Біологічний годинник

Цей випадок стався в одному науково-дослідному інституті. Група вчених отримала новий вид грибка, який передбачалося використовувати для синтезу лікарських речовин. Коли був зроблений хімічний аналіз грибка, одна з величин в довгому стовпчику цифр здалася керівнику групи сумнівною. Він з’ясував, що аналіз робила молода лаборантка і, підозрюючи, що вона помилилася, попросив перевірити його. За це взявся сам завідувач лабораторією, старий досвідчений хімік. На цей раз була отримана інша цифра. Тоді вчений вирішив зробити аналіз сам і отримав результат, який сильно відрізнявся від перших двох. Чий же результат був правильним? Ретельна перевірка показала, що правильними були всі три. Просто не було враховано, що аналізи робилися в різний час дня. Зміст же тих чи інших речовин в організмі міняється протягом доби, дотримуючись певного ритму.

Про те, що життєдіяльність організмів підпорядковується певній ритмічності, вчені знають давно. Спостереження над тваринами і рослинами наштовхують на думку, що більшість живих організмів якимось чином відчувають час. Зібрано велику кількість фактів, що підтверджують цю здогадку.

Ранковий крик півня цілком може замінити дзвінок будильника. Кажани вилітають щовечора на полювання в один і той же час. Капелюшок соняшника повертається слідом за сонцем (навіть якщо воно закрите хмарами) з рівномірністю годинникової стрілки. Багато рослин складають пелюстки своїх квітів до ночі і розправляють їх вранці. Вони роблять це з такою точністю, що по них можна перевіряти годинник.

Почуття часу притаманне і людині. Для багатьох людей не становить ніякої труднощі прокинутися вранці саме в той час, який вони намітять ввечері. Виявляється, безлічі фізіологічних процесів, що відбуваються в організмах і людини, і тварин, і рослин, також властива певна ритмічність. Майже для кожного з них можна виявити цикл, який щодоби з великою точністю повторюється. Це відноситься до кількості червоних кров’яних тілець в крові людини, до інтенсивності світіння деяких видів планктону, до зміни забарвлення у креветок, до руху листя у рослин і безлічі подібних процесів.

В організмі людини одночасно здійснюються декілька десятків різних циклів. Протягом доби у неї за певними закономірностями змінюється вміст цукру в крові, рівень кров’яного тиску, температура тіла, частота дихання, інтенсивність роботи серця, нирок, печінки та інших органів. Як же регулюються всі ці процеси, де механізм, який змінює їх інтенсивність у часі? Яким чином організм взагалі відчуває час?

СТРІЛКИ І МЕХАНІЗМ

Довгий час вважали, що механізм почуття часу в живих організмів влаштований порівняно просто. Добові ритми життєдіяльності пояснювалися періодичністю змін тих чи інших умов середовища: освітленості, температури, вологості, атмосферного тиску і навіть інтенсивності космічних випромінювань.

Однак поступово з’являлося все більше спостережень, які свідчили про неспроможність такої думки. Птахи в Арктиці сплять в один і той же час і в умовах постійної освітленості. Дослідження показали, що на добових ритмах організмів не позначається обертання Землі, отже, не впливає і інтенсивність космічних променів. Якщо помістити мишу на деякий час в темну камеру, в якій підтримуються постійними температура, вологість і тиск повітря, то добові ритми тварини залишаться колишніми.

Напрошується висновок, що в організмах тварин і рослин є якийсь автономний годинниковий механізм, регулюючий добові ритми життєдіяльності. Факти підтверджують це припущення. Так, наприклад, у двох мишей, поміщених в темну камеру, добові ритми дещо відрізняються один від одного. Зрозуміло, цього не було б, якби ритм визначався тільки змінами зовнішнього середовища, які для обох тварин однакові.

Апарат, керуючий ритмами життєдіяльності, вчені називають біологічним годинником. Механізм цього годинника, мабуть, дуже своєрідний, хоча до сих пір невідомо, як він працює: як хронометр, безупинно що відраховує час, або як будильник, який вказує час, коли повинні починатися і закінчуватися ті чи інші процеси в організмі.

Добові ритми життєдіяльності та активності організмів – це свого роду стрілки, спостерігаючи за якими, ми можемо укласти, йде біологічний годинник або зупинився, але нічого не можемо сказати про пристрій самого механізму. Щоб з’ясувати це, потрібно зібрати якомога більше даних про властивості біологічного годинника. Скажімо, чи можна його зупинити і яким чином? Як пустити його в хід? Як змусити його поспішати або відставати? Що впливає на хід цього годинника?

Вже відомо, що «стрілки» біологічного годинника роблять один оборот приблизно за 24 години. Але, виявляється, вчені можуть за бажанням пересувати «стрілки» в досить широких межах вперед або назад. Організм, наприклад, поміщають в незвичні для нього умови освітленості. Тоді хід його «годин» як би зсувається, але 24-годинний цикл як і раніше зберігається. Якщо потім знову перевести тварину в нормальні умови, відновлюється і нормальний ритм життєдіяльності.

Якщо тримати тварину в повній темряві, то зазвичай через кілька днів добовий цикл її життєдіяльності пропадає, проте його можна відновити знову, впливаючи на організм світлом. У мушки дрозофіли добовий цикл відновлюється завдяки спалаху світла, тривалістю всього 0,005 секунди!

Одна з характерних властивостей біологічного годинника – це майже повна нечутливість до змін температури, якщо вони лежать в межах нормального для організму діапазону. У ссавців це не здається дивним. Адже температура їх тіла регулюється самим організмом і завдяки цьому залишається постійною.

У риб, жаб, змій і всіх безхребетних температура тіла, як відомо, залежить від температури середовища, і тому швидкість внутрішніх процесів в організмі зростає або зменшується залежно від навколишньої температури. Але біологічний годинник при цьому не прискорюється і не уповільнює свого ходу.

Цікаво, що при 0 ° він зупиниться, але якщо почати підвищувати температуру, то знову піде. При цьому, подібно до годинника, який деякий час стояв, він тепер буде відставати в порівнянні з годинником, який йшов не зупиняючись. Якщо організм протримати при 0 ° рівно вісім годин, а потім відігріти його, то його біологічний годинник буде відставати в порівнянні з нормальним ходом теж рівно на вісім годин. На хід біологічного годинника можна впливати також наркотиками і анестезуючими речовинами. Після того як дія наркотику припиниться, годинник знову повертається до нормального ходу.

ПОШУКИ ГОДИН В ОРГАНІЗМІ

Як бачите, про властивості біологічного годинника нам відомо чимало. Однак ми не знаємо найголовнішого: де він знаходиться в організмі і як влаштований. Довгий час вчені вважали, що почуття часу – просто навик, який виробляється організмом в процесі життєдіяльності. Однак експерименти не підтвердили цього. Було виявлено, що короткий спалах світла може відновити нормальний ритм у мушки дрозофіли і в тому випадку, якщо декілька поколінь предків комахи жили в повній темряві і, зрозуміло, ніяких ритмів активності не проявляли.

Це значить, що добовий ритм, а отже і те, що ми називаємо почуттям часу, зовнішніми факторами лише включається або вимикається.

Багато біологів вважали, що механізм почуття часу перебуває в мозку, який синхронізує всі внутрішні процеси. Можливими центрами почуття часу вважалися різні області мозку. Якщо їх видалити, деякі ритми дійсно порушуються, але в той же час інші продовжують існувати. Значить, вилучені частини мозку контролюють роботу того чи іншого органу або частини тіла, але не обов’язково їх ритм.

Була ще одна трудність: вчені не знали, скільки в організмі біологічних годинників – один або декілька. І якщо їх багато, то як вони діють: незалежно один від одного або узгоджено? Щоб з’ясувати це, американський фізіолог Дженет Харкер провела оригінальний експеримент. Намагаючись пояснити такий факт, як відновлення коротким спалахом світла відразу великої кількості різних ритмів життєдіяльності, вона припустила, що кожен такий ритм управляється своїм біологічним годинником і що між окремими механізмами біологічного годинника існує хімічний гормональний зв’язок.

Якщо це так, міркувала вона, то гормонами з одного організму можна спробувати впливати на ритми життєдіяльності іншого. Намагаючись переконатися в цьому, Дж. Харкер зростила спинами двох тарганів так, що кровоносна система у них стала загальною. Один з цих тарганів все життя провів при постійному освітленні і не виявляв відчутного ритму активності. Інший же був привчений до дванадцятигодинного дня і дванадцятигодинної ночі.

«Сіамських близнюків» помістили в камеру, де весь час горіло світло. Спостереження за комахами показали, що у таргана, організм якого як і раніше не виявляв ніякої ритмічності, з’явився чіткий добовий ритм день – ніч. Значить, гормони впливають на ритми життєдіяльності. Після тривалих пошуків у таргана вдалося знайти джерело цих гормонів. Ним виявилися особливі клітини в нервових вузлах комахи.

Якщо їх видаляли у одної комахи і пересаджували іншій, то у тої встановлювався такий же ритм життєдіяльності, як і у першої. Це доводило, що саме ці клітини відіграють роль автономного годинникового механізму.

Незабаром вдалося розробити дотепний спосіб зупинки такого годинника. Була створена апаратура, що дозволяє регулювати температуру нервових клітин всередині організму, але не впливає на температуру навколишніх тканин. Коли їх охолодили до 0, годинник зупинився.

Впевнилися в цьому так. Через деякий час клітини відігріли, видалили їх з організму і пересадили в організм іншої комахи. Потім виміряли у неї ритм життєдіяльності. Він запізнювався у порівнянні з нормальним на стільки часу, скільки тривало охолодження клітини.

Цікаво, що зупинка одного біологічного годинника в організмі не тягне за собою повного зникнення відповідного ритму активності. Це можна пояснити лише тим, що кожен ритм регулюється не лише одним біологічним годинником, а двома або навіть кількома, які дублюють один одного.

В ГОДИННИКОВІЙ МАЙСТЕРНІ

Знаючи, що від правильного ходу біологічного годинника залежить безліч фізіологічних процесів в організмі, вчені задумалися над тим, що трапиться, якщо годинник зіпсується: почне поспішати або відставати, або працюватиме несинхронно з іншими?

Після того як був відкритий нервовий механізм годинника, стало можливим навмисно виводити його з ладу, зупиняти і знову пускати в хід. Це дозволило глибше вивчити властивості біологічних годинників і зробити ряд цікавих відкриттів. Найбільш важливе з них пов’язано з наслідками неузгодженого ходу годинника в організмі.

Дослід проходив так. Групу тарганів витримували на світлі вночі і в темряві днем доти, поки їх годинник не став відставати помітно від годинника комах, поміщених в нормальні для них умови освітленості. Різниця складала кілька годин. Потім годинник комах з порушеним режимом переносили в організм контрольних. Тепер ритм їх життєдіяльності регулювався двома різними механізмами – своїми годинниками та чужими.

Через деякий час у цих тарганів стали розвиватися злоякісні пухлини типу ракової. Так як хід біологічного годинника зв’язується зараз з виділенням гормонів, утворення пухлин було викликано, мабуть, ненормальним вмістом цих гормонів в крові. Цікаво, що у контрольних комах, яким пересадили годинник, що йде синхронно з їх власними, ніяких пухлин не було, хоча і в їх крові була підвищена концентрація гормонів. Судячи з цього, справа не просто в кількості гормонів, а в тому, скільки їх виділяється в крові в той чи інший момент часу.

Експерименти ставили на тарганах тому, що нервова система у них влаштована порівняно просто. Однак механізм біологічного годинника у них працює приблизно за тим же принципом, що у всіх тварин і людини. Знання цих принципів представляє не тільки теоретичний, а й величезний практичний інтерес.

Американський вчений Ріхтер висунув цікаву гіпотезу, що пояснює причини ряду хвороб. Він припускає, що в організмі людини велика кількість біологічних годинників, які зазвичай йдуть не у фазі один з одним, але синхронно. В певних умовах, викликаних діяльністю мікробів або вірусів, перевтомою, психічними травмами, ця синхронність порушується. Різні годинники починають йти в одній фазі, змінюється звичний гормональний ритм, що і викликає в організмі розлади.

Зараз ще важко сказати, правий Ріхтер чи ні. Але, бути може, коли-небудь лікарі зможуть, штучно регулюючи хід біологічного годинника у людини, лікувати і попереджати різні хвороби. Вже зараз намічається цікавий метод боротьби з інфекційними хворобами. Справа в тому, що токсичні властивості ряду бактерій і вірусів змінюються ритмічно відповідно до ходу їх біологічного годинника. Можливо, простіше зіпсувати цей годинник, ніж вбити бактерію або вірус.

Хто знає, чи не з’являться в майбутньому «лікарі-годинникарі» – фахівці з біологічних годинників людини, які стануть їх лагодити в нашому організмі, регулювати хід або навіть замінювати їх іншими, справними, може бути, навіть … видаючи на них відповідну гарантію!

Автор: В. Ковалевський.