15.02.2011 | Наука

Рабочий скот науки

Каждая победа защитников лабораторных животных означает смертный приговор для их подзащитных

«Подопытный кролик», «собака Павлова», «морская свинка»... Смысл этих выражений понятен даже людям, далеким от экспериментальных наук. Существование животных, предназначенных исключительно для научных и медицинских опытов, представляется нам естественным и само собой разумеющимся. Между тем еще сравнительно недавно человечество спокойно обходилось без лабораторных животных.

Оговоримся сразу:

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 и до становления 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.

Однако долгое время для подобных целей ученыым и медикам хватало тех животных – домашних и диких, – что были под рукой. Еще в XVIII веке, когда Луиджи Гальвани открывал роль электричества в живых организмах, а Лаззаро 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

уже к середине века непременным атрибутом исследовательских учреждений становятся виварии – помещения для содержания подопытных животных.

Физиология и медицина стремительно развивались, животных для опытов требовалось все больше, городские улицы и пригородные болота уже не справлялись с растущим спросом. Но еще важнее было изменение характера самих исследований. Царицей экспериментальной медицины во второй половине века стала микробиология. Для определения возбудителя очередной болезни и создания вакцины против нее ученому требовалось множество животных. При этом наблюдать их нужно было в течение многих дней, будучи к тому же уверенным, что оно не принесло изучаемую болезнь (или, напротив, невосприимчивость к ней) с собой. А для этого нужны были животные, родившиеся и выросшие в лаборатории.

Избранники

Довольно быстро выяснилось, что на эту роль годится далеко не всякое животное. Взять хотя бы самых обычных лягушек – травяных и прудовых. Казалось бы, лягушке на роду написано стать одним из главных лабораторных животных – как раз во времена массового распространения вивариев она была, пожалуй, самым популярным объектом в экспериментальной физиологии (вспомним хотя бы тургеневского Базарова!). К тому же лягушки поразительно неприхотливы: их можно подолгу держать в тесных ящиках, ничем не кормя неделями и даже месяцами (правда, заботясь о том, чтобы кожа амфибий не пересыхала) – и им это никак не повредит.

Однако то, что лягушки могут подолгу переносить такие условия, не означает, что они способны в них жить.

Если мы хотим создать в лаборатории постоянный источник лягушек, нам понадобятся довольно сложно устроенные террариумы – с высокой влажностью воздуха, обогревателем, укрытиями, обязательным водоемом и т. д. 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 закончив водный этап развития, головастик превращается в крохотного лягушонка весом всего около одной седьмой грамма. Чтобы это существо стало пригодным для экспериментов, его нужно растить по крайней мере еще года два. Понятно, что для массового разведения животные с такими требованиями к условиям содержания не годятся – их проще по-прежнему ловить в природе и сохранять живыми в холодных садках. Так и делается до сих пор: хотя у исседователей-физиологов лягушки уже не так популярны, как полтора столетия назад, они по-прежнему остаются излюбленным объектом студенческих практикумов.

Итак, какими же качествами должны обладать кандидаты в лабораторные животные? Им предстоит жить на очень ограниченной площади: виварий – не зоопарк. 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 и т. д. 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 рождается 6 – 12 зверьков следующего поколения. Это может происходить 7 – 10 раз в год, а в лабораторных условиях – и до 14. Немногим уступают мыши и другие фавориты вивариев – лабораторные формы серой крысы. Белые мыши и крысы (для лабораторного разведения чаще всего использовались именно альбиносные формы – отчасти из-за их меньшей пугливости и агрессивности, отчасти для того, чтобы сразу видеть 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

С приходом ХХ века на арене появилась новая биологическая наука – генетика, предъявившая дополнительные требования к лабраторным 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 главным делом жизни, основал в штате Мэн «мышиную фабрику» – знаменитую Джексоновскую лабораторию, ежегодно поставляющую ныне в исследовательские центры разных стран мира около 2,5 млн линейных мышей. За сто лет, прошедших с первой работы Литла, в разных лабораториях мира выведено множество чистых линий разных животных, отличающихся самыми 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 только что переоткрытые законы Менделя на животных. 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 мухами-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 соперники, маленькая коричневая мушка и по сей день остается одним из самых популярных лабораторных животных в мире.

Всякой твари по паре

По оценкам специалистов сегодня в мире насчитывается 50 – 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, подсчитать поголовье которых нет никакой возможности. Никто не берется сказать даже, сколько видов животных разводят сегодня для нужд науки – хотя ученые отнюдь не стремятся к разнообразию объектов исследования. Скорее наоборот – при прочих равных соображениях 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 этом значении оно употребляется и до сих пор, хотя в последние десятилетия популярность морских свинок у исследователей заметно снизилась.

И тем не менее «элитарный клуб» лабораторных животных понемногу расширяется, хотя их число по-прежнему ничтожно по сравнению с необозримым множеством всех известных видов животных. 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 это верно лишь для физиологов, которым нужны только взрослые животные. 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 нашим квакушкам, 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» мексиканской саламандры амбистомы.

Они знамениты тем, что могут всю 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 их родичи тритоны в большой чести еще и у тех ученых, которые исследуют механизмы регенерации. Вообще-то способностью к восстановлению разрушенных частей организма обладают многие животные, и амфибии – отнюдь не рекордсмены в этой области: из разрезанного пополам тритона не вырастут два новых, как из дождевого червя или морской звезды. Но тритоны – позвоночные, их ткани и устройство тела в общих чертах сходно с нашими. Можно надеяться, что изучив в должной мере механизм регенерации у них, мы вернем и себе потерянную в ходе эволюции способность отращивать отсеченные конечности. До перенесения знаний, полученных на амфибиях, в практическую медицину дело, правда, пока не дошло, но результаты обнадеживают: в 2006 году американские и испанские биологи, используя результаты, полученные на аксолотлях и рыбках-данио, добились регенерации удаленного зачатка крыла у куриных эмбрионов.

Во многих лабораториях, изучающих нервные клетки (нейроны) и их взаимодействие, можно увидеть террариумы с виноградными улитками.

Эти сухопутные моллюски пользуются заслуженным уважением у ценителей французской кухни. Но нейробиологов в них привлекают отнюдь не гастрономические достоинства. Нервная система виноградной улитки состоит из относительно небольшого (60 – 80 тысяч) 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 хотя и уступает почти в миллион раз «населению» нашего мозга, все-таки астрономически велико по сравнению с нематодой Caenorhabditis elegans – маленьким (около 1 мм длиной) прозрачным червем. Его нервная система состоит всего из 302 клеток – ни больше ни меньше.

Однако 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. Не удивительно, что если всего 40 лет назад название Caenorhabditis elegans было известно лишь специалистам по круглым червям, то сегодня это одно из самых изученных животных планеты. Популяции этой нематоды поддерживаются во многих лабораториях мира и уже неоднократно побывали в космосе.

Порой причины, заставляющие исследователей заняться разведением тех или иных животных в лаборатории, бывают совершенно удивительны. Так, например, лабораторные линии тлей позволяют изучать поразительные отношения этих насекомых с их симбионтами – бактериями рода Buchnera. Бактерии живут внутри специальных клеток хозяев и снабжают последних аминокислотами, витаминами и другими необходимыми для жизни веществами. За время совместной эволюции бактерия и насекомое настолько сложным и причудливым образом распределили между собой биохимические обязанности, что разобраться в этом можно только длительных экспериментов, охватывающих многие поколения тлей, – что делает необходимым выведение лабораторных линий.

Пределы возможного

Насекомых, моллюсков, червей и т. д. разводят только для фундаментальных исследований. Больше всего же в лабораторных животных нуждаются прикладные медицинские исследования: на них тестируют косметику, пищевые добавки, материалы, контактирующие с продуктами или с человеческим телом, яды и потенциально токсичные вещества. И конечно же лекарства – точнее, соединения, которые могут ими стать. Эти эксперименты проводятся почти исключительно на млекопитающих: физиология используемых в них животных должна быть как можно ближе к человеческой. Впрочем, классового родства порой оказывается недостаточно. К примеру, мыши и крысы оказались непригодны для исследования цинги и средств против нее: 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, для нужд которого их когда-то и стали разводить в промышленных масштабах.

Однако и в этой области универсальных решений по-прежнему нет: 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 является возбудителем холеры: все его попытки заразить этим микробом животных ни к чему не приводили. С тех пор прошло почти полтора века, но лабораторных животных, пригодных для заражения холерой, нет и по сей день. Мыши и крысы оказались невосприимчивыми к сифилису; ценой специальных ухищрений им удавалось заразить морских свинок (с вероятностью 15 – 30%) и кроликов, но и у этих животных болезнь протекала совсем не так, как у людей. А изучать проказу медикам пришлось на таких экзотических для лаборатории существах, как броненосцы: из немногих животных, способнвх заражаться этой болезнью, они оказались наиболее удобными.

Целый ряд вирусных болезней человека (полиомиелита, кори и т. д.) пришлось исследовать на дорогих и сложных 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 (подробнее см. «Вокруг света» № 6, 2007). 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».

Но 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. 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 не выводимого соединения оседал на стенках сосудов. У человека, получающего с пищей 20 – 35% необходимого ему холестерина, причины образования бляшек оказались совсем другими.

Такие ошибки стимулировали развитие особого типа исследований – разработок экспериментальных моделей человеческих болезней. 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. И тем не менее 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 у 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 вивисекций, 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). Дело уже дошло до того, что некоторые университеты исключают из своей учебной программы практические занятия по физиологии животных, заменяя их манипуляциями с макетами и компьютерными моделями.

Не будем спорить, может ли студент такого вуза стать настоящим врачом или ученым. Подумаем лучше о том, что 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. 

Источник: «Вокруг света» №4, 2010,