Конкурс «Био/Мол/Текст»-2021/2022

Эта работа опубликована в номинации «Школьная» конкурса «Био/Мол/Текст»-2021/2022.

Партнер номинации — некоммерческая школа-пансион «Летово».

---

Генеральный партнер конкурса — международная инновационная биотехнологическая компания BIOCAD.

---

Генеральный партнер конкурса — компания «Диаэм»: крупнейший поставщик оборудования, реагентов и расходных материалов для биологических исследований и производств.

---

«Книжный» спонсор конкурса — «Альпина нон-фикшн»

Эпифиз известен людям очень давно, еще древнеиндийские философы считали его органом ясновидения и органом для размышлений о перевоплощении душ.

С точки зрения анатомии первым описал эпифиз Гален во втором веке нашей эры, он же ввел название glandula pinealis — шишковидная железа — за схожесть с сосновой шишкой (pinea — итальянская сосна). Эту схожесть отмечали и другие анатомы, например, Везалий. Возможно, это действительно тот случай, когда название соответствует внешнему виду, предлагаю сравнить шишку и эпифиз (рис. 1).

Интересно, что Гален отвергает бытовавшее тогда воззрение об эпифизе, как о клапане для пневмы — некой духовной материи человека. Он отрицал способность к движению у эпифиза, считал его просто железой, поддерживающей вены. Гален предположил, что его назначение связано с регуляцией лимфатической системы, поскольку рядом с эпифизом расположены лимфатические узлы. Мнение Галена дожило до средневековья, а потом сгинуло со всей остальной наукой: в раннем средневековье церковь запретила производить вскрытия, один из немногих методов изучения анатомии, а позже разрешила, но в ограниченных количествах.

Интерес к эпифизу возродился в 17 веке вместе с трактатом Декарта. Хотя мы и знаем его как математика и философа, Декарт увлекался физиологией. Он вновь говорит об эпифизе, как о клапане души, органе-посреднике между духом и телом. Аргументирует он это тем, что маленький эпифиз, как жемчужина, расположился в самом центре мозга. Декарт настолько большое значение придает эпифизу, что очень редко называет его шишковидной железой. Ведь не пристало такому важному органу иметь столь приземленное название! Декарт величает его «конариум». Несмотря на грубые анатомические ошибки Декарта, которые были известны даже современникам (например, ученый говорил, что эпифиз шевелится как клапан, в то время, как уже давно было доказано, что он не может двигаться), его труды возродили интерес к эпифизу.

Очень интересно мнение Декарта о том, что свет через глаза поступает на эпифиз и его лучи в теле беременной женщины могут попасть на плод и создать родимые пятна. Конечно, сейчас мы не верим в движения духов, знаем, как появляются родимые пятна и как устроено зрение, некоторая интересная связь с действительностью в заключениях Декарта прослеживается. Ведь сейчас известно о том, что клетки эпифиза, пинеалоциты, синтезируют гормон мелатонин, а на его выработку влияет освещенность.

Несколько последующих столетий ученые много рассуждали об эпифизе, но не могли точно установить его функцию. Они уже обнаружили нервы, поняли, что никакой пневмы не существует, однако назначение эпифиза оставалось загадкой. В медицинском словаре Dictionnaire des Sciences Medicales, изданном в 1829 г., сказано, что ничего из провозглашенного Галеном или Декартом о шишковидной железе не может быть принято за истину, и в ней же утверждалось, что еще ничего не известно о ее функции. Да, в медицинском словаре специально написали о незнании.

Черный труд в 20 веке

Наконец, в 20 веке благодаря совершенствованию методов стремительно развиваются цитология, гистология. В том числе изобретаются различные методы окрашивания. Захария Димитрова, болгарский ученый, занималась изучением различных желез, окрашивала их и описывала. В своем изучении эпифиза она описала его клетки пинеалоциты. Ключевым ее наблюдением стало обнаружение специфических гранул рядом с ядром. Она заметила, что такие включения встречаются у клеток многих других желез, поэтому предположила, что эпифиз тоже является секреторной железой. Сейчас известно, что эти включения произошли от гранулярной эндоплазматической сети, которая синтезирует белки, в том числе, гормоны. В 1917 году был проведен эксперимент по кормлению головастиков экстрактом эпифиза коров, в результате которого у них обесцвечивалась кожа, что позволяло наблюдать за работой их внутренних органов.

И... в результате работа Аарона Лернера. Сам он занимался нарушением пигментации — витилиго. Его заинтересовала работа об обесцвечивании головастиков, и в итоге он смог обнаружить то самое вещество, которое приводило к данному эффекту. Его команде пришлось переработать 250 тысяч эпифизов, чтобы обнаружить и опознать вещество! Все потому, что оно было невероятно активным, очень малых доз хватало для полного изменения окраски, а чтобы добиться возможности опознать вещество, требовался определенный уровень вещества, либо у исследователя должны быть сверхточные и сверхчувствительные приборы, которых тогда не было. Благодаря этому титаническому труду был открыт мелатонин. Похоже, ученый так замучился, что дал ему нелестное говорящее название, от греч. melas — «черный» и tosos — «труд». [1], [2] Мелатонин — многогранный и очень сильный гормон . Главной его функцией является регуляция циркадных ритмов, ночью он выделяется в кровь из эпифиза, говоря организму, что пора спать. Так оказалось, что эпифиз не вместилище души, а вместилище биологических часов.

Подробнее о мелатонине и о том, какие шестеренки поворачиваются в биологических часах, чтобы мы спали, можно прочитать в этих статьях «Биомолекулы»: «Снова о циркадных ритмах» [3], «Тик-так по-шведски. Нобелевская премия за циркадные ритмы» [4].

Итак, к концу 20 века стало известно, что эпифиз — это эндокринная железа, секретирующая мелатонин и некоторые другие гормоны. Казалось бы, вот все секреты эпифиза и раскрыты. Но мелатонин и биоритмы — это только одна, вероятно, главная и понятная составляющая эпифиза.

Эпифиз как третий глаз

Если функция эпифиза как вместилища души была опровергнута, то третьим глазом его, с некоторыми оговорками, можно вполне законно называть. Сейчас меня можно заподозрить в обмане: научно-популярная статья о третьем глазе, что дальше? Но не спешите, посмотрите на макушку этой ящерицы:

Это молодая гаттерия и белое пятнышко у нее на голове — третий глаз. Правильнее называть его «теменной глаз», он реагируют на свет, его и эпифиз объединяют в так называемый пинеальный комплекс, который присутствует почти у всех позвоночных. Он особенно ярко выражен у гаттерий и некоторых других ящериц, а у других позвоночных он со временем пропал. У многих от пинеального комплекса остался только эпифиз.[5] Размер эпифиза очень разнится у животных и больше всего на него влияет место обитания вида. У животных, обитающих в холодных зонах, эпифиз, как правило, больше. Так, самый большой эпифиз наблюдается у новорожденных антарктических тюленей (рис. 2), он составляет почти треть от всего мозга! С чем связана эта зависимость, пока не понятно [6].

Но как связан эпифиз и третий глаз? Выяснилось, что пинеалоциты, клетки эпифиза, у многих животных сохранили способность к фоточувствительности. Происхождение пинеалоцитов и клеток теменного глаза общее, они очень похожи, теменной глаз тоже способен к синтезу мелатонина и к регуляции биоритмов, но в гораздо меньших объемах, чем эпифиз, и не у всех его обладателей. Существуют различные теории о происхождении эпифиза и третьего глаза, о том, как светочувствительные клетки оказались во тьме теменной коробки. Но однозначного вывода пока нет, опять эпифиз сохраняет свою загадочность [5].

Зачем нужен третий глаз ящерицам?

Самой логичной теорией о его назначении была теория о том, что теменной глаз является детектором смены сезонов. Но в 2010 году в Biological Journal of the Linnean Society вышла статья, в которой ученые анализировали, как разные экологические факторы влияют на размер и развитость теменного глаза. Выяснилось, что широта и долгота практически не влияют на его размер.

Результаты этого исследования поставили крест на самой популярной теории о предназначении теменного глаза ящериц для определения смены сезонов, но до сих пор ее можно встретить во многих источниках [5].

Зато исследователи нашли другие достоверные способности третьего глаза ящериц. Несмотря на то, что теменной глаз не передает изображение, как обычные глаза, он воспринимает свет и способен определить положение поляризации света, в отличие от обычных парных глаз [7].

Тут стоит немного поговорить о поляризованном свете.

Свет — это волны, изначально не упорядоченные и проходящие во множестве направлений. Солнечный свет, проходя через атмосферу, частично поляризуется — это значит, что часть направлений его волн отсеивается, и остаются только определенные направления волн, образующие параллельные плоскости поляризации. На рисунке 4 вы видите схемы поляризации света: слева — неполяризованный свет, в центре и справа — 2 плоскополяризованных света, первый в плоскость под углом в 0 градусов, а другой под 45 градусов.

Можно представить это как просеивание песка, часть направлений сохраняется, а часть пропадает, и свет несколько упорядочивается. В зависимости от положения солнца эти плоскости меняются, меняется степень поляризации (насколько много направлений отсеялось, насколько выражен главный вектор), при этом пасмурность не сильно влияет на поляризацию [8]. Ящерицы, наблюдая теменным глазом за направлениями поляризации света, могут понимать, где солнце, даже в пасмурную погоду, а, зная, где находится солнце, можно ориентироваться в пространстве. Таким образом, эта способность могла бы использоваться ящерицами, как своеобразный компас, известно, что многие насекомые ориентируются таким образом. В отдельном эксперименте проверяли, пользуются ли ящерицы такой способностью теменного глаза на самом деле. Ящериц помещали в шестигранный ящик с лабиринтом (рис. 5), до этого их обучали его проходить, потом ящик освещали плоскополяризованным светом, сначала с одним направлением, а потом с перпендикулярным ему. В итоге ящерицы действительно по-разному проходили лабиринт в зависимости от того, какая плоскость поляризации была у света, поворачивая на 90 градусов вместе с плоскостью поляризации [7].

Второе достоверно известное назначение третьего глаза — защита от перегрева и переохлаждения. Благодаря светочувствительности теменной глаз оценивает освещенность: при интенсивном освещении он предостерегает земноводных от длительного пребывания на солнце, так он оберегает рептилий от перегрева. В экспериментах лягушки, которым удаляли теменной глаз, больше времени проводили на солнце.

А почему у современных животных редко встречается третий глаз? Существующие гипотезы говорят о том, что раньше терморегуляция была развита хуже и необходимо было очень внимательно отслеживать освещенность, прятаться от солнца, теменной глаз был необходим, но с развитием систем терморегуляции потребность в нем постепенно отпала [5].

Пока ясны не все функции третьего глаза у разных животных. Непонятно, насколько он необходим современным животным, как он развивался, ученые находят у него новые функции, отметают ранее предположенные. В предыдущих абзацах описывались функции только теменного глаза ящериц, хотя есть он еще у рыб и амфибий.

В голове не ветер, не опилки, а песок

Но все же эпифиз не равен третьему глазу, хотя по происхождению и функциям связан с ним. Вернемся же к нему. Надеюсь, ни у кого не поседели волосы и в голове не стало больше песка, пока они читали этот текст. Дело в том, что с возрастом у нас не только появляются седина, морщины и т.д., но и в голове действительно появляются минеральные отложения, особенно в эпифизе, он буквально заполняется песком. Но не переживайте, это нормальное явление. Тем не менее кальцификация эпифиза имеет значение, у нее есть как негативные, так и позитивные стороны. Благодаря свойству кальция и его соединений светиться в ультрафиолете довольно давно известно, что твердые частицы в эпифизе получились именно из-за откладывания кальция в клетках. На то, как выглядит песчинка в эпифизе, можно посмотреть на рисунке 6.

На самом деле кальцифицироваться может любая клетка, а наши кости обладают прочностью именно из-за кальция. Минерализация, вариантом которой является кальцификация, происходит, когда в клетке оказывается очень много кальция, фосфора и других минеральных веществ. Для клеток такой процесс губителен, ведь кальций заполняет их внутренности, они становятся мертвыми и твердыми. В организме человека такая прочность нужна только костям и зубам, поэтому клетки постоянно избавляются от избытка кальция благодаря мембранным белкам: обменнику кальция и натрия и Ca-AТФазе. Эти белки в мембране по-разному пропускают ионы, в зависимости от заряда и концентрации. Ca-AТФаза выводит кальций из клетки против градиента заряда и концентрации с затратой энергии АТФ, а обменник, как можно догадаться по названию, меняет ионы кальция, располагающиеся внутри клетки, на ионы натрия, в избытке находящиеся снаружи.

В эпифизе эти механизмы с возрастом начинают хуже работать, потому что эпифиз — очень активная железа, он регулярно синтезирует гормоны, выделяет их в кровь, кровь постоянно проходит через эпифиз, а в крови содержится кальций. В итоге из-за постоянной работы сильные изменения можно заметить уже к подростковому возрасту — со временем эпифиз кальцифицируется все сильнее и сильнее, некоторые ученые отмечают сходство кальцификации шишковидной железы и остеонов костей. На рисунке 8 представлена кальцифицурующаяся часть шишковидной железы человека в 14 лет (а) — видно, что белого на снимке мало, кальцификация еще не сильная; в 47 лет (б) — почти все белое, кальцификация очень сильна; и в 62 года (в) — все белое, кальцификация фрагмента полная. Последняя картинка — это фото остеона — структурной единицы кости. Заметно внешнее сходство песчинок эпифиза и остеона: похожая слоистая радиальная структура.

Кроме того, схожесть с костями прослеживается в почти одинаковом соотношении фосфора в песчинках эпифиза и в костях, эмали зубов. Все это: схожесть с кальцификацией костей, начало кальцификации в раннем возрасте у всех людей — указывает на то, что это нормальный физиологический, а не патологический процесс. Так что песок в голове — это нормально, как бы странно это ни звучало.

И все же негативный эффект от песка в эпифизе есть. Очевидно, что песок — затвердевшие, не живые пинеалоциты, — не может синтезировать мелатонин. Это довольно плохо, есть предположение, что из-за этого пожилые люди меньше и хуже спят. Известно, что у людей с болезнью Альцгеймера и некоторыми другими психическими заболеваниями кальцификация эпифиза выражена сильнее, чем у здоровых людей, хотя нет доказательств того, что кальцификация является причиной этих состояний, существуют предположения о том, что ухудшение секреции мелатонина вносит свой вклад в развитие заболеваний. В связи с этим авторы исследований кальцификации предлагают серьезнее заниматься исследованием мозгового песка в эпифизе, потому что до сих пор точно не ясен механизм кальцификации, как возникает повышенная кальцификация, как именно она влияет на организм [6].

В конце хочется еще раз сказать о том, насколько эпифиз необыкновенный. Мало того, что до середины прошлого века его функции оставались неясными. Мало того, что он действительно имеет связь с третьим глазом, пусть и не духовным, предсказательским, а с реальным. Он даже сейчас задает исследователям загадки о своем функционировании и предназначении, о своей роли в организме. Возможно, открыв их, мы сможем больше узнать о психических заболеваниях и продвинуться в их лечении, и будем лучше высыпаться.

Литература

1. T. V. Semicheva, A. Yu. Garibashvili. (2000). Epiphysis: current data on physiology and pathology. Probl Endokrinol (Mosk). 46, 38-44;
2. Зверева Е.Е. и Бессалова Е.Ю. (2016). История изучения шишковидного тела: между мифологией и наукой. «Крымский журнал экспериментальной и клинической медицины». 6, 186–193;
3. Снова о циркадных ритмах;
4. Тик-так по-шведски. Нобелевская премия за циркадные ритмы;
5. ANTONIETA LABRA, KJETIL L. VOJE, HERVÉ SELIGMANN, THOMAS F. HANSEN. (2010). Evolution of the third eye: a phylogenetic comparative study of parietal-eye size as an ecophysiological adaptation in Liolaemus lizards. Biological Journal of the Linnean Society. 101, 870-883;
6. Dun Tan, Bing Xu, Xinjia Zhou, Russel Reiter. (2018). Pineal Calcification, Melatonin Production, Aging, Associated Health Consequences and Rejuvenation of the Pineal Gland. Molecules. 23, 301;
7. Augusto Foà, Francesca Basaglia, Giulia Beltrami, Margherita Carnacina, Elisa Moretto, Cristiano Bertolucci. (2009). Orientation of lizards in a Morris water-maze: roles of the sun compass and the parietal eye. Journal of Experimental Biology. 212, 2918-2924;
8. Thomas W. Cronin, Eric J. Warrant, Birgit Greiner. (2006). Celestial polarization patterns during twilight. Appl. Opt.. 45, 5582;
9. Шерклифф У. Поляризованный свет. М.: «Рипол Классик», 2013. — 268 с..