Биомедицинские исследователи, подобные мне, исследуют механистическую основу здоровья и болезней. В долгой карьере, работающей на открытии спектра, мне было предоставлено право жить и внести небольшой вклад в необычную (и продолжающуюся) революцию в медицинском понимании и благосостоянии людей.

Используя сочетание наблюдений и экспериментов, я сосредоточился на том, чтобы спросить, как убивают вирусы, и, особенно, как наш специфический (или адаптивный) иммунный ответ защищает нас, особенно если мы вакцинированы.

Наряду с последовательными концептуальными прорывами различные разрушительные технологии трансформировали трудовую жизнь детективов болезней, подобных мне. В последнее время наше мышление все чаще диктуется необходимостью взаимодействовать с массивными наборами данных.

В этом и многих других смыслах мы говорим о языке сложности, который охватывает поля как разные, такие как исследования рака, экология животных и климатология.

По сути, разнообразные темы огромного допроса природы, которую мы называем наукой, объединяются в богатый и взаимообусловленный интеллектуальный гобелен. Избегая технических подробностей, я постараюсь немного погулять по этой дороге.

Тонкий гобелен

Ни один ученый не работает один. И за последние 25 лет или более, исследовательские программы, в которых я участвовал, в основном были связаны с пониманием того, как реакция хозяина млекопитающих (мышей и людей) связана с вирусами гриппа A (IAV), которые вызывают регулярные эпидемии и пандемии.

Как и все вирусы, IAV являются обязательными внутриклеточными паразитами; они растут только в живых клетках и намного менее сложны, чем мы. Размышляя о белках, основных строительных блоках всей жизни, IAV состоят из белков 11, кодируемых восемью сегментами РНК-генов, в то время как у людей более 20,000-белков, указанных генами 20,000-25,000 ДНК.

Геном человека также содержит много того, что считалось на время «Мусор» ДНК, но теперь известно, что у него есть всевозможные регуляторные и другие функции.

Там, где биология становится очень сложной, когда заражающий нас вирус вируса, очевидно, заражает вас. Гены включаются и выключаются, образуются вирусы и хозяева белки, клетки в наших дыхательных путях разрушаются, мы становимся лихорадочными, испытываем трудности с дыханием, надеюсь, снова выздоравливаем и чувствуем себя хорошо. И даже до того, как мы клинически больны, новые вирусные частицы собираются и передаются (через капельки на нашем дыхании) близким.

То, что исследователь пытается осветить, - это детали лежащей в основе динамики клеток и молекулярных механизмов. Когда мы поймем эти процессы, мы можем потенциально вовлечь новые команды разных специалистов, разработать лучшие терапевтические препараты (лекарственные средства) и превентивные стратегии (вакцины), хотя для достижения этой цели, вероятно, понадобится десять или более лет.

Там, где талант входит в это уравнение, заключается в признании нового определения того, что он есть, а затем задавая правильный вопрос, чтобы идти дальше по пути. У некоторых людей есть такая способность, некоторые - нет, и это не обязательно означает знать всю «массу». Тип индивидуума, который является потрясающим учителем науки, не обязательно будет великим исследователем. Ученые-исследователи не так часто похожи на полигонов, которые вы видите по телевизору.

У биологи иногда есть большие идеи, такие как восприятие того, что «мусорная ДНК» должна иметь функцию. Но, в основном, мы оба ремесленники и (зачастую узкие) мыслители, которые держат наши носы близко к земле и используют как устройство экспериментов (заражение мыши с гриппом), так и то, что происходит в реальном мире (изучение гриппа пандемия), чтобы сообщить нам.

Основным правилом является рассмотрение «самой вещи», которая должна быть дана по натуре. Большая часть интенсивной интеллектуальной деятельности, которая характеризует жизнь биолога-исследователя, по сути, связана с попыткой выяснить, что нам говорят данные.

И часто бывает так, что крупные открытия следуют некоторым ключевым техническим достижениям, а не моменту «эврики». Новые и лучшие данные позволяют нам перейти от наблюдения «сквозь стекло темным» до большей ясности. В этом отношении люди в моей области иммунологии очень признательны физикам, инженерам и математикам, которые производят и программируют машины.

Научные области отличаются организационно. Физики, например, склонны разделяться на теоретиков и экспериментаторов - разделение, которое не очень полезно использовать в биологии. Теоретические физики придумывают большие идеи - как бозон Хиггса, черных дыр и темной материи - но мы, биологи, по необходимости должны быть более скромными и обоснованными в нашем мышлении.

Хотя в конечном счете все живое или неживое подчиняется законам физики, эти законы не находятся на переднем крае ума для большинства биомедицинских исследователей.

Одним из исключений являются структурные биологи или кристаллографы, которые традиционно использовали рентгеновские лучи (теперь синхротроны) и самые основные правила физики и химии, чтобы определить, как организованы отдельные молекулы жизни и (особенно для белков) функция.

Хотя значительная часть работы структурного биолога может быть выполнена на экране компьютера и может рассматриваться как своего рода «обратная конструкция», основное различие между биологическими и физическими науками заключается в том, что растения и животные (в отличие от скал и планет ) эволюционируют.

Гонки до смерти

Формы жизни наиболее категорически не разработаны. «Ученые-создатели», похоже, не особенно заинтересованы в утверждении вирусов гриппа, хотя современные методы молекулярной биологии позволяют исследователям играть «Бог» и создавать «дизайнерские» IAV, которые никогда не могут быть найдены в природе.

В последнее время появилось много огорчений о возможности того, что какой-то молекулярный инженер мог бы, пытаясь понять, как IAV вызывают болезнь, непреднамеренно «спроектировал» вирулентный патоген, который мог бы просто уйти от типа лаборатории сверхвысокой безопасности, где такая работа готово.

В контрапункте риск не пытаться получить такое понимание заключается в том, что эволюционное давление также является отличным «инженером»: IAV, которые чрезвычайно опасны для одного или нескольких видов, появляются регулярно в природе. Не может быть разумным опередить игру и определить генетические изменения, которые угрожают опасности, прежде чем мы окажемся в муках новой пандемии?

Мы знаем, например, что одна мутация в ключевом гену гриппа может изменить мягкий птичий IAV на крайний патоген, который убивает цыплят ужасно через три или четыре дня. Вот почему все так боялись птичьего гриппа несколько лет назад.

И если какое-то божество «разработало» IAV, единственной целью было убить. Если вы хотите верить в это, то божественное намерение может состоять в том, чтобы ограничить темпы роста населения восприимчивыми видами, включая нас.

Эволюция - это, по сути, центральная теория биологии, независимо от того, обсуждаем ли мы вирусы или позвоночные. Патогены, которые заражают и потенциально убивают нас, четко «сформировали» наши иммунные системы, «удаляя» менее «успешные» (в смысле восприимчивости к болезням) варианты.

Существует также множество доказательств того, что большие вирусы (более генов 100), такие как вирус Эпштейна-Барра (EBV), развили генетические механизмы, чтобы предотвратить их полное устранение нашими иммунными системами. EBV решился на эволюционный компромисс, позволяющий контролировать (по иммунной системе) выживание внутри нас на уровне, который, тем не менее, достаточен для обеспечения передачи.

При первом заражении EBV подростки могут развить изнурительное (но временное) состояние инфекционного мононуклеоза или «поцелуи». Полностью восстанавливаясь, они станут пожизненными носителями EBV.

Большинство людей не умирают от EBV, но могут убить (вызывая лимфомы), если иммунная система разрушается, например, массивными иммуносупрессивными режимами, используемыми для трансплантации органов, или развитием синдрома приобретенного иммунодефицита, который следует (в отсутствие противовирусного лечения) инфекция вирусом иммунодефицита человека (ВИЧ).

Сложность живых организмов отражает то, что с различными проблемами (или выборочным давлением) мутационные изменения в существующих генах позволяют выживать. Следствием этого является то, что эволюция создает молекулярные стратегии, которые напоминают здание, построенное на последовательных наборах существующих фондов.

Это не обязательно оптимальное решение, которое выбирал бы «божественный архитектор», начиная с первых принципов - это просто лучшее, что можно сделать с доступным исходным материалом. Вот почему биология может порой казаться настолько хаотичной и непредсказуемой, и почему центральной, всеобъемлющей теорией биологии является теория эволюции.

В отличие от физической вселенной биология сдерживается гомеостазом, необходимостью поддерживать стабильную среду. Наводнения и более высокие температуры окружающей среды не являются, например, проблемой для горных пород, но слишком сильно выходят из зоны гомеостатического комфорта или приемлемой «экологической оболочки», и она умрет.

Например, некоторые одноклеточные бактерии развивались, чтобы выжить в кипящей воде, но это никогда не могло иметь место для многоклеточных многоорганических систем, таких как позвоночные. Сложные формы жизни развиваются, но медленно, и только в очень ограниченных пределах.

Введите экосистему

Как экспериментальный патологоанатом с очень широким фоном, отражающим раннее обучение ветеринарной медицине, мое мышление о механистической основе жизни в значительной степени диктуется двумя соображениями.

Во-первых, любая интеллектуальная конструкция, которая не имеет смысла в контексте эволюции, будет бесполезной. Кстати, IAV меняются постоянно из-за избирательного давления, оказываемого иммунным ответом хозяина (особенно нейтрализующих антител), и показывают эволюцию в ее простейшей форме.

Вторая идея заключается в том, что изучение инфекционных заболеваний связано в основном с освещением природы экосистем: будь то «внутренняя» экосистема Aedes вид комара или примата (включая нас), где вирус Зики реплицируется; или «внешней» экосистемы, которая определяется количеством восприимчивых хозяев (людей и некоторых обезьян), температурой окружающей среды и наличием застойной воды для размножения комаров.

Мы можем нарушить эти взаимосвязанные экосистемы путем «дренирования болот», распыления инсектицидов на влажных участках с использованием репеллента насекомых, спать под пропитанными DDT сетками для кроватей или сделать вакцину, чтобы было меньше восприимчивых людей для репликации вируса и заражения комаров ,

То, что мы видим сейчас с вирусом Зика, является классической эпидемией «целинной почвы» в Северной и Южной Америке: никто не защищен предыдущим опытом и (хотя они могут иметь мало клинических признаков) вирус размножается в крови любого, укушенного инфицированным Aedes. В последующие годы будет меньше восприимчивых людей, и степень заражения будет сокращаться.

Для большинства из нас научная дисциплина экологии касается жизни растений и животных в природе - типа работы, выполняемой такими людьми, как Тим Фланнери, - а не взаимодействия между инфекционными агентами и позвоночным, особенно человеком, организмом.

Но многие ведущие врачи, специализирующиеся на микробиологии / вирусологии, думали так в прошлом. И, если вы посмотрите на медицинское сообщество, глобальное потепление беспокоит не только микробиологов.

Исследования по последствиям изменения климата, по сути, касаются биологии. Из-за влияния океанского потепления и подкисления на кораллы и зоопланктон, на изменение миграции птиц, рыб и насекомых и локализации, на прямое воздействие экстремальной жары на гомеотермических животных, таких как люди.

Помимо возможных медицинских последствий, в авангарде мышления каждого человека стоит проблема потери видов, особенно птиц, пчел и летучих мышей, которые выполняют важные работы, такие как перемещение питательных веществ вокруг и опыление растений.

Птицы не потеют, и они очень чувствительны к тепловому стрессу: мы опасаемся, что тропические виды могут быть потеряны, если мы не возьмем на себя инициативу, чтобы переместить их в более прохладные климаты.

Худшие негативные последствия глобального потепления находятся в нашем будущем, но мы уже находимся на пороге шестого великого исчезновения видов в истории Земли, антропогенного вымирания.

Как ученый-медик, который опубликовал только одну из более чем исследовательских работ 400 по токсичности металлов - медь у овец - и был воспитан с сознанием растительных ядов в окружающей среде, я думаю о кумулятивных эффектах. Продолжающийся прием небольшого количества тяжелых металлов, включая свинец и мышьяк, приводит к прогрессирующему накоплению, серьезному повреждению тканей и смерти.

Вещь в выбросах CO2 в атмосферу заключается в том, что концентрация возрастает неумолимо и остается высокой в ​​течение тысяч лет. Правда, растущее количество деревьев, водорослей, водорослей, фитопланктона и т. Д. Удалит часть этого CO2, но даже сейчас наш опыт в том, что деревья горят по всей планете, леса по-прежнему являются четкими и постоянно расширяющимися популяциями людей, сопровождающие урбанизацию, разрушают жизнь растений в хрупких прибрежных средах.

Возраст данных

Иногда я удивляюсь, если некоторые из преимущественно старых геологов, инженеров и физиков-теоретиков, которые утверждают, что изменение климата не проблема, когда-либо слышали слово «кумулятивный». В основном они, похоже, в основном думают о скалах и планетах, а не о людях. Скалы выживают в любом климате.

Исследование причин и прогресса глобального потепления опирается, в основном, на физиков, океанографов, астрофизиков, метеорологов, гляциологов и т. Д. Они имеют дело с огромными наборами данных, которые с такими новшествами, как рассеянные поплавки Argo, сообщают - через спутники - температуры на разных глубинах океанов, все расширяются.

Массовая вычислительная мощность необходима для обработки всей этой информации, но это также верно в моей области заражения и иммунитета, когда необычные достижения в протеомике и геномике дают возможность идентифицировать каждый выраженный ген и каждый белок, который производится, например, человеческая бронхиальная эпителиальная клетка, инфицированная вирусом гриппа А.

Как ученые-климатологи, так и ученые-медики сильно зависят от программистов, статистиков и модельеров, которые строят инструменты, чтобы понять эти массивные наборы данных.

Такие люди легко меняются между медицинской информатикой и климатологией. Некоторые даже идут в темную сторону и становятся банкирами или присоединяются к агентствам ставок.

И, по крайней мере, для научных приложений, общий протокол заключается в том, что как «сырые», так и «сглаженные» - для устранения путающих выбросов - наборы данных должны быть размещены в Интернете, где они открыты для любого сомнения в анализе Томаса.

Для таких медицинских исследователей, как я, не имеет значения, что мы только недавно получили доступ ко всей этой информации, но ситуация для климатологов отличается.

Анализ глобального потепления существенно зависит от оценки степени изменения во времени. Достойные измерения температуры земли и поверхности термометров в основном существуют только в течение столетия или около того. И первый спутник и данные по плаванию Argo относятся к 1967 и 1999 соответственно.

Совсем недавно спутники были помещены таким образом, чтобы можно было измерять высоту волны, что позволяет анализировать влияние ветра на движение океана, а не только частоту волн.

Как следствие, ученые-климатологи, которые сосредоточены на понимании того, что произошло в историческое время, должны опираться на «суррогатные» параметры, такие как определение уровней газа в ледяных ядрах, изменения климата и питательных веществ в кораллах, анализ глубинных океанических осадков и измерение дерево колец.

Весь медицинский исследователь должен просто заразить больше клеток вирусом гриппа и повторить эксперимент.

С точки зрения лабораторного исследователя, привыкшего анализировать результаты по группам из пяти испытуемых с учетом различных «лечения», великий неконтролируемый эксперимент по атмосферному демпингу CO2, который человечество эскалационировало в течение последних двух столетий, действительно пугает. И у него есть экспериментальный размер группы одного - планеты и всей жизни на земле.

Мы должны остановиться. Мы должны бросить добычу угля и сжигать все ископаемые виды топлива, в том числе нефть и природный газ.

Так же, как мы управляем здравоохранением в любом цивилизованном обществе, наша ясная и настоящая ответственность заключается в том, чтобы управлять этой планетой, нашим единственным домом и всеми его великолепными жизненными формами. Здесь, конечно, мы сталкиваемся с дополнительными уровнями чрезвычайной сложности, особенно с поведением людей и краткосрочными потребностями.

Задача огромна. По крайней мере, те из нас, кто живет в демократических государствах, могут использовать наше драгоценное голосование.

Об авторе

Питер К. Доэрти, профессор лауреата, Институт инфекционных болезней и иммунитета им. Питера Доэрти

Эта статья изначально была опубликована в Беседа, Прочтите оригинал статьи. Прочтите более длинную версию этой статьи и другие из последнего издания Griffith Review.

Книги по этой теме

at Внутренний рынок самовыражения и Amazon