Ритмы особей

        Идеальное место для наблюдений за работой биологических часов в природе – пустыня. Солнце, как огромный маятник, резко разделяет сутки на день и ночь.

Ночью по бархану, оставляя за собой кружевные следы, бродят жуки-чернотелки, черные, малоповоротливые, не умеющие летать мусорщики. Клочки чахлой травы, останки животных, помет верблюдов – все приходится им по вкусу. К концу ночи жуки прячутся в укромные места: в куртинки травы, норки, просто под камушек. Их время кончается – им пора на покой.

Небо начинает сереть, и на песке появляются ящерицы. Рептилии еще не нагрелись, жизнь в них течет медленно, но это не мешает им энергично заглатывать ночных жуков, не успевших скрыться в убежищах.

Встает солнце. Нагреваются и занимают на кустах наблюдательные посты ящерицы-агамы. Бархан опустел. И вот из норок, из-под камней появляются неторопливые дневные чернотелки. Внешне они похожи на ночных, также всеядны, но активны днем.

Целый день дневные чернотелки будут неторопливо бродить по песку и жевать. К вечеру, к заходу солнца, жуки начнут разбредаться на покой и встретятся с ящерицами.

Агамы, энергичные, нагретые за день солнцем, быстро расхватают не успевших спрятаться жуков.

Сумерки. Жуков нет, ящерицы ушли на покой. Тени на песке сливаются. В темноте по песку снова ходят ночные жуки-чернотелки и жуют.

Как хорошо поделили время суток эти три группы животных! Ночные жуки взяли себе ночь, дневные – день, а ящерицы – утро и вечер. Не умеют думать жуки, и, чтобы поддерживать установленный режим дня, они прибегли к «помощи» ящериц. Все опоздавшие бесследно исчезают, а основная масса всегда соблюдает время активности. Значит, не в свое время жукам трудно: съедят. Но ведь ящерицам-то для усиленного питания прямой смысл охотиться днем и ночью! Однако днем слишком жарко, можно перегреться. А ночью температура падает не только у песка, но и у ящериц, Где уж при таком переохлаждении обрести резвость? Вот и остаются для охоты только утро и вечер. Сам питаешься и соседям-чернотелкам «помогаешь» соблюдать режим.

Составить режим дня не просто

Очень сложно любому организму построить свой распорядок дня. Прежде всего – питание. Органы пищеварения работают в определенном суточном ритме и нужно вовремя задавать им корм. Начинаешь опаздывать – появляется чувство голода. Желудок требует пищи. Пища же в свою очередь может отсутствовать, ведь ее появление, как и все в природе колеблется. Вот и первая необходимая состыковка – ритм собственного питания нужно совместить с режимом появления пищи. Это не всегда удается, пища может закончиться раньше, чем утолишь голод. Вот ящерицы, чуть опоздавшие с выходом на охоту, не успели наесться. Их добыча попряталась. Казалось бы, построил свой суточный режим питания в точном соответствии с появлением пищи, и сделать это довольно просто. Ан, нет! Эту же пищу обычно ест множество видов потребителей. Одни из них в дружеских отношениях между собой. Другие же не терпят сотрапезников. Забодают, затопчут, в общем – не дадут поесть. Приходится еще немножко перестроить свой ритм, так чтоб и голодным не остаться, и есть не мешали.

Ну вот, вроде бы получилось. Удалось и поесть, когда пищи много и избежать неприятных встреч. Для этого ящерица выбрала очень удачное время – в самом конце активности жуков, которые составляют ее добычу. Другие ящерицы уже наелись и отдыхают. Но это время совпадает с интенсивностью охоты хищников, которые как раз питаются ящерицами. Выходят на промысел ящеричная змея, полозы, присматривается сверху к тому, что делается на песке орел змееяд. Именно поэтому ящериц уже нигде не видно. Они нашли компромисс между удобным временем питания и максимальной защитой от хищников. Для этого пришлось изменить фазу колебаний своей суточной активности так, чтобы по возможности разойтись во времени с хищниками. Как видите, приходится строить режим с учетом колебаний количества еды, помех от конкурентов и спасения от хищников. Из-за всего этого ритм питания стал таким сложным, что не сбиться бы. Но зато, что за удобный распорядок: ешь во время, когда пищи достаточно, а попадает она в организм как раз к его готовности переваривать, никто не мешает есть, да еще и вполне безопасно. Конечно, сложно построить свой распорядок дня и далеко не просто его соблюдать. Зато правильно прожитый день это сохранение здоровья и долголетия и благополучия, а его точное повторение - гарантия того, что проживешь и следующий день.

Жизнь в определенном ритме

Все животные распределяют сутки для своей жизнедеятельности, будь то жуки, ящерицы, мыши или слоны. Каждое из них за многие тысячелетия установило свой режим дня. И обязательно таким образом, чтобы учесть не только свои потребности, но и приноровиться к окружающей среде. А установили животные свои режимы простейшим способом, примерно так же, как жуки-чернотелки. Хищники – с помощью жертв, жертвы – с «помощью» хищников. Нередко – животные с помощью растений. Возьмем, например, тлю. Когда ей удобнее пить сок? Конечно, в то время, когда он особенно энергично течет по сосудам листа.

То, что сложилось и закрепилось за тысячелетия, трудно изменить не только за несколько дней, но и за несколько лет или поколений. Общеизвестна история одного опыта на заре генетики. Немецкий зоолог и генетик Август Вейсман в 1876 году решил вывести насильственным способом мышь без хвоста. Для этого он использовал простейший метод – всем новорожденным зверькам отрезал хвосты. Куцые мышата вырастали и плодили мышат хвостатых. Последним тоже отрезали «ненужный» орган. Шли годы, сменялись поколения мышей, многое менялось, но одно оставалось неизбывным – хвосты. Прошло более полувека. Опыт А. Вейсмана успел стать классическим. И появился другой энтузиаст, на сей раз хронобиолог Л.Г. Бровман, но, прежде чем рассказать о его опыте, выясним, что такое хронобиология.

Явления, указывающие на способность растений и животных определять время, были обнаружены давно. Более 270 лет назад уже было известно, что некоторые суточные периодические процессы у животных и растений не обязательно нарушаются, если искусственно прекратить чередование света и темноты или высокой и низкой температуры. В зоологической, ботанической и медицинской литературе используются различные термины для обозначения этого явления: «автономный суточный ритм», «чувство времени», «внутренние часы» и пр. В начале нашего века академик И.П. Павлов доказал серией опытов, что само время может быть условным раздражителем. Совокупность исследований биологических ритмов, свойственных всем живым организмам, сформировалась в особое научное направление, часто называемое биоритмологией. Последнее время оно окончательно оформилось в самостоятельную отрасль биологии и получило название хронобиология.

Как это ни парадоксально, но хронобиология – молодая наука – на самом деле оказывается довольно древней. Пожалуй, ни одна из наук не продвигалась столь медленной поступью. Первое научное сообщение было сделано в 1729 году и открыло целую серию экспериментов, а первый периодический журнал появился только в 1974 году, это «Международный журнал по хронобиологии». Одним из его редакторов был сибирский ученый профессор М. Г. Колпаков. В наше время существуют 4 международных биоритмологических журнала: в Канаде, Англии, Нидерландах и Италии. В 90-х годах издавался такой журнал и в Армении, но к настоящему времени он, видимо, прекратил свое существование.

Причина столь медленного оформления в самостоятельную отрасль отнюдь не в ненужности или незначительности хронобиологии. Просто наука эта органично сплетена со многими другими науками. По сути, трудно найти среди разных направлений биологии, медицины и даже зоотехнии и ветеринарии такое, чтобы оно никоим образом не касалось временных характеристик.

Фундаментальным свойством любой биологической системы является биоритм. Биологические системы представляют собой биологические объекты различной сложности. Это в порядке усложнения: клетки, ткани, органы, системы органов, организмы, популяции, биоценозы, экосистемы – вплоть до биосферы в целом. Каждая такая система имеет, как правило, несколько уровней структурно—функциональной организации. Она ведь представляет собой совокупность взаимодействующих элементов. Если мы рассматриваем суточный ритм системы, то его период не обязательно составляет 24 часа, но приблизительно соответствует суткам (от 20 до 28 часов). Этот ритм называют также циркадным (circa – приблизительно, dies – день). Имеются названия и у ритмов иной продолжительности: циркасептанный – около недели, цирканный – около года и т. д.

Теперь вернемся к энтузиасту-хронобиологу Л. Г. Бровману. Он проделал серию опытов на крысах, очень похожую по замыслу на те, что ставил его соотечественник генетик Вейсман. Зная крысиный режим суток, Бровман поместил зверьков в условия непрерывного освещения и стал ждать изменений в их суточном ритме активности. Ждал он ни мало, ни много 25 крысиных поколений, но так и не дождался. Животные рождались, вырастали, воспитывали своих детенышей. И ни минуты темноты! Где уж тут отличить день от ночи! Но, тем не менее, они постоянно сохраняли свой ритм суточной активности.

Может быть, крысы-мамы приучают своих крысят к определенному режиму дня, и этим объясняется неудача ученого?

Что ж, опыт можно усложнить!

Это и было сделано еще в 1936 году двумя скандинавскими учеными А.М. Хеммингсеном и Н.Б. Крарупом. Они предложили крысам необычный режим: 16 часов света чередовались с 16 часами темноты. А чтобы мамы не мешали, экспериментаторы забирали новорожденных крысят у родителей и выращивали их в таких необычных 32-часовых сутках. Крысята вырастали, но так и не «поверили» в столь длительные сутки, периодичность их активности осталась циркадной.

Прежде чем знакомиться с успехами и неудачами современных хронобиологов, полезно взглянуть на историю открытия биологических часов.

В 1729 году французский астроном Жан Жак де Мэран наблюдал периоды сна и бодрствования у... растений! Он обратил внимание на кислицу. Засыпая, она складывала листья, а, просыпаясь, распрямляла их. Де Мэран захотел выяснить закономерности этих периодических движений. В надежде, что движения прекратятся, он поместил кислицу в постоянную темноту. Но все происходило как обычно: листья в темноте складывались на ночь и в темноте же раскрывались днем. Чувствительное растение исправно реагировало на положение солнца, хотя ни один луч не достигал погреба, в котором оно росло. Пронаблюдав это интересное явление, астроном повел себя странно. Может быть, он счел свое наблюдение незначительным, а возможно, не захотел отрываться от астрономии и расходовать время на дальнейшие опыты с растениями. Во всяком случае, де Мэран не пожелал поделиться с кем-либо своими наблюдениями. Мир узнал об этом явлении почти случайно, благодаря сообщению его друга – Маршана.

Продолжая эксперименты дальше, ботаники обнаружили, что движения листьев у растений не зависят ни от света, ни от тепла, но зависят от времени суток. Следовательно, они обладают своим хронометром. Многочисленные опыты на разных представителях растительного и животного миров дали возможность ученым утверждать, что природа все свои живые произведения наделяет «часами». Кстати, человек также наделен внутренним хронометром. Об этом говорит способность многих людей просыпаться в назначенное время или в течение дня точно соблюдать определенные сроки, не пользуясь часами. Точность внутренних «головных часов» человека давала в старину повод для мистических представлений. Ученые еще в конце прошлого века утверждали, что пока нормальное сознание спит, какой-то другой ум должен замечать время.

Итак, все чувствуют время, «замечают его каким-то умом». А где он прячется, этот ум? Куда помещает природа свои хронометры? На этот вопрос попытались ответить физиологи. Самый блестящий результат был получен сотрудницей Кембриджского университета Дженит Харкер. В июне 1960 года на Международном симпозиуме в Клод-Спринг-Харборе, посвященном биологическим часам, она сообщила о своих исследованиях. Для эксперимента был взят таракан. Место хранения часов Харкер указала с великолепной точностью, но потребовало это немалого труда. Таракан оказался прекрасным объектом исследования потому, что двигательная активность его 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 становятся активными уже через несколько минут после выключения света. Наибольшая двигательная активность у них наступает через два часа темноты и продолжается 3-4 часа, после чего животные успокаиваются и пребывают в покое всю остальную часть темноты и далее двенадцатичасовой период света. Такой ритм активности у них сохраняется и при непрерывном освещении. Насекомые знают, когда должна наступить темнота, и начинают бегать именно в то время, хотя свет и остается включенным.

Тараканы – удобные подопытные животные. Они легко размножаются и их легко содержать. Дженит Харкер выбрала для своих опытов черного таракана. Это один из представителей примитивных крылатых насекомых. Он наделен замечательным для экспериментатора свойством. Отдельные части его слаборазвитой нервной системы обладают значительной автономией. Например, без головы таракан может прожить несколько дней, может бегать и даже спариваться.

В любом сложном организме существуют несколько органов, вырабатывающих разнообразные вещества (секреты) прямо в кровь. Они называются железами внутренней секреции. (Есть и другие железы, вырабатывающие свои секреты наружу: запахи, пот и пр.) Дженит Харкер предположила, что ритм активности тараканов зависит от присутствия в крови и тканях такого секрета. Число и местоположение желез у таракана известно, поэтому, чтобы найти «виновную» в управлении ритмом железу, можно отключать их по очереди (например, удалять) и каждый раз проверять, – остался ритм активности нормальным или нарушился.

В течение года у тараканов удаляли разные железы. В итоге был все-таки обнаружен источник секрета, от которого зависит ритм активности. Им оказался подглоточный нервный узел, или ганглий.

Размер этого органа с булавочную головку. Поэтому вырезать его, ничего не повредив вокруг, очень трудно. Но ганглий еще не совсем «часы», ведь в нем оказались разные участки, вырабатывающие разные секреты. Пришлось под микроскопом удалять их по очереди и выяснять, не нарушился ли ритм. Три года и не одна сотня тараканов понадобились Харкер для того, чтобы найти, наконец, те 4 нейросекреторные клетки, которые играют решающую роль в поддержании активности животных. Итак, часы найдены! Осталось убедиться, что это действительно часы, и выяснить, как они работают.

Чтобы узнать, как работает тот или иной механизм, лучше всего разрегулировать его. Но живые часы трудно разрегулировать, не повредив всего остального. Поэтому Харкер решила снабдить насекомое еще одними часами, ход которых не совпадал с его собственными. Это должно оказать на организм такое же действие, как если бы его часы заработали неверно.

Сначала пришлось выяснить, будут ли работать пересаженные часы? Сможет ли новый хозяин ими воспользоваться? С этой целью соединили двух тараканов, поместив одного из них на другом. Нижний, оставленный без часов таракан мог двигаться совершенно свободно. Верхний – «при часах», но без ног. Он закреплен неподвижно на своем нижнем напарнике.

Связь между насекомыми осуществлялась через общий кровоток. В этих условиях нижний таракан немедленно принял ритм верхнего и стал функционировать по era часам. Значит, он отвечал на сигналы, поступающие через кровоток.

На следующем этапе опыта в брюшко аритмичного обезглавленного таракана пересаживался подглоточный нервный узел нормального насекомого. Активность животного с пересаженными часами становилась ритмичной, ритм соответствовал ритму таракана-донора и сохранялся несколько дней. Таким образом, стало совершенно ясно, что даже нарушение нервных связей в организме таракана не мешает клеткам нервного узла секретировать в определенном ритме.

Заключительный этап эксперимента состоял в том, чтобы полностью вывести из равновесия часовой механизм насекомого. Для этого исследовательница снабдила таракана сразу двумя часами, приживив ему дополнительный подглоточный нервный узел от насекомого из другого часового пояса. Новый ганглий тоже секретировал, но не одновременно с собственным. Таракан сразу запутался со своим режимом дня. В кишечнике у него развилась опухоль, по-видимому, от сильного потрясения, и он быстро погиб.

С тех пор прошло много времени, но поиск часов в организме продолжается. Часы эти очень разнообразны и многочисленны в любом организме. Ведь часы имеются в каждой клетке, часами обладает любой орган, сам организм это тоже своеобразные «часы». В последнее время «часы» удалось найти даже на молекулярном уровне. Ученые обнаружили, что суточные колебания возникают в результате наличия обратной связи между скоростями синтеза матричной РНК и кодируемого ею белка. В результате избыток матриц подавляет дальнейший синтез белков по нм, и наоборот, синтез молекул РНК ускоряется при снижении числа белковых молекул.

Лев Ердаков