Ритчи Уорд - Живые часы

• Название: Живые часы
• Автор: Ритчи Уорд
• Издательство: Мир
• Жанр: Биология
• Год: 1974

Биоритмология — одна из увлекательнейших областей современной биологии. Что такое «внутренние часы» живых организмов? Каковы принципы их работы? Как растения и животные узнают время? В темноте и при постоянной температуре, замурованные в подземельях, они все-таки «знают», который час. Растения вовремя складывают листья и «засыпают», животные ложатся спать и просыпаются точно, как по будильнику.

Обо всем этом в живой и увлекательной форме рассказывает автор «Живых часов». Книга предназначена для широких кругов читателей; особенно полезна она для школьников старших классов и студентов.

---

Рис. 42. Схема осенней миграции славок-завирушек, основанная на результатах экспериментов в планетарии. Большие стрелки соответствуют преимущественным направлениям естественного перелета, маленькие стрелки представляют собой направления, выбранные птицами в планетарии: заштрихованная зона примерно указывает известную зону зимовок.

Затем они стали менять положение звезд на небосводе планетария, чтобы у славки создалось впечатление ее постепенного перемещения все дальше и дальше к югу. Птица продолжала придерживаться юго-восточного направления, пока не «достигла» 40° северной широты. Теперь она начала менять курс на юго-юго-восток и приблизительно на широте 15° «полетела» прямо на юг. Птица, никогда не покидавшая своей клетки, указала направление, необходимое для перелета из Фрейбурга к верховьям Нила!

Представить себе, каким образом птица определяет широту своего местоположения, по-видимому, нетрудно. Штурман для этого измеряет высоту над горизонтом или направление на какую-то определенную звезду, например Полярную. Вполне вероятно, что и птица определяет широту своего местоположения аналогичным образом.

А как же насчет долготы? Если широту умели определять по положению солнца или звезд над горизонтом еще древние греки, то хронометр, пригодный для определения долготы, появился только в 1761 году. Штурман находит свою долготу сравнением местного времени, определяемого, например, по восходу солнца, с показаниями хронометра, поставленного по гринвичскому времени.

У птицы есть точные внутренние часы, но эти часы в отличие от хронометра обычно показывают местное время, соответствующее пункту ее пребывания. Естествен вопрос, как же птица по звездам узнает долготу своего местоположения?

Чтобы выяснить это, Зауэры поворачивали созвездия вокруг Полярной звезды в соответствии с видом ночного неба на разных долготах, и следовательно, в разных временных поясах, и наблюдали направление полета, избираемое различными видами славок.

Результаты этих экспериментов резко отличались от тех четких данных, которые Зауэры получили, изменяя картины неба, соответствующие разным широтам. На изменения долготы птицы реагировали очень неуверенно, и их поведение трудно было объяснить. Поскольку правильное направление к дому определила всего одна славка, результаты Зауэров посчитали малоубедительными.

В 1965 году К. Гоффман, известный специалист по поведению птиц, писал: «Чтобы выяснить состояние проблемы и более четко понять роль внутренних часов, необходимо, по-видимому, провести более разносторонние эксперименты в условиях планетария, включая и эксперименты с птицами, внутренние часы которых были бы (искусственно) переведены. Насколько мне известно, такие эксперименты не проводились».

До тех пор, пока биологи не выяснят, могут ли птицы воспринимать географическую долготу своего местоположения (и если могут, то как они пользуются этим для определения направления полета), наше понимание этого вопроса будет оставаться на уровне 1960 года.

13. Часы таракана

В июне 1960 года в Колд-Спринг-Харборе состоялся Международный симпозиум, посвященный биологическим часам, на который съехались сто пятьдесят ученых из самых разных стран. С трибуны этого симпозиума в числе прочих ученых рассказала о своей работе и Дженит Хар-кер, сотрудник Кембриджского университета.

Твердым и ясным голосом Харкер начала свой доклад: «Современные исследования проблемы циркадных ритмов можно разделить на три группы: биохимические и биофизические исследования регулирующего механизма на клеточном уровне, изучение поведения организма в целом и, наконец, физиологические исследования, цель которых состоит в том, чтобы выяснить, каким образом клеточная ритмичность проявляется в поведении всего организма. Благодаря этой последней группе исследований мы начинаем в какой-то мере представлять себе, насколько сложными могут быть эндогенные регулирующие системы. Так, например, среди изучаемых взаимосвязанных процессов встретились такие, которые сами никакой ритмичностью не обладают и тем не менее существенны для ритмичного функционирования определенных клеток. Это обстоятельство, по-видимому, заслуживает особого внимания, так как исследователи, работающие в двух других направлениях, могли его совсем не заметить.

Связь эндокринной системы с ритмом двигательной активности насекомых была впервые установлена на тараканах Periplaneta americana…».

Дженит Харкер родилась и выросла в Австралии. После окончания Сиднейского университета она переехала в Англию, сначала в Манчестерский университет, а затем в Кембридж.

Несмотря на большую загруженность преподавательскими и административными обязанностями, у Харкер хватало энергии заниматься и исследованиями биологических часов. После долгого чрезвычайно трудного подготовительного периода она разработала очень сложный метод, в основе которого лежали тончайшие хирургические операции, проводившиеся на тараканах.

Но почему она остановила свой выбор на Periplaneta americana, на самом обычном американском таракане, а не на каком-либо другом живом организме? Ведь легко наблюдаемыми ритмами обладают многие растения и животные.

Харкер выбрала таракана по ряду причин. Прежде всего, двигательная активность таракана очень точно приурочена к определенному времени. Это ночное животное, которое начинает двигаться почти сразу же после наступления темноты. При постоянном содержании в условиях чередования 12 часов света и 12 часов темноты тараканы начинают бегать уже через несколько минут после выключения света. Их двигательная активность достигает максимума примерно через два часа, а затем спустя три-четыре часа животные успокаиваются и пребывают в покое всю остальную часть периода темноты и 12-часовой период света.

Если тараканов содержать в течение нескольких дней при непрерывном освещении, их реакция ничем не будет отличаться от того, что двумя столетиями ранее наблюдал у чувствительных растений де Мэран. Тараканы знают, когда должна была бы наступить темнота, и начинают бегать, хотя свет остается включенным. Лишь после продолжительного периода непрерывного освещения они постепенно теряют чувство времени и проявляют активность в совершенно неопределенное время. Поскольку такая двигательная активность может служить в качестве удобно наблюдаемых «стрелок» внутренних часов, таракан представляет собой исключительно подходящее для изучения ритмов животное. Он точно соблюдает 24-часовой цикл двигательной активности, сохраняет эту активность в течение нескольких дней при нарушении условий освещения и медленно утрачивает свой ритм при длительном непрерывном освещении (становится «аритмичным»).

Как подопытное животное таракан хорош еще и по другим причинам. Он легко переносит лабораторные условия жизни; имеет достаточно большие размеры; неприхотлив в еде — может питаться практически чем угодно. И наконец, он является одним из примитивных ныне живущих крылатых насекомых. Отдельные части его относительно слабо развитой центральной нервной системы обладают значительной автономией. Обезглавленный таракан может прожить несколько дней. Он, конечно, не видит, не ест, запасы его энергии постепенно расходуются, но он продолжает бегать, спариваться, представляя таким образом, весьма любопытный объект для тех, кого интересуют различные аспекты его «безголового поведения».

Таково существо, на котором Харкер сделала свое первое открытие — определила точное местоположение живых часов. Давайте послушаем, что она сама говорит о своем открытии:

«Из ранее проведенных мною экспериментов, — объясняет она, — я знала, что ритм двигательной активности таракана зависит от присутствия в крови или тканях животного некоторого секрета. Задача сводилась к тому, чтобы проследить, откуда поступает этот секрет. Удаляя один за другим все известные эндокринные органы и проверяя, не остановятся ли при этом часы, я наконец — после года напряженной работы — выявила источник секрета. Им оказался подглоточный ганглий».

Все насекомые имеют два «мозга»-ганглия, состоящих из комочка нервных клеток. Один из них находится в над-ротовой части головы, а второй лежит под пищеводом, потому и называется «подглоточным» ганглием. Он-то как раз и управляет самым непосредственным образом активностью насекомого[16]. Размер этого органа с булавочную головку, поэтому удалить его можно только под микроскопом.

Рис. 43. Поперечный разрез подглоточного ганглия таракана. Видны четыре нейросекреторные клетки (1), связанные с ритмом двигательной активности.

«Я потратила почти три года на прижигание мельчайших участков подглоточного ганглия высокочастотным каутером, пока не нашла наконец четыре нейросекреторных клетки, которые играют важную роль в поддержании ритма двигательной активности[17].