания, и передают эти сигналы в компьютер, где специальная программа преобразует их в своего рода «акустическую карту лёгких». Принцип прост – чем громче звук, тем темнее картинка. В результате врач получает возможность увидеть на экране монитора изображение лёгких в режиме реального времени.

С момента первых экспериментов израильских учёных прошло 4 года. За это время специально для производства новых аппаратов была создана фирма «Deep Breeze». Здесь, на полпути между Тель-Авивом и Хайфой, работают сегодня 60 человек – физики и математики, информатики и программисты, инженеры и техники. И, конечно, медики. Йигаль Кушнир уже не первый год поддерживает тесные связи с коллегами-пульмонологами разных стран мира и, прежде всего, Германии, поскольку считает, что именно Германия является сегодня мировым лидером в области терапии заболеваний дыхательных путей. Поэтому нет ничего удивительного в том, что для проведения первых в Европе крупномасштабных клинических испытаний нового метода диагностики Кушнир выбрал именно Германию. Испытания начались на днях в двух специализированных клиниках в Фюрте и Гейдельберге. Говорить об результатах пока, естественно, рано, однако один из ведущих немецких хирургов-пульмонологов – профессор Генрих Беккер (Heinrich Becker) из клиники в Гейдельберге – не скрывает, что возлагает на этот метод большие надежды. По его словам, для предоперационного планирования хирургу чрезвычайно важно знать, на каком именно участке лёгких нарушено нормальное поступление вдыхаемого воздуха. Между тем, применяемые сегодня методы визуализации способны решить эту задачу лишь очень приблизительно. Поэтому гейдельбергский профессор предрекает разработке Кушнира и Бутбуля, позволяющей осуществлять такого рода локализацию с необходимой степенью точности, триумфальное шествие по всему миру. Тем более, что речь идёт о методе неинвазивном и не связанном с радиоактивном облучением пациента.

Но пока в Германии идут испытания метода в лёгочных клиниках, израильские специалисты активно трудятся над дальнейшим расширением сферы его применения. Разработчики технологии «Vibration Response Imaging» уверены, что она вполне пригодна и для кардиологических исследований, и даже для ранней диагностики рака молочной железы.