Рабочий скот науки: как лабораторные животные спасают жизни людей

Существование животных, предназначенных исключительно для научных и медицинских опытов, представляется многим из нас естественным и само собой разумеющимся. Между тем необходимость в специально выведенных для этой цели лабораторных животных возникла сравнительно недавно.

Сразу оговоримся: опыты на животных известны с античных времен. Именно они позволили знаменитому древнегреческому философу и теоретику медицины Алкмеону Кротонскому связать психику с головным мозгом и нервной системой в целом, а также заложить основы эмбриологии.

Великий Аристотель анатомировал морских ежей и изучал развитие зародыша в курином яйце. Знаменитый римский врач Гален препарировал собак, чтобы иметь представление о внутреннем строении человеческого тела. Не приходится сомневаться, что подобные опыты проводились в примитивных обществах и до возникновения древних цивилизаций. Живший в XVII веке доминиканский монах Ажилду да Эспиноса описал изготовление ядовитого зелья в африканской деревне на территории современного Конго: желая убедить европейского гостя в действенности яда, участники церемонии напоили им собаку, тут же скончавшуюся.

Долгое время для подобных целей ученым и медикам хватало тех животных — домашних и диких, — что были под рукой. Еще в XVIII веке, когда Луиджи Гальвани исследовал роль электричества в живых организмах, а Ладзаро Спалланцани изучал регенерацию частей тела у тритонов и улиток и ориентацию летучих мышей в темноте, материал для этих и других исследований черпался по мере надобности из природы.

Даже бурное развитие судебной токсикологии в первой половине XIX века поначалу ничего не изменило: смертоносное действие ядов проверялось опять-таки на бездомных собаках или обычных лягушках. Однако физиология и медицина стремительно развивались, животных для опытов требовалось все больше, городские улицы и пригородные болота уже не справлялись с растущим спросом.

К середине века царицей экспериментальной медицины стала микробиология. Для определения возбудителя очередной болезни и создания вакцины против нее ученому требовалось множество животных. При этом их приходилось долго выдерживать в карантине, чтобы исследователь мог быть уверен, что они не принесли изучаемую болезнь (или, напротив, невосприимчивость к ней) с собой. А для этого нужны были животные, родившиеся и выросшие в стерильных условиях лаборатории.

Избранники

Самым, пожалуй, популярным объектом в экспериментальной физиологии того времени были обычные лягушки — травяные и прудовые (вспомним хотя бы пристрастия тургеневского Базарова). Их ценили за поразительную живучесть и неприхотливость: лягушек можно держать в тесных ящиках, ничем не кормя неделями и даже месяцами (заботясь лишь, чтобы кожа амфибий не пересыхала), и им это никак не вредит. Казалось бы, лягушке на роду написано стать одним из главных лабораторных животных.

Но для того чтобы создать в лаборатории культуру (устойчиво воспроизводящуюся популяцию) лягушек, нам понадобятся довольно сложно устроенные террариумы с высокой влажностью воздуха, оборудованные обогревателями, укрытиями, обязательными водоемами и тренажерами. Кормить пленниц придется только живым кормом — они не видят неподвижные объекты.

Еще сложнее добиться размножения лягушек: в природе они мечут икру только раз в году, причем этот процесс запускается сложным сочетанием температуры окружающей среды, длины светового дня и физиологических циклов самой лягушки. Икра и появляющиеся из нее личинки-головастики развиваются в воде и довольно чувствительны к содержанию кислорода и температурному режиму. А покинув воду, головастик превращается в крохотного лягушонка весом всего в доли грамма. Для использования в экспериментах это существо нужно растить по крайней мере еще года два.

Понятно, что для массового разведения такие животные не годятся, и их проще по-прежнему ловить в природе и сохранять живыми в холодных садках. Так и делается до сих пор. И хотя у исследователей-физиологов лягушки уже не так популярны, как полтора столетия назад, они по-прежнему остаются самым распространенным объектом студенческих практикумов.

Итак, какими же качествами должны обладать кандидаты в лабораторные животные? Им предстоит жить на очень ограниченной площади. Они должны терпимо относиться к собственным сородичам, размножаться в любые сезоны, не нуждаться в каких-то особых условиях содержания. Ценятся высокая плодовитость и быстрое созревание, а вот крупные размеры животного снижают его шансы попасть в число лабораторных.

Немаловажное достоинство — дешевизна в содержании: научным учреждениям денег всегда не хватает, а животных нужно много. Уход за ними должен быть несложным, а сами они должны быть безопасны для работающих с ними людей. Наконец, жизнь в клетках и ящиках должна быть для них не просто терпимой, но вполне комфортной: если подопытные животные проводят свой век в состоянии хронического стресса, то полученным на них экспериментальным данным часто оказывается грош цена.

Удовлетворить всем этим требованиям не смог даже верный спутник человека — собака: она слишком велика, слишком медленно взрослеет, слишком дорого обходится. Зато, как только разведение подопытных животных в лабораториях стало массовым, на первые роли выдвинулись различные грызуны: мыши, крысы, хомячки.

Все они прекрасно живут в небольших, замкнутых, лишенных солнечного света пространствах в компании множества сородичей, питаются недорогими сухими кормами, обходятся минимумом воды. Когда-то именно эти особенности биологии позволили им освоить человеческие жилища и хозяйственные постройки. Кроме того, грызуны плодовиты и быстро взрослеют: через 5–7 недель после рождения домовая мышь уже может забеременеть, а еще через 20 дней на свет рождаются 5–7 зверьков следующего поколения.

Это может происходить 7–10 раз в год, а в лабораторных условиях — и до 14. Немногим уступают мышам и другие фавориты вивариев, например лабораторные разновидности серой крысы. Белые мыши и крысы (для лабораторного разведения чаще всего использовались именно альбиносные формы — отчасти из-за их меньшей пугливости и агрессивности, отчасти, чтобы сразу увидеть проникших в клетку посторонних животных, если такое случится), а также кролики, морские свинки и позднее хомячки стали классическим объектом для исследований по токсикологии, микробиологии, фармакологии и многим другим дисциплинам.

В начале XX столетия новая биологическая наука генетика предъявила дополнительные требования к лабораторным животным: для генетических экспериментов нужны были животные, у которых каждый из исследуемых генов представлен только одной версией (аллелем).

Дипломник Гарвардского университета Кларенс Кук Литл, темой исследований которого было наследование окраски у мышей, попытался упорядочить свой «экспериментальный материал». Заметив среди содержавшихся в лаборатории мышей зверьков с необычной светло-коричневой окраской, он начал целенаправленно отбирать их, скрещивая между собой братьев и сестер. Оказалось, что при таком разведении уже через пару десятков поколений животные достигают полного генетического единообразия, которое в естественных условиях наблюдается только у однояйцевых близнецов. Так в 1909 году появилась первая чистая линия лабораторных животных. А спустя 20 лет Литл, для которого разведение линейных животных стало делом жизни, основал в штате Мэн «мышиную фабрику» — знаменитую Джексоновскую лабораторию, ежегодно поставляющую ныне в исследовательские центры мира около 2,5 миллиона линейных мышей.

За 100 лет, прошедших с первой работы Литла, в разных лабораториях выведено множество чистых линий животных, отличающихся удивительными наследственными признаками: от «сиамской» окраски до полного бесстрашия, от долгожительства до гарантированного развития эпилептического припадка при звуке звонка. Чистые линии оказались нужны не только генетикам, но и иммунологам: внутри каждой из них можно проводить пересадки органов и тканей, не опасаясь отторжения.

Как раз тогда, когда Кларенс Литл занимался своей дипломной работой, другой американский биолог, профессор экспериментальной зоологии Томас Хант Морган, вознамерился проверить на животных только что переоткрытые законы Менделя.

Объектом исследования должны были стать кролики, но попечители Колумбийского университета, где работал Морган, сильно урезали представленную им смету. Моргану пришлось заменить кроликов совсем уж ничего не стоившими плодовыми мушками дрозофилами. Эти насекомые не только позволили ему и его ученикам сделать множество важнейших открытий, но и с легкой руки школы Моргана стали стандартным объектом генетических исследований — благо мушиный «виварий» не требует даже отдельного помещения. И хотя со временем у дрозофилы появились конкуренты, маленькая коричневая мушка и по сей день остается одним из самых популярных лабораторных животных.

Всякой твари по паре

По оценкам специалистов, сегодня в мире насчитывается от 50 до 100 миллионов одних только лабораторных млекопитающих (из них примерно половину составляют мыши). Сколько всего подопытных существ обитает в лабораториях, не скажет никто: ведь в эту категорию входят не только представители разных классов позвоночных, но и насекомые, и моллюски, и черви, и даже инфузории.

Никто не берется сказать, сколько видов животных разводят сегодня для нужд науки, хотя ученые отнюдь не стремятся к разнообразию объектов исследования. Скорее наоборот, при прочих равных исследователь наверняка выберет для опытов то животное, с которым уже работали многие его предшественники.

Во-первых, массовые животные всегда более доступны, их нетрудно приобрести. Во-вторых, о них уже многое известно: от особенностей содержания до карт расположения известных генов в хромосомах, а в последние десятилетия — и полной последовательности генома (геномы мыши и дрозофилы были «прочитаны» одними из первых). А самое главное — результаты, полученные на стандартных объектах, легче сопоставлять с данными других исследований.

Существует даже что-то вроде моды на тех или иных лабораторных животных. Так, например, в XIX — первой половине XX века морские свинки были настолько популярны в лабораториях всего мира, что само название этого грызуна приобрело переносное значение «подопытное животное». В последние полвека популярность морских свинок у исследователей заметно снизилась, а выражение осталось.

И тем не менее «элитарный клуб» лабораторных животных понемногу расширяется. Сегодня в лабораториях и вивариях выращивают самых разных животных — в соответствии с разнообразием исследовательских задач.

Мы уже говорили, что подопытных лягушек легче наловить в природе, чем вырастить в виварии. Но таким образом проблема подопытных животных решается лишь для физиологов, которым нужны только взрослые особи. А как быть эмбриологу, желающему проследить развитие организма на всех стадиях? Крупные, прозрачные, покрытые лишь тонкой оболочкой лягушачьи икринки настолько удобны для разного рода экспериментальных вмешательств, что лягушки все-таки стали массовым лабораторным животным. Правда, эта роль выпала не нашей квакушке, а африканской шпорцевой лягушке (Xenopus laevis), проводящей всю жизнь в воде и потому более удобной в содержании.

Почти столь же популярны в лабораториях эмбриологов аксолотли — огромные «головастики» тигровой амбистомы, земноводного, живущего на территории от Мексики до Канады. Они знамениты тем, что могут всю свою жизнь оставаться личинками и даже размножаться в этом состоянии, но при определенных изменениях внешних условий превращаются во взрослых саламандр. Понятно, что для этого в их организме должен существовать некий переключатель, выбирающий один из двух альтернативных жизненных сценариев. Это делает аксолотля идеальной моделью для изучения работы подобных регулирующих механизмов.

Аксолотли и тритоны в большой чести еще и у тех ученых, которые исследуют механизмы регенерации. Из всех животных с высокой способностью к восстановлению разрушенных частей организма амфибии — самая близкая наша родня.

Можно надеяться, что, изучив в должной мере механизм регенерации у них, мы вернем и себе потерянную в ходе эволюции способность отращивать отсеченные конечности. Во всяком случае, в 2006 году американские и испанские биологи, используя результаты, полученные на аксолотлях, шпорцевых лягушках и рыбках данио, добились регенерации удаленного зачатка крыла у куриных эмбрионов.

Во многих лабораториях мира, изучающих нервные клетки (нейроны) и их взаимодействие, можно увидеть террариумы с виноградными улитками. Нервная система этого крупного сухопутного моллюска состоит из относительно небольшого (60 000–80 000) числа довольно крупных нейронов. При этом улитки обладают довольно сложным поведением, включая способность к обучению. Это дает исследователям возможность проследить изменения, происходящие в конкретных индивидуальных клетках при выработке нового навыка.

Впрочем, число нейронов у виноградной улитки все-таки астрономически велико по сравнению с нематодой Caenorhabditis elegans — маленьким (длиной около одного миллиметра) прозрачным червем. Его нервная система состоит ровно из 302 клеток. Но своей популярностью в качестве объекта исследований это животное обязано не столько нейробиологам (хотя и им оно послужило немало), сколько специалистам по биологии развития и старения.

Прозрачное тело нематоды позволяет наблюдать деление, миграцию и созревание каждой входящей в его состав клетки в режиме реального времени — тем более, что вся жизнь червя, от первого деления оплодотворенной яйцеклетки до смерти от старости, занимает около трех суток. Неудивительно, что если всего 50 лет назад название Caenorhabditis elegans было известно лишь специалистам по круглым червям, то сегодня это одно из самых изученных животных планеты. Популяции нематоды поддерживаются во многих лабораториях мира и уже неоднократно побывали в космосе.

Пределы возможного

Насекомых, моллюсков, червей и так далее разводят только для фундаментальных исследований. Больше же всего лабораторных животных требуется для прикладных медицинских работ: на них тестируют косметику, пищевые добавки, материалы, контактирующие с продуктами или человеческим телом, яды и потенциально токсичные вещества. И, конечно же, лекарства, точнее, соединения, которые могут ими стать. (К 2023 году многие производители косметики и не только отказались от испытаний своей продукции на животных. — Прим. Vokrugsveta.ru)

Эти эксперименты проводятся почти исключительно на млекопитающих: физиология используемых в них животных должна быть как можно ближе к человеческой. Но и «классового родства» порой оказывается недостаточно. К примеру, мыши и крысы оказались непригодны для исследования цинги: их организм, в отличие от человеческого, преспокойно обходится без внешних источников витамина С, самостоятельно синтезируя его. К счастью для ученых, способность к такому синтезу отсутствует у морских свинок — иначе цингу пришлось бы изучать на обезьянах.

Самое традиционное применение лабораторных животных — изучение инфекционных болезней человека. Однако и в этой области никогда нельзя сказать заранее: окажется ли данный вид животных восприимчив к данному возбудителю, а если да, то насколько клиническая картина болезни будет походить на человеческую?

Один из основателей микробиологии, Роберт Кох, долгое время не мог доказать, что выделенный им вибрион и есть возбудитель холеры: все его попытки заразить этим микробом животных ни к чему не приводили. С тех пор прошло полтора века, но лабораторных животных, пригодных для заражения холерой, нет и по сей день. Мыши и крысы оказались невосприимчивыми к сифилису; ценой специальных ухищрений этой болезнью удавалось заразить морских свинок и кроликов, но у них она протекала совсем не так, как у людей. А изучать проказу медикам пришлось на совсем уж экзотических существах — броненосцах: из немногих животных, способных заражаться этой болезнью, они оказались наиболее удобными.

Целый ряд вирусных болезней человека (полиомиелит, корь и т. д.) пришлось исследовать на дорогих и капризных в содержании обезьянах: в тканях других животных вирусы не размножались. А лабораторной модели СПИДа нет вовсе: его возбудитель, ВИЧ, обнаруживает очень близкое родство с некоторыми вирусами обезьян, но последние не вызывают у своих хозяев никакого иммунодефицита. Правда, когда речь идет о вирусных болезнях, подопытных животных отчасти могут заменить культуры человеческих клеток соответствующего типа. Но лишь отчасти: взаимодействие вируса и клетки в целостном организме обычно сильно отличается от результатов их встречи «один на один».

Пытаясь заразить подопытных животных той или иной человеческой инфекцией, ученые, по крайней мере, точно знают, с чем имеют дело. А как быть с неинфекционными болезнями? Даже если у подопытного животного наблюдаются характерные симптомы того или иного человеческого недуга, это еще не означает, что их причины и механизмы одни и те же. До сих пор широко распространено мнение, что атеросклероз у человека вызывается избытком холестерина в пище, хотя ученым уже некоторое время известно, что это не так.

Таков результат неверного выбора объекта: опыты, послужившие основанием для этой (так называемой инфильтративной) теории, проводились на кроликах, которым принудительно скармливали животные жиры. Кролики — вегетарианцы, их обычная пища не содержит холестерина вовсе, и у них просто нет биохимических механизмов для утилизации этого вещества в кровяном русле. В результате избыток невыводимого соединения оседал на стенках сосудов. Для человека же естественно получать холестерин с пищей (20–35% необходимого количества), и причины образования у него бляшек совсем другие.

Такие ошибки стимулировали развитие особого типа исследований — разработок экспериментальных моделей человеческих болезней (специальных линий животных, страдающих определенным недугом). Сегодня такие модели созданы для множества заболеваний — от хореи Хантингтона до гипертонии и от цирроза печени до болезни Альцгеймера. Существуют модели таких, казалось бы, сугубо человеческих недугов, как депрессия и даже шизофрения. Но создание каждой такой модели — отдельная сложная задача, причем наиболее трудная ее часть — не добиться нужного набора симптомов, а доказать единство механизма их развития у модели и больного человека.

Тем не менее именно исследования на животных лежат в основе всех без исключения успехов практической медицины последних полутора столетий. Современные методы (в частности, манипуляции с генетическими текстами) обещают не менее поразительные достижения в ближайшем будущем. Если, конечно, эти работы не падут жертвой растущей активности противников вивисекции, существенно осложнивших в последние годы работу экспериментаторов. Под их давлением в ряде стран приняты строгие этические нормы исследований (на практике выливающиеся в оформление вороха дополнительных бумаг), а некоторые университеты исключают из своей учебной программы практические занятия по физиологии животных, заменяя их манипуляциями с макетами и компьютерными имитациями.

Не будем спорить, может ли студент такого вуза стать настоящим врачом или ученым. Подумаем лучше вот о чем: каждая победа защитников лабораторных животных означает неминуемый смертный приговор для их подзащитных. Разводимые на протяжении множества поколений специально для нужд исследований, эти существа не могут жить нигде, кроме лабораторий и вивариев.

_{Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 4, апрель 2010, частично обновлен в мае 2023}