ПУЩИНО, ПЛАНАРИИ, ШЕЙМАН
Памяти учителя
Если есть какая-то судьба в науке, то жизнь И.М. Шейман – один из таких примеров, судьбы счастливой и трагической, какой она, обычно, бывает, и только по концу линии жизни видно, какой след оставил человек.
Начать с самого начала: 1964 год, город только начинается, еще строятся первые дома, и в первый институт биофизики народ ходит в сапогах, а при входе установлен кран с холодной водой, чтобы можно было эти сапоги отмыть от грязи, но в институт входить в сменной обуви. В этой компании первопоселенцев – молодой кандидат наук Инна Шейман, которую пригласил в Пущино, в будущий Институт проблем памяти, один из руководителей будущего города А.Н. Черкашин. Пригласил не «просто так», а для очень важной миссии – опровергнуть одну из наиболее горячих научных сенсаций того времени – феномен «переноса памяти».
Эта история началась немного раньше, в начале 50-х годов на другом конце света – в Энн Арборе, в Чикагском университете, куда пришел на работу тоже молодой, высокий и красивый преподаватель психологии Джеймс МакКоннелл. Человек он был очень веселый, и как сейчас бы сказали, невероятно креативный, а попросту говоря, талантливый. Позже МакКоннелл стал очень известным в Америке лицом, уже в те времена, когда о медийных персонах никто и знать не знал, а он ею уже был. Причиной тому была его яркая биография, активная позиция, а также резко выросший интерес к биологии после триумфального открытия молекулы генетической памяти – структуры ДНК. Стало понятно, что обнаружен химическое основание генетической памяти, причем, как долговременной (на структуре ДНК), так и кратковременной - на структуре РНК. Весь научный мир обсуждал это открытие, которое, действительно, перевернуло весь ход развития биологии, и сделало ее одним из лидеров естествознания 20 века, и, совершенно точно, - доминирующей наукой 21 века.
Сам МакКонннелл был сторонником павловской теории условных рефлексов, и читал курс лекций с опорой на учение И.П. Павлова, но денег на серьезные исследования в этой области у него не было. При этом, как обычный преподаватель американского вуза, он столкнулся с необходимостью, помимо чтения лекций, заниматься со своими студентами «какой-нибудь» наукой. По собственному признанию, он вспомнил, что есть такие плоские черви – планарии, которые способны к регенерации любой части тела, включая голову. Работать с такими животными было легко и не требовало особо специальных условий и оборудования. В итоге, он поставил на планарий, найденных в окрестных озерах, опыт, ставший первой сенсацией, связанной с его именем.
МакКоннелл выработал условный рефлекс у планарий по классической «павловской» методике: свет, как условный сигнал, в сочетании с током, как безусловным сигналом, а затем перерезал обученных планарий пополам и оставил регенерировать. По его первоначальной гипотезе «память» о полученном навыке должна была остаться в головном фрагменте. Однако, после 2 недель регенерации, при проверке сохранности памятного следа, оказалось, что он проявился в обоих фрагментах, в том числе в хвостовом, который регенерировал новый ганглий. Стало понятно, что память может сохраняться, и воспроизводится, не только в головном ганглии, но и в других структурах. МакКоннелл решил, что нервная система здесь не причем, а память фиксируется другим путем. При этом, морфология планарий была ему не известна, хотя классические зоологи уже тогда хорошо знали, что нервная система планарий включает головной ганглий и брюшные нервные стволы, которые исходят от ганглия, и тянутся вдоль всего их тела, где и замыкаются, образуя нервное кольцо, называемую ортогоном. Тем не менее, в начавшуюся дискуссию относительно природы и механизмов биологической памяти, вообще, вошла тема нейрологической памяти, поскольку планарии смогли восстановить (или сохранить) памятный след после регенерации.
Эта работа подняла интерес к планариям у многих физиологов, которые до этого никогда планариями не занимались. При этом, уже были в то время планарии были легендой экспериментальной биологии, как «чемпионы» животного мира по регенерации. Действительно, никто, кроме планарий не способен регенерировать свою центральную нервную систему – головной ганглий, и не важно, что это не мозг лягушки или крысы: ЦНС есть ЦНС.
Не успела затихнуть первая сенсация о восстановлении памятного следа у планарий после регенерации, как МакКоннелл сделал следующую работу, которая стала сенсацией уже всего биологического мира, и которая до сих пор является предметом горячих дискуссий в научной среде. Из опыта работы с планариями, МакКоннелл уже знал, что они, как и многие другие животные, обладают способностью к каннибализму, попросту говоря, съесть (вернее сказать – высосать с помощью глотки) поврежденного собрата, если сильно голодна. Он выработал условный рефлекс у группы планарий и скормил их необученным, а контрольным животным скормил необученных животных. Проверочный эксперимент состоял в повторном обучении экспериментальных и контрольных животных, и оказалось, что что планарии, поевшие обученных доноров обучались быстрее, чем получившие в пищу необученных червей. Эта работа, вышедшая в 1962 году, стала подлинной сенсацией в нейробиологии, и, в том числе, привела к тому, что в формирующемся Институте биофизики АН СССР, была создана группы по изучению памяти у планарий, которой все годы руководила Инна Моисеевна Шейман.
Надо представлять тогдашний исторический контекст: шла холодная война между капитализмом и коммунизмом, которая проходила, в том числе, и на «научном фронте». Так что, история с планариями была не простая, а в известном смысле, идеологическая задача – опровергнуть теоретически неверную гипотезу о каком-то «переносе» памяти, которую распространяет представитель буржуазной, идеалистической науки. По «советской» теории памяти, она формируется на основе формирования нервных связей между синапсами нейронов в ходе обучения, и никакого «переноса памяти» быть не могла. Именно это должна была доказать Инна Моисеевна в своей лаборатории, которая позже получила название группа нейробиологии. Вероятно, этот термин впервые появился в советском физиологическом мире. Не входя в перипетии научных баталий того времени, где и как формируется память, биологу, и сегодня, и тогда, было понятно, что при формировании памяти имеют место специфические химические процессы, и не только в области синапсов, но и вне их.
Надо понимать, что в начале этого пути, на заре молекулярной биологии, практически ничего не было известно о каких-то деталях молекулярных процессов, протекающих в нервной системе. Одно можно твердо констатировать, что одна только мысль о возможности «записи» физиологической информации на химических структурах открыла дорогу современной нейрофармакологии, в частности, изучение нейропептидов. В частности, изучение химических основ нейрологической памяти продолжил другой выдающийся американский ученый Дж.Унгар, который выделил и определил химическую структуру первого пептида «памяти» - скотофобина, который помогал крысам обеспечить реакцию избегания темноты, для чего Унгару потребовалось 5000 крыс и оборудование мощнейшего медицинского центра в Хьюстоне. Тема нейропептидов стала одним из многообещающих новых трендов в биологии и медицине.
А за 20 лет до этого, скромному кандидату наук Инне Шейман была поставлена задача опровергнуть ложные теории западной науки, для чего ей было поручено заняться этими ««простыми» животными, которых она до этого знать не знала. Свою диссертацию на кафедре ВНД биолого-почвенного факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, под руководством член-корр. АН СССР, профессора Л.Г. Воронина, она делала на различных высших позвоночных. Как хороший ученик своих учителей, к которым, помимо Л.Г. Воронина, также надо отнести академика Л.А. Орбели, Инна Шейман начала дотошно изучать биологию своего нового объекта, и всю оставшуюся жизнь осталась верна Пущино, планариям и институту биофизики.
В 1964 году в Пущино институт только формировался, основное здание было не достроено, но было готово одноэтажное здание будущего вивария, на территории института, за его главным корпусом. Именно в этом здании были проведены первые опыты по выработке условных рефлексов у планарий, которые вышли в свет в 1966 году и стали первыми научными работами, которые были выполнены в Пущинском научном центре.
Вообще, здание вивария стало первым пристанищем многих других формирующихся научных лабораторий, ставший потом украшением Института биофизики. Достаточно сказать, что рядом с лабораторией ИМ впервые обосновались С.Э Шноль и Б.Н. Вепринцев – легенды института биофизики во все времена. Это соседство положило начало знакомству и дружбе ИМ с этими выдающимися учеными, которую она невероятно чтили до последних дней жизни. Однако, справедливости ради, надо сказать, в шутливом споре Симона Эльевича и Бориса Николаевича, чья лаборатория была первой виварии, сиречь в Институте биофизики (!), для чего они срывали надписи со своими фамилиями с дверей этих комнат вивария, обе стороны были не правы. Первой лабораторией в виварии была лаборатория ИМ, где ее сотрудники уже (!) вырабатывали и потом проверяли выработанные условные рефлексы у планарий.
Однако, дружба-дружбой, но проверка гипотезы МакКоннелла – главное в жизни ИМ. Под ее крылом оказалась группа тоже молодых, увлеченных биологов из разных городов и университетов Советского Союза, которые азартно принялись за решение поставленной задачи. В их числе был и один из наиболее одаренных биологов Пущино, А.А. Азарашвили, выпускник кафедры эмбриологии биолого-почвенного факультета МГУ им. М.В. Ломоносова, которые был биологом «от бога», понимающим, что называется, на кончиках пальцев, животных, растений, а потом уже и пчел. Именно тогда были поставлены эксперименты во многом, определившие трагическую научную судьбу И.М. Шейман – опыты МакКоннелла были подтверждены. Более того, они были продвинуты вперед, когда в качестве условного рефлекса был применен не только электрический импульс, но и вибрация. Оказалось, что планарии, получившие в корм доноров разных видов сохраняли эту специфику и после кормления: обученные на электрический сигнал обучались быстрее после применения этого же сигнала после кормления, а «вибрационные» - на вибрацию.
К сожалению, как это часто бывает, это открытие не сильно порадовало начальство, и эту работу, а затем и рукопись написанной монографии надолго «положили на полку», и книга И.М. Шейман «Регуляторы морфогенеза планарий и их адаптивная роль» вышла в издательстве «Наука» только в 1983 году. Это стало возможным, когда в лаборатории удалось создать новые системы объективной регистрации поведения планарий, в том числе, при изучении взаимодействия процессов морфогенеза и памяти.
В итоге, уже с середины 80-х годов, группа И.М. Шейман, в числе других коллективов Москвы под руководством академика И.П. Ашмарина, стала изучать действие нейропептидов на классической модели регенерации планарий. Для этого были разработаны методы прижизненной морфометрии, позже модифицированные с применением компьютерной техники, в сотрудничестве с лабораторией члена-корр. АНСССР Г.Р. Иваницкого. Потом были и другие открытия, связанные с действием слабых и сверхслабых магнитных полей на модели регенерации планарий, выполненные уже в двух вновь образованных институтах биофизики, Институте теоретической и экспериментальной биофизики РАН и Институте биофизики клетки РАН.
К сожалению, все 70-е годы, работа с обучением планарий были заторможены, это были годы внутренней обороны, надо было сохранить свое направление, сохранить культуру работы с планариями, сохранить себя. Наверное, помог опыт научной стойкости, который она наблюдала в Ленинграде, в лаборатории Орбели, которого сняли со всех должностей, ликвидировали его лабораторию после «павловской» сессии 50-51 годов. Тогда вся его лаборатория фактически жила и функционировала на академическую зарплату и в собственной квартире Л.А. Орбели, и ровно тогда Инна Шейман, еще студентка провинциального Кишиневского университета, приезжала в Ленинград, и училась не только физиологии нервной деятельности, но и жизненной и научной стойкости.
В эти годы произошла перестройка работы группы нейробиологии на углубленное изучение взаимодействия процессов обучения и памяти, о чем Инна Моисеевна, часто писала и говорила на различных семинарах, где приводилось выступать. Это очень важный момент для понимания многого в истории Шейман, и биологии, вообще: важность методичной работы, опора на свой объект.
В чем значение «простых объектов»? Впервые высказанная идея, при всей ее парадоксальности, открывает некие внутренние, часто психологические, барьеры для нового взгляда на старую проблему, стимулирует дальнейшее развитие науки. Действительно, опыты МакКоннелла, это же чистейший Свифт: «Съел профессора, и поумнел»! Так случилось и на этот раз. Импульс, полученный биологами всего мира, стимулировал всплеск исследований биологии и физиологии планарий, и попытки воспроизвести и проверить опыты МакКоннелла. Однако, как это часто бывает, животное, неизвестное ранее физиологам, никто не знал их особенностей, но все торопились поработать с «модным» объектом… Немудрено, что в большинстве исследований данные МакКоннелла не были воспроизведены, так что, в итоге, физиологические опыты с планариями получили негативную коннотацию. В то же время, фундаментальная, последовательная работа И.М. Шейман по созданию методики выработки условных рефлексов у планарий, не получила поддержки коллег из Отдела проблем памяти ИБФ АН СССР, что привело к торможению работы АН СССР в 70-е годы.
Вообще, биология – наука об объектах, все биологические данные, получаются в ходе работы с теми или иными животными или растениями, причем открытия новых направлений, а впоследствии - даже отдельных наук, сначала происходили на относительно простых, как правило, беспозвоночных животных. С одной стороны, с ними проще работать, но, более важно, что они являют собой живые, и наиболее эффектные модели биологических явлений и процессов. Примеров тому масса, например, второе «рождение» генетики, когда была найдена плодовая мушка – дрозофила, и стало возможным проводить быстрые и наглядные исследования различных мутаций, чего нельзя было сделать на горохе. В итоге, Г. Мендель остается основателем генетики, но реально наукой она стала именно после работ Т. Моргана в 10-е годы 20 века, а сегодня весь мир занимается генетикой человека. Подобная история случилась в нейрофизиологии, когда впервые электрические импульсы от нервных клеток были зарегистрированы от нейронов моллюсков. Они настолько громадные (до 1 мм!), что их можно видеть невооруженным (микроскопом) взглядом, и от которых можно было отвести биопотенциал с помощью примитивных электродов и усилительной техники 50-60-годов прошлого века. Сегодня, с развитие микроэлектронной техники, нейрофизиологи работают с клетками размером в 10-20 микрон.
Та же история с планариями: они известны как экспериментальный объект изучения регенерации более 200 лет. Еще Ч. Дарвин в своем «Путешествии на «Бигле» в 1839 году писал о том, как во время своей первой зимовки в Бразилии он сходил в лес, и нашел там планарий, «хорошо известных своей способностью к регенерации». Естественно, Дарвин тоже не отказал себе в удовольствии понаблюдать процесс регенерации у планарий. В истории с «переносом памяти», планарии вновь «сыграли» свою обычную роль в науке: продемонстрировали факт возможности нового феномена, и процесс пошел, как обычно дальше, крысы, мыши, рыбы.
Здесь есть другая проблема, которая касается настоящего и будущего биологии: речь о значении числа экспериментальных объектов, используемых в биологии. К примеру, в Институте биофизики АН СССР много лет на моллюсках работала лаборатория Б.Н. Вепринцева, и каждую осень он и его сотрудники на знаменитом «козлике» ездили по окрестным озерам и старицам, и набирали сотни и тысячи моллюсков на целый год вперед. С уходом Бориса Николаевича, постепенно тематика, связанная с нейрофизиологией моллюсков. увы, «ушла» вместе с ним.
Подобная, уже недавняя, история случилась с лабораторией Д.А.Мошкова, которая много лет изучала особенности ультраструктуры маутнеровского нейрона рыб, который можно идентифицировать на срезах мозга рыб, что позволяет изучать конкретный нейроном. Это снимает вечнозеленую проблему цитологии нейронов высших животных: какую именно из тысяч и миллионов нейронов того или иного отдела мозга мы изучаем?
В общем виде, получается, что сегодняшняя биология, в благом порыве работы со стандартизованными объектами, «сконцентрировалась» всего лишь на двух видах грызунов (крысы-мыши), и нескольких видах микроорганизмов, от которых мы получаем более 95%, а может быть и меньше, никто точно не знает, биологической информации. Очевидно, что подобное сужение ограничивает фронт исследований, просто потому, что на этих объектах невозможно моделировать многие важные биологические процессы. Нет сегодня в Институте биофизики Вепринцева и Мошкова, и нет методичного, и многолетнего изучения моллюсков и рыб. В итоге, мы не можем рассчитывать на прогресс в биофизике и ультраструктуре нервной клетки, а кто знает, сколько нового можно было бы узнать, если бы эти работы были продолжены?
В то же время, постоянная работа с планариями на протяжении нескольких десятилетий позволила сделать принципиально прорывные работы сначала в области действия слабых химических регуляторов морфогенеза, а затем показать биологическое действие слабых и сверхслабых магнитных полей. Однако, далеко не все особенности биологии планарий изучены в должной мере. Основное достоинство планарий, которое обеспечивает их феноменальные способности к быстрой, и тотальной регенераций всех частей тела, включая головной ганглий - гигантское число тотипотентных стволовых клеток – необластов - до 20-25% от общего числа клеток планарий. Это позволяет проводить на этом объекте фундаментальные исследования стволовых клеток. Так что, новые идеи о биологии стволовых клеток «от планарий» биология обязательно получит.
В этой связи, едва ли не главным достижением И.М. Шейман и ее маленькой группы было создание и поддержание уникальной коллекции двух бесполых рас пресноводных планарий: Girardia tigrina, и Schmidtea mediterranea, которые поддерживаются сначала в Институте биофизики АН ССР, а затем в Институте биофизики клетки РАН. Эта стало возможным благодаря неустанной, внимательной работе А.Н. Карпова.
Биологическая особенность этих рас планарий, в том числе, состоит в бесполом характере их размножения, что обеспечивает постоянную генетическую устойчивость данной коллекции уже более 50 лет. Это произошло не сразу, первые работы на планариях были сделаны на природных видах, найденных в пойменных озерах и старицах у р. Оки. Однако уже с 1970 года работа была перенесена на генетически чистую линию, бесполую расу планарий, которые размножаются бесполым путем, перетяжкой хвостового фрагмента тела, которая происходит раз в неделю. При этом, фактически они являются физическими (а не генетическими!) копиями тех планарий, которые попали в Пущино в далеком 1970-м году.
В настоящее время, в Пущино имеется коллекция двух бесполых рас планарий, которая обеспечивает стандартным биологическим материалом, всех биологов России и других стран СНГ. Первый вид, G.tigrina, был завезен в 1970 году из кафедры эмбриологии Ленинградского университета под руководством Б.П. Токина, а второй вид -S.mediterraneа, привезла Н.Д. Крещенко из школы биологических наук Королевского Университета Белфаста (School of Biological Sciences Queen’s University of Belfast) в 2007 году.
Наличие данной коллекции позволяет обеспечить работу нескольких групп в двух пущинских институтах биофизики, изучающих проблемы действия слабых и сверхслабых физических и химических факторов на процессы морфогенеза, на клеточном, молекулярным и организменном уровне. Все это является наследием И.М. Шейман, ее любви к планариям, которую она пронесла всю свою жизнь в науке и жизни, ибо она не мыслила себя, и не была, вне науки до последнего дня своей жизни.
Символично, что наши пущинские первопроходцы - Б.Н. Вепринцев и И.М. Шейман, после своего ухода оставили нам не только память о себе, но и реальное научное наследие в виде уникального генетического криобанка, или коллекции планарий, как символ продолжения науки в Пущино, в их Институте биофизики.
Х.П. Тирас.
Институт биофизики АН СССР, 1972-1990,
Институт биофизики клетки РАН, 1991-1996,
Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, 2001 г. - по наст. время.
И.М. Шейман. Регуляторы морфогенеза планарий и их адаптивная роль.//М., Наука, 1984 г., 174 С.
