О биологических часах

Часы представляют собой один из самых замечательных механизмов, существующих на свете. Однако здесь речь будет идти не о будильнике, стоящем возле вашей кровати, и не об уличных электрических часах, висящих на углу. Часы, о которых мы собираемся вам рассказать, имеются во всех живых организмах, и по этим часам идет великое множесто процессов, наблюдаемых в природе.

У этих часов нет ни пружины, ни колесиков, ни циферблата; они даже не тикают. И тем не менее большинство из них работает настолько точно, что на протяжении многих тысячелетий они неизменно показывают верное время. Многие люди просыпаются утром за минуту до звонка своего будильника. Вставая изо дня в день на работу в одно и то же время в течение долгих^лет, они приучили свой организм к определенному режиму. Их «внутренние часы» неслышно для окружающих ежедневно в нужное время подают им сигнал подъема. Более того, некоторые люди могут приказать себе проснуться утром в определенное время, независимо от того, насколько поздно они легли накануне. И когда наступает утро, они действительно просыпаются вовремя.

Совершив перелет из Сент-Луи в Лондон, вы в полной мере ощутите наличие у вас внутренних часов, и притом с некоторым неудовольствием. Видя перед собой «Большого Бена», вы будете твердо уверены, что находитесь в Лондоне, однако «перевести» внутренние часы на лондонское время не так-то просто. Они будут продолжать управлять функциями вашего организма по времени Сент-Луи. Возможно, например, что первые несколько ночей в Лондоне вы не сомкнете глаз, подчиняясь своим внутренним часам. Такие внутренние часы есть не только у человека.

Австралийские рифовые цапли (Demiegretta sacra), живущие примерно в пятидесяти километрах от моря, ежедневно прилетают кормиться на побережье строго во время отлива. А ведь время отлива ежедневно сдвигается на 50 минут! Пчела, отправляясь каждый день за нектаром, совершенно точно знает, когда распускается каждое растение на ее пути. По-видимому, биологические часы пчелы обладают автоматическим заводом: если она в течение одного или двух дней не вылетает из улья из-за плохой погоды, то это не нарушает привычного расписания полетов. Ритм многих процессов, происходящих в живых организмах, соответствует по точности работе часового механизма.

Некоторые из таких ритмов имеют месячный или годичный цикл, а другие проявляют суточную периодичность. Всем хорошо известны годичные циклы роста и размножения растений и животных, определенные периоды цветения у растений, весенние и осенние перелеты птиц. Менее широко известно, что температура тела человека регулярно изменяется на протяжении суток, что морские организмы ежемесячно поднимаются из глубин океана на поверхность (это происходит весной в полнолуние), что устрицы открывают свои раковины всякий раз, когда воды прилива омывают устричные банки. Ритмы, паблюдаемые у различных живых существ, очень точно совпадают с ритмами неживой природы, которые обусловлены вращением Земли и ее движением вокруг Солнца.

К числу последних относятся чередование света и темноты, т. е. дня и ночи, сезонные колебания, а также приливы и отливы, происходящие два раза в сутки. Но каким же образом в таком случае можно отличить действие внутренних часов от простой реакции живых организмов на периодические изменения освещенности, уровня океана или какихлибо других факторов природы? Для того чтобы ответить на этот вопрос, ученые извлекают исследуемый

организм из его естественной среды и помещают его в лабораторию, поддерживая все те факторы, к действию которых предположительно чувствителен данный организм, на постоянном уровне. Это называется созданием постоянных условий. Если организм, находясь в таких условиях, сохраняет ритм, свойственный ему в природных условиях, то можно предполагать, что существует какой-то внутренний механизм, обеспечивающий данный ритм. Еще в 1729 году французский астроном де Мэран обнаружил существование у растений внутренних часов. Он содержал растения в полной темноте при относительно постоянной температуре. В естественных условиях у многих растений наблюдается чередование периодов «сна» и «бодрствования». Так, у бобов, гороха и клевера листья на ночь опускаются, а утром вновь поднимаются *. В лаборатории де Мэрана в полной темноте листья этих растений вели себя точно так же, как если бы они росли в нормальных условиях: они периодически опускались и поднимались (рис. 1,А). Иначе говоря, растения как бы продолжали испытывать влияние смены дня и ночи, хотя на самом деле были изолированы от него. Таким образом, опыты де Мэрана показали, что листья растений подчиняются какому-то временному механизму.

Недавно существование внутренних часов было показано на примере манящего краба (род Uca). Этого краба очень часто можно видеть на морских отмелях во время отлива, а узнать его легко по огромной клешне (у самцов), которая так велика, что кажется, будто все животное состоит из одной этой клешни. Для этого краба характерен суточный цикл изменения окраски: с восходом солнца цвет его изменяется, защищая животное от солнечных лучей и маскируя от врагов, а в сумерках он вновь «надевает вечерний костюм». Краб активен во время отлива, а во время прилива обычно находится в покое.

Если такого краба поместить в темную комнату при постоянных условиях, то он продолжает периодически менять окраску (рис. 1, Б) и чередовать периоды активности и покоя, то есть ведет себя точно так же, как и его собратья, оставшиеся на берегу моря. Следовательно, даже в темной лаборатории, где нет чередования дня и ночи, приливов и отливов, краб подчиняется какому-то внутреннему механизму, цикл которого совпадает с приливным циклом. Со времен де Мэрана до наших дней (и особенно за последние 30 лет) ученые обнаружили биологические часы у многих живых организмов. Такие беззвучные часы были найдены у самых разнообразных существ — от мельчайших организмов, населяющих каплю дождевой воды, до африканских фиалок и человека.

В настоящее время ученые считают, что биологические часы имеются у всех без исключения живых организмов. Если животное или растение поместить в постоянные условия, то ритм их различных функций может измениться. В одних случаях начало периода дневной активности может ежедневно немного сдвигаться на более раннее или, наоборот, более позднее время. Такие отклонения от строгой 24-часовой периодичности называют циркадными ритмами (от латинского слова circa, означающего «приблизительно»).

У белок летяг, помещенных в постоянные условия, наблюдается циркадный ритм. Эти млекопитающие кормятся по ночам. Каждый день в сумерки они выходят из дупла и всю ночь напролет до рассвета бегают вверх и вниз по деревьям и перепрыгивают с одного дерева на другое в поисках пищи. Днем они отдыхают, скрываясь в своих дуплах от посторонних взоров. Активность летяг начинается примерно через полчаса после захода солнца, или, точнее, когда освещенность падает до какой-то определенной величины (что можно измерить при помощи соответствующих приборов). И каждые 24 часа этот цикл повторяется. П. де Курси содержала несколько летяг при постоянной температуре в темноте и наблюдала за их поведением. Животные жили в специально сконструированных вращающихся проволочных клетках, которые пачинали вращаться, как только летяги начинали двигаться.

Наблюдения показали, что белки, живущие в лаборатории, сохраняют такой же ритм активности, как и их собратья, живущие на свободе в лесу. Оказалось, однако, что циклы активности подопытных животных отличались от 24-часового цикла их свободно живущих собратьев. У белок, содержавшихся в неволе, продолжительность цикла колебалась от 23 до немногим более 24 часов. Животное с самым коротким циклом (23\часа) начинало бегать в своей клетке каждый день на один час раньше, чем накануне. Таким образом, примерно за три недели распорядок жизни летяги, живущей при постоянных условиях в лаборатории, отставал от ритма ее лесных собратьев на целые сутки.

Интересно, что выпущенные на свободу летяги вновь возвращались к своему нормальному 24-часовому циклу *. По мнению многих ученых, циркадные ритмы служат одним из свидетельств того, что биологические часы представляют собой некий самозаводящийся механизм. В естественных условиях циркадные ритмы синхронизируются со строгим 24-часовым ритмом под влиянием какого-нибудь внешнего фактора, например изменения освещенности. Для летяги таким синхронизирующим фактором служат сумерки, т. е. период перехода от света к темноте. Биологические часы, очевидно, можно «переводить» вперед или назад, варьируя время воздействия синхронизирующего фактора.

У таракана, как известно, период активности совпадает с наступлением ночи, причем насекомое наиболее активно в вечерние часы. Биологические часы таракана можно легко перевести, если в лабораторных условиях искусственно поменять местами дни и ночи. В одном из таких опытов клетку с тараканом поставили в темную комнату, а движения насекомого круглые сутки регистрировал «электронный глаз». Ночью комнату освещали электрическими лампами, а каждое утро в 9 часов свет выключали. Таким образом, для этого таракана день превратился в ночь, а ночь —в день.

Примерно через неделю насекомое изменило свой обычный распорядок, проявляя активность во время искусственной ночи, хотя в действительности в это время за стенами лаборатории был день. Итак, часы таракана были переведены. Почти все ученые считают биологические ритмы врожденными, а не приобретенными. У животных, находившихся с момента рождения в постоянных условиях, проявляется такой же ритм, как и у их сородичей, живущих в естественных условиях. Например, пчелы, родители которых выросли в темноте, имели точно такой же 24-часовой ритм, что и пчелы, выросшие в обычных условиях. Ящерицы, которых с момента вылупления и до взрослого состояния непрерывно содержали на свету, также обнаруживают определенный для этого вида цикл активности. Своеобразный рекорд в смысле наследования ритмов побили, по-видимому, знаменитые представители мира насекомых — плодовые мушки, или дрозофилы. Оказалось, что мушки, выращивавшиеся на протяжении 15 поколений подряд в постоянных условиях, ухитрились сохранить один и тот же ритм активности!

В. Мартека