Наука, как известно, требует жертв. И как бы мы ни относились к экспериментам над живыми существами, многие современные фармакологические, биологические, химические и генетические исследования просто немыслимы без участия подопытных животных. И хотя кролики, белые мыши, морские свинки и прочие грызуны и по сей день считаются главными помощниками ученых, ими списки подопытных животных далеко не исчерпываются. К развитию науки приложили лапу, копыто, плавник или ложноножку немало других зверей.
Собаки
Собака, как известно, друг и надежный напарник человека. Неудивительно, что эти легко обучаемые, послушные и сообразительные звери часто становились подопытными.
Все знают об экспериментах, которые проводил в своей лаборатории лауреат Нобелевской премии физиолог Иван Павлов, изучая механизмы работы условного рефлекса. Собак помещали в пустой комнате, потом над дверью зажигалась лампочка и работники лаборатории приносили корм, а у животных вырабатывалась слюна и желудочный сок. Потом из повторенной множество раз схемы убрали одно из звеньев – корм после сигнала больше не приносили. Но слюна и желудочный сок у них все так же исправно вырабатывались. В этих экспериментах участвовали сотни животных. Имен им не давали, только номера, но тех животных, опыты над которыми были особенно удачными, академик Павлов называл Госпожа Собака или Гениальная Собака.
Советский врач и ученый Владимир Демихов и его подопытные псы внесли огромный вклад в трансплантологию – можно сказать, что только благодаря им эта отрасль медицины вообще существует. Еще в 1937 году, будучи студентом-третьекурсником, Демихов сконструировал первое в мире искусственное сердце. На достигнутом он не остановился и вживил аппарат собаке, которая прожила после этого два часа. Демихов же первым в мире провел пересадку печени, применил метод маммарно-коронарного шунтирования, пересадил комплекс «сердце – легкие» и описал свои достижения в монографии, которую сразу же перевели на английский, немецкий и испанский языки.
Самый смелый эксперимент ученый осуществил в 1954 году – он пересадил голову, плечи и передние лапы щенка на шею взрослой немецкой овчарки. Врач искусно соединил кровеносные сосуды животных и создал общий круг кровообращения, ведь у щенка не было ни сердца, ни легких, так что жил он только за счет дыхания и кровообращения взрослой собаки. На кинопленках до сих пор сохранились уникальные кадры в лаборатории – обе головы собаки одновременно лакают молоко из одной миски, а потом играют, и большая голова все время норовит цапнуть щенка за ухо
Конечно, подобные эксперименты кажутся жестокими, но только благодаря им стала возможна пересадка органов от человека к человеку. Например, знаменитый хирург Кристиан Бернард, первым в истории удачно пересадивший человеческое сердце, опирался именно на опыт Демихова.
Нельзя забывать и о собаках, которые доказали на собственном примере, что полет живого существа в космос возможен. Кроме того, именно с их помощью советские конструкторы оттестировали и наладили системы безопасности и жизнеобеспечения в полете.
Все помнят только два имени – Белка и Стрелка. А между тем четвероногих участников космической программы было больше сотни – Дезик, Цыган, Лиса, Мишка, Чижик, ЗИБ (или «Запасной исчезнувшего Бобика»), Смелый, Непутевый, Дамка, Рита, Линда, Малышка, Кнопка, Матильда, Козявка, Альбина, Джойна, Белка, Модница, Пальма, Пушок, Кусачка, Пестрая, Белянка, Жульба, Снежинка, Жемчужина, Малек, Лисичка, Чайка, Пчелка, Мушка, Чернушка, Звездочка, Ветерок, Уголек и многие другие.
Для тренировочных полетов собак отбирали по многим критериям. Например, предпочтение отдавалось дворнягам, как более смышленым и выносливым, самкам, потому что так было проще разработать систему туалета в скафандре, и тем, которые имели светлый окрас, чтобы они лучше смотрелись при теле- и фотосъемке.
На самом деле нельзя сказать, что какая-то из собак внесла больший вклад в развитие космической программы, чем прочие. Первыми в 1951 году на геофизической ракете в воздух на высоту 100 км поднялись Дезик и Цыган. А Лиса и Рыжик стали первыми живыми существами, которые покинули ракету в скафандрах на высоте больше 70 км. В настоящий космос – на высоту в 212 км – первыми в мае 1957 года поднялись Рыжая и Дамка. А первой собакой, достигшей околоземной орбиты, в ноябре 1957-го стала Лайка. Так что заслуга Белки и Стрелки состоит столько в том, что они не только побывали на орбите Земли, но и вернулись оттуда живыми.
Кошки
Свободолюбивые и своенравные кошки редко становились лабораторными животными – уж больно они неудобны в работе. Однако и им представилось несколько возможностей внести свой скромный вклад в науку. Благодаря им удалось лучше изучить загадочный механизм сна.
В 60-е годы прошлого века была проведена целая серия научных экспериментов над кошками. Зверькам в лаборатории блокировали те нейроны головного мозга, которые отвечали за парализацию мышц во время сна, чтобы пронаблюдать, что делает спящее животное, и сделать выводы о том, что же ему снится. Кошки во сне гуляли, умывались, выслеживали воображаемую дичь и атаковали ее, защищали свою территорию, убегали от невидимых врагов и лакали молоко из несуществующих мисок. Так ученые смогли не только узнать, что снится братьям нашим меньшим, но и лучше изучить нейрофизиологические механизмы быстрого и медленного сна.
Другой эксперимент над кошками был поставлен русским ученым Иваном Пигаревым, ведущим научным сотрудником Института проблем передачи информации РАН. Ученый предположил, что во время медленного сна мозг обрабатывает не информацию, а сигналы от внутренних органов. В частности, те зоны мозга, которые во время бодрствования отвечают за зрение, реагируют на импульсы, идущие от желудка и кишечника. Коллеги сочли его идею едва ли не еретической, но Пигарев, проведя серию экспериментов, доказал свою правоту. В качестве подопытных животных он выбрал кошек. «Они привыкли работать с людьми, они очень контактны и все понимают. Кошки вообще очень умные. Намного умнее обезьян», – объяснял он.
Зверьки оправдали доверие – первые же эксперименты с ними доказали правоту ученого: в период медленного сна нейроны зрительной коры головного мозга действительно реагируют не на зрительные стимулы, а на стимуляцию органов пищеварения. Теперь Пигареву и его коллегам предстоит выяснить, с какими внутренними органами связаны другие участки коры головного мозга, в чем им снова помогут кошки.
Обезьяны
Генетически человеку, как ни странно, ближе всего лабораторные белые мыши – их гены совпадают с нашими на 99%. Однако эволюционно нашими ближайшими родственниками остаются высшие приматы. Так что на них нередко испытывают вакцины от свойственных только человеку болезней вроде полиомиелита или гепатита. Макаки-резусы являются основными модельными животными для нейробиологических и неврологических экспериментов. Кстати именно благодаря им ученые в ходе одного из опытов случайно открыли фактор совместимости крови, названный в честь обезьянок резус-фактором. Кроме того, обезьяны идеально подходят для этологических, психологических и генетических экспериментов.
Первое исследование психики человекообразных обезьян осуществила Надежда Ладыгина-Котс – крупнейший специалист по зоопсихологии своего времени. В 1920 году она купила полуторагодовалого шимпанзе по кличке Иони. Поначалу никаких опытов не планировалось – обезьянка 4 года жила в квартире на правах домашнего питомца и едва ли не любимого сына. Однако когда в 1925 году у Надежды родился ребенок, мальчик по имени Рудольф, Ладыгина-Котс решила провести своеобразное исследование. Несколько лет она наблюдала за развитием собственного сына, постоянно сравнивая его поведение с повадками Иони. Ладыгина-Котс тщательно заносила все свои наблюдения в журналы: «По функциям своих органов чувств, тонкости и остроте их развития дитя шимпанзе превосходит зрелого человека, находящегося в полном расцвете своих жизненных сил… По своим творческим, конструктивным играм шимпанзе уже отстает от сверстника-человека и может быть сравнен с дитятей от 1 до 1½ лет… По способу общения языком жестов и телодвижений дитя шимпанзе сопоставимо с ребенком от 9 месяцев до 1½ лет…» На основе собранных данных она написала книгу «Дитя шимпанзе и дитя человека», ставшую первым в мире сравнительным описанием психики обезьяны и человека.
Кроме того, высшие приматы стали участниками космической программы США, хоть и показали себя менее пригодными для таких опытов, чем собаки, – вели себя более непредсказуемо и хуже поддавались дрессировке. Многим перед стартом приходилось делать общий наркоз, что существенно искажало результаты исследований. И все же приматы внесли свой склад в науку о космосе и помогли ученым разобраться с тем, как поведет себя живой организм в условиях невесомости и комических перегрузок.
Первой «космической» обезьяной Земли 1 июня 1948 года стала макака-резус по имени Альберт I. Следом за ней в полет отправились еще несколько обезьян с такими же именами и другими порядковыми номерами. Судьба их была незавидна. Первым приматом, пережившим космический полет, был Йорик, который отправился в космос 20 сентября 1951 года и сумел вернуться оттуда.
Но настоящим героем американской космической программы можно назвать шимпанзе Хэма, который полетел в космос 31 января 1961 года. Его полет сопровождал неудача за неудачей. Крошку Хэма долгое время дрессировали нажимать на кнопки, реагируя на световые сигналы, а если шимпанзе не делал этого в течение 5 минут или ошибался, его били током по задним лапкам. То же самое должно было происходить с ним и в полете, но с первых же минут все пошло не так. Дисциплинированный Хэм исправно и вовремя нажимал на все необходимые кнопки, но его все равно било током – это было связано со сбоем одной из систем корабля. Несчастная обезьянка провела в неисправном корабле несколько ужасных часов, но на этом ее злоключения не закончились. Уже при возвращении на Землю из-за сбоя установки угла вхождения в плотные слои атмосферы с капсулы «Меркурий», в которой находился Хэм, сорвало теплозащитный экран. Температура воздуха вокруг капсулы достигала 6 тыс. градусов, а температура внутри крохотной кабинки была около 47оС, но это Хэм пережил. Впрочем, это была не последняя его неудача. Из-за неверного угла вхождения в атмосферу капсула приводнилась в 130 милях от расчетного места. А при ударе о воду ее обшивка повредилась и внутрь начала прибывать вода. Чудом выживший Хэм чуть не захлебнулся, но, к счастью, полуживого астронавта вовремя обнаружили и спасли.
После легендарного вояжа Хэм прожил еще 17 счастливых и спокойных лет в Национальном зоопарке Вашингтона. А его неудачный полет позволил отладить системы вхождения спасательных капсул в атмосферу Земли.
Лягушки
«Я лягушку распластаю да посмотрю, что у нее там внутри делается; а так как мы с тобой те же лягушки, только что на ногах ходим, я и буду знать, что и у нас внутри делается…» – эти слова нигилиста Базарова из «Отцов и детей» были, в общем, недалеки от истины. Действительно, многие ученые выбрали в качестве подопытных животных для своих экспериментов именно лягушек. И знаменитый физиолог Иван Сеченов не был исключением, не зря ведь считается, что он стал одним из прототипов Базарова.
В 1862 году Сеченов провел ряд физиологических опытов. Для этого он взял несколько десятков лягушек, выловленных из ближайшего пруда. К какому именно виду они принадлежали, доподлинно неизвестно, однако сам ученый назвал их «Белая дама» – не из каких-то романтических побуждений, а лишь потому, что по случайному совпадению в день ключевого эксперимента слушал оперу Буальдье «Белая дама».
Итак, несчастных лягушек экспериментатор подвешивал за челюсти на специальном штативе, аккуратно вскрывал им черепа, а затем опускал их задние лапки в сосуд с серной кислотой. И замерял с секундомером время реакции, за которое лягушка успевала отдернуть лапку. В ходе эксперимента выяснилось, что если на зрительные бугорки мозга лягушки положить крупинку соли, то скорость рефлекторной реакции снижается. Так Сеченов пришел к выводу, что работа центральной нервной системы состоит из двух процессов – возбуждения и торможения. А открытый в ходе эксперимента эффект центрального торможения в нервной системе вошел в историю как «сеченовское торможение».
100 лет спустя земноводные внесли очередной вклад в науку. Но если в первый раз для эксперимента взяли простых прудовых лягушек, то кандидатов для опытов Джона Гёрдона в 1962 году отбирали более тщательно. В итоге ученый остановился на лягушках вида Xenopus, или южноафриканская когтистая. Они отличаются от прочих скоростью полового созревания и способностью откладывать икру в любое время года.
В ходе эксперимента Гёрдон сумел заменить ядро яйцеклетки лягушки на ядро из клетки ее кишечника. И все равно у этой лягушки родились полноценные здоровые головастики. Это был один из первых успешных экспериментов по клонированию – впервые ученому удалось из обычной, а не половой клетки воссоздать полноценное живое существо.
Но куда важнее оказалось то, что Гёрдон сумел перепрограммировать взрослую, получившую специализацию клетку. Ведь долгое время считалось, что если стволовые клетки стали половыми, мышечными, кровяными или, к примеру, кожными, то вернуть их в первозданное состояние никак нельзя. А Гёрдон и его лягушки доказали обратное. На это в 2006 году обратил свое внимание японский ученый Синъя Яманака и доказал, что, активировав всего 4 гена у клеток соединительной ткани, их можно превратить обратно в стволовые клетки, а уже из них сформировать любые другие. За это невероятное открытие и Яманака, и Гёрдон получили в 2012 году Нобелевскую премию.
Рогатый скот
В середине 60-х годов прошлого века был поставлен необычный эксперимент на непривычном подопытном звере. На одной из ферм в испанской провинции Кордова проходила традиционная коррида. На арене выступал огромный бык по кличке Лусеро. Поначалу все было ожидаемо – бык яростно нападал на матадора, тот размахивал мулетой и ловко уворачивался от острых рогов. И вдруг на поле вышел человек в белом халате, и, когда бык бросился на него, нажал на кнопку небольшого пульта. И в тот же миг 250-килограмовый бык начал вести себя более чем странно – затряс головой, испуганно отскочил в сторону и в ужасе начал жаться к ограде арены. Публика была поражена, а человек в белом халате – доктор Хосе Дельгадо – объяснил, что все присутствующие стали свидетелями первого эксперимента по контролю работы мозга при помощи электрических импульсов. Оказалось, что незадолго до начала корриды он вживил в голову быку чип, который он назвал стимосивер (от английского stimulation receiver – «приемник стимулирующих сигналов»). Этот небольшой чип воздействовал на мозг Лусеро, стимулируя определенные зоны и тем самым подавляя агрессию зверя.
Удивительный опыт вскоре стал известен в научной среде, и доктор Дельгадо переехал из Испании в США, где вскоре стал видным специалистом в области нейрофизиологии. Воздействуя электрическими импульсами на определенные участки мозга, он планировал научиться лечить эпилепсию, слепоту, болезнь Паркинсона, паралич и многие другие заболевания.
Кроме того, всю жизнь Хосе Дельгадо не покидало желание «улучшить» человечество при помощи своего электронного устройства, впервые опробованного на Лусеро. «Он говорил, что нейротехнология стоит на пороге «покорения разума» и создания «идеального человека, менее жестокого и более счастливого», – писал о докторе Дельгадо журналист научного журнала Джон Хорган.
И конечно, говоря о животных, которые внесли свой вклад в науку, нельзя не вспомнить еще об одном знаменитом копытном – овечке Долли. Ее клонировали двое шотландских биологов – Ян Вилмут и Кейт Кэмпбелл, став первыми, кому удалось воссоздать млекопитающее из взрослой неполовой клетки. Они неоднократно пробовали взять ядро клетки молочной железы у взрослой овцы, поместить его в созревшую яйцеклетку другой овцы и подсадить эту конструкцию третьей овце, которой предстояло стать суррогатной матерью будущего клона. До появления на свет Долли ученые сделали 266 неудачных попыток, и вот, наконец, им все удалось – 5 июля 1996 года на свет появился первый клон. Поначалу он имел лишь кодовый номер – 6LL3, но потом было решено дать овце полноценное имя. Долли стала знаменитой на весь мир, а ее чучело сегодня выставлено в Королевском музее Шотландии.
Черви и одноклеточные
Многие простейшие и некоторые виды беспозвоночных также участвуют в научных экспериментах в качестве подопытных. Однако их вклад в науку чаще всего остается скрытым от глаз, ведь их почти никогда не учитывают в статистических отчетах об опытах над животными. И это при том, что многие масштабные исследования начинаются именно с опытов на червях. Благодаря их незримому вкладу в биологию развития, генетику и эволюцию, ученые смогли сделать не один шаг вперед. Например, вирус φX174 стал в 1977 году первым живым организмом, чья ДНК была полностью расшифрована. Это заслуга английского химика и дважды лауреата Нобелевской премии Фредерика Сэнгера.
Круглые черви – нематоды – повсеместно используются в исследованиях эволюции видов и экспериментах, связанных с размножением. Это обусловлено их малой продолжительностью жизни и высокой скоростью произведения потомства. Так что ученые могут с легкостью наблюдать за несколькими сменяющими друг друга поколениями этих животных. Кроме того, черви едва ли не лучше всех на планете подвергаются инбридингу, то есть скрещиванию различных видов внутри одного класса. Благодаря этому исследователи получают возможность отслеживать и изучать самые разные мутации и генетические изменения.
Рыбки
Даже маленькие данио-рерио, которых можно увидеть почти в каждом домашнем аквариуме, внесли свой вклад в науку. Ведь это одна из немногих рыб, которая побывала в космосе.
Кроме того, их нередко используют, чтоб изучить внутриутробное развитие и функции генов позвоночных. Данио-рерио очень быстро размножаются и растут – их эмбрион развивается от яйца до личинки всего за три дня, а поскольку происходит это в полупрозрачной икринке, а не в организме матери, за процессом очень удобно наблюдать.
А в 2013 году испанские ученые внедрили в генотип рыбки специальный ген, который взяли у мышей. Через несколько поколений у модифицированных данио-рерио появились парные конечности, подходящие для перемещения по суше. Так ученые получили для дальнейшего изучения своеобразный прототип древних кистеперых рыб.
Конечно, данио-рерио – не единственная рыба, участвующая в научных опытах. Рыб вообще довольно широко используют в токсикологических исследованиях. Для этого ученые нередко ставят опыты над радужными форелями и другими лососевыми, а также сомами, окунями и карасями.
…и даже медведи
Как ни иронично, но во времена холодной войны американские военные испытывали новое оборудование, используя медведей.
В 1961 году американские конструкторы, построившие прототип новейшего сверхзвукового бомбардировщика В-58 Hustler, столкнулись с очень серьезной проблемой. Бесхвостый самолет с треугольными крыльями легко развивал огромную скорость, мог летать на дальние расстояния и даже нести на себе ядерное вооружение, но безопасность пилота в аварийной ситуации не гарантировал. В 50-е годы, безусловно, уже были разработаны качественные катапультируемые кресла, которые, правда, не обеспечивали стопроцентной выживаемости даже пилотов обычных самолетов. А покидать в таком кресле сверхзвуковой летательный аппарат было чистой воды самоубийством.
Тогда компания Stanley Aviation предложила инновационную технологию – полностью закрытую капсулу вместо привычного кресла с парашютом. Во время полета она должна была оставаться раскрытой, чтобы не мешать пилоту. А в случае аварии он мог активировать капсулу. Вмиг специальные ремни притягивали плечи пилота к спинке кресла, подтягивали его колени к груди, укладывая того в позу эмбриона, а лепестки капсулы опускались, образуя вокруг него герметичный кокон. Даже в таком положении человек все еще мог видеть через специальное прозрачное окно приборную доску и управлять самолетом. А если ситуация становилась критичной и требовала немедленно покинуть борт, пилот должен был просто потянуть за специальные ручки. В случае же, если необходимость в катапультировании пропадала, из капсулы можно было выбраться самостоятельно прямо в салоне.
Многообещающую идею надо было испытать. Но командование ВВС не хотело рисковать людьми – и конструкторы решили использовать черных медведей, ведь их анатомическое строение и вес были близки к человеческим.
Первым животным, выполнившим катапультирование из самолета, летящего со сверхзвуковой скоростью, стала медведица Йоги. Она покинула борт на высоте 10 км при скорости 1400 км/ч и благополучно приземлилась. Следующим испытателем стал медведь Большой Джон – его катапультировали на высоте 15 км при скорости 1600 км/ч. Спасательная капсула и в этот раз сработала на отлично. Испытания продолжались несколько месяцев, и в итоге новейшую систему катапультирования установили на все самолеты В-58 Hustler и многие последующие модели.
Так рискнувшие собой мишки спасли не одну человеческую жизнь.
