Расследование

Биологические часы

В XVIII веке было естественно работать в разных научных направлениях. Ученый секретарь Парижской Королевской Академии наук де Мэран был астрономом и математиком. Он поддерживал переписку со многими выдающимися исследователями разных стран. Тогда не было журналов, и о научных результатах сообщали друг другу в письмах и обобщали их в мемуарах и диссертациях. В 1729 году де Мэран сообщил о замечательном наблюдении.
Ночью фасоль опускает листья, а перед рассветом поднимает. Эти "никтинастические" движения листьев заметил де Мэран. И сделал важнейший опыт. Он поместил фасоль в темную комнату, и в темноте - днем и ночью - наблюдал, на ощупь, как движутся листья. Движение листьев продолжалось в полной темноте! Листья поднимались, когда за стенами комнаты наступал день, и опускались, когда наступала ночь…
Как листья определяют, что там, "на воле", день? Как они определяют, что наступила ночь? Что за "часы" в них встроены?
А, может быть, фасоль чувствует изменения температуры? - Такой вопрос задал себе Дюмель и в 1758 году повторил опыты де Мэрана. Он поместил растения в глубокую пещеру - во мрак, где температура была неизменна и днем и ночью. Движения листьев продолжались. Постепенно, через много дней, эти движения затухли. Но - о, неожиданность! - от короткой вспышки света движения возобновились! Впечатление было такое, что все это время "часы" шли… только листья-стрелки не двигались.
Прошло 270 лет с открытия де Мэрана. Считается, что проблема биологических часов трудами десятков выдающихся исследователей разных специальностей уже близка к разрешению. Но так ли это? Что знают ученые о биологических часах?
Установлены некоторые точные факты. Например.
Известно, что "биологические часы" есть в каждой клетке.
Что в многоклеточных организмах все "часы" всех клеток идут согласовано и образуют единую, причем иерархическую, систему. "Часы" отдельных клеток управляются "часами" органа. "Часы" всех органов - настраиваются по "часам" центральной нервной системы. А в ней - в мозгу - есть главные "часы" организма!
Знают также, что биологические часы "активны" в отличие от, например, солнечных часов, т.е. они "идут сами". Как будто внутри каждой клетки есть свой "маятник", отмеривающий единицы времени.
Знают, что "часовой механизм" передается по наследству - в клетках есть гены часов.
Знают, что во внутриклеточных часах можно "подводить стрелки". Но в отличие от искусственных, рукотворных часов, это можно делать не как захочется и не навсегда.
Итак. О биологических часах известно многое. Но есть некоторые факты, которые, по-прежнему, ставят в тупик ученых всего мира…
Передадим слово Симону Эльевичу Шнолю - известному исследователю, биологу, физику, математику, положившему более 30 лет на исследование физико-биологических процессов, происходящих в живых организмах и в биосфере Земли.

- Мы в основном понимаем, зачем нужны в клетках часы. Ясно, что для согласования жизнедеятельности со сменой дня и ночи, то есть в качестве приспособления к вращению Земли вокруг своей оси. В качестве приспособления к смене темного и светлого времени. А поскольку в средних и высоких широтах соотношения светлого и темного времени в течение года неодинаковы, часы необходимы и для приспособления к смене сезонов, то есть для приспособления к наклону Земной оси относительно плоскости околосолнечной орбиты. Тут мало измерить соотношение светлого и темного времени суток, нужно еще знать, растет или убывает день (ночь) - иначе можно спутать весну и осень.
Часы нужны и тем, кто должен учитывать лунные ритмы. Это, прежде всего, обитатели приливных зон побережья океанов. Время "высокой воды" или "низкой воды" изменяется из-за несовпадения лунных и земных суток. Учет сдвига времени приливов и отливов невозможен без точных внутренних часов.
Понятно и назначение иерархического подчинения часов в многоклеточном организме - организм должен функционировать как целое. А если функции органов и тканей несогласованы - это ужасно! - это болезни разных видов.
Без часов нельзя решать задачи навигации по Солнцу или звездам. Заметив, что богатые нектаром цветущие растения растут в направлении под определенным углом относительно Солнца, пчелы при повторном полете за нектаром должны делать поправку на движение Солнца. Для этого нужны часы. Пчелы умеют это делать. Умеют вносить поправку на время суток и птицы, ориентируясь в перелетах ночью по звездам или днем по Солнцу.
Но не все тут понятно! Зачем морским одноклеточным - например, пиридинеям или гониаулаксу знать, что наступила ночь? Они светятся ночью и не светятся днем. Какой в этом смысл? Кому они подают световые сигналы и зачем? Зачем часы примитивному грибу нейроспоре? Явно, им часы очень нужны - иначе они не сохранились бы при естественном отборе. А зачем? Не знаем.
Что мы знаем о природе биологических часов? Откуда следует, что их ход не определяется каким-то внешним периодическим процессом, что они "эндогенны"?
В естественном состоянии ход биологических часов подстраивается внешними периодическими процессами под 24-часовой период земных суток. Но этот суточный ритм может быть изменен. Поэтому его называют "циркадный" - околосуточный - период. В искусственных условиях этот циркадный период можно растянуть до 28 часов или, наоборот, сжать до 16 часов. Это делают, когда изучают поведение растений, животных и человека в условиях, имитирующих условия длительного космического полета или подводного плавания.
Де Мэран показал, что дело не в периодической смене дня и ночи. Дюмель - что дело не в периодических изменениях температуры. Может быть, дело в других физических факторах - атмосферном давлении, электромагнитных, трудно экранируемых излучениях или, вообще, в каких-то еще неизвестных излучениях Солнца? Жизни многих исследователей были посвящены этой проблеме.
Ход часов не должен зависеть от температуры. Уж очень непостоянна температура среды обитания. Независимость от температуры - очень трудное условие, все химические процессы и большинство физико-химических процессов сильно зависят от температуры. А ход биологических часов - не зависит. Почему?
Известно, что пчелы и птицы вносят поправки на движение Солнца или вращение звездного неба, вращение Земли, с точностью порядка минут. Как происходит регулировка и подстройка часов относительно внешних периодических процессов, под "сигналы точного времени"? Какие "сигналы точного времени" получают живые организмы, и чем они их воспринимают?
Остается еще много важных вопросов и среди них такой: как осуществляется "временнАя организация" - согласование всех внутриклеточных часов многоклеточного организма? Такое согласование предполагает какую-то систему сигнализации между клетками.
А тогда возникают новые вопросы: что за сигналы посылают они друг другу?
Как достигается иерархия - подчинение часов одних клеток сигналам часов других, "руководящих", клеток?
Где в клетке находятся часы?
Что за процессы идут в них?
Где в многоклеточном организме со сложной анатомией находятся главные часы?
Исследованием природы биологических часов заняты лаборатории в разных странах. Здесь работали и работают выдающиеся исследователи - "классики" Фриш, Бюннинг, Питендрич, Хастингс, Халберг и много новых, относительно молодых биологов, физиков, математиков.
Однако, далеко не на все вопросы получены ответы.

Симон Эльевич Шноль, профессор Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова, зав. лабораторией физической биохимии Института теоретической и экспериментальной биофизики РАН (Пущино), доктор биологических наук, действительный член Российской Академии естественных наук. Область интересов: колебательные процессы в биологических системах, теория эволюции, космофизические корреляции биологических и физико-химических процессов, история науки.

Оставалось "немногое" - найти биологические часы в клетках живых организмов, определить их точное местоположение.
Сообщения об открытии биохимических колебательных процессов начали появляться с конца 50-х. Однако первый бесспорно периодический биохимический процесс открыл выдающийся американский биохимик Бриттен Чанс.
Синтез АТФ (аденозинтрифосфат - носитель энергии в живом организме) должен был осуществляться с колебаниями скорости, то быстрее, то медленнее. И колебания были "вполне подходящие", с периодом порядка минуты, вполне годились на роль маятника биологических внутриклеточных часов.
Казалось, что механизм биологических часов - их маятник - найден. Однако вскоре наступило разочарование. Эти колебания идут лишь в особых условиях и, кроме того, они сильно зависят от температуры. А часы от температуры зависеть не должны.
В разных лабораториях продолжали поиск. Найдены были колебания в митохондриях - М. Н. Кондрашовой и Ю. В. Евтодиенко в лабораториях Института биофизики в Пущино. Это было замечательно. В ходе этих колебаний в митохондрии то входят потоки ионов калия, кальция или водорода, то выходят. Скорость поглощения кислорода митохондриями также периодически изменяется.
Ну, теперь найден механизм, точнее маятник, часов!
К сожалению, нет. Все еще было не ясно - происходят ли эти колебания, как должно быть в часах, всегда, или только в определенных создаваемых в эксперименте условиях. И, опять же, выяснилось, что они сильно зависят от температуры.
Пришлось задуматься, следует ли искать механизм часов в процессах, обеспечивающих клетки энергией. Все больше данных свидетельствовали в пользу того, что часы идут в полном покое, когда энергия почти не расходуется, также, как и при активной жизнедеятельности.
Пчел на зиму укрывают от морозов и света, они цепенеют в своих темных ульях. А часы у них "идут" всю зиму, и весной пчелы правильно определяют время суток, что необходимо им для правильного выбора направления полета к цветущим растениям за "взятком".
Охлаждаются и цепенеют при температуре, близкой к "нулю", повисшие вниз головой в темных пещерах летучие мыши. Проходит много месяцев до теплых летних ночей, и все это время у них правильно идут часы! И в нужное время они вылетают на ловлю ночных насекомых.
Не сбиваются с нужной фазы и околосуточные периодические процессы у растений, помещенных на много недель в темноту при постоянной температуре. Внешне нет никаких проявлений хода часов, движения "стрелок" не видно. Но дайте краткую вспышку света, и окажется, что все это время часы правильно отсчитывали время - у фасоли листья будут опускаться или подниматься так же, как и у контрольных растений, бывших при нормальной смене дня и ночи.
Часы идут даже при почти полной остановке метаболизма - процесса обмена веществ в организме. В этих исследованиях важные результаты дает применение различных ядов - ингибиторов (замедлителей, подавителей) биохимических процессов.
Морской одноклеточный организм Gonyaulax светится ночью, следуя своим внутриклеточным часам.
Всем известная зеленая эвглена, наоборот, ночью неактивна. Днем она активно плывет в сторону большей освещенности. Ночью, если направить на сосуд с эвгленами узкий луч света, они на него не реагируют.
Наступление дня и ночи зеленая эвглена определяет по своим внутренним часам.
Если добавить в воду, где живут эти организмы, метаболические яды, останавливающие дыхание и гликолиз, жизнедеятельность их замирает, эвглены перестают двигаться, гониаулаксы не могут генерировать свет.
Если перенести их в свежую среду, отмыть яды, жизнедеятельность восстанавливается.
Но самое замечательное оказывается, что все это время их часы шли вполне правильно, как будто бы клетки и не отравляли, после отмывания ядов они вовремя начинают испускать свет и вовремя проявлять способность к движению в сторону света.
Но если добавить в воду яды, отравляющие процессы считывания генетической информации - часы сбиваются, ход их нарушается.
Однако найти реакции синтеза белка в клетке с колебаниями скорости с периодом порядка секунд не удалось. А именно такие колебания нужны для обеспечения должной точности часов.
И после периода общего увлечения колебательными биохимическими процессами наступило - как и бывает - "охлаждение чувств".
Но вот в последние годы интерес к этим процессам вновь пробудился. Для самых разных клеток и тканей оказались характерными колебания концентрации ионов кальция с периодами порядка секунд - нескольких минут. Это взволновало исследователей потому, что именно ионы кальция являются универсальными регуляторами внутриклеточных процессов. Изменение их концентрации часто включает или выключает метаболические процессы.
Можно представить себе, что и взаимодействие соседних клеток может осуществляться посредством колебаний концентрации кальция. А взаимодействие отдаленных друг от друга клеток, например, в разных отделах головного мозга, вероятно, осуществляется посредством относительно низкочастотных электромагнитных колебаний, порождаемых колебаниями концентрации ионов кальция в отдельных мозговых структурах.
Но при чем тут синтез белка? Почему яды, отравляющие синтез белка, выключают, останавливают внутриклеточные часы?
Около 50 лет тому назад К. Питтендрич начал изучение периодичности в жизни дрозофил. Дрозофилы одного вида активны в утренние часы, другие - в вечерние. Особенно четко суточная периодичность у них проявляется во время массового вылупления взрослых мух из коконов. Было установлено существование у дрозофилы гена биологических часов.
Так, оказалось, что в определенных местах хромосом есть ген PER, определяющий циркадную периодичность. Мутации этого гена приводят к наследуемым изменениям хода часов. Аналогичные гены были обнаружены у низшего гриба - нейроспоры и у крестоцветного растения арабидопсис.
Скоро мы будем понимать механизмы биологических часов. Залогом этого служат достижения экспериментальной биологии. Примером этих достижений могут служить исследования циркадных часов у резуховидки (арабидобсис) - растения, популярного в последние десятилетия у генетиков. Как узнать, который час на внутренних часах этого крестоцветного? Растет себе и никаких проявлений.
Методами генной инженерии в геном этого растения "врезан", вставлен ген люцеферазы системы генерации света из жука-светляка (!). Такое растение начинает светиться. А интенсивность свечения управляется собственными генами - часами арабидопсиса.
Как сказано выше, растениям часы нужны не только для подстройки к смене дня и ночи, но и для приспособления к смене сезонов. Более того, они не только отличают весну от осени, но гораздо более тонко приспосабливаются к определенной длительности дня. Есть растения "короткого дня" и "длинного дня". Короткодневные растения зацветают ранней весной вскоре после весеннего равноденствия, растения длинного дня зацветают в дни, близкие к летнему солнцестоянию. Как они определяют длительность дня и ночи?
Наконец, немного о наших с вами часах.
Многоклеточный сложный организм может нормально существовать только при условии согласованности во времени всех его функций, то есть должны быть "центральные", "главные" часы, управляющие всеми остальными внутриклеточными часами.
Относительно недавно было показано, что эти главные часы расположены в головном мозге в супрахиазменном ядре таламуса. К этим часам подходят нервные волокна от зрительного нерва, и с кровью приносятся различные гормоны и среди них наиболее важный для настройки часов гормон эпифиза - мелатонин. Эпифиз, бывший когда-то третьим глазом у древних рептилий, сохранил свои функции регуляции циркадных ритмов.
В последнее время большой интерес вызывают исследования доктора медицинских наук Л. Я. Глыбина, директора Кардиологического центра Владивостока. Он полагает, что в сутках есть несколько периодов повышенного и пониженного физиологического состояния организма.
Пониженная сопротивляемость болезням, пониженная работоспособность приходится на время 2 - 3, 9 - 10, 14 - 15, 18 - 19, 22 - 23 часа местного времени. Высокая работоспособность и сопротивляемость болезням характерна для времени суток 5 - 6, 11 - 13, 16 - 17, 20 - 21 и 24 - 1 час.
Соответственно этим периодам, желательно начинать день в 5 - 6 часов утра и ложиться спать до 22 часов, соответственно перестроив всю свою общественно-социальную жизнь - отменив работу в ночные смены, вечерние сеансы кино и театральные спектакли. "Совы" отличаются от"жаворонков" только тем, что они используют период 24 - 1 час и пропускают чрезвычайно продуктивный период 5 - 6 часов.
Проблема биологических часов не ограничивается чисто научными задачами. Очевидно принципиальное значение этих вопросов для медицины. Одни и те же лекарства могут давать совершенно различные эффекты в разное время суток, при разных фазах биологических ритмов.
Этим вопросам посвящено большое количество литературы, но они еще далеки от полного выяснения.

А. Клейн
при подготовке статьи
использованы материалы сайта
www.pereplet.ru/obrazovanie

написать автору

обсудить на форуме