Национальный герой и страстный ученый: как Луи Пастер перевернул науку

27 декабря 2022 года исполнилось 200 лет со дня рождения Луи Пастера — химика, изобретателя вакцин, основателя микробиологии. Фамилия ученого у всех на слуху благодаря методу пастеризации, а его открытия спасают миллионы жизней во всем мире. Как Пастеру удалось изменить медицину без медицинского образования? Рассказали о достижениях и жизни великого ученого.

Ученый — сын кожевника

Луи Пастер родился на востоке Франции в городе Доль в семье кожевника, винодела и ветерана наполеоновских войн, награжденного орденом Почетного легиона. Отец хотел, чтобы сын стал учителем¹, так как желал ему спокойной и комфортной жизни. Хорошее образование и работа в колледже могли избавить от физического труда и зависимости от колебаний рынка.

В 1843 году Пастер поступил в колледж Эколь Нормаль в Париже и учился у французского химика Жан-Батиста Андре Дюма, у химика и одного из первооткрывателей брома Антуана Балара, а также у профессора астрономии и физики Жан-Батиста Био, который изобрел поляриметр. Преподаватели поддержали устремления молодого физика и химика и повлияли на формирование его интересов. Еще во время обучения он работал в лаборатории Дюма по выходным и успешно учился.

Через два года его пригласили учителем физики в Турнон, но Пастер уже тогда больше интересовался исследованиями, а не преподаванием. Он убедил Дюма похлопотать за него, чтобы остаться при Эколь Нормаль еще на год. Луи Пастер получил место лаборанта у Балара, мог проводить эксперименты и готовиться к получению докторской степени по химии и физике. В 1847 году он получил степень доктора естественных наук и остался при Эколь Нормаль ассистентом Балара. В это время он заинтересовался кристаллографией.

Когда Пастеру было 26 лет, его назначили профессором химии в Страсбургском университете. Там ученый встретил Мари Лоран, дочь ректора университета, и попросил ее руки. Вскоре они обвенчались. Мари занималась семьей и домом, а также была секретарем и доверенным лицом мужа. Пастер же был полностью погружен в работу и проводил большую часть времени в лаборатории. И не зря.

От вина к микробиологии

Ученый изучал свойства кристаллов, образующихся в процессе виноделия, и обнаружил, что соль паравинной кислоты состоит из равных количеств двух видов кристаллов. Они отличались по ориентации одной мельчайшей грани.

Пастер вручную разделил два вида кристаллов этой кислоты под микроскопом и приготовил из них два разных раствора ². Оказалось, что эти растворы отклоняли поляризованный свет в противоположных направлениях — влево и вправо. При этом раствор из смеси равного количества двух типов кристаллов был оптически неактивным. Пастер предположил, что эти две формы кислоты соответствуют двум разным пространственным конфигурациям атомов внутри молекулы, которые симметричны друг относительно друга, как две руки. До этого было неясно, за счет чего одни растворы способны вращать поляризованный свет, а другие нет, ведь их химические составы были одинаковыми. Открытие 26-летнего Пастера стало началом стереохимии — науки о пространственном строении молекул. Позднее, когда достижения стереохимии стали широко применяться в фармацевтической и пищевой промышленности, работу Пастера в области кристаллографии стали называть величайшим его достижением.

Кроме особенностей строения молекул, в процессе изучения кристаллов паравинной кислоты Пастер понял суть процесса брожения. Это имело значение не только для фундаментальной науки, но и для повседневной жизни. При исследовании раствора паравинной кислоты ученый заметил, что она забродила под действием плесени и при этом ее структура изменилась. Забродившая жидкость содержала только левовращающую винную кислоту ³. Паравинная кислота, которая была неактивна на поляризованном свете, стала активной под действием брожения. До этого считалось, что «брожение — процесс смерти»: именно так утверждал немецкий химик Юстус фон Либих. Луи Пастер заметил во время своих опытов, что все соединения, растворы которых отклоняют поляризованный свет, происходят из растительных и животных источников. Ученый начал подозревать, что асимметрия — признак жизни. Он создал теорию, согласно которой брожение — жизненный процесс и жизнь порождает вещества, активные в поляризованном свете.

После этого Пастера назначили деканом факультета естественных наук в университете в Лилле — крупном промышленном центре. Факультет учредил император Франции в 1854 году для того, чтобы объединить теорию и практику «в области прикладных наук». Должность была желанной для Пастера. Кроме того, жалованье декана было выше, а в предоставленной ему квартире было помещение для лаборатории, которым профессор мог пользоваться в любое время. За время работы деканом Пастер ввел лабораторные занятия для студентов по всем дисциплинам — он был против обучения исключительно теории.

В 1857 году освободилось место директора по научным исследованиям в Эколь Нормаль. Пастер заявился на эту должность: она была престижней той, которую он занимал в Лилле. В октябре он получил этот пост и продолжил изучение процесса брожения в Париже.

В то время к нему обратились владельцы винокуренных заводов с просьбой разобраться, почему в некоторых бочках вино и пиво портятся. К тому моменту Луи Пастер уже знал, что спиртовое брожение происходит за счет деятельности живого организма и для запуска процесса ферментации необходимо:

• приготовить стерильную питательную среду с помощью кипячения;
• инокулировать среду небольшим количеством чистого фермента.

Пастер изучил брожение и обнаружил, что процесс прекращается, если пропускать воздух через раствор. Ученый заключил, что брожение начинается из-за присутствия микроорганизмов, живущих только в отсутствие кислорода. Он ввел термины «аэробный» и «анаэробный» для обозначения организмов, которые живут в присутствии или в отсутствие кислорода соответственно. Так ученый пришел к выводу, что гниение вызывают микробы-анаэробы³.

Благодаря исследованиям брожения и тому, что Наполеон III ознакомился с работами ученого, с 1862 года правительство выделило Пастеру ежегодное пособие в 2000 франков на эксперименты. В 1865 году Пастера приняли при дворе Наполеона III, где ученый провел неделю в частной резиденции императора в Компьене. Там Пастер продемонстрировал императору микроскоп и микроорганизмы из почвы, воды и воздуха, а также нашел «заболевшее» вино в личном погребе Луи Наполеона. В следующем году он издал исследование о вине и посвятил его Наполеону III, после чего был произведен в командоры Почетного легиона.

Кроме научных исследований, Пастер также много внимания уделял реформам в Эколь Нормаль, с помощью которых увеличил число желающих заниматься наукой. Он увеличил число ставок ученых-преподавателей и сократил срок действия контракта с ними, что увеличивало конкуренцию среди претендентов на должность. Но Пастер был авторитарен и редко шел на уступки, поэтому его взаимоотношения с профессурой и студентами складывались не лучшим образом. Жалобы на качество еды и строгие порядки он игнорировал, а неповиновение студентов раздражало его. В итоге после нескольких конфликтов и студенческого бунта в 1867 году Пастер подал в отставку с должности директора.

К тому времени ученый уже провел ряд экспериментов для опровержения теории самозарождения, согласно которой живые микроорганизмы появляются сами собой из неживой материи. Этой теории придерживалось большинство ученых. Для проведения экспериментов Пастер использовал колбы с изогнутым горлышком для того, чтобы в раствор не попадала пыль из воздуха³.

Так исследования Пастера по ферментации и опровержению самопроизвольного зарождения привели его к изучению инфекционных болезней.

Спасение шелка и животноводства

После демонстрации того, что отсутствие микробов предотвращает брожение, ученый написал: «По аналогии, не разумно ли надеяться, что наступит день, когда легко принимаемые профилактические меры смогут остановить бедствия, которые устрашают и уничтожают население, такие как желтая лихорадка и бубонная чума?»⁴.

В 1865 году Луи Пастер начал исследовать болезнь, поражавшую шелковичных червей на юге Франции. Заняться этим вопросом предложил его учитель Дюма, хотя сам Пастер никогда прежде не интересовался шелководством и не держал в руках кокона. Но болезни шелковичных червей серьезно подорвали индустрию юга Франции, и ученый согласился заняться проблемой.

В 1868 году Пастер перенес инсульт. Этому предшествовал сложный период конфликтов со студентами в Эколь Нормаль и отставка с поста директора — возможно, это сказалось на здоровье ученого. Несмотря на оставшийся после инсульта частичный паралич, он смог найти причину болезни тутового шелкопряда и способ ее профилактики³. Исследователь разобрался, что у шелковичных червей развивалось две разных болезни.

Одну из них, пебрину, вызывали блестящие тельца, которые ученый обнаружил в тканях пораженных червей. Другая болезнь получила название флашерия, ее вызывали стрептококки. Из-за них черви становились вялыми, а их покров дряблым. В основном гусеницы погибали от пебрины, и Пастер нашел метод отбора пораженных яиц червя. Для этого на кусок чистого полотна прикрепляли бабочку и отложенные ею яйца — грену. Тело бабочки растирали в ступе и микроскопировали. Если телец в препарате не находили, яйца этой бабочки считали доброкачественными. С помощью такого отбора яиц удалось ликвидировать эпизоотию пебрины. Так, кроме пищевой промышленности, ученый уберег от гибели еще и производство шелка.

В 1870 году Пастер опубликовал труд по шелководству, в котором детально описал проведенные эксперименты. Он впервые работал с патологией живых существ, изучал реакцию живого организма на размножающихся в нем микробов — возбудителей болезней. Ученый смог проследить аналогию роли микробов при брожении и при развитии болезни, когда микроорганизмы были причиной того и другого. В работе с шелкопрядом Пастер разработал некоторые методы борьбы с заболеваниями живых организмов, и это стало первым шагом к изучению инфекционных болезней и борьбе с ними.

В период с 1859 по 1866 год семья Пастеров пережила смерть трех из пяти детей. Две дочери умерли от брюшного тифа, а одна — от опухоли печени. Это также повлияло на стремление ученого бороться с причинами заболеваний человека. Пастер начал переговоры с правительством Франции насчет платы ему жалования для поддержки научно-исследовательской работы. В 1874 году переговоры закончились успехом и Пастеру назначили пенсию в 12 000 франков в год.

Пастер продолжал изучать инфекционные болезни и обнаружил, что:

• стафилококк — причина фурункулов и остеомиелита;
• стрептококк вызывает послеродовую инфекцию.

Эти данные помогли развитию асептики и антисептики в медицине.

В 1880 году Пастер сделал открытие: он обнаружил, что при ослаблении культуры возбудителя он утрачивает свою патогенность. Это получилось отчасти случайно: культура куриной холеры длительное время находилась на жаре до использования и утратила вирулентность. Так ученый создал первую аттенуированную вакцину для животных. «Случай благоволит к изобретательству только тем умам, которые подготовлены к открытиям терпеливым изучением и настойчивым трудом³», — сказал ученый на одном из своих выступлений.

В дальнейшем он применил метод аттенуации для создания вакцины против сибирской язвы. Весной 1881 года исследователь провел публичный эксперимент, когда двум группам овец он вводил возбудителя сибирской язвы². При этом половина животных до этого была привита созданной им аттенуированной вакциной, а контрольная группа — нет. В течение нескольких дней все овцы из контрольной группы погибли. Этот эксперимент убедил многих людей в правомерности микробной теории Пастера. В прессе об эксперименте говорили как об «обращении неверующих в микробиологическую веру», обыгрывая фамилию ученого: «Пастер — пастор».

Схватка с бешенством

После этого ученый стал работать над вакциной против бешенства. Болезнь поражала и животных, и людей, и работа над вакциной против смертельной инфекции была переходом ученого из сферы ветеринарии в медицину.

В то время увидеть возбудителя было невозможно, но Пастер был уверен, что микроорганизм есть, и начал эксперименты. Поскольку бешенство — это заболевание нервной системы, Луи Пастеру пришла в голову идея ввести мозговую ткань бешеной собаки в мозг здоровой. Собака впоследствии умерла. Далее эксперименты проводили на кроликах. После заражения кроликов инкубационный период бешенства продолжался шесть дней.

Затем Пастер попытался разработать вакцину с ослабленной вирулентностью. Для этого он высушивал срезы спинного мозга бешеных кроликов. Вирулентность постепенно снижалась, пока окончательно не исчезла. Пастер вводил авирулентные препараты собакам, а после вводил им вирулентные. Собаки не заболевали. Так вместо аттенуированных вакцин Пастер создал нейтрализованный образец вируса и открыл путь для разработки второго класса вакцин — инактивированных². После этого Пастер разработал протокол эффективной вакцинации животных.

25 февраля 1884 года Луи Пастер объявил о своем открытии на заседании Французской академии наук, которая назначила исследовательскую комиссию для оценки эффективности метода предотвращения бешенства у собак. Схема вакцинации была многоступенчатой. В первый день вводился 14-дневный препарат мозга больного бешенством животного и не вызывал болезнь у подопытной собаки. Далее каждый день вводился все более свежий препарат. Четырнадцатая инъекция могла убить неиммунизированную собаку, но не вызывала болезнь у получавшей курс вакцинации. Комиссия признала метод эффективным и одобрила его применение у животных³.

Несмотря на успех вакцинации собак против бешенства, Пастер опасался применять препарат у людей. Ему писали люди с просьбой помочь при подозрении на укус бешеного животного, но он отказывал в вакцинации, ссылаясь на то, что метод не испытан на людях. Но в 1885 году Пастер согласился ввести вакцину против бешенства 9-летнему мальчику Джозефу Мейстеру с многочисленными укусами бешеной собаки, что несло верную смерть. Мальчик не заболел и остался жив. В сентябре того же года экстренно привили укушенного 15-летнего пастуха Жан-Батиста Жюпиля. Он тоже выжил.

После этого к Пастеру сформировался поток пациентов. Но, из-за того что в ряде случаев после укуса проходило уже много времени или потому что человек был ослаблен сопутствующими болезнями, некоторые умирали. Из-за человеческих смертей Пастера критиковали за опасные эксперименты, а вдобавок еще и за то, что он не имел медицинского образования. Но эта критика не могла помешать славе ученого, который смог найти способ борьбы со смертельной инфекцией.

В 1886 году он представил отчет, где было указано, что из 1726 привитых французов умерли только десять человек, то есть смертность составляла лишь 0,6%⁵.

На очередном заседании Академии медицины предложили основать научно-исследовательский институт для исследования и разработки вакцин. Правительства разных стран выделили средства для строительства Института Пастера, который прозвали в народе «дворцом бешенства». Он открылся 14 ноября 1888 года, и к этому времени общая сумма взносов превысила 2 миллиона франков.

Открытия Пастера спасают жизни

Луи Пастера называют сегодня прародителем современной иммунологии, для развития которой он сделал многое⁶:

• продемонстрировал, что можно исследовать инфекционные заболевания, вызываемыми вирусами;
• показал, что патогенные свойства вирусов можно изменить лабораторными методами;
• установил, что возможно добиться стойкого иммунитета без риска для жизни и здоровья человека.

Ученый открыл пространственное строение молекул и этим внес вклад в развитие стереохимии, благодаря которой развиваются, например, молекулярная биохимия и фармакология, создаются биополимеры, лекарственные препараты и многое другое. Благодаря микробной теории и исследованиям Пастера, в хирургическую практику ввели методы асептики и антисептики.

Благодаря работам Пастера, который нашел способ создания аттенуированных и инактивированных вакцин, а также деятельности его Института, в последующие годы не прекращалась борьба со вспышками инфекционных заболеваний по всему миру. Филиалы Института Пастера открыли в Сайгоне, на Мадагаскаре, в Алжире. Коллеги Пастера преподавали курс микробиологии, и на занятия приезжали студенты со всей Европы³.

В двадцатом веке появились новые вакцины против многих инфекций, например кори, дифтерии, коклюша. Благодаря вакцинам врачи сегодня спасают миллионы жизней ежегодно. Например, с помощью них детская смертность за последние 30 лет снизилась более чем на 50 %. И досадно, что до сих пор каждый пятый ребенок в мире все еще не привит. При улучшении глобального охвата вакцинацией дополнительно можно было бы предотвратить еще 1,5 миллиона смертей в год⁷.

Изобретения Луи Пастера продолжают успешно использоваться и сейчас. Это пастеризация молочных продуктов, соков, пива, вина, консервов. Живой вакциной против сибирской язвы прививают⁸ животных и людей с высоким риском заражения, например ветеринарных работников, тех, кто работает со шкурами животных и разделывает туши. Активно применяется⁸ инактивированная вакцина против бешенства для предотвращения смерти после укуса животного, больного бешенством, или с подозрением на него. Вакцину нередко вводят вместе с антирабическим иммуноглобулином — готовыми антителами против вируса.

Сегодня Институт Пастера, основанный в 1887 году во Франции, — международный исследовательский и образовательный институт, который продолжает заниматься развитием науки, медицины и общественного здравоохранения. А открытия ученого вдохновляют исследователей и дальше стремиться понять живой мир, улучшать здоровье человека и передавать знания будущим поколениям.