Еволюція й походження хвороб

Уважне вивчення людського тіла вселяє благовейний трепет, - в рівній мірі з здивуванням. Очі, наприклад, довго були об'єктом захоплення, з чистою живою тканиною рогівки, згинається, з оптимального радіусу, з радужкой, налаштовується на яскравість і кришталиком, настроюється на відстань. Захоплення такою досконалістю незабаром поступається місцем переляку. Всупереч всякої доцільності, кровоносні судини і нерви проходять по внутрішній поверхні сітківки так, що створюють "сліпе" пляма у точці їх виходу.

Тіло це клубок таких кричущих суперечностей. Ланцюжки ДНК спрямовують розвиток 10 трильйонів клітин, що складають дорослий організм, але потім призводять до його поступового зносу і, в кінцевому рахунку, смерті. Наша імунна система може ідентифікувати мільйони чужорідних субстанцій, хоча багато хто бактерії можуть убити нас.

В Насправді ж, така непослідовність набуває сенс тільки коли ми досліджуємо цю уразливість через призму еволюції. Еволюційна біологія, звичайно, є фундаментом всієї біології, а біологія - фундаментом медицини. Як не дивно, еволюційну біологію тільки недавно почали розглядати як базову медичну науку.

Вивчення медичних проблем в еволюційному контексті було названо "дарвінівської медициною ". Більшість медичних досліджень спрямовано на вивчення хвороби окремих людей і пошук відповідної терапії. Ці зусилля зазвичай спрямовані на безпосереднє вивчення анатомії і фізіології тіла в його теперішньому вигляді. Навпаки, дарвінівська медицина запитує, чому тіло влаштовано так, що ми уразливі для раку, атеросклерозу, депресії, астми і т. д., пропонуючи таким чином більш широкий контекст для проведення досліджень.

Еволюційні пояснення недоліків нашого тіла можна розділити лише на кілька категорій. По-перше, деякі фактори дискомфорту, такі як біль, жар, кашель, блювання, тривога, - не хвороби, а захисні механізми. По друге, конфлікти з іншими механізмами, Escherichia coli  або крокодилами, наприклад, - факти життя. По-третє, деякі обставини, наприклад достаток жирів у раціоні, виявилися зовсім недавно, і природний відбір ще майже не мав з ним справу. По-четверте, тіло може виявитися жертвою компромісу між "корисністю" нікого властивості та його "вартістю"; класичний приклад - ген серповидної анемії, який також захищає від малярії.

Захисні механізми.

Можливо, найбільш очевидно корисний захисний механізм - кашель, люди, які не можуть очищати легені від сторонніх речовин, можуть померти від запалення легенів. Здатність відчувати біль також корисна. Існують рідкісні люди, які відчувають біль, навіть не відчувають дискомфорту від тривалого перебування в одному положенні. Їх постійна нерухомість викликає набряк тканин з подальшим розпадом. Рис. Малий апендикс

Ці люди зазвичай вмирають в дитинстві від інфекцій та ушкоджень тканин. Кашель або біль зазвичай вважають хворобою або травмою, але насправді вони швидше не проблема, а частина її рішення.

Не так очевидна захисна роль підвищеної температури, нудоти, блювоти, діареї, тривоги, втоми, чхання і запалення. Навіть деякі фізіологи не знають про корисність високої температури. За рахунок простого збільшення швидкості метаболізму, жар підвищує температуру в "термостаті" тіла, що сприяє руйнуванню патогенних організмів. Робота Matthew J. Kluger показала, що навіть холоднокровні ящірки при інфекціях намагаються вибирати більш теплі місця, де температура їх тіла на кілька градусів вище звичайного.

Нудота у вагітних довго вважалася побічним ефектом вагітності. Однак прояви нудоти збігається зі швидким ростом і диференціацією тканин плоду, коли той найбільш вразливий для токсинів. І вагітні жінки при цьому обмежують споживання потенційно небезпечною, але смачної їжі. Для підтвердження того, що нудота у вагітних захищає плід від токсинів незалежний дослідник Margie Profet досліджувала статистику по вагітностей. Виявилося, що у жінок, яких не нудить під час вагітності, частіше бувають викидні. (Її теорія також передбачає більший відсоток хворих дітей у жінок, вагітність яких не супроводжувалося нудотою.)

Інше стан, тривога, очевидно, виникло як захист в небезпечних ситуаціях, як стимул до втечі. У 1992 р в дослідженнях Lee A. Dugatkin були оцінені переваги страху у рибок гуппі. Він класифікував їх як "боязких", "звичайних" і "сміливих", в залежності від їх реакції на присутність большеротого окуня (smallmouth bass). "Боязкі" ховалися, "звичайні" тікали подалі, "сміливі" залишалися на місці, розглядаючи окуня. Потім кожна з груп гуппі були залишені в акваріумі наодинці з окунем. Через 60 годин вціліло 40 відсотків "соромливих", 15 відсотків "звичайних". Вся група сміливих вимерло, сприяю поширенню не своїх генів, а генів окуня.

Відбір по генів, пов'язаних з тривожним поведінкою припускає, що деякі люди відчувають надто тривожні, і це дійсно так. Також слід припускати наявність людей із заниженим рівнем тривожності. Важко дати кількісну оцінку подібних синдромів, тому що деякі люди стануть звертатися до психіатра з невираженими побоюваннями. Але якщо пошукати, люди з патологічним відсутністю тривоги можуть бути знайдені в травматологічних відділеннях, в'язницях і в рядах безробітних.

Корисність таких звичайних і неприємних станів, як діарея, жар, і тривога не очевидна. Тому найчастіше люди завдають шкоди своєму здоров'ю, блокую, звичайно ліками, створені природним відбором захисні механізми. Herbert L. DuPont з University of Texas at Houston  і Richard B. Hornick з Orlando Regional Medical Center  досліджували діарею, спричинену інфекцією Shigella і з'ясували, що люди, які приймають ліки проти діареї, хворіли довше і з великим відсотком ускладнень, ніж хворі, що приймають тільки плацебо. В іншому прикладі, наведеному Eugene D. Weinberg з Indiana University , Спроби скорегувати недолік заліза в організмі призвели до збільшення рівня інфекційних захворювань, особливо амебіозом, в деяких частинах Африки. Хоча для більшості здорових людей залізо є необхідним компонентом раціону, воно може нашкодити інфікованим людям з недостатнім харчуванням. В організмі цих людей недостатньо білка для зв'язування заліза, яке у вільному вигляді використовується інфекційними агентами.

Як заперечення проти корисності захисних механізмів можна висунути той факт, що багато хто часто відчувають стану тривожності, біль, спека, діареї, нудоти без будь-якої видимої причини. Пояснення вимагає аналізу регуляції захисних відповідей в термінах теорії виявлення сигналу. Циркулює в природі токсин може потрапити в шлунок. Організм може відкинути його за рахунок блювоти, але заплативши деяку ціну. Ціна помилкової тривоги, - блювоти, коли насправді токсину в організмі немає, лише кілька калорій. Але покаранням за одиничний випадок неспрацьовування захисту при інтоксикації може бути смерть.

Таким чином, натуральний відбір організовує захисні механізми, дотримуюся стратегії, яку ми називаємо "принцип детектора диму". Протипожежна сигналізація, яка гарантовано підніме спляче сімейство в разі пожежі, обов'язково буде піднімати помилкову тривогу, кожного разу, коли на плиті підгорає тост. Численні "помилкові спрацьовування" в людському тілі досить неприємні і в більшості випадків у них немає необхідності. Але лише до тих пір поки не запалає справжній "пожежа".

Еволюція вірулентності.

Людство вигравало гігантські битви у війні проти патогенних організмів з використанням антибіотиків і вакцин. Наші перемоги здавалися остаточними і в 1969 американських хірург William H. Stewart сказав: "Настав час закрити книгу інфекційних захворювань ". Але ворог, а також сила природного добору, виявилися недооціненими. Сумна реальність полягає в те, що патогенні організми можуть пристосуватися до будь-якого знову винайденому реагенту.

Стійкість до антибіотиків - класична демонстрація натурального відбору. Бактерії, яким пощастило мати геном, який дозволяє їм процвітати в присутність антибіотика, розмножуються швидше за інших, і відповідний ген швидко поширюється. Як показав нобелівський лауреат Joshua Lederberg з Rockefeller University , ці гени можуть навіть "перестрибувати" в інші види бактерій, поширюючись на шматках інфекційних ДНК. Зараз деякі штами туберкульозу у Нью-Йорку стійкі до всіх видів антибіотиків, у хворих з такими штамами шансів вижити не більше, ніж у хворих на туберкульоз в минулому столітті.

Багато люди, включаючи багатьох фізіологів і вчених, до цих пір дотримуються застарілої теорії, згідно з якою патогенні організми стають менш небезпечними після тривалого "співжиття" з організмом "господарем". На перший погляд, це має сенс. Патогенних організмів який швидко вбиває свого "господаря", може не знайти собі нового, тому природний відбір має сприяти меншій вірулентності. Наприклад, сифіліс, коли він тільки з'явився в Європі, був високо вірулентен, але минуло кілька століть, і це захворювання стало протікати в середньому в більш м'якій формі.

Для "агентів захворювання", які поширюються безпосередньо від людини до людини, краща низька вірулентність, тому що вона дозволяє "господаря" залишатися активним і поширювати захворювання. Але деякі хвороби, як малярія, поширюються через проміжну ланку, -- комарів, причому поширюються через людей зі зниженою активністю навіть краще. У цьому випадку висока вірулентність дає селективну перевагу.

В випадку з холерою суспільне водопостачання грає роль москітів. Коли вода для пиття і купання забруднюється нечистотами хворих людей, відбір сприяє збільшення вірулентності, так як із-за діареї патогенний організм інтенсивно поширюється, не дивлячись на те, що організм "господар" швидко вмирає. Але було доведено, при поліпшення санітарних умов природний відбір грає проти класичної Vibrio cholerae bacteria на користь іншого біотипів. У цієї ситуації мертвий "хазяїн" - глухий кут для розвитку патогенів. Але менш хворий і більше мобільний "господар", здатний заражати інших в протягом більш тривалого часу, є ефективним засобом пересування для організму з меншою вірулентністю.

Нове оточення, нові загрози.

Подібні підходи повинні бути важливі для вироблення спільного підходу до безпеки. Еволюційна теорія передбачає, що стерилізовані шприци та пропаганда безпечного сексу не тільки врятують численних людей від СНІДу. Якщо поведінку людей сповільнить поширення СНІДу, штами вірусу, які не вб'ють свого господаря, мають перевагу перед більш вірулентними різновидами, які вмирають разом з "господарем".

Конфлікти з іншими організмами не обмежуються патогенами. Найчастіше представники власного роду є більш небезпечними для людей, ніж хижаки і отруйні змії. Ми нападаємо один на одного не для того, щоб вгамувати голод, а що б отримати статевого партнера, територію та інші ресурси.

Навіть глибоко особисті людські відносини мають медичну підгрунтя. Репродуктивні інтереси матері і дитини, наприклад, спочатку збігаються, але незабаром розходяться. Як зауважив Robert L. Trivers в класичній роботі 1974 р., коли дитині виповнюється кілька років, генетичний інтерес матері - знову завагітніти, тоді як дитині "вигідно", щоб мати піклувалася тільки про нього. Навіть коли дитина ще перебуває в утробі матері, він конкурує з нею за життєві ресурси. З точки зору вигоди матері, оптимальну вагу плоду дещо менше, ніж відповідний інтересам дитини і його батька. Це розбіжність, судячи по роботі David Haig з Harvard University , Призводить до конфліктів щодо кров'яного тиску і рівня цукру в крові між матір'ю і плодом, що часто призводить до діабету і підвищеного тиску у вагітних.

Нове оточення.

Статистика сучасних лікарень дає нам сумні свідчення того, що більшість хвороб людство накликали на себе сама. Серцеві напади, наприклад, походять від атеросклерозу, - проблеми що виникла на початку цього століття, яка майже не зустрічалася серед мисливців і збирачів. Рецепт профілактики серцевих нападів відомий: обмеження жирної їжі, велика кількість овочів, і фізичне навантаження щодня. Але виробництво гамбургерів процвітає, дієтична їжа нудиться на полицях магазинів, а спортивні тренажери використовуються частіше як дорогих вішалок. Третина американців важать більше норми, і цей відсоток зростає.

Всі ми знаємо, що для нас корисно. Чому ж більшість продовжує робити нездоровий вибір?

Наші рішення щодо дієти і фізичних вправ приймаються в умовах, абсолютно відмінних від тих, в яких існували наші предки. В африканській саваною, звідки вийшло сучасне людство, сіль, жир і цукор були рідкісними і дорогими. Люди, що мають можливість споживати багато жиру і цукру, мали перевагу і в природному відборі. Вони частіше виживали в голодний час, ніж їх худі побратими. І ми, їхні послідовники, несемо в собі тенденції споживати продукти, які в наш час ніяк не назвеш рідкісними. Ці бажання, посилені рекламою конкуруючих харчових корпорацій, легко паралізують наш інтелект і волю.

Люди мають легкий доступ до різних наркотиків, особливо до алкоголю і тютюну, які відповідальні за велику кількість хвороб і передчасних смертей. І хоча люди завжди використовували психоактивні речовини, проблема набула широкого поширення тільки в нових умовах: доступність концентрованих наркотиків і нові, прямі способи їх споживання (зокрема - ін'єкції). Більшість цих речовин, включаючи нікотин, кокаїн та опіум, з'явилися в процесі природного відбору серед рослин для захисту рослин від комах. Так як люди розділяють загальне еволюційне спадщину з комахами, багато хто з цих субстанцій також впливають на нашу нервову систему.

Ця перспектива припускає, що не тільки неповноцінні люди і хворі суспільства схильні до небезпеки наркотиків, кожен з нас уразливий, тому що наркотики і наша біохімія мають довгу історію взаємодії.

Щодо недавнє, стрімке поширення раку молочної залози, ймовірно, є результатом на зміну умов середовища. Boyd Eaton і його колеги з Emory University  повідомляють, що частота захворювання на рак молочної залози в "несучасних" товариства набагато менше, ніж у США. Вони висунули гіпотезу, критичним чинником є проміжок часу між першим менструацією і першою вагітністю, що пов'язано із загальним числом менструальних циклів протягом життя.

В товариства мисливців і збирачів, перша менструація траплялася у віці близько 15 років або пізніше, через кілька років йшла вагітність з кількома роками догляду за дитиною, потім незабаром нова вагітність. Менструації, і пов'язаний з ними високий рівень негативно впливають на клітини грудей гормонів, були можливі тільки протягом періоду між закінченням вигодовування дитини і новою вагітністю.

В Сучасні ж товариства перші місячні проходять у дівчаток в 12-13 років, -- ймовірно із-за високого вмісту жирів в їжі, що дозволяє навіть дуже юною жінці виносити дитину, а перша вагітність трапляється через десятки років після цього або ніколи. Жінка в суспільстві мисливців і збирачів мала на протягом життя 150 менструальних циклів, тоді як у сучасної жінки це число - 400 і більше. З цього не випливає, що перша вагітність повинна проходити до 20 років, але ймовірно, деяка симулює вагітність, гормональна терапія може знизити ризик раку молочної залози. Досліди з перевірки цієї ідеї проводяться в University of California at San Diego .

Компроміси і примушення.

Компроміси властиві будь-якій адаптації. Якби кістки рук були в три рази товще, вони б ніколи не ламалися, але люди перетворилися б у незграбних істот, вічно зайнятих пошуком джерел кальцію.

Такі компроміси існують на генетичному рівні. Якщо мутація дає репродуктивне перевагу загалом, її частота в популяції буде прагнути до зростання, навіть якщо вона призводить до хвороб. Люди з двома копіями гена серповидних клітин (sickle cell gene), наприклад, відчувають страшні болі і вмирають?? молодості. Люди з двома копіями "нормального" гена з більшою ймовірністю помруть від малярії. Але люди, які мають і той, і інший ген, захищені від обох хвороб. У районах з високим рівнем малярії такі люди найбільш життєздатні. Що є здоровою алель в таких умовах? Питання не має відповіді. Чи не існує одного нормального людського генома, - є тільки гени.

Багато інші викликають хвороби гени також можуть виявитися корисними, по крайней мірі, в деяких умов. Так як цістовідний фіброз (cystic fibrosis) є причиною смерті одного з двох з половиною тисяч кавказців, можна припустити, що відповідальний за цю хворобу ген повинен бути вилучений з генофонду. Але він продовжує існувати. Недавні дослідження Gerald B. Pier з Harvard Medical School дали цьому пояснення, - одинична копія гена цістовідного фіброзу зменшує ймовірність захворіти на черевний тиф - хворобу з 15 відсотковою смертністю.

Старіння - Ще один із прикладів генетичних компромісів. У 1957 р. один з авторів цієї статті (Williams) припустив, що гени, які призводять до старіння і смерть тим не вибраковуються відбором, тому що вони викликають інші ефекти, що дають переваги в молодості, коли сила відбору сильніше. Наприклад, гіпотетичний ген, керуючий метаболізмом кальцію, таким чином, що кістки швидше відновлюються при переломах, але який також викликає поступове відкладення кальцію на стінках артерій. Вплив таких генів з множинними ефектами спостерігалося на прикладі фруктових мух і борошняних жуків, але для людей поки не виявлено конкретних прикладів. Іншим прикладом може служити подагра, що виникає, коли сильний антиоксидант, сечова кислота, утворює кристали, осідають у суглобах. Антиоксиданти, як відомо, сповільнюють старіння, і рівень сечової кислоти у різних видів приматів виявляє кореляцію з їх середньою тривалістю життя. Ймовірно, високий рівень сечової кислоти вигідний більшості людей, так як сповільнять старіння, тоді як меншість розплачується за це подагру.

Існують і інші чинники, що сприяють прискореного старіння. Наприклад, сильний імунітет захищає нас від інфекцій, але при цьому є причиною майже не помітного пошкодження тканин. Також можливо, що більшість генів, що викликають старіння незалежно від віку не приносять жодних переваг, - вони не погіршують репродуктивну функцію настільки, щоб природний відбір відбракувати їх.

Так як еволюція протікає тільки в напрямку, визначеному вектором часу, всякі зміни в будові організму спираються на вже існуючі структури. Як зазначено на початку цієї статті, очей у хребетних влаштований не кращим чином. Але око кальмара вільний від цього дефекту, - у ньому судини і нерви знаходяться збоку від очного яблука, проникаючи в нього в потрібному місці і перешкоджаючи відшарування сітківки. Людині ж з очима просто не пощастило; сотні мільйонів років тому, у наших предків, шар клітин, який став світлочутливим, був розташований інакше, ніж у предків кальмара. Ця відмінність в розташуванні клітин і визначило два різних напрямки еволюції, яка, як відомо, необоротна.

Аналогічно можна пояснити, чому простий акт ковтання може становити загрозу для життя. Наші дихальні і травні шляхи перетинаються тому, що в наших далеких предків - Дводишні риб, отвір для вдихання повітря розташовувалося зі зрозумілих причин на кінчику морди і вело в якусь простір, які розділяли з травними шляхами. Тому нам доводиться миритися з можливістю того, що їжа може закупорити наші легені.

Шлях природного добору може призвести навіть до фатального безвиході, як у випадку з апендиксом, цим рудиментом, який наші предки використовували у травленні. Так як він вже давно не виконує цієї функції, і при цьому може в разі інфекції вбити свого господаря, варто очікувати, що природний добір видалить його. Реальність складніше. Апендицит виникає, коли запалення викликає пухлина, яка пережимає артерію, яка несе кров до апендикс. Кровоток захищає від розмноження бактерій, так що будь-яке зменшення кровотоку сприяє інфекції, що ще більше збільшує пухлина. Коли кровотік повністю перекривається, вільне розмноження бактерій призводить до розриву апендикса. Вузький апендикс особливо може стати жертвою такого сценарію, так що парадоксальним чином природний відбір сприяє великим апендикс. Таким чином, еволюційний аналіз показує, що деякі "слабкі місця "в організмі можуть навіть підтримуватися силою природного відбору.

Еволюція дарвінівської медицини.

Не Незважаючи на силу парадигми Дарвіна, еволюційну біологію тільки зараз почали визнавати як науку, важливу для медицини. Більшість хвороб зменшують життєздатність, так що може здатися, що природний добір може пояснити лише здоров'я, а не хвороба. Дарвінівський підхід має сенс тільки тоді, коли об'єктами досліджень стають ті риси, які роблять нас вразливими для хвороби. Припущення про те, що природний відбір максимізує здоров'я, також невірно, - відбір максимізує репродуктивний успіх генів, навіть якщо цей успіх пов'язаний з погіршенням здоров'я індивідуума -- носія генів.

Прийняття дарвінівської медицини часто утруднялося неправильним її розумінням. Еволюційний підхід до функціонального аналізу часто вважали чимось на зразок наївною телеології або віталізму. І звичайно, де б еволюція і медицина не згадувалися разом, виникав привид євгеніки. Дослідження вразливості людини перед хворобами, проведені з точки зору дарвінізму, можуть принести людям велику користь, але це ще не означає, що ми повинні намагатися поліпшити власний біологічний вид. Навпаки, цей підхід попереджає, що видимі генетичні дефекти можуть мати ще не виявлене адаптивне значення, що не існує одного "нормального" генома, і що уявлення про "нормальності" є спрощенський.

Еволюційний підхід дає глибокий аналіз зв'язку між хворобою і здоров'ям, може інтегрувати несумісні підходи в медицині і запропонувати нові способи терапії. Його універсальність і сила повинні призвести до визнання еволюційної біології як базової медичної науки.

Кальмановича Дмитро

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://medicinform.net/