Биологические часы

Этот случай произошел в одном научно-исследовательском институте. Группа ученых получила новый вид грибка, который предполагалось использовать для синтеза лекарственных веществ. Когда был сделан химический анализ грибка, одна из величин в длинном столбике цифр показалась руководителю группы сомнительной. Он выяснил, что анализ делала молодая лаборантка и, подозревая, что она ошиблась, попросил проверить его. За это взялся сам заведующий лабораторией, старый опытный химик. На этот раз была получена другая цифра. Тогда ученый решил сделать анализ сам и получил результат, сильно отличавшийся от первых двух. Чей же результат был правильным? Тщательная проверка показала, что правильными были все три. Просто не было учтено, что анализы делались в разное время дня. Содержание же тех или иных веществ в организме меняется в течение суток, следуя определенному ритму.

О том, что жизнедеятельность организмов подчиняется определенной ритмичности, ученые знают давно. Наблюдения над животными и растениями наталкивают на мысль, что большинство живых организмов каким-то образом чувствуют время. Собрано большое количество фактов, подтверждающих эту догадку.

Утренний крик петуха вполне может заменить звонок будильника. Летучие мыши вылетают каждый вечер на охоту в один и тот же час. Шляпка подсолнечника поворачивается вслед за солнцем (даже если оно закрыто тучами) с равномерностью часовой стрелки. Многие растения складывают лепестки своих цветов к ночи и расправляют их утром. Они делают это с такой точностью, что по ним можно проверять часы.

Чувство времени присуще и человеку. Для многих людей не составляет никакой трудности проснуться утром именно в то время, какое они наметят вечером. Оказывается, множеству физиологических процессов, происходящих в организмах и человека, и животных, и растений, также свойственна определенная ритмичность. Почти для каждого из них можно выявить цикл, который каждые сутки с большой точностью повторяется. Это относится к количеству красных кровяных телец в крови человека, к интенсивности свечения некоторых видов планктона, к изменению окраски у креветок, к движению листьев у растений и множеству подобных процессов.

В организме человека одновременно осуществляются несколько десятков различных циклов. В течение суток у него по определенным закономерностям меняются содержание сахара в крови, уровень кровяного давления, температура тела, частота дыхания, интенсивность работы сердца, почек, печени и других органов. Как же регулируются все эти процессы, где механизм, который меняет их интенсивность во времени? Каким образом организм вообще чувствует время?

СТРЕЛКИ И МЕХАНИЗМ

Долгое время считали, что механизм чувства времени у живых организмов устроен сравнительно просто. Суточные ритмы жизнедеятельности объяснялись периодичностью изменений тех или иных условий среды: освещенности, температуры, влажности, атмосферного давления и даже интенсивности космических излучений.

Однако постепенно появлялось все больше наблюдений, которые свидетельствовали о несостоятельности такого мнения. Птицы в Арктике спят в одно и то же время и в условиях постоянной освещенности. Исследования показали, что на суточных ритмах организмов не сказывается вращение Земли, следовательно, не влияет и интенсивность космических лучей. Если поместить мышь на некоторое время в темную камеру, в которой поддерживаются постоянными температура, влажность и давление воздуха, то суточные ритмы животного останутся прежними.

Напрашивается вывод, что в организмах животных и растений есть некий автономный часовой механизм, регулирующий суточные ритмы жизнедеятельности. Факты подтверждают это предположение. Так, например, у двух мышей, помещенных в темную камеру, суточные ритмы несколько отличаются друг от друга. Разумеется, этого не было бы, если бы ритм определялся только изменениями внешней среды, которые для обоих животных одинаковы.

Аппарат, управляющий ритмами жизнедеятельности, ученые называют биологическими часами. Механизм этих часов, по-видимому, очень своеобразен, хотя до сих пор неизвестно, как он работает: как хронометр, непрерывно отсчитывающий время, или как будильник, указывающий время, когда должны начинаться и заканчиваться те или другие процессы в организме.

Суточные ритмы жизнедеятельности и активности организмов — это своего рода стрелки, наблюдая за которыми, мы можем заключить, идут биологические часы или остановились, но ничего не можем сказать об устройстве самого механизма. Чтобы выяснить это, нужно собрать как можно больше данных о свойствах биологических часов. Скажем, можно ли их остановить и каким образом? Как пустить их в ход? Как заставить их спешить или отставать? Что влияет на ход этих часов?

Уже известно, что «стрелки» биологических часов делают один оборот примерно за 24 часа. Но, оказывается, ученые могут по желанию передвигать «стрелки» в довольно широких пределах вперед или назад. Организм, например, помещают в непривычные для него условия освещенности. Тогда ход его «часов» как бы сдвигается, но 24-часовой цикл по-прежнему сохраняется. Если затем снова перевести животное в нормальные условия, восстанавливается и нормальный ритм жизнедеятельности.

Если держать животное в полной темноте, то обычно через несколько дней суточный цикл его жизнедеятельности пропадает, однако его можно восстановить опять, воздействуя на организм светом. У мушки дрозофилы суточный цикл восстанавливается благодаря вспышке света, продолжительностью всего 0,005 секунды!

Одно из характерных свойств биологических часов — это почти полная нечувствительность к изменениям температуры, если они лежат в пределах нормального для организма диапазона. У млекопитающих это не кажется удивительным. Ведь температура их тела регулируется самим организмом и благодаря этому остается постоянной.

У рыб, лягушек, змей и всех беспозвоночных температура тела, как известно, зависит от температуры среды, и поэтому скорость внутренних процессов в организме возрастает или уменьшается в зависимости от окружающей температуры. Но биологические часы при этом не ускоряют и не замедляют своего хода.

Любопытно, что при 0° они остановятся, но если начать повышать температуру, то снова пойдут. При этом, подобно часам, которые некоторое время стояли, они теперь будут отставать по сравнению с часами, которые шли не останавливаясь. Если организм продержать при 0° ровно восемь часов, а затем отогреть его, то его биологические часы будут отставать по сравнению с нормальным ходом тоже ровно на восемь часов. На ход биологических часов можно воздействовать также наркотиками и анестезирующими веществами. После того как действие наркотика прекратится, часы вновь возвращаются к нормальному ходу.

ПОИСКИ ЧАСОВ В ОРГАНИЗМЕ

Как видите, о свойствах биологических часов нам известно немало. Однако мы не знаем самого главного: где они находятся в организме и как устроены. Долгое время ученые полагали, что чувство времени — просто навык, который вырабатывается организмом в процессе жизнедеятельности. Однако эксперименты не подтвердили этого. Было обнаружено, что короткая вспышка света может восстановить нормальный ритм у мушки дрозофилы и в том случае, если несколько поколений предков насекомого жили в полной темноте и, разумеется, никаких ритмов активности не проявляли.

Это значит, что суточный ритм, а следовательно и то, что мы называем чувством времени, внешними факторами лишь включается или выключается.

Многие биологи полагали, что механизм чувства времени находится в мозгу, который синхронизирует все внутренние процессы. Возможными центрами чувства времени считались различные области мозга. Если их удалить, некоторые ритмы действительно нарушаются, но в то же время другие продолжают существовать. Значит, удаленные части мозга контролируют работу того или иного органа или части тела, но не обязательно их ритм.

Была еще одна трудность: ученые не знали, сколько в организме биологических часов — одни или несколько. И если их много, то как они действуют: независимо друг от друга или согласованно? Чтобы выяснить это, американский физиолог Джэнет Харкер провела оригинальный эксперимент. Пытаясь объяснить такой факт, как восстановление короткой вспышкой света сразу большого числа различных ритмов жизнедеятельности, она предположила, что каждый такой ритм управляется своими биологическими часами и что между отдельными механизмами биологических часов существует химическая гормональная связь.

Если это так, рассуждала она, то гормонами из одного организма можно попытаться воздействовать на ритмы жизнедеятельности другого. Пытаясь убедиться в этом, Дж. Харкер срастила спинами двух тараканов так, что кровеносная система у них стала общей. Один из этих тараканов всю жизнь провел при постоянном освещении и не проявлял ощутимого ритма активности. Другой же был приучен к двенадцатичасовому дню и двенадцатичасовой ночи.

«Сиамских близнецов» поместили в камеру, где все время горел свет. Наблюдения за насекомыми показали, что у таракана, организм которого ранее не проявлял никакой ритмичности, появился четкий суточный ритм день — ночь. Значит, гормоны оказывают воздействие на ритмы жизнедеятельности. После длительных поисков у таракана удалось найти источник этих гормонов. Им оказались особые клетки в нервных узлах насекомого.

Если их удаляли у одного насекомого и пересаживали другому, то у того устанавливался такой же ритм жизнедеятельности, как и у первого. Это доказывало, что именно эти клетки играют роль автономного часового механизма.

Вскоре удалось разработать остроумный способ остановки таких часов. Была создана аппаратура, позволяющая регулировать температуру нервных клеток внутри организма, но не воздействующая на температуру окружающих тканей. Когда их охладили до 0, часы остановились.

Удостоверились в этом так. Спустя некоторое время клетки отогрели, удалили их из организма и пересадили в организм другого насекомого. Затем измерили у него ритм жизнедеятельности. Он запаздывал по сравнению с нормальным на столько времени, сколько продолжалось охлаждение клетки.

Интересно, что остановка одних биологических часов в организме не влечет за собой полного исчезновения соответствующего ритма активности. Это можно объяснить лишь тем, что каждый ритм регулируется не одними биологическими часами, а двумя или даже несколькими, которые дублируют друг друга.

В ЧАСОВОЙ МАСТЕРСКОЙ

Зная, что от правильного хода биологических часов зависит множество физиологических процессов в организме, ученые задумались над тем, что случится, если часы испортятся: начнут спешить или отставать, либо будут работать несинхронно с другими?

После того как был открыт нервный механизм часов, стало возможным намеренно выводить его из строя, останавливать и вновь пускать в ход. Это позволило глубже изучить свойства биологических часов и сделать ряд интересных открытий. Наиболее важное из них связано с последствиями несогласованного хода часов в организме.

Опыт проходил так. Группу тараканов выдерживали на свету ночью и в темноте днем до тех пор, пока их часы не стали отставать заметно от часов насекомых, помещенных в нормальные для них условия освещенности. Разница составляла несколько часов. Затем часы насекомых с нарушенным режимом переносили в организм контрольных. Теперь ритм их жизнедеятельности регулировался двумя различными механизмами — своими часами и чужими.

Спустя некоторое время у этих тараканов стали развиваться злокачественные опухоли типа раковой. Так как ход биологических часов связывается сейчас с выделением гормонов, образование опухолей было вызвано, по-видимому, ненормальным содержанием этих гормонов в крови. Любопытно, что у контрольных насекомых, которым пересадили часы, идущие синхронно с их собственными, никаких опухолей не было, хотя и в их крови была повышенная концентрация гормонов. Судя по этому, дело не просто в количестве гормонов, а в том, сколько их выделяется в кровь в тот или иной момент времени.

Эксперименты ставили на тараканах потому, что нервная система у них устроена сравнительно просто. Однако механизм биологических часов у них работает примерно по тому же принципу, что у всех животных и человека. Знание этих принципов представляет не только теоретический, но и огромный практический интерес.

Американский ученый Рихтер выдвинул интересную гипотезу, объясняющую причины ряда болезней. Он предполагает, что в организме человека большое количество биологических часов, которые обычно идут не в фазе друг с другом, но синхронно. В определенных условиях, вызванных деятельностью микробов или вирусов, переутомлением, психическими травмами, эта синхронность нарушается. Различные часы начинают идти в одной фазе, изменяется привычный гормональный ритм, что и вызывает в организме расстройства.

Сейчас еще трудно сказать, прав Рихтер или нет. Но, быть может, когда-нибудь врачи смогут, искусственно регулируя ход биологических часов у человека, лечить и предупреждать различные болезни. Уже сейчас намечается интересный метод борьбы с инфекционными болезнями. Дело в том, что токсические свойства ряда бактерий и вирусов изменяются ритмически в соответствии с ходом их биологических часов. Возможно, проще испортить эти часы, чем убить бактерию или вирус.

Кто знает, не появятся ли в будущем «врачи-часовщики» — специалисты по биологическим часам человека, которые станут их чинить в нашем организме, регулировать ход или даже заменять их другими, исправными, может быть, даже… выдавая на них соответствующую гарантию!

Автор: В. Ковалевский.