Премия за самое главное

Просветительский проект Иркутского государственного университета и клуба молодых ученых «Альянс» «Научные Weekend`ы» продолжает работу. В субботу 27 февраля доктор биологических наук, профессор кафедры физиологии Игорь Гутник рассказал самым преданным слушателям о нобелевских лауреатах по физиологии и медицине.

Российский вклад

Начиная лекцию, Игорь Гутник напомнил о проблеме, которую часто ставят на первое место в разговоре о Нобелевской премии и ее лауреатах – предвзятости комитета, принимающего решения о награждении. Понятно, что все мы люди и каждый имеет право на собственное мнение, но плохо, когда индивидуальность превращается в сознательную предвзятость. Нет, наверное, ни одной страны и ни одной научной школы, которая не считала бы себя обделенной наградами. В отношении России это особенно верно, ведь практически весь ХХ век наша страна стояла в оппозиции к большинству других развитых стран. Поэтому, оценивая нобелевских лауреатов, Игорь Гутник предлагает смотреть не на оценку комитета, а на реальный вклад научной школы в дальнейшие исследования.

Всего с 1901 по 2020 год Нобелевские премии по физиологии и медицине получили 225 ученых. В этом списке всего два россиянина: в 1904 году премию получил Иван Петрович Павлов и в 1908 году Илья Ильич Мечников – за разработку механизма клеточного иммунитета.

– Наверное, нет в нашей стране ни одного человека, который, услышав имя Павлова, не вспомнил бы тут же «павловских собачек», выделение пищеварительного сока в ответ на разные раздражители и так далее. Павлов выделил рефлексы врожденные – если их нет, то человек сразу погибает; и рефлексы безусловные, возникающие под действием внешних условий, – напомнил Игорь Гутник. – Но по формулировке комитета, премию Павлову дали за иное: «За труды по физиологии пищеварения, изменившие понимание жизненно важных аспектов этого вопроса».

Изучением динамики пищеварения Павлов занимался около десяти лет до 1902 года, а премия стала следствием доклада Павлова на научном конгрессе в Мадриде, который произвел большое впечатление. Ученые не могли изучать состав и качество пищеварительного сока в желудке, поскольку материал всегда был загрязнен пищей, и только Павлов придумал операцию, во время которой из нормального желудка «выкраивали» небольшой дополнительный орган. Он работал точно так же, как основной, и выделял нормальный сок – вот его-то и брали для анализа.

После получения премии Павлов переключился на исследования рефлекторной деятельности, которые всегда интересовали его больше, чем другие вопросы. Но как это ни странно, создателем теории рефлексов был не он, а другой российский ученый – Иван Михайлович Сеченов. Уже в 1863 году в работе «Рефлексы головного мозга» он изложил все выводы, к которым пришел Павлов, и привел доказательства рефлекторной природы психической деятельности. Он писал, в частности, что ни одна мысль не возникает сама по себе – поводом всегда становится действие физиологического раздражителя, а завершается этот процесс каким-то движением, сокращением мышц.

Но в отличие от Сеченова, создавшего теорию, у Павлова был опыт практикующего хирурга и лаборатория для постановки экспериментов. За работу по исследованию высшей нервной деятельности его вторично номинировали на Нобелевскую премию, но эта попытка не удалась. Взаимная обида Павлова и Нобелевского комитета привела к тому, что термин «высшая нервная деятельность» использовался в России, а в большинстве стран мира подобные исследования называли «экспериментами в области практической психологии».

Павлова номинировали на Нобелвскую премию еще трижды, причем за него просили ведущие научные коллективы мира – ответа не было. Когда в 1937 году советский хирург Аничков показал механизм формирования атеросклеротических бляшек и доказал роль холестерина, номинация была поддержана крупнейшими учеными мира, но в очередной раз отвергнута комитетом. Всего в разные годы номинации на советских и российских ученых подавались 15 раз, но ни одна из них не была принята и рассмотрена.

На фото: Иван Павлов – нобелевский лауреат 1904 года;

Илья Мечников в 1908 году стал вторым и до сих пор
последним ученым из России, получившим Нобелевскую
премию по физиологии и медицине

Краса и гордость

Из остальных лауреатов Игорь Гутник выбрал награжденных за исследования нервной системы – он тоже занимается этой проблемой, поэтому может быть и более точным, и более объективным в оценке результатов. В 1906 году премию разделили Камилло Гольджи и Рамон-и-Кахаль Сантьяго за работу по гистологии и морфологии нервной системы. Гольджи, который жил в крайней бедности и ставил эксперименты на кухне, открыл способ окрашивания нервов солями тяжелых металлов. Именно этот способ впервые сделал видимым не только тело клетки, но и многочисленные отростки. Единственным недостатком метода считается тот факт, что из 50 клеток окрашивалась только одна, и объяснения этому факту не нашли до сих пор. Тем не менее теперь ученые видели клетки в таких подробностях, что смогли оценить не только их количество, но и внешний вид, структуру и другие важные детали.

Несмотря на то что Гольджи и Рамон-и-Кахал получили премию в один год, в науке они были непримиримыми оппонентами. Гольджи не смог увидеть границу между двумя нейронами и считал, что нервы образуют единую сеть. Рамон же выдвинул «шесть тезисов о нейроне», которые стали фундаментом теории морфологического и функционального единства этих клеток. По его представлениям, нейроны имеют единое анатомическое, генетическое, функциональное и регенеративное единство, проявляют одинаковые реакции и так далее. Эта гипотеза разделила научное сообщество на два лагеря, поэтому Нобелевский комитет решил наградить обоих, предполагая, что будущее рассудит, кто прав. Ждать пришлось долго: теория Рамона-и-Кахаля получила подтверждение только через 50 лет. И до сих пор неизвестно, как он смог прийти к своим выводам, признанным сегодня гениальным прозрением.

В 1914 году премию получил Роберт Барани, подданный Австро-Венгерской империи, за работы по физиологии и патологии вестибулярного аппарата. Барани работал в клинике ушных болезней, где лечение производилось в основном промыванием уха теплой водой. Занимаясь этой процедурой, он обнаружил, что у многих пациентов при этом наблюдается нистагм – специфическое движение глаза, которое бывает естественным и патологическим. Появление движений глаза и головокружения при промывании ушей нельзя было объяснить ничем, кроме перевозбуждения вестибулярного аппарата: мозг получал сигнал о каких-то перемещениях, но глаз этого не подтверждал.

Из-за ошибки лаборанта, который подал для промывания более холодную, чем полагалось, воду, Барани выяснил, что при промывании горячей и холодной водой глаза пациентов вращаются в разные стороны. Для дальнейших исследований он изобрел специальное вращающееся кресло, один из вариантов которого до сих пор используют при испытании кандидатов в летные и космические школы. Оно так и называется: «кресло Барани».

– Если бы он запатентовал вращающееся кресло, его потомки и по сей день были бы очень богатыми людьми, потому что сегодня ни один офис без него не обходится, – отметил Игорь Гутник.

Барани сделал целый ряд открытий, которые впоследствии использовали врачи всего мира. Однако вручить ему премию удалось только в 1916 году: с началом Первой мировой войны он, как военнообязанный, был отправлен на фронт, оказался в Галиции и был взят в плен русской императорской армией. Его отправили в лагерь пленных в Туркестан, где он служил врачом. Несколько императорских домов Европы и многочисленные научные коллективы просили императора Николая II отпустить нобелевского лауреата. Самодержец не отвечал никому, пока совершенно неожиданно в конце 1916 года Барани не отпустили в Норвегию.   

По цепочке исследований

В 1936 году премия за исследование химической природы передачи нервного импульса была присуждена Генри Дейлу (Великобритания) и Отто Леви (Австрия). В этой паре Дейл был даже не физиологом, а химиком-фармакологом и изучал пищеварительный гормон секретин. Его коллега Томас Эллиот предположил, что нервные клетки не только передают электрический сигнал, но и обмениваются неким веществом, которое впоследствии выделили и назвали адреналин. Дейл развил это предположение и исследовал весь процесс так глубоко, что премию за теорию Эллиота в итоге получил именно он. Начинал он с исследований веществ, выделенных из спорыньи (паразит ржи), которые действовали на мышечные волокна так же, как инъекция адреналина. Ацетилхолин (одно из таких веществ) вызывал сокращение мышц, другие понижали давление крови и отменяли действие препаратов, сужающих сосуды.

Премию за изучение различий между отдельными нервными волокнами получили в 1944 году Герберт Гассер и Джозеф Эрлангер (США). Гассер изучал влияние нервных явлений на кровообращение, работу сердца и другие процессы. Эрлангер поначалу был его учителем, а позднее они работали совместно, но именно Гассер считается создателем нейрофизиологии. Вместе они начали трактовать показания осциллографа Вуда, записывающего сигналы нервной системы, не как помехи, а как запись электрических процессов, происходящих в организме. Обнаружив, что разные нервные волокна по-разному проводят сигнал, они пришли к выводу о существовании разных по структуре и функциям нервных клеток. Клетки, передающие сигнал от органов чувств в мозг, получили название афферентных, а из мозга в мышцы – эфферентных. 

Работы Гассера и Эрлангера стали базой для двух ученых, получивших премию в 1963 году, – Алан Ходжкин и Эндрю Хаксли (Великобритания) изучали ионные механизмы возбуждения и торможения в периферических и центральных участках нервной системы. Основные открытия были сделаны в 1952 году, когда два автора, базируясь на работах Бернштейна, занялись изучением прохождения импульса через мембрану клетки. Коллеги советовали Ходжкину работать с аксонами краба, размер которых достигает трети миллиметра. Но во время поездки на стажировку к Гассеру Ходжкин посетил океанический институт, где узнал о другом удобном объекте – аксоны кальмара достигают миллиметра.

С 1938 года Ходжкин и Хаксли разработали методику введения электрода в аксон кальмара и измерения силы сигнала. Проблема была в том, что металлический электрод, способный проколоть мембрану аксона, создавал помехи, а тонко заточенный электрод становился мягким и не мог проникнуть в мембрану. Ходжкин и Хаксли создали полый стеклянный капилляр, который был и твердым, и способным проводить сигнал через специальные электролиты. Благодаря этому достижению, исследователи установили, как распространяется электрический импульс в аксоне, и создали биофизическую и математическую модель всех процессов. Не обошлось без проблем. Подходя к задаче с точки зрения не биологии, а физики, Ходжкин и Хаксли пришли к выводу, что внутреннее содержимое клетки не имеет значения для передачи сигнала. Из этого следовал вывод, что вся суть процесса во взаимодействии сигналов на мембране аксона. Это остановило дальнейшие исследования, и, по сути, до сих пор наука не продвинулась дальше результатов, полученных Ходжкиным и Хаксли.   

– Представьте, что у вас есть пять тысяч знакомых и один друг. Все знакомые одновременно присылают вам СМС, которые вы читаете и кратко пересказываете другу их содержание. Это аналогия того, что происходит в нервной клетке: она получает сигналы по тысячам каналов и передает дальше всего по одному. Поэтому главное, что происходит в клетке, – это обработка информации, ее главная функция – интегративная. Только после обработки информации запускается механизм передачи. А из-за Ходжкина и Хаксли весь мир отбросил эти процессы и замкнулся на изучении передачи сигнала. Российский ученый Петр Анохин описал несколько парадоксов их теории и сделал вывод, что передается не электрический импульс, а информационный сигнал, – пояснил Игорь Гутник. Анохин предложил и собственное объяснение происходящих в клетке процессов, пока, однако, не получившее мирового признания.

В 1970 году Нобелевская премия была вручена сразу трем ученым: Джулиус Аксельрод (США), Бернард Кац (Великобритания) и Ульф фон Эйлер (Швеция) изучали медиаторы – вещества, участвующие в передаче и блокировке нервного импульса. По оценке Игоря Гутника, это было все то же открытие Дейла и Леви, в котором произошли лишь некоторые уточнения. Фармацевт Аксельрод, например, выяснил, что медиатор может поглощать та же клетка, которая его произвела, – это называется «обратный захват». Он разработал вещества, препятствующие этому процессу для серотонина, – так появился целый класс препаратов, известных сегодня как антидепрессанты. Кац доказал, что медиаторы расположены в клетке не хаотично, а в капсулах-везикулах; Эйлер открыл и описал норадреналин, являющийся аналогом адреналина.

Осталась только голова

Совсем иной была Нобелевская премия 1973 года, которую получили Лоренц Конрад (Австрия), Николас Тирберген (Нидерланды) и Карл фон Фриш (Австрия) за исследования в области индивидуального и социального поведения животных. Фриш всю жизнь изучал пчел: он описал танец пчел, химические сигналы и даже феромоны (хотя и не использовал этот термин), при помощи которых матка управляет рабочими пчелами.  Конрад открыл явление импринтинга – в самом простом виде это поведение цыплят, которые ходят за человеком, как за матерью-курицей, если первым в своей жизни видят человека. Некоторые обезьяны, потерявшие родителей в раннем возрасте, неспособны обучиться строительству «гнезда», если они не видели, как это делают взрослые особи.

Лоренц и Тимберген разрабатывали общую теорию, получившую название «этология» (изучение генетически обусловленного  поведения животных в полевых условиях), и сильно разошлись во время Второй мировой войны: Лоренц вступил в НСДАП, воевал и попал в плен к советским войскам, а Тимберген стал участником сопротивления нацистам и прятал евреев. Однако после войны общие научные воззрения снова свели их вместе, хотя Лоренц на протяжении всей жизни придерживался крайне сомнительных взглядов. В частности, он утверждал, что агрессия – это нормальное и даже полезное явление.

В последние годы Нобелевские премии дают уже не за фундаментальные теории, а за практические работы – например, за открытие и описание вируса гепатита С. Этот метод позволяет даже лечить болезнь, хотя это стоит очень дорого. Другая премия была присуждена за изучение механизма работы клеток при кислородном голодании, хотя аналогичные работы были выполнены в СССР уже в 1950–1960-е годы. Премия по физиологии вообще не присуждается уже с 1981 года, когда Дэвид Хьюбел (США) и Торнстон Визель (Швеция) получили награду за изучение принципов переработки информации в зрительной системе.

– К сожалению, мы сейчас не можем конкурировать с западными учеными по техническому оснащению. Наш инструмент, как у Рамона-и-Кахаля – это голова, – отметил Игорь Гутник.

Записал Борис Самойлов, «Байкальские вести».

Иллюстрации из презентации Игоря Гутника