Эрнст Шаррер работал над диссертацией в лаборатории будущего нобелевского лауреата Карла фон Фриша, который специализировался на биологии поведения пчел. Там же работала над докторской диссертацией талантливая девушка Берта Фогель (1906–1995). Молодые люди очень сблизились и полюбили друг друга.
Если бы речь шла о современном университете, в такой истории любви не было бы ничего удивительного. Но в 1920-е годы немецким девушкам было очень сложно пробиться в престижное высшее учебное заведение, а о серьезной карьере ученого они, как правило, даже не помышляли. Но Берта обожала биологию, отличалась недюжинной силой воли, твердо хотела стать ученой-биологом – и у нее получилось. Сначала она окончила Мюнхенский университет, а затем защитила диссертацию и в 1930 году получила докторскую степень.
После нескольких лет скитаний и неоплачиваемых стажировок в немецких исследовательских центрах Эрнста Шаррера назначили директором Института исследований мозга при Франкфуртском университете. Молодые исследователи решили пожениться. До самой смерти Эрнста, который утонул в 1965 году, они были дружной командой – как в исследованиях, так и в личной жизни. Берта поступила в тот же самый институт, где работал ее муж, но из-за строгих требований к семейственности не получила ученого звания и работала бесплатно.
До 1934 года молодые ученые занимались всем подряд: Берта, например, некоторое время изучала болезнетворных бактерий, вызывающих инфекции мозга у птиц и земноводных, а Эрнст получал дополнительную степень в области медицины. Но, устроившись в Институт исследований мозга, они решили вернуться к исследованиям нейросекреции, которые начали еще под руководством фон Фриша, и наконец-то проверить гипотезу, которую Эрнст сформулировал еще в студенчестве.
Они решили разделить работу: Берта взяла на себя исследования нейронов насекомых, а Эрнст – позвоночных животных, преимущественно рыб. Это решение оказалось очень удачным: в будущем исследования на столь различных животных помогут доказать универсальность нейросекреции. Примерно в то же время Шарреры познакомились с молодым анатомом Вольфгангом Баргманном (1906–1978), который тоже проникся их идеями. Через 20 лет этот человек сыграет в истории нейросекреции важную роль.
Тем временем политическая обстановка в Германии постепенно становилась невыносимой. Руководство давило на Шарреров, чтобы те вступили в нацистскую партию, а это означало поддержку идей расового превосходства, отказ от общения с коллегами-евреями и одобрение других неприемлемых в академическом сообществе вещей. Поэтому когда в 1937 году Эрнст получил годичную стипендию Рокфеллера, семья увидела шанс сбежать из страны. Они убедили университетское начальство, что обязательно вернутся через год, но вместо этого начали обустраиваться на новом месте, в США.
За время жизни в Америке супругам удалось доказать, что нейросекреторные клетки – не артефакт, возникший из-за неправильной подготовки препарата, а реально существующие клетки, которые есть и у тараканов (их изучала Берта), и у рыб и многих других животных – этими исследованиями занимался Эрнст. Однако теория нейросекреции все еще казалась не совсем убедительной. Она была основана только на цитологических доказательствах, то есть на гранулах внутри тел клеток, которые исследователи увидели под микроскопом. Доказать, что в гранулах находятся именно гормоны, а не что-то еще, у Шарреров не получалось.
Все упиралось в невозможность подтвердить теорию на практике. В классических экспериментах принято удалять эндокринную железу, фиксировать изменения в организме, а потом восполнять дефицит веществ, которые производила удаленная железа. Если состояние организма вернулось в норму – значит, вещества, выделяемые железой, действительно можно считать гормонами. К сожалению, хирургическая техника тех времен не позволяла провести подобные манипуляции на мозге. Кроме того, супруги не знали, какие именно гормоны синтезируют нервные клетки, и не понимали, как эти гормоны извлечь и очистить.
Убедительные доказательства нейросекреции добыл Вольфганг Баргманн – крупный ученый и неоднозначный человек. Он не сумел, а может, не захотел покинуть Германию до начала войны, и это наложило отпечаток на всю его работу.
В 1942 году Баргманн стал доцентом в Кёнигсбергском университете. Как и другие остальные действующие ученые Германии, он вступил в нацистскую партию; существуют доказательства, что для гистологических исследований Баргманн использовал ткани, полученные в том числе и от казненных людей [40]. Как он сам к этому относился, неизвестно, потому что воспоминаний анатом не оставил. В январе 1945 года, незадолго до того как советские войска заняли Кёнигсберг, Баргманн перебрался к семье в Баварию. Потом он уехал в Киль, а в 1948 году вернулся к научной работе.
В Киле он вспомнил о работах Шарреров, посвященных нейросекреторным гранулам нейронов. Но поскольку Баргманн был не биологом, а анатомом, он мыслил немного иначе и рассуждал так: если нейроны действительно способны синтезировать гормоны, значит, их можно окрасить при помощи красителей, которые прокрашивают все остальные эндокринные клетки.
Анатом решил попробовать окрасить нервные клетки по методике 1939 года, разработанной американским гистохимиком Дьёрдем Гёмёри для выявления клеток поджелудочной железы. Такой способ окраски подразумевает использование трех красителей. Сначала срез ткани, которую нужно окрасить – в случае Баргманна это был участок мозга, – окисляют смесью 0,3 %-ных растворов марганцовки и серной кислоты, а потом наносят на него хромгематоксилин. Это вещество, реагируя с образцом ткани и кислым раствором, прокрашивает участки клеток, которые содержат гормоны, в темно-синий цвет. Чтобы окраска была контрастной, препарат докрашивают еще одним красителем – красным флоксином.
К изумлению Баргманна, окраска среза мозга по Гёмёри выявила отчетливые темно-синие секреторные гранулы в телах нейронов. В 1949 году он опубликовал статью об этом в немецком журнале, а в 1950 году получил грант от Фонда Рокфеллера и уехал в США. Там он встретился с доктором Гёмёри, который очень удивился тому, что его окраска способна сделать с мозгом. Также Баргманн возобновил знакомство с Шаррерами. Вместе они наконец-то придумали эксперимент, который доказал существование нейросекреции.
В первом эксперименте они подготовили свежий препарат мозга, разрезали аксоны нейросекретирующих нейронов, подождали некоторые время, покрасили их по Гёмёри и исследовали под микроскопом. Вместо того чтобы накапливаться в заднем гипофизе, нейросекреторные гранулы собрались на конце обрезанного нейрона. Это продемонстрировало, что гранулы – не ошибка окрашивания, а значимые структуры, способные целенаправленно перемещаться по нейронам гипофиза.
Второй эксперимент был сложнее и тоньше. К тому времени уже было известно [41], что антидиуретический гормон способствует сохранению жидкости в организме. Исследователи полагали – как покажет практика, совершенно справедливо, – что этот гормон накапливается в задней доле гипофиза. Как только организм испытывает жажду, гормон должен выделяться в кровь.
Когда ученые брали обычный препарат мозга животного, окрашивание по Гёмёри выявляло гранулы в нейронах в задней доле гипофиза, а когда окрашивали мозг животного с обезвоживанием, они исчезали. Если в ответ на жажду в нейронах исчезают гранулы, значит, содержимое этих гранул уходит в кровь. Получается, что в гранулах действительно содержится антидиуретический гормон, который возникает прямо в мозге!
Сложим открытия в одну корзину
Тот факт, что нейроны гипоталамо-гипофизарной системы могут создавать гормоны, лежит в основе всей современной эндокринологии. В итоге меньше чем за 50 лет, прошедших с момента этого открытия, человечество узнало о нейроэндокринной системе больше, чем за все время существования науки анатомии.
В наши дни уже хорошо известно, что гипоталамус – уникальная структура головного мозга, выполняющая одновременно нервную и эндокринную функции. Нейроны, из которых состоит гипоталамус, способны одновременно передавать электрические сигналы и создавать гормоны.
Уже после смерти мужа Берта Шаррер доказала, что нейросекреторные клетки гипоталамуса устроены так же, как и любые другие нейроны. У них есть тело с отростками-дендритами, которые собирают информацию от соседних нервных клеток, и длинный «хвост» – аксон. Гранулы с гормонами образуются в телах нейронов гипоталамуса, перемещаются в аксон и, как по шлангу, поступают в заднюю долю гипофиза. Получается, что задняя доля гипофиза – продолжение гипоталамуса.
Здесь накапливается тот самый антидиуретический гормон, который препятствует обезвоживанию и управляет работой почек. А еще там копится знаменитый гормон привязанности – окситоцин. Собственных гормонов задняя доля гипофиза не производит. Она только накапливает их, как на складе, и выпускает в кровеносную систему, когда из гипоталамуса приходит приказ, что пора это делать.
Передняя доля гипофиза состоит из эндокринной ткани. Именно здесь образуются гормон роста, тиреотропный гормон, который управляет щитовидной железой, и многие другие важные гормоны. Их высвобождением тоже управляет гипоталамус.
Эндокринная ткань гипофиза развивается из тех же самых клеток, из которых формируется пищеварительный тракт зародыша: в процессе развития ребенка эти клетки уходят из кишечника и перебираются в мозг. В двенадцатиперстной кишке тоже вырабатываются гормоны, они называются энтеринами. Так что у кишечника и мозга довольно много общего.
В 1970-х годах стало известно [42], что гипоталамус и гипофиз связывают не только аксоны нервных клеток, но и сложная сеть кровеносных сосудов. По этой сети небольшое количество гормонов гипоталамуса попадает непосредственно к клеткам-мишеням в передней доле гипофиза, не растворяясь в большом круге кровообращения. Загадка о том, как мозг управляет телом и самим собой, наконец была решена.