Глава 6. "Живые приборы" времени

Часы внутри нас

Большинство живых существ: люди, животные, растения - обладает "приборами времени", позволяющими им измерять прошедшие промежутки их жизни. Однако с "живыми часами" связаны также и физиологические функции, которыми во многих случаях биологические часы "руководят" без нашего ведома. Только некоторые отдаленные ощущения говорят о неустанной работе приборов времени в нашем организме...

Что-то непонятное, странное происходило с подопытными насекомыми и животными в одной из экспериментальных лабораторий, занимающейся изучением биологических часов.

Все тараканы ползли за едой, а подопытный засыпал. Все засыпали, а наш подопытный бежал есть. Вернее, таракан делал все то же, что и другие, только с отставанием на полсуток.

Подопытные куры и петухи вели себя тоже странно. Спали днем, а когда их собратья садились на насесты, просыпались и бежали клевать зерно. А петухи еще петь к вечеру начинали, как на заре.

Что же произошло. В данном случае ученые просто "подвели стрелки" живых часов у животных. Это наиболее простой способ воздействия на время, текущее в клетках организма. "Часы" на некоторое время останавливают, а затем включают. Как экспериментаторы это делают, мы разберем несколько позднее.

Для значительной части животных и растений биологические ритмы задаются циклическими изменениями факторов окружающей среды. К таким очевидным факторам можно отнести суточные, лунно-приливные, лунные и годовые циклы. По этим вехам живые организмы проверяют свои собственные ритмы или внутренние колеблющиеся системы. Поэтому для многих обитателей суши и вод циферблатом служит огромное небо, а стрелками - солнечный луч.

Заглянем в маленький мирок, кишащий жизнью,- небольшой пруд. Сколько здесь низших рачков - дафний. Сначала может показаться, что каждая крошка беспорядочно снует в воде. На самом деле все предопределено, и каждый организм ориентируется как у себя дома. Все дафнии собраны в одно облачко-стадо, а поляризованные солнечные лучи четко расчерчивают толщу воды. Человеческий глаз не может отличить поляризованный свет от неполяризованного, поэтому ему кажется, что лучи света просто освещают толщу воды. Но ведь, помимо порядка, вносимого в подводный мир лучом, поляризованный свет, который видят дафнии, выступает как часовые стрелки. Свет поляризуется в воде и сложным глазом дафнии. Если даже солнце закрыто облаками, дафнии все равно определяют время по плоскостям поляризации света.

Пчелы также способны видеть поляризованные лучи. Им только надо увидеть кусочек неба в щель или леток улья, чтобы определить, где находится на небе солнце и который час.

Безошибочно чувствуют время козы, собаки, кошки и другие животные. Кому не известно, что собаки встречают точно в определенный час хозяина, возвращающегося с работы?

У меня была кошка Зорька, с точностью до минуты знающая приход с работы каждого члена семьи. Ежедневно в пять, без четверти шесть и в половине седьмого вечера садилась она в ожидании у двери, а встретив одного из нас, успокаивалась до прихода следующего члена семьи.

Человеку почти не приходится пользоваться собственными биологическими часами. Но бывают ситуации, когда никаких часов, кроме биологических, у человека нет, а что-то нужно сделать в определенное время. Например, проснуться в заданный час, когда нет будильника и разбудить некому. И он просыпается вовремя.

Растения определяют время не хуже животных. Одноклеточные водоросли, например, светятся только перед заходом солнца. А высшие растения в строго определенный час закрывают или открывают лепестки своих цветков. Начинается утро, и заработали цветочные часы. В 4-5 часов утра распускаются цветки цикория, мака и шиповника, в 7 часов распускается салат, в 9- 10 часов - цветки мать-и-мачехи, а вечером начинают распускаться цветки ночных растений: в 20 часов - душистого табака, в 21 час - ночной фиалки, а ряд растений только ночью раскрывает лепестки своих цветков. Другие виды растений выделяют запах или нектар в строго определенные часы, и пчелы об этом очень хорошо знают.

Теперь самый интересный вопрос: как же устроены живые часы и в каком органе они расположены?

Ученые не установили еще в организме структур, которые ответственны за жизненные ритмы, и тем более молекулярных изначальных структур, задающих первичные колебания в биологических часах. Есть только ряд гипотез, объясняющих устройство датчика времени. Суть одной из них сводится к следующему.

Механизм биологических часов невозможно рассмотреть ни в какой микроскоп, потому что "маятником" их может служить молекула белка. Такой маятник колеблется очень часто. Если бы удалось увеличить его через микроскоп до такой степени, чтобы молекула белка была видна, то, кроме ее расплывчатого контура, мы ничего бы не увидели. Молекула похожа на звучащую струну. В каждой клетке колеблется не один, а миллионы мельчайших маятников-молекул.

Однако колебания белковых молекул-маятников не надо путать с тепловым колебанием. Колебания, дающие ритм времени, связаны в основном с движением скручивания и раскручивания белковых молекул. Огромные белковые молекулы в живых клетках по своему строению напоминают сложные пружины, которые раскручиваются и скручиваются в определенном ритме. Каждая цепочка, из которой состоит белковая пружина, несет на себе электрические заряды. Достаточно растянуть пружины, как эти заряды начнут вращаться, создавая магнитное поле с определенным расположением полюсов. А отпустишь ее, она сожмется, заряды и полюсы магнитного поля вернутся в исходное положение. Таким образом, уже при сжатии и растяжении белковой молекулы возникает переменное магнитное поле. Значит, если бы около такой пружины был постоянный магнит, он способствовал бы ее ритмическим колебаниям. Но ведь такие магниты в живой клетке есть! Это атомы металлов, включенные в состав самой белковой молекулы, вернее, в особый центр. У них сильное постоянное магнитное поле. От них-то и отталкиваются белковые цепочки, совершая колебания. Вполне возможно, что комплекс белковых молекул, а может быть, специальные молекулы - хронодатчики переводят беспорядочные тепловые колебания в резонансные. Ведь такую белковую молекулу можно рассматривать как своеобразный колебательный контур, настроенный на определенную частоту.

Существует и другая точка зрения на молекулярный механизм биологических часов. Ее придерживается, например, Чарлз Эрет, окончивший Парижский университет, но долгое время работающий после этого в Аргоннской лаборатории при Комиссии по атомной энергии США. Эрет разработал концепцию "хронона", соответственно которой первичным маятником биологических часов служат ДНК, информационная РНК и связанные с ними реакции белкового синтеза. Последовательность этих реакций выполняет роль датчика ритмов в точном механизме отсчета времени, который в очень большом диапазоне не зависит от температуры.

Ни одной из высказанных точек зрения нельзя отдать предпочтения, пока экспериментально не будет выявлен источник первичных временных импульсов. Где он находится: в ядре или в цитоплазме клетки?

Группа американских ученых Суини, Хэксо и Рихтер решили проверить это на крупной водоросли ацетобулярии величиной до 2-4 сантиметров, похожей на маленький зонтик. Всего одна клетка и ядро в ризоиде, которым водоросль прикреплена к субстрату; отрезал микроскальпелем ризоид - и клетка оказывается без ядра. Когда ядро у ацетобулярии удалили, то оказалось, что одна протоплазма способна поддерживать циркадный (околосуточный) ритм фотосинтеза в течение 30 циклов. Так где же работают биологические часы - в протоплазме или в ядре? Ученые попробовали создать "синтетическую клетку", у которой ритм ядра и цитоплазмы расходился бы по фазе на 12 часов. Из живой клетки удалили собственное ядро, а подсадили другое, работающее по своим часам. Прошло немного времени, и клетка начала жить по ритму ядра, следовательно, оно определяет ход биологических часов. Другое дело, какие молекулы задают первичный ритм - белки или нуклеиновые кислоты? Ответа на этот вопрос пока нет.

Нет пока еще единого мнения среди ученых относительно механизма, управляющего ходом биологических часов. Большинство ученых считают, что ходом биологических часов управляют механизмы, заложенные в самих живых клетках, а вот по мнению американского профессора Ф. Брауна, наоборот, регуляторами биологического времени служат космическое излучение, магнитное поле Земли и само движение в космическом пространстве Солнца, Земли и Луны. Опыты свои он проводил в полной темноте на кусочках картофеля, вырезанных с глазком, и показал, что дыхание этих кусочков зависит и меняется главным образом от вышеперечисленных внешних факторов. Однако вернемся к нашим внутренним часам, ведь мы разобрали только, как работает их "маятник".

Как и у настоящих часов, где стрелки медленно ползут по циферблату, в часах, заключенных внутри нас, есть механизмы, выполняющие роль стрелок. Только в живых часах не три стрелки (если принимать во внимание и секундную), а значительно больше. Они показывают часовые, суточные, месячные, годовые ритмы, возможно, даже жизненные. А на уровне отдельных клеток минимальные временные ритмы, возможно, укорачиваются до тысячных долей секунды.

Как же эти короткие временные ритмы передаются дальше? Где же в биологических часах второе "колесико"? Его уже можно рассмотреть в микроскоп, оно не так мало, как "маятник" живых часов. Роль этого колесика, по-видимому, выполняет ядро клетки. Но у науки пока еще нет ответа, каким образом высокочастотные ритмы молекул-"маятников" переводятся ядром в циркадные, то есть околосуточные, ритмы.

Часовым механизмом в ядре служит не генетический материал, а, скорее всего, ядерная оболочка. Когда исследователи хотели посмотреть, как работают часы у бактерий, они ничего не обнаружили. Никаких циркадных ритмов у бактерий не найдено. Вот тут-то биологи задумались - чем же отличаются бактерии от других организмов? Ответ как бы напрашивался сам собой: у бактерий нет оформленного ядра. Ядерный материал есть, но он не заключен в оболочку. Это, по существу, часы без стрелок.

Много еще в организме есть непонятных колеблющихся систем, о которых почти ничего не известно. Например, нейроны головного мозга окружены звездчатыми клетками, их называют астроглия. Так вот эти клетки совершают одно колебание в четыре минуты. Зачем такой ритм, что он отмеряет, может быть, это маятник месячных, сезонных или годовых часов? Пока не известно.

О сезонных часах мы тоже почти ничего не знаем, кроме того, что они могут включать и выключать на определенный сезон работу отдельных генов. Так, всем хорошо известно, что многие животные впадают в зимнюю спячку. Когда биологи посмотрели, что же происходит в организме спящих животных, то оказалось, что многие функции у них, вплоть до клеточных, выключены. Спит организм, и спят его клетки. Причем как спят! Ничем не разбудить. Вот возьмем, например, лягушку. Каждую зиму она, зарывшись в ил какого-нибудь пруда, переживает тяжелые студеные времена. В это время ее клетки не делятся - они отключены. Проследим это на клетках хрусталика глаза. Переднюю часть линзы глаза покрывает тонкая пленочка, на которой расположен только один слой клеток. Если этот монослой снять, то можно, как в кожице лука, наблюдать за клетками и их делением.

Перейдем к эксперименту. Попробуем разбудить лягушку зимой. Лягушка хочет спать, постоянно опускается в воду. Но мы ее освещаем, переводим в теплое помещение, не даем ей спать. Через некоторое время лягушка просыпается. Сидит, смотрит, даже может тихо квакать, но что происходит с ее клетками. Делаем препарат и обнаруживаем, что они спят. И будут спать до весны, пока их не включат сезонные часы и они не начнут делиться.

Да что там говорить, о животных, люди, создавшие вокруг себя искусственный микроклимат в зимнее время, не утеряли полностью ни сезонные, ни суточные ритмы. Можно даже сказать - человек находится во власти суточных ритмов. Более 40 физиологических процессов зависит у нас от биологических часов.

На протяжении суток у человека меняется температура. Самым "горячим" он бывает в 18 часов, а самым "холодным" - между 1-5 часами. Колебания температуры составляют у разных людей от 0,6 до 1,3° С. Примерно в том же ритме меняется у человека частота сердечных сокращений и кровяное давление, но в 13 часов и в 21 час оно наиболее низкое.

Известно, что анализ крови делают утром. И это потому, что именно в эти часы кровоток наполняется молодыми эритроцитами, в крови максимум гемоглобина и сахара.

Даже физические нагрузки человек по-разному переносит в течение суток. Самым "сильным" человек бывает с 8 часов. И сохраняет физическую активность до 12 дня, затем следует перерыв, когда человек как бы слабеет, - с 12 до 14 часов, а затем с 14 до 17 часов к нему приходит новый прилив сил. Ночью - от 2 до 5 - человек наиболее "слаб".

Ученым еще много предстоит работать, чтобы познать биологические ритмы у человека и животных, но некоторые уже задумываются над тем, как их изменить.