Текст книги "100 великих научных открытий"

Нейроны и нейротрансмиссия

Создателями учения о нейроне считаются Сантьяго Рамон-и-Кахаль и Камило Гольджи. Первый использовал технику окрашивания, предложенную вторым, чтобы разглядеть в микроскоп тончайшие волокна – отростки нервных клеток. Увидев, что клетки образуют целые нейронные сети, Сантьяго зарисовал их, а в 1894 г. на лекции в Королевском сообществе Лондона сделал доклад о своем открытии, но… из-за отсутствия убедительных доводов не нашел сторонников.

Впрочем, мало кто знает, что у истоков учения также стоял знаменитый создатель психоанализа Зигмунд Фрейд. В 1877 г., будучи студентом-медиком, он устроился на работу в лабораторию физиолога Эрнста Брюкке и сразу же увлекся изучением биологии нервной ткани. Брюкке среди прочего интересовался эффектом воздействия электричества на нервно-мышечную ткань и яро опровергал теорию витализма, согласно которой все живое отличается от неживого некой «жизненной искрой», «энергией», связанной с душой. Физиолог считал, что живые сущности функционируют благодаря определенным физико-химическим законам, и эту идею Фрейд использовал впоследствии в построении своей «Психодинамической теории личности».

Задавшись целью сравнить нервную деятельность человека и других позвоночных с беспозвоночными, Фрейд долгое время изучал под микроскопом мозг лягушек, речных раков и миног, что привело его к ряду важных открытий, которые помогли установить эволюционную связь между всеми организмами. Так, ученый выяснил, что позвоночная хорда миноги содержит недифференцированные (незрелые) клетки, из которых формируются чувствительные волокна. А еще – что нервные волокна берут начало в сером веществе и складываются в сеть, подобную паутине. Кроме того, Фрейд первым описал структуру и функции продолговатого мозга, а также белую субстанцию, соединяющую спинной мозг и мозжечок.

В то время структура нервной системы была предметом бурных дебатов. В 1830-е с помощью микроскопа ученые открыли клетку, однако техника была еще недостаточно мощной, чтобы позволить разглядеть синапсы – промежутки между нервными клетками. Потому весь научный мир разделился на два лагеря: нейронистов и ретикуляристов. Первые полагали, будто мозг состоит из элементарных структурных частиц – нейронов. Вторые же считали, что мозг – это единая структура, неразделимая на клетки. Приняв сторону нейронистов, Фрейд взялся описывать и зарисовывать все свои наблюдения за серым веществом и выходящими оттуда нервными волокнами, а в 1877 г. опубликовал изображение позвоночной хорды миноги, где отчетливо просматривалось тело нервной клетки в сером веществе.

Попутно Фрейд изобрел новый метод окрашивания нервной ткани: «Кусочки органа подвергаются отвердеванию в бихромате углекислого калия или в жидкости Эрлиха (2,5 части бихромата углекислого калия и 0,5 сульфата меди к 10 частям воды). Процесс отвердевания завершается помещением экземпляра в спирт. Затем микротомом нарезаются тонкие секции, промываются дистиллированной водой и помещаются в раствор хлорида золота (1:100), куда добавляется объем концентрированного спирта».

Свои наблюдения ученый описал на лекции в 1884 г.: «Еслимы предполагаем, будто нити нервных волокон представляют собой изолированные проводниковые тракты, то следует признать, что в итоге эти пути раздельных волокон в нервной клетке сходятся. Нейроны являются началом всех этих проводящих путей и ими же анатомически соединяются… Вероятно, стимул определенной силы может преодолеть изолированность нервных волокон, и тогда нерв становится единицей, управляющей возбуждением…»

Таким образом, именно Зигмунд Фрейд открыл нейрон, однако презентовал его слишком невнятно, потому учение, согласно которому нервные клетки являются главным структурным и функциональным элементом нервной системы, получило признание лишь в начале 1890-х. Именно тогда Рамон-и-Кахаль стал использовать для сравнения нервных тканей различных животных метод окраски, придуманный будущим отцом психоанализа.

Появление электронных микроскопов расширило возможности исследований в различных областях науки. И если британский физиолог Чарльз С. Шеррингтон ввел понятие синапса на рубеже XIX—XX вв., то увидеть и разглядеть синапсы как контактные зоны, соединяющие отростки нейронов, стало возможным только в 1950-х благодаря электронным микроскопам. Тогда же было установлено, что у каждого нейрона образуется от 1000 до 10 000 синапсов с другими клетками мозга. Всего мозг содержит 100 млрд нейронов (даже сложно представить, через сколько тысяч лет можно было подвести итог при желании подсчитать количество синапсов, причем считая со скоростью 1000 штук в секунду).

Нейрон, его дендриты (короткие отростки, передающие сигналы к телу нейрона) и аксон (длинный отросток, который передает информацию от тела нейрона к следующему нейрону или к рабочему органу) синтезируют медиатор – химический посредник в процессе передачи нервного импульса. Медиаторы были открыты австрийским ученым Леви в 1921 г. В физиологический раствор Леви поместил два сердца лягушек и соединил их тонкой трубочкой. Попадая в одно сердце, раствор переходил в другое, и при раздражении нерва первого сердца второе также начинало сокращаться. Ученый догадался, что раздражение нерва влечет появление в растворе веществ, которые оказывают на другой орган воздействие, подобное эффекту нервного возбуждения. Спустя три десятка лет электромикроскоп показал любопытную картину: обнаруженные Леви вещества – медиаторы – хранятся в пузырьках в теле нейрона, пока к нервному окончанию не поступит сигнал. Сразу после этого пузырьки разрываются и выливают содержимое в щель между синапсами двух нервных клеток. Медиаторы прикрепляются к белкам-рецепторам на мембране нейрона-адресата, и те запускают цепь реакций передачи сигнала внутри клетки.

Позже ученые пришли к мысли, что медиаторы могут быть разными. Первыми были открыты адреналин и ацетилхолин, а затем еще более 30 медиаторов, среди которых норадреналин, серотонин, мелатонин, гистамин, дофамин, октопамин, АТФ, ГАМК, глицин, глутамат, аспартат, эндорфины, энкефалины, вазопрессин, окситоцин. Все они сходны с гормонами как по химическому составу, так и по механизму действия.

Из-за того, что число медиаторов невелико, исследовать работу мозга сложно. Однако В. Уиттейкер и Э. Робертис разработали методику, согласно которой ткань мозга осторожно разрушается в растворе сахарозы, вследствие чего нервные окончания отрываются от своих аксонов и образуют замкнутые частицы – синаптосомы, обладающие механизмами синтеза, хранения, высвобождения и инактивации медиатора. Далее с помощью центрифуги синаптосомы отделяются от других компонентов нейрона, и ученые получают возможность изучать их работу в пробирке.

Так было установлено, что нейроны способны генерировать химическую энергию путем окисления пищеварительных веществ, восстанавливать и сохранять свою целостность, производить и выделять медиаторы, а также поддерживать ионные градиенты (разницу электрического заряда внутри клетки и вне ее).

За последние годы достигнуты значительные успехи в познании различных медиаторов и процессов синаптической передачи. Исследования показали, что медиаторы расположены не по всей ткани мозга, а локально. Например, клетки, содержащие норадреналин, сосредоточены в стволе и образуют «голубое пятно». Аксоны этих нейронов очень разветвлены и связаны с различными областями: гипоталамусом, мозжечком, передним мозгом. Потому норадреналиновые нейроны ответственны за поддержание бодрствования, ощущение удовольствия, сновидения и настроение. Нейроны, содержащие дофамин, сосредоточены в «черном веществе». Свои аксоны они посылают в передний мозг (эмоции) и в область полосатого тела (регуляция сложных движений). Деградация дофаминовых волокон в данной части мозга приводит к перенапряжению мышц и тремору, что характерно для болезни Паркинсона. А избыток дофамина в лимбической системе переднего мозга, возможно, причастен к шизофрении. Кроме того, установлено, что действие многих психотропных препаратов основано на их способности прерывать или модифицировать химическую передачу от нейрона к нейрону.

Ученые уверены, что открытие нейрона и глубокое изучение механизмов передачи импульсов между этими клетками позволит в будущем выявить причины многих психических расстройств. По словам Рамон-и-Кахаля, пока мозг остается тайной, люди не устанут ее разгадывать.

Гормоны

Как бы ни был велик успех нейронной теории, ученые понимали, что вещества-медиаторы, курсирующие по нервным путям, не могут считаться единственными регуляторами организма. Должны быть еще и такие химические сигнализаторы, которые путешествуют по крови и вырабатываются железами внутренней секреции. Обычные железы – слюнные, желудочные, кожные и т. п. – легко распознать, поскольку образуемый ими продукт выходит через выводные протоки наружу, однако у желез внутренней секреции выводного протока нет, потому долгое время они не считались железами. Понять их назначение удалось только с помощью микроскопа.

В 1848 г. геттингенский физиолог Арнольд А. Бертольд удалил у шести петухов яички, а затем двум подопытным подсадил железы в брюшную полость. В результате эти птицы остались петухами, тогда как остальные превратились в кастратов: гребень у них сморщился, половой инстинкт угас, оперение потускнело, тело обросло жиром. Дальнейшие исследования показали, что пересаженные яички хорошо прижились, а это означало только одно: нормальную жизнедеятельность данных органов обусловливают не нервы, как считалось раньше, а «воздействие яичка на кровь и на весь организм в целом». Увы, работу Бертольда не оценили – лишь 60 лет спустя на нее обратил внимание австрийский физиолог Артур Бидль.

Само понятие «гормон» (от греч. horman ― возбуждать, побуждать), обозначающее вещества, выделяемые железами внутренней секреции, появилось в начале ХХ в. Его автор – физиолог Эрнест Старлинг – в 1902 г. обнаружил, что даже если перерезать все нервы, ведущие к поджелудочной железе, то она все равно будет принимать сигналы и выделять пищеварительный сок сразу после попадания кислой пищи из желудка в кишечник. Под влиянием кислоты желудочного сока слизистая оболочка тонких кишок вырабатывает вещество, которое Старлинг назвал секретином, а оно в свою очередь стимулирует выделение сока поджелудочной. Впоследствии было выявлено, что большинство гормонов, циркулирующих с кровью в ничтожных концентрациях, поддерживают строгое соотношение между химическими реакциями и таким образом регулируют физиологические процессы в организме.

Между тем в начале XIX в. немецкий врач Карл Адольф Базедов описал болезнь, позже названную базедовой. Ее симптомы (жар, потливость, учащенное сердцебиение) часто приписывались нервозности, хотя на самом деле были следствием гипертиреоза – повышенной функции щитовидной железы. В 1884 г. бернский хирург Теодор Кохер опубликовал отчет о проведенных им операциях на зобе, указав, что удаление щитовидной железы оказывает губительное действие на пациентов: лицо опухает, наступает полное бессилие. Кохер думал, будто щитовидная железа очищает организм от токсинов, однако факт смерти пациентов от истощения опровергал эту версию.

Позже Адольф Магнус-Леви (1865—1955) обратил внимание на связь между нарушениями основного обмена веществ и заболеваниями щитовидной железы: как оказалось, этот орган производит тиреоидные гормоны, используя содержащийся в пище йод, и обеспечивает в организме обмен белков, жиров и углеводов. В 1914 г. биохимик Эдвард Кендалл выделил из щитовидной железы гормон тироксин, регулирующий метаболизм, и выяснил, что данное вещество совместно с гормонами половых желез и гипофиза влияет на рост костей, поэтому очень важно для молодых особей.

Не так давно было обнаружено, что по обе стороны щитовидной железы расположены продолговатые образования – эпителиальные тельца. Внимание на них обратили после того, как некоторые операции дали странные результаты, не имевшие связи с удалением щитовидки (хирурги, наученные опытом Кохера, приняли к сведению, что при операциях зоба нельзя удалять всю железу). Больные жаловались на покалывание в руках и ногах, подергивания лица, состояние, напоминающее эпилепсию. Заинтересовавшись этим явлением, биохимик Д. Коллип в ходе экспериментов над животными выяснил, что эпителиальные тельца – это железы внутренней секреции, которые выделяют гормон, влияющий на известковый обмен в организме.

Роль вилочковой железы, расположенной под грудиной, была определена только в начале ХХ в., когда И. Гудернач, добавляя частицы этого органа в корм головастиков, выращивал из них великанов, ничуть не похожих на взрослых особей. Другой группе головастиков Гудернач подмешивал вещество щитовидной железы, вследствие чего подопытные чуть ли не на следующий день превращались в лягушек… размером с муху. Позднее Л. Роунтри выявил, что вытяжка вилочковой железы вызывает ускоренный рост и половое развитие крыс, и это подтвердило связь данной железы с половыми.

Открытие гормона надпочечников принадлежит японцу Йокичи Такамине. В 1900 г. он презентовал пучки кристаллов, полученных из мозгового слоя надпочечника, и назвал вещество адреналином. Впрочем, до того Йокичи побывал в Мичигане у физиолога Д. Абеля, который долгое время пытался выяснить, какие вещества надпочечников повышают кровяное давление (об этом свойстве ученому рассказали польские исследователи). Высушив огромное количество овечьих надпочечников, Абель выделил из них чистый препарат к 1897 г., однако японец оформил патент первым. Позже стало известно, что выбросу адреналина в кровь способствует состояние страха, волнения или тревоги. А в 1904 г. Фридрих Штольц изготовил адреналин в лаборатории – это был первый искусственный гормон, полностью аналогичный природному.

В середине 1930-х началось глубокое изучение коры надпочечника, и в итоге ученые обнаружили гормон, нехватка которого вызывала опасную болезнь Аддисона. Еще большую сенсацию произвело открытие Э. Кендаллом гормона кортизона. Сейчас этот гормон с успехом применяется при лечении суставного ревматизма и других болезней.

В 1920 г. появилась работа Эугена Штейнаха, посвященная омоложению, и учение о гормонах вышло на новый уровень. По мнению Штейнаха, процессы старения связаны с тем, что половые железы перестают выбрасывать в кровь гормоны, которые вырабатываются так называемыми промежуточными клетками Лейдена и отвечают за формирование первичных и вторичных половых признаков, а также за нормальный обмен веществ. Следовательно, разрастание промежуточных клеток должно приводить к повышенному выбросу в кровь половых гормонов и омоложению организма – решил Штейнах и принялся перевязывать семявыносящие протоки самцам крыс, а пожилым самкам пересаживать яичники молодых. Результаты этих опытов не были длительными, однако они послужили стимулом для изучения гормонов половых желез.

В 1932 г. Адольф Бутенандт в Геттингене выделил из мочи мужской половой гормон андростерон. А три года спустя Эрнст Лакер в Амстердаме выделил из половых желез быка другой гормон – тестостерон. Как оказалось, андростерон и тестостерон имеют одну и ту же химическую формулу, но их структура и функции различны.

Женские половые гормоны были открыты Эдгаром Алленом и Эдуардом Дойси примерно в то же время, что и мужские, – в конце 1920-х. Затем Бутенандт и Лакер выделили женские гормоны из мочи беременных и в ходе опытов на крысах определили, что при впрыскивании вещества самкам течка начинается раньше. В 1935 г. Дойси описал чистый эстрадиол, выделив его из яичников свиней, при этом на каждые 10 мг гормона ученому требовалось четыре тонны исходного материала. Затраты оказались напрасными: двумя годами ранее Эрвин Швенк и Фридрих Гильдебрандт получили эстрадиол химическим путем, отняв у эстрона (фолликулярного гормона, содержащегося в моче беременных женщин) кислород, то есть подвергнув его процессу восстановления.

О другом женском гормоне, вырабатываемом желтым телом, еще в 1902 г. говорил гинеколог Людвиг Френкель. А в конце 1930-х Бутенандт получил 1 мг этого гормона, использовав желтые тела 50 000 свиней, и выяснил, что данное вещество (его назвали прогестероном) поддерживает и сохраняет беременность животных и людей.

Гипофиз – крошечная железа мозгового придатка, руководящая работой всех остальных желез и, соответственно, гормонов, – был открыт в 1920-х. Хотя передняя и задняя доли этого органа были обнаружены еще в XVIII в., лишь через 200 лет ученые узнали, что передняя доля имеет выраженный характер железы, а задняя состоит преимущественно из нервных волокон. В 1924 г. аргентинский физиолог Бернардо Хуссей доказал: гипофиз – это небольшая шаровидная железа внутренней секреции, которая лежит непосредственно под головным мозгом и влияет на расщепление сахара. А три года спустя Бернгард Цондек и Зельмар Ашгейм сообщили, что у молодых мышей после пересадки передних долей гипофиза началось преждевременное половое развитие. Исследования подтвердили: именно гипофиз обеспечивает созревание фолликулов яичников и обусловливает образование желтого тела.

В 1930—1940-х биохимик Чо Хао Ли выделил из гипофиза целый ряд различных гормонов, в том числе «гормон роста», который содержится в передней доле железы и регулирует рост организма. В связи с этим Карл Бенда установил, что если гипофиз заболевает, когда организм уже сформирован, то отдельные части тела увеличиваются и развивается акромегалия, сопровождающаяся головными болями. В последнее время тщательному изучению подвергся гормон передней доли гипофиза, регулирующий работу коры надпочечника, – АСТН. Кроме того, было обнаружено, что задняя доля тоже выделяет гормон, способствующий сокращению гладких мышц.

Так, в середине XX в. сформировалась наука, изучающая гормоны, – эндокринология – чрезвычайно сложный и плодотворный раздел биологии. Изучение гормонов обогатило медицину не только новой главой ее истории, но и ценными медикаментами, самым важным из которых стал инсулин.

Инсулин

Долгое время, пока наука не знала о гормоне инсулине, сахарный диабет, проявляющийся выделением большого количества «сладкой» мочи, жаждой, снижением веса и онемением конечностей, считался смертельно опасным заболеванием. Единственным известным методом лечения была строгая диета, предложенная доктором Алленом и заключающаяся в резком ограничении углеводов. Однако такая диета быстро приводила к истощению, поэтому пациенты могли продлить себе жизнь всего на несколько лет…

И вот в 1860-е немецкий студент Поль Лангерганс, изучая поджелудочную железу, обнаружил «маленькие клетки с блестящим содержимым, расположенные группами хаотично по всей поджелудочной железе». Впоследствии в честь ученого эти клетки были названы островками Лангерганса, хотя сам Поль так и не смог понять их функции.

Исследования продолжил другой ученый, Оскар Минковский, который в 1889 г. обнаружил, что у собак с удаленной поджелудочной железой развивается диабет. Дальнейшие опыты показали: если перевязать проток, по которому сок поджелудочной попадает в кишечник, то у животного возникнут трудности с пищеварением, зато уровень глюкозы в крови повышаться не будет. На этом основании Минковский сделал вывод, что поджелудочная железа вырабатывает не только пищеварительные соки, но и вещество, которое выделяется в кровь и регулирует уровень глюкозы. Казалось бы, стоит добыть это вещество, и лекарство от диабета найдено. Но тут дело застопорилось.

Лишь в начале 1921 г. молодой канадский хирург Фредерик Бантинг загорелся идеей во что бы то ни стало выделить целительные клетки. На эту мысль его натолкнула статья доктора Мозеса Бэррона о связи островков Лангерганса и диабета. Ссылаясь на работы русского ученого Л. Соболева, доктор Бэррон описал клинический случай, когда проток поджелудочной железы блокировался камнем, вследствие чего ткани органа повреждались, но островковые клетки оставались целыми. Бантинг предположил, что пищеварительный сок поджелудочной может быть губителен для островковых клеток, и составил план их выделения: перевязать проток железы у собаки; дождаться полной атрофии ткани органа, сохраняя островковые клетки живыми; постараться максимально изолировать эти клетки от пищеварительного сока и изъять их.

Со своей идеей Бантинг обратился к профессору университета Торонто Джону Маклеоду, одному из авторитетнейших ученых, изучавших диабет. Маклеод отнесся к затее молодого коллеги скептически, ведь к тому времени куда более опытные ученые уже предприняли множество попыток выделить островковые клетки, но все эксперименты заканчивались неудачно. Однако Фредерику в конце концов удалось убедить Джона, и тот предоставил ему крохотную, плохо оборудованную лабораторию, 10 подопытных собак и помощника, студента-медика Чарльза Беста.

Работа началась летом 1921 г. На тот момент оба экспериментатора не обладали ни теоретическими знаниями, ни практическими навыками. Профессор Маклеод обучил Беста оперативному удалению поджелудочной железы, дал ряд советов – и уехал в отпуск в родную Шотландию.

Перво-наперво Бантинг и Бест удалили поджелудочную у одной группы подопытных собак, что привело к росту уровня глюкозы в крови и развитию диабета. (Надо заметить, в то время как раз появился новый метод определения концентрации глюкозы, требовавший всего 0,2 мл крови, а не 25 мл, как раньше, что позволило не изнурять и без того слабых больных.) У другой группы собак ученые перевязали проток поджелудочной железы, и постепенно та ее часть, что вырабатывала пищеварительные соки, атрофировалась. После жéлезы вырезали, заморозили в растворе солей и отфильтровали, а полученную изолированную субстанцию назвали «айлетин». Это вещество Бантинг и Бест стали вводить больным собакам по нескольку раз в день, и уровень глюкозы в крови начал снижаться – животные поправлялись буквально на глазах.

Своими достижениями Бантинг и Бест незамедлительно похвастались перед Маклеодом. Тот был немало впечатлен, однако потребовал проведения дополнительных тестов. Ученые понимали, что для дальнейших исследований им требуется большее количество действующего вещества, потому решили использовать поджелудочные железы крупного рогатого скота. Успешные эксперименты следовали один за другим, Маклеод осознал, что ученые стоят на пороге крупнейшего открытия, и выделил им более крупную лабораторию, снабдив ее всеми необходимыми ресурсами. А кроме того, предложил назвать полученное вещество инсулином.

В конце 1921 г. к группе ученых присоединился еще один участник – биохимик Бертрам Коллип. Его задачей было очистить новое вещество, чтобы инсулин стал пригоден для лечения людей. Также в ходе исследования ученые пришли к выводу, что можно использовать целую поджелудочную железу, не прибегая к длительному процессу атрофии ее пищеварительной части.

Поначалу Бантинг и Бест пробовали вводить инсулин себе, но, кроме слабости и озноба, никаких других проявлений не обнаружили. Инъекция инсулина впервые была сделана 11 января 1922 г. 14-летнему канадцу Леонарду Томпсону, страдавшему диабетом. Увы, эта инъекция не привела к желаемым результатам – уровень глюкозы в крови снизился незначительно, а место укола воспалилось. Коллип продолжил работу по очистке инсулина, и 23 января Леонард получил новую дозу. Результат был ошеломляющий: уровень глюкозы упал с 29 до 6,7 ммоль/л. С каждым днем пациент чувствовал себя все лучше, постепенно набирая силы и вес.

Ученые принялись тестировать инсулин на других пациентах с диабетом, и очень скоро новости об открытии лекарства достигли Европы. В 1923 г. Нобелевский комитет наградил Бантинга и Маклеода премией в области физиологии и медицины – это был грандиозный успех, тем не менее Бантинг был недоволен, что его коллега Бест не получил награды. Чтобы поблагодарить Беста за вклад в открытие инсулина, Бантинг отдал ему половину своей части «нобелевки», а Маклеод разделил свою часть с Коллипом. Споры о справедливости вручения премии не утихали долгое время. Многие считали, что Маклеод ничего не заслужил, хотя именно он помог воплотить идею Бантинга, предоставив лабораторию, оказав помощь ценными советами и связями, благодаря которым весть об открытии быстро разлетелась по всему миру.

Вскоре началось широкое изготовление инсулина, и к 1923 г. лекарством были снабжены все пациенты Североамериканского континента. В Европу же его привез нобелевский лауреат Август Крог. Хотя инсулином полностью вылечить больного невозможно, открытие гормона стало одним из величайших прорывов науки ХХ в. Оно дало шанс людям, страдающим диабетом, прожить долгую, счастливую жизнь.