Кто задает ритм?

Каждый организм функционирует в циркадном ритме. Кто же задает этот ритм? Может быть, животным его навязывает внешняя среда, и ее изменения соответственно меняют ритм?
А вдруг внешняя среда ни при чем, часы животного от нее не зависят вовсе, и что бы вокруг ни происходило, организм упрямо следует только своему внутреннему времени? В конце концов, молодое животное могло просто научиться жить по определенному суточному расписанию у своей мамы! Представьте себе мышь, воспитывающую потомство. В определенное время она кормит мышат, укладывает их спать и будит, разрешает им поиграть, заставляет усердно чиститься. Мышата привыкают к режиму и, повзрослев, учат уже своих детей. Так из поколения в поколение, от века, существует у мышей суточный ритм.
Вот и бытовало долгое время в хронобиологии три мнения о природе биологических часов:
1) биологические ритмы приобретаются в результате обучения;
2) являются врожденными;
3) связаны с реакцией организма на раздражители космического происхождения.
У каждой из этих гипотез было много приверженцев. Все они располагали доказательствами своей правоты, и не было видно конца затянувшемуся спору. Ученые разрабатывали сразу три направления, поэтому наука широко охватывала явление. Простор для мысли, не был ограничен одной общепринятой концепцией. Вероятно, поэтому столь интенсивно развивалась хронобиология в 20 веке. Каждое направление, получая все больше информации, углубляло знания в этой области. Познакомимся коротко с этими идеями.
Сторонники первого направления полагали, что чувство времени у животных может быть приобретено в результате обучения. Происходит нечто подобное запечатлеванию, наблюдаемое у многих животных. Заключается оно в установлении связи организма с объектами внешней среды. Такая связь, а точнее привязанность, проявляется в первые же часы жизни малыша и сохраняется длительное время. То есть, это пример мгновенного обучения с первого раза. Так, инкубаторные гусята, вместо гусыни увидевшие экспериментатора-человека, мгновенно сочли его мамой. Они следовали за ним, пугались, когда он исчезал, и не признавали мамой гусыню. Более того, когда человек делал им больно, случайно наступал на лапку, птенцы не убегали, спасаясь, а жались к его ногам. Вот что такое запечатлевание, или импринтинг, как называют его биологи. Поэтому можно предположить, что суточный ритм запущен самым ранним впечатлением молодого животного и продолжает действовать в течение всей жизни.
Но что делать с новорожденными крысятами, участниками опытов по нарушению ритма? Отнимали их у родителей сразу после рождения, крысенок даже маму не успевал рассмотреть! Помещали в 32-часовые сутки, а они упрямо демонстрировали циркадный ритм активности.
Ученые, верящие во врожденный суточный ритм, считали, что часы находятся внутри организма. Высокой точности узнавания времени этот внутренний инструмент достиг в процессе отбора. Животные, часы которых спешили или отставали, имели меньше шансов выжить. Вспомним чернотелок в пустыне, не успевших вовремя закончить трапезу и удалиться на покой. Занимался изучением их биоритмов новосибирский ученый В.И. Кузнецов, организовавший несколько экспедиций в Кара-Кумы. Он полагал, что работой таких часов, скорее всего, могут управлять биохимические реакции в организме. Среди каракумских чернотелок ему удалось найти популяцию, которая появлялась строго осенью и более ни в одно время года не отмечалась. У этого вида были своеобразные и очень точные годовые часы, которые ученый увязывал с особенностями химического состава рациона этих жуков и собственным окологодовым биохимическим циклом в их организмах. Сибирские физиологи и биохимики поддерживали идею врожденного суточного ритма и поставили себе задачу выяснить роль ритмической организации организма в приспособлении его к условиям среды.
Против врожденного характера суточного ритма резко возражали сторонники третьей точки зрения. Они были убеждены, что на животных воздействуют «потоки каких-то сил космического происхождения»: фазы Луны и циклы пятен на Солнце, атмосферное давление и магнитное поле Земли, ионизация атмосферы, космические лучи и слабые поля различных радиоволн. Известно, что живые организмы чрезвычайно чувствительны к очень слабым постоянным электрическим и магнитным полям. Такая чувствительность достаточна для восприятия естественных полей Земли. Растения и животные – от морских водорослей до крыс – обнаружили способность «предсказывать» изменение атмосферного давления обычно на два дня вперед.
Коль скоро большинство перечисленных факторов действуют на организм всегда, а сила воздействия периодически меняется, то ими можно объяснить всю работу биологических часов. Часы в этом случае находятся вне животного или растения. Живые организмы только послушно отвечают своей активностью на перестройку перечисленных воздействий. Таким образом, можно предсказывать изменение активности животного, составив своеобразный «гороскоп», например: Луна в третьей четверти, пятна на Солнце убывают, приближается магнитная буря, атмосферное давление падает, прорыв космических лучей и неожиданный поток радиоволн от заработавшего поблизости радиопередатчика большой мощности обеспечат сдвиг фазы активности жирафы на 4 градуса против вчерашнего. Однако трудно выяснить меру воздействия каждого из этих факторов на организм определенного животного! Ведь если верить, что оно живет по внешним часам, имеющим столь сложный механизм, то как угадать изменения, могущие возникнуть в режиме дня животного? Как этой гипотезой объяснить, что тараканы, перенесенные из Москвы в Новосибирск, продолжают жить по московскому времени? Москвичи, прилетевшие в Антарктику, тоже долго живут по московскому времени. Может быть, они все-таки «носят» часы внутри организма?
В настоящее время эти жаркие споры утихли. Явный перевес в ученом мире получила гипотеза эндогенных часов. Многочисленные эксперименты привели хронобиологов к убеждению, что все организмы имеют внутренние часы или сами ими являются.

Ваши часы отстают?

Что-то в наших рассуждениях не увязывается. Ритмы циркадные, то есть околосуточные, а не суточные. Допустим, они имеют у мыши период длиной в 23 часа. В этом случае через 276 часов у нашей мыши все в режиме дня станет наоборот. День превратится в ночь. Мышь же каждый день отстает от суток на час! Тем не менее, ежедневно наблюдая за ее поведением, невозможно обнаружить столь сильные перестройки режима. Более того, по вечерам мышь примерно в одно и то же время начинает свою интенсивную деятельность, а под утро, в одно и то же время, засыпает. Если ей приходится просыпаться днем, то и это она проделывает в определенные часы. Как же быть с оценкой ее ритма? Вообще, как узнать, что период ритма именно 23 часа?
Здесь придется снова вернуться к наблюдениям в постоянной темноте. Как раз в этих условиях можно точно измерить период ритма активности. Посмотрим, как выглядел эксперимент, поставленный на белках-летягах американской исследовательницей Патрицией де Курси.
Белку поместили в вольеру, снабженную автоматической системой освещения, и установили там обыкновенное беличье колесо, такое, как в любом зоопарке. Колесо соединили с записывающим устройством, поэтому всегда были известны начало и продолжительность двигательной активности грызуна. Обычно белка покидает свое дупло в определенное время, с заходом солнца. Всю ночь летяга занята активной деятельностью, а утром возвращается в гнездо.
Когда клетку со зверьком выставляли на улицу, на естественное освещение, то получали строгую зависимость между началом активности летяги и временем захода солнца. То есть такую же активность, как обычно. Заметим попутно, что время захода солнца постепенно меняется. День то растет, то сокращается. Прямая связь начала активности с наступлением сумерек говорит о том, что активность определяется изменением освещенности, то есть существует ориентир, позволяющий животному точно узнавать время.
Что произойдет, если ориентир исключить? Для этого летяг помещали в подвал и оставляли на несколько суток без света. Записи на барабане показали, что зверьки обнаруживали в новых условиях свой естественный режим. Такой ритм называют свободнотекущим. Приняв за точку отсчета максимальную активность, нетрудно измерить период ритма летяги. Измерили. В среднем он составляет 23 часа, варьируя от 22 часов 58 минут до 24 часов 21 минуты у разных особей. Несмотря на индивидуальные различия, период каждого животного оставался постоянным с точностью до нескольких минут.
Но остается открытым вопрос, как летяга с периодом ритма в 23 часа ухитряется в природе поспевать за 24-часовыми сутками. Мы уже заметили, что ориентиром к началу активности служит режим освещенности. Чтобы убедиться в этом окончательно, проводили целую серию опытов, изменяя условия освещенности. Регулярно в постоянной темноте зверьки послушно показывали свой свободнотекущий ритм, не зависящий от среды. Через несколько дней время активности животных сдвигалось вперед. Ритм короче 24-х часов, и часы, естественно, спешат. Когда ритм основательно ушел вперед, на белок воздействовали 24-часовым циклом свет – темнота (12 часов света, 12 – темноты). Начало активности сдвигалось назад. Летяги, как обычно, стали выходить из дупла с началом темноты. Такие опыты повторили много раз, и неизменно в темноте животные показывали свободнотекущий ритм, а при чередовании света и темноты затягивали свой ритм активности до 24 часов.
Остановимся еще на одном интересном опыте. Белка-летяга опять живет в постоянной темноте. Вот по её внутренним часам наступило время покидать гнездо и заниматься делами. В этот момент резко включили свет. Что ж, белка отложила свои дела и осталась в гнезде, – коль скоро сумерки еще не наступили, то их стоит подождать. Световой сигнал просто подавил сигнал внутренних часов. Если свет включали во время, полной активности грызуна, то действие вспышки проявлялось значительно меньше, а если вспышка приходилась на период покоя, то зверек на нее не реагировал вовсе.
Итак, фактор освещенности оказывается сигнальным. Наступление новых суток затягивает ритм у животных, если его период менее 24-х часов, и сокращает, если он более суточного. По-видимому, мы имеем дело с двумя зависимыми колебательными системами. Одна из них – организм со своим внутренним ритмом колебаний, а вторая – среда с ее цикличными природными изменениями. Связь между ними осуществляется за счет светового цикла. Биологические ритмы ему подчиняются.

Лев Ердаков