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.

---

Клеточная основа циркадных ритмов.

За последние десять лет был установлен очень важный факт — циркадные ритмы существуют на всех уровнях организации. По данным Соннборн и Барнетт, представители Paramecium multimicronucleatum могут с правильной периодичностью переходить от одного типа размножения к другому в течение суток.

Некоторые ученые пытались найти ритмы на уровнях организации ниже клеточной. В частности, пытались выяснить, является ли ядро клетки или другая ее часть (например, цитоплазма) тем местом, где возникает ведущий ритм.

Суини и Хэксо, а также Рихтер выполнили несколько замечательных работ с водорослью Acetabularia, которая представляет собой очень удачный объект для подобных экспериментов. Дело в том, что у этого одноклеточного организма можно удалить отдельные части, и он не погибает. Исследователи, удалив при помощи очень тонкой хирургической операции ядро клетки, пытались выяснить, способна ли одна протоплазма поддерживать циркадный ритм — в данном случае ритм фотосинтеза. Оказывается, способна, и даже в течение целых тридцати циклов.

Швейгер с сотрудниками, пересадив ядро из одной клетки в другую, изготовили «синтетическую клетку», у которой ритм ядра и цитоплазмы расходились по фазе на 12 часов. При этом они обнаружили, что ритм клетки определяется ядром.

Попытки изменить циркадные ритмы действием химических веществ, как правило, оказывались безуспешными. Исследователи считают, что клеточные ритмы не чувствительны к действию химических веществ. Однако результаты их экспериментов нельзя считать достоверными, поскольку использованные вещества не имели в своем составе радиоактивных элементов и, следовательно, не было уверенности, что они проникали в клетки в необходимых для этого количествах.

Результаты некоторых экспериментов были явно положительными, но не все их можно признать вполне убедительными. Гастингсу удалось, по-видимому, сдвинуть ритм Gonyaulax воздействием цианида мышьяка и р-хлормеркурибензоата. Бюннинг опубликовал данные об изменении длительности периодов под действием колхицина, уретана и этилового спирта. Брюс и Питтендрай обнаружили, что тяжелая вода влияет на фазу и длительность периода деления клеток Euglena. Но ни один из этих результатов не позволил авторам сделать какие-либо предположения относительно химической основы циркадных ритмов.

Рис. 55. Суточные движения листьев фасоли при постоянном слабом свете под влиянием этилового спирта. На графике пунктирная линия соответствует нормальному ритмическому поведению контрольного растения фасоли, а более вялая и неустойчивая сплошная линия — поведению подопытного растения. Результат этого эксперимента свидетельствует о существовании циркадного ритма, который заметно нарушается под действием спирта.

Одними из наиболее интересных исследований в этом направлении являются эксперименты Каракашьяна и Гастингса. Известно, что антибиотики действуют на образование информационной РНК, то есть на первый этап считывания наследственной информации. Экспериментаторы обнаружили, что после обработки клеток Gonyaulax актиномицином-Д ритмы люминесценции и фотосинтеза затухают. Этот результат представляет несомненный интерес, но значение его пока не вполне ясно. Сама по себе утрата ритмов никоим образом не свидетельствует о том, что данное вещество действует на часы клетки. Поражаемым участком вполне может оказаться система сопряжения часов (или ведущего колебания) с исследуемой физиологической системой.

Показателем изменения работы часов может быть либо изменение длительности фаз, либо изменение устойчивости ритма. Совсем недавно Штрумвассеру удалось ввести различные химические вещества в одиночные клетки ганглия у моллюска Aplysia. Изучение ритма позволило обнаружить четкий сдвиг его фазы при попадании в клетку актиномицина. Но ритм клеток ганглия удается измерять пока только в течение одного цикла после воздействия. Поэтому неизвестно, сохранится сдвиг фазы (значит, затронут ведущий ритм) или нет (значит, нарушено какое-то звено сопряжения между ведущим ритмом и изучаемым).

Эксперименты, выполненные Эретом и независимо от него Суини, показали, что ультрафиолетовое излучение ртутной лампы может изменять фазу ритма. Это позволяет предположить, что циркадный ритм клетки непосредственно связан с системой нуклеиновых кислот (ДНК — РНК). Для полного обращения фазы ритма оказалось достаточно всего нескольких минут облучения. Эти результаты свидетельствуют о том, что механизм действия ультрафиолетового излучения и видимого света различен.

Клетка и организм как осцилляторы, управляемые световыми циклами

Еще в 1957 году Брюс и Питтендрай отмечали, что формально циркадные ритмы представляют собой самоподдерживающиеся колебания. Для доказательства этого положения они сравнивали систему «организм и окружающая его среда» с двумя колебательными системами, одна из которых затягивает другую. Циркадные колебания в клетке и организме четко отражают колебания в их естественном окружении, а это предполагает взаимосвязь биоритмов с внешним циклом природных изменений. «Надлежащая» связь между системами достигается главным образом за счет светового цикла. Биоритмы сопряжены со световым циклом и затягиваются им или целиком подчиняются ему. Но ритм не наводится световым циклом[22]. Действие светового цикла сравнимо с действием одной колебательной системы на другую, независимую, самоподдерживающуюся колебательную систему.

Период (или частота) затягиваемого колебания точно следует периоду (или частоте) затягивающего цикла. Те или иные конкретные явления в организме наблюдаются в определенное время затягивающего цикла.

Рис. 56. Слева — дрозофил культивируют в условиях нормального чередования света и темноты: взрослые особи появляются перед рассветом. В центре — культура содержится в условиях постоянной темноты: мушки теряют чувство времени и выходят из куколок в неопределенное время. Справа — короткая вспышка света, данная в ранний период развития, переводит часы дрозофил: зрелые особи появляются из куколок во время, соответствующее времени вспышки.

Мы не будем детально излагать все, что известно в настоящее время о механизме затягивания светом. Достаточно отметить лишь несколько положений, представляющих общий интерес.

Во-первых, световые циклы оказывают универсальное действие в затягивании циркадных ритмов. Для холоднокровных животных таким затягивающим действием могут обладать и температурные циклы, но они, по-видимому, менее действенны. Это подтвердила недавняя работа Циммермана, выполненная им на дрозофилах.

Во-вторых, наблюдения Халберга, Рихтера, а также результаты Питтендрая показали, что у млекопитающих такие затягивающие сигналы света преобразуются через органы зрения[23]. Ослепленные мыши, крысы и хомяки не воспринимали затягивающего действия световых циклов. Но весьма вероятно, что этот путь носит вторичный характер. Если гипоталамус (часть переднего мозга, контролирующая различные центры, которые в свою очередь регулируют деятельность внутренних органов, водный баланс в организме, температуру тела, сон и т. д.) действует как управляющий центр системы циркадных ритмов, то для связи его со световым циклом окружающей среды необходима промежуточная связь с каким-либо поверхностным фоторецептором. Следует, однако, отметить, что данные Ганонга о проникновении видимого света в мозговой ствол позвоночных заметно снижают силу этого аргумента. К тому же экспериментально показано, что циркадная система дрозофилы может воспринимать влияние затягивающего цикла и тогда, когда мушка находится в стадии личинки и не имеет организованного фоторецептора.

Несколько исследователей (среди них Лис и Уильяме) показали, что фотопериодическое воздействие света (которое, как мы видели, является функцией циркадного ритма) может осуществляться в результате непосредственного поглощения света тканью центральной нервной системы. Для одноклеточных организмов и зеленых растений вопрос об организованном «глазе» не возникает. И тем не менее все они также подвержены затягивающему действию светового цикла. По-видимому, какая-то молекула в клетке, не специализированная для восприятия света в общепринятом смысле, поглощает свет и осуществляет непосредственную связь с ведущим механизмом циркадного цикла.

Хронометрия на основе циклов. Ориентация по небесным телам и фотопериодизм

Брюс и Питтендрай считают, что возобновление интереса к циркадным ритмам, наблюдавшееся с 1950 года, вызвано главным образом классическими экспериментами Крамера и Фриша, которые открыли, что птицы и пчелы, пользуясь солнцем как компасом, могут придерживаться заданного направления в любое время дня. Перемещение солнца по небу животные компенсируют с помощью внутренних часов. Гоффман и другие исследователи показали, что часы животных работают по местному времени, в полном соответствии со световым циклом окружающей среды. Кроме того, Гоффман обнаружил, что часы скворцов продолжают действовать и при постоянном слабом освещении. Свободнотекущий период их циркадного ритма составляет около 23,5 часа.