Сапунов Валентин Борисович - нобелевская премия за хронобиологию

Статьи

нобелевская премия за хронобиологию

[ссылка=15]Нобелевская премия за хронобиологию.[/ссылка]
Еще раз о тайнах взаимоотношения живых систем с потоком времени

6 ноября с.г. Нобелевский комитет определился с лауреатами премии по физиологии и медицине 2017 года. В этом году премия снова отправилась в США: награду разделили трое ученых весьма почтенного возраста: Майкл Янг из Рокфеллеровского университета в Нью-Йорке, Майкл Росбаш из Университета Брэндейса и Джеффри Холл из Университета штата Мэн. Согласно решению Нобелевского комитета, эти исследователи награждены «за открытия молекулярных механизмов, контролирующих циркадные ритмы». Ученые, работая на плодовой мушке дрозофиле, обнаружили молекулярно-генетические механизмы (точнее, некоторые из них), которые контролирует суточный ритм сна и бодрствования организма.
Работа относится к важному разделу биоэкологии – хронобиологии. Как известно, по биологии Нобелевские премии уставом не предусмотрены. Если биологи их получают, то обычно по номинации «физиология и медицина». К физиологии данная работа имеется прямое отношение.
Комментируя это решение Нобелевского комитета, следует помнить, что высшая научная премия давно стала инструментом политики, в частности, политики антирусской. Наших ученых, подчас вполне достойных высших наград, Нобелевский комитет почти всегда обходит. В связи с этим полезно разобраться в сути награжденных работ и обратиться в истории хронобиологических исследований.
Одним из инициаторов таких работ был выдающийся советский ученый Николай Дмитриевич Кондратьев. Он разработал теорию циклических процессов в природе и обществе сначала применительно для экономических систем. В последние годы жизни он пытался создать общую философию рассмотрения повторяющих процессов в социальных и биологических системах, пока в 1938 году его жизнь не прервала пуля палача. Но задел его философских мыслей оказался настолько велик, что в период Перестройки возникла научная ассоциация «Прогнозы и циклы», которая продолжает активно работать до сих пор, разрабатывая прогнозы и изучая циклические процессы в природе и обществе.
В 50-е – 60-е годы проблемой внутренних биоритмов человека заинтересовался создатель практической космонавтики Сергей Павлович Королев (который совершенно заслуженно номинировался на Нобелевскую по физике, но, как и большинство русских ученых, оказался обойденным высокой наградой). Ему было важно знать, какой режим окажется оптимальным для космонавта в условиях длительного космического полета в отсутствии обычной смены дня и ночи. В экспериментах по изучению циркадных (околосуточных) ритмов было показано, что есть внутренние часы, которые при отключении обычных раздражителей переводят человека на несколько более длинный околосуточный ритм – порядка 30 – 32 часов. По-видимому, человек как биологический вид формировался в условиях, когда Земля медленнее крутилась вокруг оси, чем сейчас. Однако, что же является материальным носителем внутренних биологических часов, оставалось неясным.
Самое изученное животное на Земле – плодовая мушка дрозофила. Так что и проблема биологического времени могла изучаться и изучается на ней. В практику научных исследований она была введена в 1909 году американским биологом Т.Морганом. Неприхотливость в лабораторном разведении, быстрая смена поколений, наличие легко наблюдаемых внешних признаков – все это сделало ее излюбленным объектом генетических исследований. Вслед за генетиками к ее изучению приступили энтомологи, физиологи, биохимики, представители других научных дисциплин. Несмотря на рекордное количество исследований и публикаций, посвященных этому научному объекту, белые пятна в биологии сей мушки, всё же имеют место. Во всех биологических справочниках написано, что период эмбрионального развития у этого быстро формирующегося организма длится 20 часов. В конце прошлого тысячелетия я с моим учеником В.Легковым решил проверить этот факт. Результат оказался интересным и несколько неожиданным. Эмбрионов, которые формируются за 20 часов, почти не бывает. Некоторые проходят эмбриональный период за 12 часов, некоторые – за 32. Если эмбрион при рождении подвергнуть стрессовым воздействиям, появляется еще один пик, соответствующий времени развития в 27 часов. На основании этих фактов мы пришли к пониманию изменчивости по длительности биологических процессов, и ввели понятие «хроноизменчивости». Это - биоразнообразие по срокам протекания физиологических и онтогенетических (т.е. связанных с индивидуальным развитием) процессов. В принципе, ничего особо нового в этом понятии нет. Наука генетика утверждает, что изменчивости подвержен практически любой признак, характеризующий организм. Но понятие изменчивости параметров, связанных со временем, только начинает формироваться. На уровне обыденного сознания это выглядит вполне очевидно.
Результаты были доложены на двух международных конференциях по энтомологии в конце прошлого века - в Польше и в Чехии. Но понятно, что русским высоких наград не положено, и доклады прошли почти незаметно.
К американским ученым Нобелевский комитет относится иначе. За что же дали премию этого года? Что же такое циркадные ритмы и что конкретно открыли лауреаты, которые, по словам секретаря Нобелевского комитета, встретили известие о награде словами «Are you kidding me? – вы меня разыгрываете?».
Circa diem с латинского переводится как «вокруг дня». Так уж сложилось, что мы живем на планете Земля, на которой день сменяется ночью. И в ходе приспособления к разным условиям дня и ночи у организмов и появились внутренние биологические часы — ритмы биохимической и физиологической активности организма. Показать, что у этих ритмов доминирует внутренняя природа, удалось в 1980-х годах, отправив на орбиту американским спутником грибы Neurospora crassa. Вертясь вокруг Земли с космической скоростью, грибки продолжали жить по околосуточному ритму. Стало ясно, что циркадные ритмы мало зависят от внешних световых или других геофизических сигналов.
Генетический механизм циркадных ритмов обнаружили в конце прошлого века американские генетики Сеймур Бензер и Рональд Конопка, которые изучали мутантные линии дрозофил с отличающимися циркадными ритмами: у мушек дикого типа колебания циркадного ритма имели период 24 часа, у одних мутантов — 19 часов, у других — 29 часов, а у третьих ритм вообще отсутствовал. Данные были близки к тем, что получили мы в Биологическом институте Петербургского университета. Но технические возможности позволили американцам нас обойти, не только установить явление, но и проникнуть в его молекулярную основу. Оказалось, что ритмы регулируются геном PER — period. (В скобках заметим, что в современной генетике сложилась устойчивая традиция называть гены по-английски, независимо от языка, на котором опубликована работа). Следующий шаг, который помог понять, как появляются и поддерживаются такие колебания циркадного ритма, сделали нынешние лауреаты, которые нашли саморегулирующийся часовой механизм. Джеффри Холл и Майкл Росбаш предположили, что кодируемый геном period белок, обозначаемый как «PER» блокирует работу собственного гена, и такая петля обратной связи позволяет белку предотвращать собственный синтез и циклически, непрерывно регулировать свой уровень в клетках. Обнаруженная ими картина показывает последовательность событий за 24 часа колебаний. Когда ген активен, производится м-РНК (информационная рибонуклеиновая кислота, ответственная за синтез необходимого белка). Она выходит из ядра в цитоплазму, становясь матрицей для производства белка PER. Белок PER накапливается в ядре клетки, и при его достаточном количестве активность гена period оказывается заблокирована. Это и замыкает петлю обратной связи. В 1994 году Майкл Янг открыл второй ген циркадного ритма, timeless (англ. «безвременный»). Он кодирует белок TIM, который нужен для нормальной работы наших внутренних часов. В своем изящном эксперименте Янг продемонстрировал, что, только связавшись друг с другом, TIM и PER в паре могут проникнуть в ядро клетки, где они и блокируют ген period. Такой механизм обратной связи объяснил причину появления колебаний, но было непонятно, что же контролирует их частоту. Майкл Янг нашел другой ген, doubletime. В нем «записан» белок DBT, который может задержать накапливание белка PER. Так и происходит «отладка» колебаний, чтобы они совпадали с суточным циклом. Эти открытия совершили переворот в нашем понимании ключевых механизмов биологических часов человека. В течение последующих лет были найдены и другие белки, которые влияют на этот механизм и поддерживают его стабильную работу. Например, лауреаты этого года обнаружили дополнительные белки, которые заставляют ген period работать, и белки, с помощью которых свет синхронизирует биологические часы.
Можно порадоваться за успех и заслуженную награду американских ученых. Однако нельзя не отметить с сожалением, что работы русских ученых (извините, и работы автора данной статьи) как всегда оказались в тени. Здесь проглядывает устойчивая закономерность. Русским ученым традиционно была свойственная энциклопедическая образованность, способность делать серьезные обобщение, но, за отсутствием технических возможностей, не доводить свои работы до логического конца. Приведу примеры из области близкой мне науки - генетики. В 30-е годы прошлого века советский ученый Н.К.Кольцов предсказали существование системы записи в хромосомах наследственной информации, т.е. того, что мы сейчас называем «генетическим кодом». Попав в жернова сталинских репрессий, ученый не закончил эти работы. В 50-е годы другой русский – Г.Гамов (основные работы выполнил в США) – теоретически рассчитал основные свойства генетического кода. Но реально его смогли расшифровать в 60-е годы, имея огромные экспериментальные ресурсы, американский ученый М.Ниренберг, американский ученый индийского происхождения Г.Корана, и некоторые другие, получившие по Нобелевской премии.
Способность ультрафиолетовых и рентгеновских лучей вызывать наследственные изменения – мутации – доказали в 1926 году ленинградские биологи Г.А. Надсон и Г.С.Филипов. Хорошо знакомый с их работами, американец Г.Меллер повторил то же открытие, но в отличие от наших ученых дополнил его точными методами учета числа мутаций и пониманием их механизма на молекулярном уровне. Часть его работ была выполнена в СССР, но закончились они в США. Нобелевскую в конечном итоге получил один Меллер.
В отношении существования живых организмов в потоке времени важный прорыв наметил в 80-е годы прошлого века московский ученый А.М.Оловников. Он создал самую обоснованную на то время гипотезу старения, связав этот печальный, но неизбежный процесс с распадом ДНК в концевых («теломерных») участках хромосом. Американские ученые К.Грейдер и Э.Блэкберн в начале 21 века подтвердили справедливость гипотезы Оловникова, подключив к работе технические возможности своих лабораторий, за что получили Нобелевскую в 2009 г. Оловников, понятно, не получил ничего кроме неприятностей.
Истина всегда остается истиной, и не так уж важно, с именем какого ученого она была обретена человечеством. Но есть еще историческая справедливость. Важно и то, что любое открытие возникает на фоне определенного уровня развития всей мировой науки. Существенной частью ее является наука российская. Игнорировать ее нельзя, тем более что все человечество пользуется ее плодами.

Валентин Сапунов,
доктор биологических наук