Ритм жизни
Циркадные ритмы — это суточные изменения деятельности организма. Они включают регуляцию сна и бодрствования, выделения гормонов, температуры тела и других параметров, которые изменяются в соответствии с суточным ритмом, поясняет врач-сомнолог Александр Мельников. Он отметил, что исследователи вели разработки в этом направлении несколько десятков лет.
«Прежде всего, нужно отметить, что это открытие не вчерашнего и не сегодняшнего дня. Эти исследования велись многие десятилетия — с 80-х годов прошлого века до настоящего времени — и позволили открыть один из глубинных механизмов, регулирующих природу организма человека и других живых существ. Механизм, которые открыли учёные, очень важен для влияния на суточный ритм организма», — рассказал Мельников.
По словам эксперта, эти процессы происходят не только из-за смены дня и ночи. Даже в условиях полярной ночи суточные ритмы будут продолжать действовать.
«Эти факторы очень важны, но очень часто у людей они нарушены. Эти процессы регулируются на генном уровне, что подтвердили лауреаты премии. В наше время люди очень часто меняют часовые пояса и подвергаются разным стрессам, связанным с резкими изменениями циркадного ритма. Напряжённый ритм современной жизни может влиять на правильность регулировки и возможности для отдыха организма», — заключил Мельников. Он уверен, что исследование Янга, Холла и Росбаша даёт возможность разработать новые механизмы воздействия на ритмы человеческого организма.
Фон
Нобель интересовался экспериментальной физиологией и создал собственные лаборатории.
Альфред Нобель родился 21 октября 1833 года в Стокгольме , Швеция, в семье инженеров. Он был химиком, инженером и изобретателем, сколотившим состояние при жизни, большую часть которого он получил благодаря 355 изобретениям, самым известным из которых является динамит . Он интересовался экспериментальной физиологией и создал собственные лаборатории во Франции и Италии для проведения экспериментов по переливанию крови. Будучи в курсе научных открытий, он был щедр на пожертвования лаборатории Ивана Павлова в России и с оптимизмом смотрел на прогресс, достигнутый в результате научных открытий, сделанных в лабораториях.
В 1888 году Нобель с удивлением прочитал во французской газете собственный некролог под названием «Торговец смертью мертв». Так случилось, что умер брат Нобеля Людвиг , но Нобель, недовольный содержанием некролога и обеспокоенный тем, что его наследие плохо отразится на нем, был вдохновлен изменить свое завещание. В своем последнем завещании Нобель просил, чтобы его деньги были использованы для создания серии премий для тех, кто приносит «наибольшую пользу человечеству» в физике , химии , мире , физиологии или медицине и литературе . Хотя Нобель написал несколько завещаний при жизни, последнее было написано чуть более чем за год до его смерти в возрасте 63 лет. Поскольку его завещание оспаривалось, оно не было одобрено стортингом (парламентом Норвегии) до 26 апреля 1897 года.
После смерти Нобеля был создан Нобелевский фонд для управления завещанными активами. В 1900 году новый устав Нобелевского фонда был обнародован шведским королем Оскаром II . Согласно завещанию Нобеля, Каролинский институт в Швеции, медицинская школа и исследовательский центр, отвечает за премию в области физиологии и медицины. Сегодня эту премию обычно называют Нобелевской премией по медицине.
Практическое применение
Биологических ритмов, которые управляют жизнью организма, довольно много – годичные, сезонные, месячные, суточные и так далее. Процессы, происходящие в живых организмах, синхронизированы с вращением Земли вокруг оси и вокруг Солнца; влияют на биоритмы также и другие периодические явления в природе. Циркадные ритмы сказываются на выработке инсулина в организме в течение суток, влияют на метаболизм, кровяное давление, умственную активность, сердечный ритм так далее.
Считается доказанным, что регулярное нарушение циркадных ритмов повышает риск заболевания сахарным диабетом. Есть гипотеза, что сбой биоритмов ответственен (повышает вероятность заболевания) за онкологию и инсульты, есть и противники таких предположений, которые утверждают, что подобная взаимосвязь ничем не подтверждена.
Открытие, которое сделали Холл, Росбаш и Янг, описывает общую схему действия механизма циркадных ритмов, однако есть еще множество деталей в работе этого механизма, которые на сегодняшний день не понятны. Ученые говорят о том, что, возможно, в будущем управление циркадными ритмами позволит регулировать активность людей, которые вынуждены работать в ночную смену, будут придуманы эффективные фармпрепараты для людей с нарушением сна и тому подобное. Предвидеть какие-либо более глобальные применения этому открытию пока не берется никто.
Удивительного в этом нет ничего. К примеру, в начале тридцатых годов прошлого века Эйнштейн и Резерфорд не верили в то, что можно получать энергию из расщепляемого атома и публично заявляли об этом. А примерно через десять лет был построен первый ядерный реактор, а через 20 лет была пущена первая в мире АЭС.
Тем не менее, факт присуждения кому-либо Нобелевской премии отнюдь не означает, что лауреат добился каких-то выдающихся результатов в науке или общественной жизни. Ученые говорят, что основания, по которым присуждается «Нобель», последние десятилетия носят не только научный характер.
Присуждение премий сопровождается повышенным информационным «шумом», открытия и заслуги лауреатов объявляются выдающимися, а сами лауреаты – едва ли не гениями. И что любопытно, в области экономических наук, например, о таких «гениях» по большей части забывают почти сразу же после вручения «Нобеля», а их экономические прогнозы перестают «попадать в цель». Что вызывает вопросы по поводу критериев, на основании которых Нобелевский комитет выбирает будущих лауреатов.
«Биологические часы»
Нобелевская премия троим американским ученым – Джеффри Холлу, Майклу Росбашу и Майклу Янгу – была присуждена «за открытие молекулярных механизмов контроля циркадных ритмов».
Циркадные ритмы (от лат. circa – около, кругом и лат. dies – день), которые описывают циклические колебания интенсивности различных биологических процессов, связанные со сменой дня и ночи, открыл в конце XVIII века французский геофизик, астроном и хронобиолог Жан-Жак Дорту де Меран.
Ученый обратил внимание на то, что если орхидею поместить в затемненное помещение, то ее листья еще несколько дней продолжают разворачиваться и сворачиваться в суточном периоде точно так же, как если бы растение находилось на свету и реагировало на восход и закат солнца. Позже ученые выяснили, что подобные проявления периодичности наблюдаются и у других живых организмов
Природа этих «биологических часов» была не понятна, инструментария для исследования этого феномена в то время не было, и интерес к нему угас. Вновь вернулись к этой теме уже в XX столетии. Часть ученых считала, что за циркадные ритмы ответственны внешние факторы, другие полагали, что все механизмы кроются внутри организма и от внешней среды работа «биологических часов» никак не зависит.
Точка в этом споре была поставлена в начале 80-х годов, когда было доказано, что за работу «биочасов» отвечают гены. Калифорнийские ученые Рональд Конопка и Сеймур Бензер определили у мушек-дрозофил ген, названный ими period, который определяет время бодрствования и сна. Этих ученых уже нет в живых, Джеффри Холл и Майкл Росбаш являются их учениками. Холл, Росбаш и Янг (последний свои результаты получил в Рокфеллеровском институте независимо от Холла и Росбаша) описали механизм работы гена period.
Выводы ученых были подтверждены также опытами на грызунах. Было установлено, что колебания активности выделенных генов (выяснилось, что их несколько), отвечающих за биоритмы, зависят только от времени суток и наличие или отсутствие света на этот процесс не влияет. В то же время Янг определил белок (позже оказалось, что этих белков несколько), который реагирует на освещенность и корректирует работу «внутренних часов». Проще говоря, если живой организм оказался в темном помещении, то его «биологические часы» продолжают «тикать» практически в прежнем ритме и в то же время организм человека, сменившего часовой пояс, постепенно адаптируется к смене дня и ночи в новых условиях.
От наших чувств к рецепторам
Когда мы идем босиком по росе, то ощущаем одновременно тепло солнца, дыхание ветра, чувствуем текстуру травы, ее температуру и влажность. Когда залезаем в ванную с температурой выше 43 °C, то тут же выскакиваем из воды — горячо! От леденца с ментолом во рту становится холодно, а еда с перцем всегда согревает. Почему так происходит? Каким образом наш организм реагирует на окружающую среду? Это одна из великих загадок, с которой сталкивается человечество, отмечается в пресс-релизе Нобелевского комитета.
Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян проводили свои исследования в США независимо друг от друга и ответ искали в области молекулярной биологии. Джулиус из Калифорнийского университета сосредоточился на реакции человеческих клеток на температуру и после продолжительных экспериментов с острым перцем чили (а точнее, веществом капсаицин) отыскал в мембране клеток человека своеобразный «датчик тепла» — рецептор TRPV1, особый чувствительный белок, который похожим образом реагирует на повышенную температуру и жгучий вкус. В опытах было установлено, что мыши-мутанты с дефицитом TRPV1 меньше реагируют на горячее и, кроме того, у них снижена способность воспринимать боль, вызванную воспалениями и онкологическими болезнями.
Дэвид Джулиус посвятил около 20 лет жизни изучению этих рецепторов: исследовал их механизмы, трехмерное устройство, определил 3D-структуру и указал на применение. Сегодня рецептор TRPV1 — один из самых знаменитых в этой области. Он сам и связанные с ним ионные каналы уже сегодня могут служить в медицине: они являются целями для разработки новых обезболивающих препаратов.
Другой нобелевский лауреат — уроженец Ливана армянского происхождения Ардем Патапутян, который много лет работает в Калифорнии в Институте Скриппса, — исследовал рецепторы осязания. Он и его команда провели долгие поиски и отсмотрели большой список генов-кандидатов, ответственных за механическое воздействие, прежде чем смогли идентифицировать единственный ген, чье подавление сделало клетки нечувствительными к прикосновениям. Так был открыт новый и совершенно неизвестный механочувствительный ионный канал, получивший название Piezo1 (от греческого слова, обозначающего давление). Благодаря сходству с Piezo1 был открыт второй ген, названный Piezo2.
Позже выяснилось, что Piezo2 играет также ключевую роль в критически важном восприятии положения и движения тела. Оба открытых канала Piezo регулируют такие важные физиологические процессы, как артериальное давление, дыхание и контроль мочевого пузыря
Впоследствии независимо друг от друга Дэвид Джулиус и Ардем Патапутян использовали ментол для идентификации TRPM8 — рецептора, который, как было доказано, активируется холодом. Проще говоря, они нашли ответ на вопрос, почему мятные конфетки имеют прохладный вкус.
В целом революционные открытия рецепторов TRPV1, TRPM8 и каналов Piezo позволили нам понять, как тепло, холод и механическая сила рождают нервные импульсы, через которые человек имеет возможность воспринимать окружающий мир и адаптироваться к нему. Эти знания станут фундаментом для разработки новых методов лечения широкого спектра заболеваний. В том числе это может помочь людям с редкой мутацией, которые не ощущают боль и не реагируют на температуру.
Победу Дэвида Джулиуса и Ардема Патапутяна можно было предугадать, так как в 2020 году они получили еще одну авторитетную награду — премию Кавли, которую часто называют «преднобелевской премией».
Сбылись ли пророчества?
Имена лауреатов Нобелевской премии по физиологии и медицине стали известны сегодня во время прямой трансляции на канале «Наука». Собеседник Алексея Семихатова — кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Института биоорганической химии РАН, сооснователь и главный редактор проекта «Биомолекула» Антон Чугунов — прокомментировал это событие в режиме реального времени.
«Мне очень приятно услышать эти результаты, — сказал эксперт, — потому что я знаком с этими рецепторами, работаю с ними, изучаю. Интересно, что Clarivate Analytics (компания, которая ежегодно пытается предсказывать результаты Нобелевской премии, составляя список самых цитируемых ученых. — Прим. ред.) хотя и не угадала в очередной раз, но все-таки первый кандидат тоже был рецепторный
Стало быть, вопрос рецепторов привлекает довольно большое внимание»
Чугунов отметил, что и другой эксперт, мнение которого мы публиковали недавно в обзоре «Кто получит Нобелевскую премию — 2021?», тоже почти угадал — правда, он говорил о практическом применении открытых рецепторов. «В материале сайта канала «Наука» я увидел, что научный журналист Алексей Паевский высказал одно из предположений о том, что Нобелевскую премию должны дать за оптогенетику. И как раз с рецептором ТRP, который открыл Джулиус, связана другая область, которую разрабатывают в нашем институте, — она называется «термогенетика». Ее разрабатывает Всеволод Белоусов (я уверен, что ему сегодня много раз позвонят), он работает с этим самым рецептором ТRP: встраивает его в те нейроны, в которых его нет. Зачем? Чтобы можно было их активировать температурой, в том числе с медицинскими целями.
Есть способы нагревать очень прицельно отдельные участки внутри тела — микроволнами, или ультразвуком, или еще чем-нибудь. И тогда можно заставить работать некоторые нейронные контуры, которые функционируют не так, как нужно. В перспективе это поможет в лечении разных неврологических заболеваний, до которых сейчас не добраться. Потому что, чтобы до них добраться, надо что-то сделать с нейронами, которые у нас спрятаны где-то в мозгах или глубоко внутри тела. При помощи генетических технологий можно эти рецепторы доставить в эти нейроны, а при помощи физических технологий заставить их работать так и тогда, как нам нужно, и разработать новый протокол лечения. Так что фундаментальные изучения рецепторов обязательно находят или найдут в будущем практические применения».
Чугунов отметил, что изучение рецепторов, представляющих собой в большинстве случаев мембранный белок, стало возможным только в новейшее время — в связи с развитием технологий. «Мы существа многоклеточные, у нас 100 трлн клеток (грубо говоря), и в каждой клетке есть обязательно мембрана, то есть это то, куда она заключена, — объяснил эксперт. — В этой мембране находятся рецепторы, которые отвечают за все межклеточные коммуникации. В том числе за все чувства, которые у нас есть. Размеры белка очень маленькие — это 5–10 нанометров, его невозможно увидеть глазом и даже в микроскоп. В микроскоп мы можем увидеть 200 нанометров в лучшем случае, а молекула — в 10–20 раз меньше.
Поэтому, чтобы его изучать, потребовались очень сложные современные технологии, которые появились только в последние несколько десятков лет: это и рентгеноструктурный анализ, и ядерный магнитный резонанс, и криоэлектронная микроскопия… Все эти методики позволили изучить эти рецепторы, и благодаря им в том числе были сделаны эти достижения, которые сегодня отметил Нобелевский комитет. Также понадобилось компьютерное моделирование — пусть оно не изучает молекулы напрямую, но зато позволяет моделировать то, что не будет доступно экспериментальным методом, скорее всего, никогда».
Напоминаем, что завтра состоится объявление лауреатов по физике. Смотрите прямую трансляцию на канале «Наука» в 12:25!
